JP2009243886A - 光分析装置 - Google Patents

Abstract

【課題】光分析装置において測定感度の向上、低コスト化、小型化、構成フレキシビリティ性の向上、耐外乱性の向上等を一挙に促進する。
【解決手段】レーザ光源１からの光を内部を屈折させながら伝搬させるとともにその光の伝搬軌道上に分析対象物を導入することができるように構成されたファイバ型分析部２と、選択波長が前記分析対象物の吸収波長帯域に設定された波長選択素子４と、前記ファイバ型分析部２で選択された光の強度を検出する測定用光検出手段３と、前記波長選択素子から導出された光の強度を検出する参照用光検出手段５と、を設けておき、前記レーザ光源１とファイバ型分析部２との間、前記ファイバ型分析部２と測定用光検出手段３との間、前記レーザ光源１と波長選択素子４との間及び前記波長選択素子４と参照用光検出手段５との間をそれぞれ光ファイバ９１〜９４によって接続するようにした。
【選択図】図１

Description

本発明は、レーザ光源からガス等の分析対象物に照射された光の強度低下などに基づいて当該分析対象物の濃度又は密度を測定する光分析装置に関するものである。

この種の光分析装置の一種として、例えば特許文献１に示すような赤外線分光分析装置が知られている。このような分析装置の光学系は、複数の光学素子を正確に位置決めしながら機械的に組み立てることで、光路を確定させた構成となっている。
ＷＯ９５／２６４９７号公報

しかしながら、そのために部品点数が多くなって高価となり、また外乱（振動や熱）に対しても敏感になるという不具合が生じうる。

そこで本発明は、上述した不具合を解決し、この種の光分析装置において測定感度の向上、低コスト化、小型化、構成フレキシビリティ性の向上、耐外乱性の向上等を一挙に促進することをその主たる所期課題とするものである。

すなわち本発明に係る光分析装置は、レーザ光源から射出されて分析対象物を通った光の強度に基づいて、当該分析対象物の濃度又は密度を測定する光分析装置である。

そして、内部に導入された光を屈折させながら伝搬させるとともにその光の伝搬軌道上に分析対象物を導入することができるように構成されたファイバ型分析部と、選択波長が前記分析対象物の吸収波長帯域に設定された波長選択素子と、前記ファイバ型分析部から導出された光の強度を検出する測定用光検出手段と、前記波長選択素子から導出された光の強度を検出する参照用光検出手段と、を具備してなり、前記レーザ光源とファイバ型分析部との間、前記ファイバ型分析部と測定用光検出手段との間、前記レーザ光源と波長選択素子との間及び前記波長選択素子と参照用光検出手段との間を光ファイバによってそれぞれ接続するようにしたことを特徴とする。

このような構成によれば、光路が全て光ファイバで構成されるので、測定のための各構成部材の位置決めが不要となり、架台や固定具を省略できるうえ、ガスセルなどの分析対象物を収容するセルが不要となることから、コンパクト化、低コスト化を大きく促進できる。

また、配置のフレキシビリティ性が向上し、ファイバ型分析部を自在な箇所に設置できることから、例えばファイバ型分析部をレーザ光源や各検出手段から遠ざけて爆発性の高い危険な分析対象物を測定したり、ファイバ型分析部をチャンバ内に設置してin-situ測定したりすることが、極めて容易にできるようになる。

さらに、各構成部材が光ファイバで接続されているから、外乱（特に振動やノイズ）の影響を受けにくいうえに、参照用光検出手段によって、レーザ光源から射出される光の強度を監視しているので、温度の変化などに起因するレーザ光源の出力変動に対しても、これを制御してキャンセルすることが容易にできる。

本発明に係るレーザ光源としては、近赤外領域の光を射出する半導体レーザを用いることが特に好ましい。その理由としては、近赤外光が光ファイバで比較的伝送容易な波長であることが挙げられる。また、近年、光通信の発達が契機となって半導体光学素子が著しく発展し、高出力で安価な近赤外半導体レーザが開発されつつあることも挙げられる。ただし、ガス計測分野で従来用いられていた２．５μｍから２０μｍの中赤外光に比べ、近赤外光は、分子吸光係数の大きさが１／１０〜１／５と小さく、その分、ノイズの極めて少ない安定性に優れた出力が必要となるが、本発明によれば、上述したように、レーザ光源の出力安定化を図れるため、近赤外領域の光を射出する半導体レーザを初めて用いることができるようになったものである。

