JP2009531671A

JP2009531671A - 流動光度分析用フローセル

Info

Publication number: JP2009531671A
Application number: JP2009501815A
Authority: JP
Inventors: 陵成洪
Original assignee: 陵成洪
Priority date: 2006-03-31
Filing date: 2007-03-20
Publication date: 2009-09-03
Anticipated expiration: 2027-03-20
Also published as: US7830503B2; CN1825089A; US20090046282A1; WO2007112659A1; JP4974390B2; CN100419406C

Abstract

本発明は流動状態において光度計測を行うための流動光度分析用フローセルに関する。該流動光度分析用フローセルは、１本の基体の内部を通過しかつ基体内部において少なくとも２箇所の円弧状の折曲部を含む透明管を流体通路とし、光通路は光入射口と光出射口との間に位置しかつ両端部が折曲げられた１段落の直管であり、該光通路の両端部の折曲部の外壁は透明管と一体である平面透光ウィンドウを形成している。該フローセルは透明性プラスチック管またはガラス管を流体通路とすることにより、流体の安定した層流状態を確保し、泡を滞留させず、効率よく乱流及び泡に起因する負のピークと妨害ピークを回避できるとともに、透明管の透光性を用いて管路と一体の平面透光ウィンドウを製作することにより、漏れ及び折曲げにより死角の問題を徹底的に解決し、構造の簡易化は勿論、測定精度を大幅に向上させることができ、予期できぬ効果が得られる。

Description

本発明は流体の化学成分の含有量を計測するための光度計測器におけるフローセルに関し、特に、流動状態において光度計測を行う化学分析機器である流動光度分析用フローセルに関する。

流動光度分析はパイプ化で連続に流動させる分析方法であり、試料溶液が、キャリア溶液に注入されてキャリア溶液またはキャリア溶液中の試薬と反応してから、キャリアの移動に従って一定の速度で計測器に流れ込まれて計測されるようになる。流動光度分析は、その操作が簡単で、分析速度が速く、精度が高く、かつ自動連続分析が図りやすいため、近年、環境、臨床、医学、農林、冶金・地質、工業モニタリング、バイオ化学、食品などの数多い分野に幅広く適用されている。フローセル付きの光電比色計は、流動分析法において最も多く適用される光学計測器である。

光電比色計のフローセルの基体には流体の入口と廃液の出口が設けられ、該基体内部には前記入口と出口との間を貫通するように流体通路が設けられている。当該流体通路は、基体内部に少なくとも２つの折曲部を有し、光通路は光入射口と出射口との間に設けられ、光通路の両端部のいずれもが流体通路の折曲部に位置するようになっている。伝統的なフローセルは、その流体通路の形状により、Ｚ字型（図１を参照）、Ｈ字型（図２を参照）、及びＵ字型等の構造に分けられる。いずれの構造であっても、その光通路の両端部のいずれにも必ず石英ウィンドウまたはガラスウィンドウが設けられ、かつ流体通路は基体内部に直接彫ることにより形成されたものである。流体輸送管と基体の入口が接続された後、流体は、ポンプの駆動力により、基体内部のグルーブに沿って出口端へ流動するようになるが、途中、流体が光通路を流通する際に光照射されて、光度分析計測を受けることになる。このような従来のフローセルには以下のような問題があった。（１）流体輸送管と光通路との直径が不一致で、および光通路の両端部に折曲による死角が存在するため、流体のそもそも安定であった層流状態が乱流状態に変わり、光の屈折を発生させて、妨害ピークとして現れる。妨害ピークが酷い場合、測定ピークの値が破壊され、測定に誤差が生じる。（２）通路内壁の表面粗さが理想的ではないため、液体中の微小な泡が滞留し易くなり、光通路に吸着されて排除しにくくなる。泡に起因する光散乱により偽吸収が測定され、測定に誤差が生じる。（３）ガラスまたは石英ガラスウィンドウの場合、高圧で漏れが生じやすく、または、温度変化の際に、各材料の膨張係数の違いにより漏れが生じる。（４）流体通路は、基体上においてグルーブの形成、研磨などを施す複数の工程を用いるため、そのプロセスが複雑で、その精度に対する要求が高く、製造コストが高くなるが、その要求される精度まで達することは難しい。今のところ、伝統的なフローセルにおける以上の問題に対する確実な解決方法はない。特に、高腐蝕性・高酸化性の流体に対する流動測定において、その限界がもっと著しく現れる。
米国特許４００８３９７中国特許２７１１７３２

