JP2015532422A - 分析物を検出するための方法 - Google Patents

Abstract

流量分析およびクロマトグラフィーにおいて、分析物を検出するための方法が記載される。本方法は、ａ）１つ以上の光源と、光導波路と、１つ以上の分析物を含有する試料を収容する容器と、１つ以上の検出器とを提供する工程と、ｂ）試料を収容する容器を１つまたはさまざまな規定波長および／または波長域の光線に暴露させる工程と、ｃ）試料容器を１つまたはさまざまな規定波長および／または波長域の光線に暴露させた後、１つ以上の検出器を用いて結果としての光波を検出する工程とを含む。試料は、非可撓性光導波路または非可撓性に配置された光導波路を介して伝送され、試料容器に進入する前の光波によって、照射される。非可撓性光導波路または非可撓性に配置された光導波路は、干渉に影響されないため、多くの時間を必要とすることがなく、１つ以上の波長を用いて、選択的な照射を連続的にまたは同時に行うことを可能にする。

Description

本発明は、クロマトグラフィー特にイオンおよび液体クロマトグラフィーにおいて、分析物を検出するための方法に関する。この方法は、非可撓性光導波路を介して光波を伝送することを含む。さらに、本発明は、クロマトグラフィー特にイオンおよびフロークロマトグラフィー、および連続流量分析（ＣＦＡ）特にセグメント化流量分析（ＳＦＡ）、フローインジェクション分析（ＦＩＡ）およびシーケンシャルインジェクション分析（ＳＩＡ）において、分析物を検出する際に、光波を伝送するための非可撓性光導波路の使用に関する。

従来技術に知られており、光波を用いて分析物を検出するための方法は、光波を伝送するための異なる工程を利用する。従来の方法において、広域のスペクトルを有する光源が使用される。従来の方法において、干渉フィルタを使用することによって、個別の波長または波長域の光線を用いて、試料を選択的に照射する。これらの方法は、複数の規定波長または狭い波長域において、照射工程を同時に行うことができないという欠点を有する。また、流れている試料の場合、フィルタの交換は多くの時間を必要とする。

米国特許出願ＵＳ２０１１／０１８８０４２Ａ１は、試料の分光分析法、特に吸収蛍光分光法を記載している。この方法において、個別の波長を有する発光ダイオードが光源として使用され、光源から出射された光波が単に束にしたさまざまな個別の光ファイバを介して試料セルに案内される。この試料セルは、フローセルであってもよい。透過光または蛍光は、その後、単一または複数のフォトダイオードによって検出される。

このような構成は、故障、特に機械的な影響に関連する故障に比較的に影響され易いことが分かった。

Betschonらは、「２０１１年センサおよび検出会議、ＯＰＴＯ議事録４．２、集積された平面ポリマー導波路に基づいた新規光学式滴定センサ」において、滴定に使用され、印刷回路基板内に集積された平面光導波路を含む光センサを記載されている。光源および光導波路は、検出器とともに、ガラス棒に一体化された印刷回路基板上に配置されている。検出器は、滴定の間に、分析物を収容する滴定容器内に保持されている。この装置は、たとえば、液体クロマトグラフィーまたは連続流量分析（ＣＦＡ）において、流れている溶液中の分析物を測定する問題を解決していない。

したがって、本発明は、従来技術の欠点を回避するという目的に基づいたものであり、具体的に、連続流量分析（ＣＦＡ）およびクロマトグラフィー、特に液体クロマトグラフィーにおいて分析物を検出するための方法の開発に基づいたものである。本発明の方法は、１つ以上の波長の光を用いて、多くの時間を必要とせず、同時に試料を選択的に照射することを可能にする。さらに、この方法は、たとえば機械的な影響によるエラーに影響され難く、少量の試料を検出するのに十分な感度を有する。

本発明の第１局面は、連続流量分析（ＣＦＡ）およびクロマトグラフィーにおいて、分析物を検出するための方法に関する。この方法は、ａ）１つ以上の光源と、光導波路と、１つ以上の分析物を含有する試料を収容する容器と、１つ以上の検出器とを提供する工程と、ｂ）試料を収容する容器を１つの波長または異なる規定波長および／または波長域の光線に暴露させる工程と、ｃ）試料容器を１つの波長または異なる規定波長および／または波長域の光線に暴露させた後、１つ以上の検出器を用いて結果としての光波を検出する工程とを含む。試料は、単一または分岐された非可撓性光導波路または非可撓性に配置された光導波路を介して伝送され、試料容器に進入する前の光波によって、照射される。