レーザ光源の波長を校正できるようにするには、レーザ光源用温度調整機構と、波長選択素子用温度調整機構とをさらに具備しているものが望ましい。波長選択用素子を温調して選択波長を変更することができるからである。

波長選択用素子からの戻り光によるレーザ光源の不安定発振を防止するには、前記波長選択素子からの反射光を前記参照用光検出器に導くように構成しているものであって、前記反射光がレーザ光源に戻ることを抑制するアイソレータを光ファイバの途中に設けているものが好ましい。

光ファイバの好ましい実施態様としては、レーザ光源とファイバ型分析部とを接続する光ファイバから別の光ファイバを分岐させて波長選択素子に接続するとともに、前記別の光ファイバから、さらに別の光ファイバを分岐させて参照用光選択素子に接続しているものを挙げることができる。

前記ファイバ型分析部が、光ファイバの側周面に分析対象物を導入することが可能な有底溝又は有底穴を設け、その有底溝又有底穴が、光ファイバにおける光伝搬領域の一部に到達するように構成したものであれば、このファイバ型分析部に、第１、第２光ファイバを継ぎ手無く直接接続することができる。またファイバ型分析部を長くして測定精度を向上させることが容易にできる。

実効長を長くして測定精度を向上させながら、例えば櫛歯状やとぐろ状に湾曲させることによって、コンパクト化を図るには、前記ファイバ型分析部を湾曲させているものが望ましい。

多波長測定波長を可能とするには、異なる複数のレーザ光源及びそれぞれに対応する複数の波長選択素子を具備しているものが好適である。

さらに本発明は、波長選択素子を有するものに限られず、これを他の構成で代用し、同様の作用効果を得ることもできる。波長選択素子の代わりの部材としては、前記分析対象物と同一の光学特性を有した参照物質を内部に保持する参照用セルを挙げることができる。

かかる構成の本発明によれば、全ての光路が光ファイバで構成されるので、各光学部材の配置に対するフレキシビリティ性が向上し、in-situ測定など使用態様の自由度が向上する。また、各光学部材を正確に載置するための架台や固定具が不要になることから低コスト化を大きく促進できる。

さらに、各光学部材が光ファイバで接続されているから、外乱（特に振動やノイズ）の影響を受けにくく、加えて参照用光検出手段の出力を安定に保つべくレーザ光源への電力を制御することで、レーザ光源の出力を安定に維持することが容易にできる。

以下に本発明の一実施形態を説明するが、本発明はこの実施形態のみに限定されるものではない。

＜構成＞
本実施形態に係る光分析装置１００は、例えば、サンプルガス中に含まれる水蒸気（Ｈ_２Ｏ）濃度を検出するための赤外線ガス分析装置であり、図１に模式的に示すような構成を有している。

この図１において、符号１は、ガス分析用の測定光たる赤外光を射出する半導体レーザである。ここでは、近赤外領域（約０．８μｍ〜約２．５μｍ、この実施形態ではＨ_２Ｏ濃度を測定するので、例えば１３９０ｎｍ）のコヒーレントな光（以下、レーザ光とも言う）を射出するものを用いている。

符号２は、サンプルガス中に曝露されるファイバ型分析部である。このファイバ型分析部２は、図２、図３に示すように、コア２ａ及びクラッド２ｂからなり、その境界領域で光ファイバと同じく光を屈折させながら伝搬させるもので、その一端が第１光ファイバ９１を介して半導体レーザ１に接続されている。なお、前記コア２ａは、ここでは図２に示すように、例えば中心部に軸方向に延びる複数の細孔Ｈを設けて形成してある。しかしてこのファイバ型分析部２の側周面には、前記コア２ａ及びその周辺に形成される光伝搬領域に到達する深さの有底溝２１が軸方向に延びるように穿設してあって、サンプルガスがこの有底溝２１に導入されると、内部を伝搬する光がそのガス中の分析対象物である水蒸気によって減衰し、このファイバ型分析部２を通過して他端から出力される光の強度が小さくなるように構成してある。