本発明は上記の問題を解決するためになされたものであり、その目的は、泡が滞留せず、妨害ピークが存在しないとともに、漏れが発生せず、測定値が精確で確実である流動光度分析用フローセルを提供することである。

該流動光度分析用フローセルは光入射口と光出射口が設けられた基体を含む。本発明は、１本の基体の内部を通過する透明管を流体通路とし、透明管の両端部は基体から延び出され、それぞれ流体流入管と廃液流出管とにされ、該透明管は、基体内部において、少なくとも２箇所の円弧状の折曲部を含み、光通路は光入射口と光出射口との間に位置しかつ両端部が折曲げられた１段落の直管であり、該光通路の両端部における折曲部の外壁は透明管と一体である平面透光ウィンドウを形成し、前記透明管は基体内部に予め設けられたグルーブまたはきり孔により位置決めされる、ことを特徴とする。
前記透明管として、耐蝕性のポリテトラフルオロエチレン、ポリエチレン、ポリ塩化ビニルなどの透明性プラスチック管または透明性ガラス管、透明性石英管などを選択して用いることができる。

透明管の直径は、流動分析用流路の送液管と相等または近似するように選択することができる。このようにすることにより、セールに入る前後の管の直径と幾何的形状が大きい変化がないので、流体がフローセルの通路内部においてそもそもの流速と層流状態を保つようになり、光の屈折が発生せず、測定結果に妨害ピークが現れない。
なお、透明管の流体流入端が基体外部に伸び出された管部分が適宜の長さを有する場合、流体は光通路に流入する前に安定した流動状態に達するようになる。透明管の直径と分析用流路中の毛細管の直径との差が大きくても、フローセルの層流状態を保持することができる。

本発明のフローセルは流体通路として透明管を用いるので、通路の内壁が平滑であり、光通路の内部に泡が滞留することはない。該フローセルの透明管は、基体内部における折曲部が円弧状であり、折曲部に死角が存在しないため、流体の方向変更が安定となり、層流状態を保持することができ、不安定な乱流状態が発生することはない。そのため、該フローセルの内部における流体の全般的流動が安定した層流を保持することができ、精確な測定を確保でき、妨害ピークまたは負のピークが存在することはない。伝統的なフローセルと比較して、該フローセルの製作プロセスは大幅に簡易化され、基体上にプローブまたはきり孔が設けられているものの、その作用は透明管に対するカイドと位置決めに限られ、直接流体通路としないため、プローブまたはきり孔のサイズ及び内壁の表面粗さに対する要求が厳しくなく、大幅に製造コストを削減することができる。該フローセルの光通路は全体のプラスチックチューブにける１段落の直管であり、管壁の透明性を利用して、光通路の両端部における折曲部の外管壁を平滑な平面に加工して管路と一体となった平面透光ウィンドウを形成することにより、別途にガラスまたは石英ガラスウィンドウを設ける必要がないので、構造が簡単で、かつ漏れの問題を完全に解決することができる。

以上のまとめると、本発明は透明管をフローセルの流体通路とすることにより、流体の安定した層流状態を確保するだけでなく、泡が滞留せず、乱流及び泡に起因する負のピークと妨害ピークを有効に回避するとともに、透明管の透光性を利用して、光通路の両端部における折曲部の外壁を平面状に加工して、該透明平面を透光ウィンドウとして兼用することにより、ガラスウィンドウまたは石英ガラスウィンドウを別途に設ける必要はない。この巧妙な設計により、長期に渡って人々を困らせた漏れや折曲げによる死角の問題を解決することにより、構造の簡易化は勿論、測定の精度を大幅に向上させることができ，予期できぬ効果が得られる。