上記の方法は、連続流量分析（ＣＦＡ）およびイオンフロークロマトグラフィーに特に適用することができる。分析物は、可視光、ＵＶ、ＩＲまたはＮＩＲスペクトル範囲の光のうち、少なくとも１つの波長または波長域の光線を吸収することによって蛍光を発する発色団および／またはイオン、またはこれらの光を反射する発色団および／またはイオンを含む化合物であってもよい。

設けられた１つ以上の光源は、タングステンランプ、レーザおよび／または発光ダイオードであってもよい。レーザおよび発光ダイオードは、特に好ましい。これらの光源は、可視光、ＵＶ、ＩＲおよびＮＩＲ域に規定された波長または狭く規定された波長域の光線を出射する。出射された光線は、光導波路を介して案内される。続いて、少なくとも１つの試料を含む液体試料を収容する試料容器は、１つの波長または異なる規定波長および／または波長域の光線に暴露させられる。これらの光源を互いに独立してオンおよびオフに切換えることができるため、１つの波長のみの光線または同時に複数の波長または波長域の光線を用いて、試料を選択的に照射することができる。

特に好ましくは、容器は、入口および出口の両方を備え、液体試料が１０μＬ／分〜１０ｍｌ／分の流量で流入および流出するフローセルである。容器は、光線を入射するための入射窓および光線を出射するための出射窓を備える。入射窓および出射窓は、特に、規定波長域の光線に対して透過性を有するように構成されたガラス、プラスチックまたは石英から形成される。

少なくとも１つの試料を含む液体試料を収容する試料容器が光源から光導波路を介して伝送された光線により照射された後、得られた光線は、透過光、反射光または蛍光であってもよい。光線は、容器を透過した後、反射された後、または蛍光発光により出射された後、１つ以上の検出器によって検出される。

本開示において、結果としての光波を検出する検出器の測定時間は、好ましくは光源のスイッチング時間中に行うが、試料の照射を開始した後に開始する。可能な一実施形態において、測定時間は、照射時間の半分が経過したときから開始する。また、測定時間は、照射時間の終了時に終了する。

方法のさらなる工程において、照射時間の終了後に、信号強度のさらなる測定を行う。この照射中に行われていない第２測定は、結果を改ざんするバックグラウンド信号を除去するために、決定されたドロップオフ信号強度を照射中に測定された強度から減算することを可能にする。

光波信号の測定に続くさらなる工程は、数学評価方法を含む。順次にまたは同時に出射された複数の波長の光線に対する応答を構成する検出信号は、この数学評価方法を用いて、評価される。

使用された１つ以上の検出器は、具体的には、真空光電池、熱電対、光電子増倍管および／またはフォトダイオードである。特に好ましくは、フォトダイオードにより構成されたもの、特にＣＣＤおよびＣＭＯＳセンサを使用する。

特に、本発明に係る光導波路は、印刷回路基板上に取付けられてもよく、印刷回路基板内に集積されてもよい。このことは、光導波路自体または光導波路を取付けたまたは集積したプリント基板と光導波路との組合わせが非可撓性であり、好ましくは平面であるという事実があるため、優れる。この文脈では、非可撓性とは、光導波路または光導波路を備えるプリント基板が十分に屈曲し難いことを意味する。それらの屈曲は、光の伝送損失または不可逆的な損傷につながる。この性質は、機械的な影響に関連する故障に影響され易いという可能性を排除する。したがって、光ファイバをその直径の２００倍を超える半径で屈曲すると、伝送損失が生じる。本発明の範囲内おいて発見されたことは、光導波路の剛性配置または固定は、本発明に係るセンサの再現性および感度を改善することである。光ファイバをその直径の６００倍を超える半径で屈曲すると、不可逆的な損傷が生じる。