符号３は、測定用光検出手段である。この測定用光検出手段３は、例えばフォトダイオードを用いたものであり、第２光ファイバ９２によってファイバ型分析部２の他端と接続されている。

なお、ファイバ型分析部２は、前述したように光ファイバに有底溝２１を形成したものであり、第１、第２光ファイバ９１、９２と同径をなすものであることから、ここでは第１、第２光ファイバ９１、９２に融着接続している。もちろん、コネクタを用いて接続してもよい。

符号４は、分析対象物たるＨ_２Ｏガスの吸収波長に選択波長帯域を合致させるように設定した波長選択素子たる反射型のファイバグレーティングである。このファイバグレーティング４は、前記第１光ファイバ９１からカプラ９ａを使って分岐させた第３光ファイバ９３の先端に接続してあり、半導体レーザ１からの光の一部（ここでは約１／１０）を第１、第３光ファイバ９１、９３を介して受光し、Ｈ_２Ｏガスの吸収波長と合致する波長の光のみを反射して第３光ファイバ９３に戻すように構成されている。

符号５は、前記ファイバグレーティング４で選択された光の強度を検出する参照用光検出手段である。この参照用光検出手段５は、前記測定用光検出手段３同様、例えばフォトダイオードを用いたものであり、第３光ファイバ９３からカプラ９ｂを使って分岐させた第４光ファイバ９４の先端に接続してある。

符号６は、ファイバグレーティング４からの反射光がレーザ光源に戻ることを遮断するアイソレータであり、第１光ファイバ９１における前記カプラ９ａと半導体レーザ１との間に設けてある。このアイソレータ６によって、前記反射光による半導体レーザ１の不安定発振を防止している。

符号７は、半導体レーザ１を一定温度に保ち、その出力を安定させるためのレーザ光源用温度調整機構である。このレーザ光源用温度調整機構７は、例えばペルチェ素子を内部に有するペルチェモジュールと、ペルチェ素子を動作させてペルチェモジュールの表面基板の温度を設定温度に保つためのサーモスタットや制御回路（図示しない）とからなるものであり、前記表面基板上に半導体レーザ１を搭載するようにしている。

符号８は、ファイバグレーティング４を一定温度に保ち、その特性を安定させるための波長選択素子用温度調整機構である。この波長選択素子用温度調整機構８は、レーザ光源用温度調整機構７とは独立して温度調整できるものであり、レーザ光源用温度調整機構７と同様、ペルチェモジュールと、その制御のための周辺機器とを具備している。そしてファイバグレーティング４は、ペルチェモジュールの表面基板上に搭載するようにしている。

符号１０は、各光検出手段３、５からの出力信号を受信して、半導体レーザ１への供給電流、各温度調整機構７、８を制御しつつ、分析対象物たるＨ_２Ｏガスの濃度を算出する情報処理装置である。この情報処理装置１０は、例えばアナログ回路や、ＣＰＵなどのデジタル回路を利用して構成したものである。

＜動作＞
次に、このような構成における本装置１００の動作について説明する。
まず、情報処理装置１００による制御動作及び初期設定について説明する。
半導体レーザ１から射出された光は、第１光ファイバ９１に導入され、その一定比率分が第３光ファイバ９３を介してファイバグレーティング４に導入される。そしてファイバグレーティング４で、Ｈ_２Ｏガスの吸収帯波長の光のみが反射され、第４光ファイバ９４を介して参照用光検出手段５に導入される。

参照用光検出手段５から出力される参照信号は、半導体レーザ１から出力されるガス成分吸収波長帯域の光の強さを表すものであることから、情報処理装置１０又はオペレータは、この参照信号の値が最も大きくなるように、すなわち半導体レーザ１の出力波長がサンプルガスの吸収波長帯域に合致するように、レーザ光源用温度調整機構７を操作して半導体レーザ１の温度を調整する。そのときの参照信号の値は、情報処理装置１０によって目標値として記憶され、以降、情報処理装置１０は、半導体レーザ１の劣化等による影響を排除すべく、前記目標値となるように半導体レーザ１への供給電流を制御してその出力安定化を図る。