図１は伝統的なＺ字型フローセルを示す。その流体通路は基体上に彫られたＺ字型通路８であり、流体は、その１つの端部から流れ込み、セールに沿って流れてもう１つ端部から流れ出るように構成される。その光通路の両側には、ポリテトラフルオロエチレン製のシールリングによりシーリングされた石英ウィンドウまたはガラスウィンドウ１０が設けられている。

図２は伝統的なＨ字型フローセルを示す。その流体通路は基体上に彫られたＨ字型通路９であり、流体は、そのセールの下方の中央から流れ込んだ後２つの経路に分岐され、それぞれ反対方向に沿って流れてウィンドウ口に到達してから、上方の中央に合流して流れ出るように構成される。その光通路の両側には、ポリテトラフルオロエチレン製のシールリングによりシーリングされた石英ウィンドウまたはガラスウィンドウ１０が設けられている。

上記の２つの図面により分かるように、伝統的なフローセルの光通路の両端部のいずれにも、ポリテトラフルオロエチレン製のシールリングによりシーリングされた石英ウィンドウまたはガラスウィンドウ１０を別途設ける必要があり、その構造が複雑で漏れが発生しやすい。また、いずれの通路も直接基体上に彫られたものであり、製造の際にその内壁を研磨で仕上げなければならず、使用の際にその清潔を保たつ必要があり、かつ製造の精度に対する要求が高い。

[実施例１]本発明に係るＺ字型フローセル
図３に示すように、該フローセルの基体は基座３、左端部カバー３-１及び右端部カバー３-２を接合して形成されている。本実施例において、流体通路の透明管１として透明プラスチックチューブを用いる。透明プラスチックチューブ１は、基体内部において２回折曲げられてＺ字型を呈し、２つの折曲部の間の直管区間１-１は光入射口４と光出射口５との間に位置する光通路をなし、光通路１-１の両端部にある折曲部の外壁は平滑な傾斜平面１-２と１-２′に加工され、全体の管路と一体となった平面である光の入射透光ウィンドウと出射透光ウィンドウを形成する。平面の出射透光ウィンドウ１-２′の前側には遮光板２が設けられ、遮光板２のアパーチャー２-１のアパーチャー径は光通路１-１の内径と対応している。プラスチックチューブ１の両端部は、それぞれ上方向及び下方向に向けて基体から伸び出されている。該フローセルを使用の際に、流体はプラスチックチューブ１の下端部からフローセルに流れ込み、廃液は上端部の管口から流れ出る。被測定の試料を載せた流体が光通路１-１を流れる際に光照射された後、光電比色計によりその光電圧の変化値を測定し、そのピークにより、試料中のある成分の含有量を求めることができる。本実施例では、光通路１-１に対する脇からの光による雑音の発生を防ぐために、基体から出入りする管区間のプラスチックチューブ１の外部にブラックスリーブ６を被覆している。測定の際に、基体外のブラックスリーブ部分的管体を一周巻く（帯目を作るようにしてもよい）ことにより、光が透明管を沿って光通路に入射され雑音になることを防ぐようにする。

[実施例２]本発明に係るＵ字型フローセル
図４に示すように、このＵ字型フローセルの基本的な構造は実施例１と同様であるが、流体通路としての透明プラスチックチューブ１が基体内部において折曲げられてＵ字型を呈し、管の両端部とも基体から上方向に伸び出され、かつ伸び出された区間にブラックスリーブ６が被覆されている点が、実施例１と異なる。本実施例における遮光板２は、透光ウィンドウ１-２′の傾斜面と一定の角度をなしているが、アパーチャー２-１の中心軸と光通路の中心軸は対応している。