本発明の範囲内において、上面に光導波路が取付けられたまたは内部に光導波路が集積された印刷回路基板は、特に光ファイバ組織を備えるエポキシ樹脂（たとえば、ＦＲ４）、好ましくは、横方向において、６００Ｎ／ｍｍ〜２００Ｎ／ｍｍ、好ましくは５００Ｎ／ｍｍ〜３００Ｎ／ｍｍ範囲の屈曲強度、長手方向において、６００Ｎ／ｍｍ〜２００Ｎ／ｍｍ、好ましくは５００Ｎ／ｍｍ〜３００Ｎ／ｍｍ範囲の屈曲強度を有するエポキシ樹脂から製造することができる。

光導波路は、上記の屈曲強度を有する基板上に積層されたポリイミド印刷回路基板内に集積されることができる。

光導波路は、異なる光源から出射された異なる波長を有する光波を案内する単一の導波路である。必要に応じて、光導波路を分岐していてもよい。すなわち、光波は、光導波路の長さに沿った異なる点で、光導波路に進入する。

さらに、１つ以上の光源、特に１つ以上の発光ダイオードは、印刷回路基板上に取付けられることができ、特に印刷回路基板内に集積されることができる。

本開示において、集積光導波路を有する印刷回路基板は、以下のように構成することができる。すなわち、光信号を評価するための電子部品が印刷回路基板上に組立てられ、最下層を構成する。最下層の上面には、光学層とも言われる光導波路の組立体を配置する。光導波路は、バッキング層、コア層およびコーティング層を備える。コア層は、導光構造を含む。

すべての３つの層は、光学的に透明なＵＶ硬化性ポリマー材料から製造することができる。そのうち、コア層のポリマーは、バッキング層およびコーティング層のポリマーとは異なる。同様に、バッキング層のポリマーとコーティング層のポリマーとは、それぞれ異なってもよく、同一であってもよい。特に、これらのポリマー層の材料として、ポリカーボネートおよびＰＭＭＡを使用することができる。

可視光に対して、コア層の屈折率は、バッキングおよびコーティング層の屈折率よりも高く、好ましくは１．５０〜１．６０の間にある。バッキング層およびコーティング層の典型的な屈折率は、１．４７〜１．５７の間にある。

典型的には、バッキングとコーティング層とは各々、１０μｍ〜５００μｍ、好ましくは５０〜２００μｍの層厚を有する。コア層は、１μｍ〜５００μｍの層厚を有することができる。

典型的な光導波路の製造方法は、たとえば、特許出願ＥＰ２２１９０５９Ａ２に記載されている。

コア層の屈折率に適合する接着剤を用いて、１つ以上のＬＥＤ光源は、印刷回路基板の上面に成型され、これらのＬＥＤ光源から出射された光線が光導波路に結合することができるように、コア層に応じて配置される。本開示において、結合は、たとえばＥＰ１７１５３６８Ｂ１の記載によって製造された光結合用の構成要素を用いて、達成することができる。特に好ましくは、印刷回路基板は、１つの光導波路のみを含み、複数の光源からの光線は、この１つの光導波路に結合される。

フローセルは、光導波路からの光線の出射面に対して、７０°〜１１０°の角度、好ましくは９０°の角度で配置される。本開示において、結合素子を用いて光線を結合する必要はない。その代わりに、光導波路は、フローセルの壁と精確に適合するように配置される。さらに、フローセルと光導波路との間には、接着剤のような接続材料を必要としない。この構成は、複雑且つ高価なレンズ系を結合要素として備える従来のフォトダイオードアレイ検出器とは異なる。

同様に、試料照射後の光波を検出する検出器は、印刷回路基板上に配置することができる。

特に好ましい実施形態において、光導波路、または光導波路および光源、または光源を備える印刷回路基板は、光不透明性および／または熱伝導性のカバーによって囲まれる。後者の熱伝導性のカバーは、温度変化がしないように、特に温度変化が光源の出力に悪影響を与えないようにこれらの素子を保護する機能、散乱光からこれらの素子を遮蔽する機能を有する。好ましくは、金属筐体、特にアルミニウム筐体は、カバーとして用いられる。さらに、筐体は、冷却機能、特にペルチェ冷却機能を有するように、形成されてもよい。