次に、セルに既知濃度のサンプルガスを導入し、測定用光検出手段３の出力を測定することによって校正を行う。その校正データは、情報処理装置１０に記憶させておく。なお、ガスによるファイバ分析部の汚れ等の影響を排除するために、この校正は定期的に行うようにしている。

このように初期設定を終了した後、測定を開始する。
半導体レーザ１からの光はファイバ型分析部２を通過して測定用光検出手段３に照射されることから、ファイバ型分析部２にガスを導くと、測定用光検出手段から出力される測定信号は、半導体レーザ１から出力されてガスによって吸収された後の光の強さを表すものとなる。

したがって、情報処理装置１０は、この測定信号を受信し、その値と予め記憶している前記校正データとに基づいて、分析対象となるガス成分の濃度を算出する。

＜効果＞
このような構成によれば、光源たる半導体レーザ１から光検出手段までの光路が全て光ファイバで構成されるので、各光学部材（半導体レーザ１、ファイバ型分析部２、グレーティング４等）の位置決めが不要となり、架台や固定具を省略できるうえ、ガスセルなどの分析対象物を収容するセルが不要となることから、コンパクト化、低コスト化を大きく促進できる。

また、配置のフレキシビリティ性が向上し、ファイバ型分析部２を自在な箇所に設置できることから、例えばファイバ型分析部２を半導体レーザ１等から遠ざけて爆発性の高い危険な分析対象物を測定したり、ファイバ型分析部２をチャンバ内に設置してin-situ測定したりすることが、極めて容易にできるようになる。

さらに、各光学部材が光ファイバ９１、９２、９３、９４で接続されているから、外乱（特に振動やノイズ）の影響を受けにくいうえに、参照用光検出手段５によって、半導体レーザ１から射出される光の強度を監視しているので、温度の変化などに起因する半導体レーザ１の出力変動に対しても、これを制御してキャンセルすることが容易にできる。

また、この構成によって、高出力で安価な近赤外半導体レーザ１をガス分析に初めて使用できることから、その点でも大幅な低コスト化を促進できる。

＜変形例＞
本発明は前記実施形態に限られない（なお、以下の説明又は図中、前記実施形態に対応する部材には同一の符号を付すこととする）。

例えばファイバ型分析部２であるが、前記実施形態のように直線とはせず、図４に示すように、複数回湾曲させて櫛形状としたり、とぐろ状にしたりして、コンパクト性を維持しながら、サンプルガスとの接触面積を増大させて分析感度を向上させるようにして構わない。なお、通常は、光ファイバを図４のようにきつく湾曲させることは、光伝達効率が低減することから通信分野等では考えられないが、ここでの目的は、光を効率よく伝搬させるのではなく、ガスによる吸収度を見るためであるから、湾曲させてなんら問題は生じない。

また、ファイバ型分析部２として、図５に示すような中空ファイバを使用することも考えられる。この図５では、サンプルガスを一端部側面から導入して他端部側面から導出するフロー測定方式を採用している。

ファイバグレーティングに関して言えば、その温度を変化させると選択波長が変動することから、これを積極的に利用し、グレーティングの温度を変化させることによって半導体レーザ（レーザ光源）の波長校正を行うようにしてもよい。

また、波長選択素子は、接続容易性の観点からファイバグレーティングが好ましいが、その他の回折格子やプリズムなどを用いて構わない。また波長選択素子に代えて、図６に示すように、前記分析対象ガスと同一の（又は同一の光学特性を有する）所定濃度のガスを内部に保持する参照用セル４’を利用してもよい。この場合、参照用光検出手段５の出力が最も小さくなるように、すなわち吸収が最も強くなるように、レーザ光源用温度調整機構７によって半導体レーザ１の波長を調整する。このことにより半導体レーザ１の波長を分析対象ガスの吸収波長に固定できる。

また、図１１に示すように、単一のファイバ型分析部２に、異なる波長のレーザ光源１と波長選択素子４とを対にして複数並列に接続し、複数波長の測定をできるようにした構成も考えられる。この場合、例えば、各レーザ光源を、時間を異ならせて発光（時分割発光）させて測定すればよい。さらに、図１２に示すように、レーザ光源１と同数の、ファイバ型分析部２及び測定用光検出手段３を複数並列設けても構わない。このようにすれば、各光源１を同時発光させて測定することも可能になる。