[実施例３]本発明に係る多折曲型フローセル
図５に示すように、その基本的な構造は実施例１と同様であるが，流体通路としての透明プラスチックチューブ１（またはガラス管）が基体内部に６つの折曲部を含む点が、実施例１と異なる。本実施例において、透明管が複数回折曲げられることにより、基体内部の光通路における出入り口の光による雑音の発生が防止されるので、透明管の両端部における基体外部の管区間は、ブラックスリーブにより被覆しなくてもよく、帯目を作らなくてもよい。

図３〜図５において、透明管１が基体内部を通過する際の位置決め

[実施例４]流動光度分析用フローセルによる水試料中の化学的酸素消費量（ＣＯＤ）の測定
図に示すように、重クロム酸カリウムの試薬を含んでいる希硫酸をキャリア溶液として、セラミック定流ポンプにより直径が０.８ｍｍである反応管路に送り込み、注入バルブにより測定のメインになる水の試料に切り替えて、水の試料を反応管路に注入する。その後、水の試料はキャリア溶液により押し流れ、押し流れる過程において徐々に拡散されることにより、水の試料と試薬とは傾斜混合（ｇｒａｄｉｅｎｔｍｉｘｉｎｇ）を表す。傾斜混合段は、定温ヒーターによる高温（１８０℃）かつ６ＭＰａの圧力において、水中の混入物が試薬と高速で反応し、その後冷却水槽により常温まで冷却されてからフローセルを流れ、廃液はフローセルの出口から背圧管を介して流れ出される。流体はフローセルの光通路を流れる際に光照射され、光電比色計を流動する溶液中のＣr６+
により、３８０ｎｍ波長の光の吸収後通過される光強度を電気信号の変化値に変換して、対応するピーク値及びピーク幅を有する応答グラフを記録して、ピーク値またはピーク幅を用いて比較演算を行うことにより、水の試料中のＣＯＤの含有量を求める。

伝統的なＺ字型とＨ字型の光度分析用フローセルの構造模式図である。伝統的なＺ字型とＨ字型の光度分析用フローセルの構造模式図である。本発明に係るＺ字型フローセルの実施例における構造模式図である。本発明に係るＵ字型フローセルの実施例における構造模式図である。本発明に係る多折曲型フローセルの実施例における構造模式図である。流動光度分析により水中の化学的酸素消費量（ＣＯＤ）を測定するフローである。

符号の説明

１ … 透明管、
１−１ … 光通路
１−２，１-２′ … 平面透光ウィンドウ
２ … 遮光板
２−１ … 遮光板アパーチャー
３ … 基座
３−１ … 基体左端部カバー
３−２ … 基体右端部カバー
４ … 光入射口
５ … 光出射口
６ … ブラックスリーブ
８ … 伝統方法で彫られたＺ字型通路
９ … 伝統方法で彫られたＨ字型通路
１０ … 石英ガラスウィンドウ

Claims

光入射口と光出射口が設けられた基体を含む流動光度分析用フローセルにおいて、
１本の基体の内部を通過する透明管を流体通路とし、
該透明管は、基体内部において、少なくとも２箇所の円弧状の折曲部を含み、
光通路は、光入射口と光出射口との間に位置しかつ両端部が折曲げられた１段落の直管であり、
該光通路の両端部における折曲部の外壁は透明管と一体である平面透光ウィンドウを形成し、
前記透明管は、基体内部に予め設けられたグルーブまたはきり孔により位置決めされる、
ことを特徴とする流動光度分析用フローセル。
前記透明管とフローセルに入る前のシステムの流体管路の直径とが等しいかまたは近似している、
ことを特徴としている請求項１に記載の流動光度分析用フローセル。
前記透明管は透明性プラスチック管、透明性ガラス管または透明性石英ガラス管である、
ことを特徴としている請求項１または２に記載の流動光度分析用フローセル。