また、本発明は、連続流量分析（ＣＦＡ）およびクロマトグラフィーにおいて、特にイオンおよび／または液体クロマトグラフィーにおいて、分析物を検出する際に、光波を伝送するための非可撓性光導波路の使用を含む。光導波路、透過光波の波長または波長域、および分析物は、上記に説明された通りである。驚くべきことに、本発明に係る構成の感度および再現性は、光度計のような静止装置ではなく、フローセルにおける使用も可能である。

光導波路と光源とフローセルとが上面に取付けられまたは内部に集積された印刷回路基板の構成を示す概略図である。 非分岐光導波路を示す概略図である。 分岐光導波路を示す概略図である。 ＬＥＤ光源の照射周期を示す図である。 光検出器の測定周期を示す図である。 ＬＥＤ光源を複数用いて、フローインジェクション分析において試料を照射する際の測定周期を示す図である。 クロムジフェニルカルバゾール溶液のクロマトグラムを示す図である。

以下、例示的な実施形態および図面に基づき、本発明を詳細に説明する。しかしながら、本発明の主題が好ましい実施形態に限定されることは、意図していない。

図１は、印刷回路基板の概略構成を示している。光信号を評価するための電子部品を上面に組立てた印刷回路基板は、最下層（７）を構成する。最下層の上面には、光学層とも言われる光導波路の組立体を配置する。光導波路は、バッキング層（６）と、中央部のコア層（５）と、上部のコーティング層（４）とを備える。コア層（５）は、導光構造を備える。コア層の屈折率に適合する接着剤（１）を用いて、１つ以上のＬＥＤ光源（２）は、印刷回路基板の上面に成型され、これらのＬＥＤ光源から出射された光線が光導波路に結合することができるように、コア層に応じて配置される。ここで、結合は、たとえばＥＰ１７１５３６８Ｂ１の記載によって製造される光結合用の構成要素を用いて、達成することができる。印刷回路基板は、１つの光導波路のみを含み、複数の光源からの光線は、この１つの光導波路に結合される。（３）で示された層は、光導波路の担体物質を表す。図１は、光導波路からの光線により照射される１つ以上の分析物を収容するフローセルと、１つ以上の検出器とを示していない。

図２において、左側の概略図２ａは、非分岐光導波路１を示しており、光源２、３および４からの光波が一点で、矢印の方向に沿って分岐光導波路１に進入する。概略図２ｂは、光導波路１の分岐構成を示しており、光源２、３および４からの光波が光導波路１の長さに沿った異なる点で、矢印の方向に沿って光導波路１に進入する。

図３は、ＬＥＤ光源による照射周期を示している。ｘ軸は、時間を表わし、ｙ軸上の記号「＋」および「−」は各々、光源が「＋」位置でスイッチオン状態および「−」位置でスイッチオフ状態を規定する。ＬＥＤ光源は、０からｙの時間にスイッチオンされる。

図４は、光源の照射周期における時間中に、光検出器の測定周期を示している。ｘ軸は、時間を表わし、ｙ軸は、ＬＥＤ光源が規定されたスイッチオン状態（「＋」）またはスイッチオフ状態（「−」）を表わす。ＬＥＤ光源は、０からｙまでの時間において、スイッチオンされる。ｘからｙの時間は、光センサがスイッチオンされる期間を示す。０からｘまでの時間において、光信号の検出または測定が行わない。

図５は、ｘ軸における時間ｔおよびｙ軸におけるさまざまなＬＥＤ光源のスイッチング周期を示す図である。各々の光源１〜８は、オフセット時間をもって、各々の時間において順次にスイッチオンまたはスイッチオフされる。各ＬＥＤ光源は、ｙ軸に規定された「−」位置でスイッチオフされ、「＋」位置でスイッチオンされる。さまざまな測定周期は、ｘ軸において、「ａ」〜「ｅ」によって標記される。ＬＥＤ光源１〜８のスイッチング周期およびバックグラウンド信号を決定するための周期から構成される測定周期は、「ａ」から「ｅ」まで延びる。照射試料を通過した光線は、「ａ」から「ｅ」までの時間において、検出器によって測定される。このため、ＬＥＤ光源１〜８は、順次にオンおよびオフにスイッチされる。バックグラウンド信号は、ｘ軸における「ｂ」から「ｃ」までの時間内に確定される。「ｂ」から「ｃ」までの時間には、すべてのＬＥＤ光源がスイッチオフされる。全測定周期は、「ｃ」から「ｅ」までの時間内で繰り返される。