測定用光検出手段側に異なる波長を通過させる複数のフィルタを設けるとともに各レーザ光源を同時発光させ（この場合はレーザ光源ではなく白色光光源も用いることができる）、フィルタを切り換えて複数波長の測定を時分割で行うようにしても構わない。

さらに、図１３に示すように、ファイバ型分析部２の出力端に反射鏡を設け、ファイバ型分析部２への入力用光ファイバ９１（前記第１光ファイバ９１に相当）に、ファイバ型分析部２を通って出力される光を入力光とは逆向きに伝搬させるようにしてもよい。この場合は、入力用光ファイバの途中に分岐用カプラを設け、ファイバ型分析部２を通過して戻ってくる光のみを、その分岐用カプラで分岐させて出力用光ファイバ９２（前記第２光ファイバ９２に相当）に導き、その先端に設けた測定用光検出手段３で戻り光の光強度を検出すればよい。

加えて、分析部の態様は、ファイバ型のみならず、通常のガスセル等でも構わない。このようにしても、分析部のみを、レーザ光源や測定用光検出手段、あるいは、波長選択素子など他の光学部材と、光ファイバを介して例えばｋｍ単位で離間させることができるので、爆発性や有毒性など危険性の高いガスを取り扱う上での高い安全性を確保できる。

ガス以外の液体や、その他、様々な物理化学現象に本発明に係る光分析装置を応用することも可能である。

例えば、分析対象物をタンパク質として、本光分析装置をタンパク質センサに適用することが可能である。図７は、その場合のファイバ型分析部２の断面を示している。このファイバ型分析部２は、光ファイバのクラッド２ｂを一部切除して露出したコア２ａの表面を、分析対象物を捕獲する捕獲部材２２で被覆した構成を有している。捕獲部材２２は、例えば図８（ａ）に一部を拡大して示すように、コア２ａ露出部分を被覆するＡｕ膜２２１と、そのＡｕ膜２２１の表面に固定化した抗原又は抗体２２２とからなるものである。この抗原又は抗体２２２は、センシングしたいタンパクＰと抗原抗体反応を引き起こし、結合する（図８（ｂ）参照）ものである。また、測定用光検出手段としては例えば面センサを用いて第２光ファイバからの光の広がり角を測定する。

このようなものであれば、図８（ｂ）に示すように、分析対象物であるタンパクＰが、前記捕獲部材２２に捕獲されると、ファイバ型分析部２（又はそれに接続されている第２光ファイバ）から出てくる光の拡がり角が、図９に示すように捕獲前の拡がり角より大きくなるので、その変化を読み取ることによりタンパクの濃度を検出することができる。

また、図９に示すように、クラッド２ｂを全て取り除いてコア２ａのみとし、そのコア２ａの表面に捕獲部材を被覆しても構わない。このことにより、より高精度な測定を実現できる。

同様の構成で、ＤＮＡのハイブリダイゼーション反応も検出することができる。上記の内容では抗原をＡｕ表面に固定化したが、抗原の代わりにプローブＤＮＡを固定化すれば、ターゲットＤＮＡを検出することができる。

酸化チタンをコアに被覆した構成にすれば、有機物検出センサとして機能させることもできる。ファイバ型分析部に導入された光は、酸化チタンに光酸化のエネルギを与えるとエネルギが減衰し、波長が変化する。サンプル中に有機物が多いと、光エネルギが光酸化のためにその分消耗されて減衰し、波長が変化する。また酸化チタンは酸素の量によってその光酸化作用が変化する。したがって酸素濃度センサとしても応用できる。本装置によれば光ファイバを用いることで例えば携帯型にまで小型化できるので、これを携帯電話に搭載するといったことが可能もなる。

その他にも、湿度センサ、水センサ、信号機に内蔵するＮＯｘセンサ、ＮＯセンサ、血液の現場検査用センサ（グルコース、尿酸）、手術中のグルコースセンサ、弁当など食品の新鮮度チェックセンサに、本光分析装置を適用することが可能である。

符号の説明

１００・・・光分析装置
１・・・レーザ光源（半導体レーザ）
２・・・ファイバ型分析部
２１・・・有底溝２１
３・・・測定用光検出手段
４・・・波長選択素子（ファイバグレーティング）
５・・・参照用光検出手段
６・・・アイソレータ
７・・・レーザ光源用温度調整機構
８・・・波長選択素子用温度調整機構
９１、９２、９３、９４・・・光ファイバ
４’・・・参照用セル