図６は、本発明に係る方法を用いて測定された５ｐｐｍのクロムジフェニルカルバゾール溶液の例示的なクロマトグラムを示する。ここで、０．８ｍｌ／分の流速を有する１２ｍｍｏｌ／ＬのＮａ_２ＣＯ_３および４．０ｍｍｏｌ／ＬのＮａＨＣＯ_３は、４０℃の柱温のMetrosep A Supp ５−１００／４．０柱において溶離液として使用された。

測定時間は、５２０±１５ｎｍの波長において、２ミリ秒の遅延時間を含む３ミリ秒であり、周期の休止時間は３ミリ秒であった。測定された信号の強度は約７．７３ｍＶであり、ノイズ信号の強度は約０．３ｍＶであった。溶出時間ｔは、５．７３分であった。信号対ノイズ比は、約１：２６であった。

Claims (15)

1. 連続流量分析およびクロマトグラフィーにおいて、分析物を検出する間に、光波を伝送するための非可撓性光導波路または非可撓性に配置された光導波路の使用。
2. 前記クロマトグラフィーは、イオンクロマトグラフィーである、請求項１に記載の使用。
3. 連続流量分析およびクロマトグラフィーにおいて、分析物を検出するための方法であって、
   ａ）１つ以上の光源と、光導波路と、１つ以上の分析物を含有する試料を収容する容器と、１つ以上の検出器とを提供する工程と、
   ｂ）試料を収容する容器を１つの波長または異なる規定波長および／または波長域の光線に暴露させる工程と、
   ｃ）試料容器を前記１つの波長または異なる規定波長および／または波長域の光線に暴露させた後、１つ以上の検出器を用いて結果としての光波を検出する工程とを含み、
   前記試料は、単一または分岐された非可撓性光導波路または非可撓性に配置された光導波路を介して伝送され、試料容器に進入する前の光波によって、照射される。
4. 前記クロマトグラフィーは、イオンクロマトグラフィーである、請求項３に記載の方法。
5. 前記容器は、フローセルである、請求項３および４のいずれか１項に記載の方法。
6. 前記光源は、特に可視光、ＵＶ、ＩＲおよび／またはＮＩＲ範囲の光線を出射するＬＥＤである、請求項３から５のいずれか１項に記載の方法。
7. 前記光導波路は、バッキング層、コア層およびコーティング層を含む、請求項３から６のいずれか１項に記載の方法。
8. 前記コーティング層および前記バッキング層は、１．４７〜１．５の屈折率を有するポリマーを含み、
   前記コア層は、１．４０〜１．５０の屈折率を有するポリマーを含む、請求項７に記載の方法。
9. 前記光導波路および／または前記１つ以上の光源は、印刷回路基板上に取付けられ、特に印刷回路基板内に集積されている、請求項３から８のいずれか１項に記載の方法。
10. 前記印刷回路基板は、少なくとも前記光導波路が配置された領域において、光不透明性および／または熱伝導性のカバーにより被覆され、特に囲まれる、請求項９に記載の方法。
11. 前記試料を照射した後で、検出される必要のある前記光波は、透過光、反射光または蛍光から由来する、請求項３から１０のいずれか１項に記載の方法。
12. 前記検出器は、１つ以上のフォトダイオードであり、特にＣＣＤセンサである、請求項３から１１のいずれか１項に記載の方法。
13. 前記検出器の測定時間は、光源のスイッチング時間中および試料の照射が開始された後から開始する、請求項３から１２のいずれか１項に記載の方法。
14. 前記照射が完了した後、さらなる時間測定が行われる、請求項１３に記載の方法。
15. 連続的にまたは同時に出射された複数の波長から検出した信号は、さらなる工程において、数学評価方法を用いて評価される、請求項３から１４のいずれか１項に記載の方法。

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