本発明の一実施形態における光分析装置の全体を示す模式的全体図。 同実施形態におけるファイバ型分析部を示す横端面図。 同実施形態におけるファイバ型分析部を示す縦断面図。 本発明の他の実施形態におけるファイバ型分析部を示す概要図。 本発明のさらに他の実施形態における光分析装置の全体を示す模式的全体図。 本発明のさらに他の実施形態における光分析装置の全体を示す模式的全体図。 本発明のさらに他の実施形態におけるファイバ型分析部を示す横端面図。 同実施形態における捕獲部材とその作用を説明する模式的部分拡大図。 同実施形態における拡がり角を示す説明図。 本発明のさらに他の実施形態におけるファイバ型分析部を示す横端面図。 本発明のさらに他の実施形態における光分析装置の全体を示す模式的全体図。 本発明のさらに他の実施形態における光分析装置の全体を示す模式的全体図。 本発明のさらに他の実施形態における光分析装置を部分的に示す模式的全体図。

Claims (9)

1. レーザ光源から射出されて分析対象物を通った光の強度に基づいて当該分析対象物の濃度又は密度を測定する光分析装置であって、
   内部に導入された光を屈折させながら伝搬させるとともにその光の伝搬軌道上に分析対象物を導入することができるように構成されたファイバ型分析部と、選択波長が前記分析対象物の吸収波長帯域に設定された波長選択素子と、前記ファイバ型分析部で選択された光の強度を検出する測定用光検出手段と、前記波長選択素子から導出された光の強度を検出する参照用光検出手段と、を設けておき、
   前記レーザ光源とファイバ型分析部との間、前記ファイバ型分析部と測定用光検出手段との間、前記レーザ光源と波長選択素子との間及び前記波長選択素子と参照用光検出手段との間をそれぞれ光ファイバによって接続するようにしたことを特徴とする光分析装置。
2. 前記レーザ光源が近赤外領域の光を射出する半導体レーザである請求項１記載の光分析装置。
3. レーザ光源用温度調整機構と、波長選択素子用温度調整機構とをさらに具備している請求項１又は２記載の光分析装置。
4. 前記波長選択素子の反射光を前記参照用光検出器に導くように構成しているものであって、前記反射光がレーザ光源に戻ることを抑制するアイソレータを光ファイバに介装している請求項１乃至３いずれか記載の光分析装置。
5. レーザ光源とファイバ型分析部とを接続する光ファイバから別の光ファイバを分岐させて波長選択素子に接続するとともに、前記別の光ファイバから、さらに別の光ファイバを分岐させて参照用光選択素子に接続している請求項４記載の光分析装置。
6. 前記ファイバ型分析部が、光ファイバの側周面に分析対象物を導入することが可能な有底溝又は有底穴を設け、その有底溝又有底穴が、光ファイバにおける光伝搬領域の一部に達するように構成したものである請求項１乃至５いずれか記載の光分析装置。
7. 前記ファイバ型分析部を湾曲させている請求項６記載の光分析装置。
8. 波長の異なる複数のレーザ光源及びそれぞれに対応する複数の波長選択素子を具備している請求項１乃至７記載の光分析装置。
9. レーザ光源から射出され分析対象物を通った光の強度に基づいて当該分析対象物の濃度又は密度を測定する光分析装置であって、
   内部に導入された光を屈折させながら伝搬させるとともにその光の進行軌道上に分析対象物を導入することができるように構成されたファイバ型分析部と、前記分析対象物と同一の光学特性を有した参照物質を内部に保持する参照用セルと、前記ファイバ型分析部で選択された光の強度を検出する測定用光検出手段と、前記参照用セルから導出された光の強度を検出する参照用光検出手段と、を設けておき、
   前記レーザ光源とファイバ型分析部との間、前記ファイバ型分析部と測定用光検出手段との間、前記レーザ光源と参照用セルとの間及び前記参照用セルと参照用光検出手段との間を光ファイバによってそれぞれ接続するようにしたことを特徴とする光分析装置。