JP2018105761A - 多波長蛍光分析装置 - Google Patents

Abstract

【課題】試料液の蛍光を現場で継続して取得可能であると共に、測定対象成分に応じて、簡便に励起波長および蛍光波長を選択可能な多波長蛍光分析装置を提供する。【解決手段】回折格子３３を有する励起光照射光学系により、鉛直方向に対して４５±１５゜の角度で、かつオーバーフロー面７における励起光のスポット径が、５０ｍｍ以下となるように、オーバーフロー面７に励起光Ｅを入射させる。オーバーフロー面７から鉛直方向上方に発せられる蛍光Ｆが入射可能な蛍光検出光学系を設け、蛍光検出光学系中に回折格子７３を配置する。【選択図】図１

Description

本発明は、試料液の発する蛍光によって、試料液中の測定対象成分についての情報を得る多波長蛍光分析装置に関する。さらに詳しくは、試料液の複数の蛍光を現場で連続して取得可能な多波長蛍光分析装置に関する。

試料液中の測定対象成分、測定対象成分との反応生成物、或いは測定対象成分と反応する試薬等から発せられる蛍光（強度、消光時間を含む。）を測定することにより、測定対象成分の存否や濃度を測定する蛍光分析が広く利用されている。
実験室では、試料液を入れたセルの一側面に予め分光した励起光を入射させ、入射方向に対して９０゜の方向に発せられる光を分光して蛍光を検出する側面測光方式が一般的である。

また、検出感度を上げるため、吸着剤が充填されたカートリッジに試料液を流通させ、測定対象成分を充分に吸着させた後にカートリッジに励起光を照射し、蛍光を測定する装置も提案されている（特許文献１）。
特許文献１では、蛍光の検出経路に対してθの角度を持った斜め方向から励起光を照射する方式が採用されている。特許文献１では、励起光がカートリッジ表面で全反射してしまわない範囲でθを充分に大きくすることが、カートリッジに照射される励起光の面積を充分に大きくできる点で好ましいとされている。

一方、環境測定等の現場において、試料液の情報を継続的に得ようとする場合、フローセルやカートリッジのように試料液と接する部材を使用することは、汚れ等メンテナンス上の問題がある。そこで、オーバーフローさせた試料液の液面（オーバーフロー面）に対して、蛍光の検出経路と同軸となる垂直方向から励起光を照射する落射方式の蛍光分析装置が提案されている（特許文献２）。

特開２０１３−１９８１９号公報 特開２００４−１５７０１８号公報

特許文献２のように落射方式で蛍光測定を行う場合、励起光と蛍光とを分けるため、特定の波長（励起光の波長）の光を反射するダイクロイックミラーが必要である。水平方向からダイクロイックミラーに入射した励起光はダイクロイックミラーで反射されることにより垂直方向に光路を変えて試料液に照射される。一方、蛍光は、ダイクロイックミラーで反射されずに直進して、上方の検出器に至る。

このようにダイクロイックミラーを使用する落射方式では、ダイクロイックミラーが反射する光の波長が固定されているため、多波長の測定は不可能であった。
本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであって、試料液の蛍光を現場で連続して取得可能であると共に、複数の測定対象成分に応じた蛍光波長を簡便に選択して測定することが可能な多波長蛍光分析装置を提供することを課題とする。

上記の課題を達成するために、本発明は、以下の構成を採用した。
［１］ 上端が開口部とされ、前記開口部に試料液のオーバーフロー面が形成されるように下方から流入した試料液がオーバーフローするオーバーフロー筒と、
励起光を発する励起光源と、
前記励起光を前記励起光源から前記オーバーフロー面に導く励起光照射光学系と、
前記励起光によって前記試料液から発せられる蛍光を検出する蛍光検出器と、
前記蛍光を前記オーバーフロー面から前記蛍光検出器に導く蛍光検出光学系とを備え、
前記蛍光検出光学系は、分光手段を有し、
前記励起光照射光学系は、鉛直方向に対して４５±１５゜の角度で、前記オーバーフロー面に前記励起光を入射させ、かつ前記オーバーフロー面における前記励起光のスポット径が、５０ｍｍ以下となるように構成され、
前記励起光照射光学系は、前記励起光が照射されたオーバーフロー面から鉛直方向上方に発せられる蛍光が入射可能となるように配置されていることを特徴とする多波長蛍光分析装置。
［２］ さらに、前記励起光照射光学系は、分光手段を有する［１］に記載の多波長蛍光分析装置。
［３］ 前記励起光照射光学系が１以上の照射光学ユニットを含み、前記照射光学ユニットは、２以上の光学部材が取付ベースに固定されてなる［１］または［２］に記載の多波長蛍光分析装置。
［４］ 前記蛍光検出光学系が１以上の検出光学ユニットを含み、前記検出光学ユニットは、２以上の光学部材が取付ベースに固定されてなる［１］〜［３］の何れか一項に記載の多波長蛍光分析装置。

本発明の多波長蛍光分析装置によれば、試料液の複数の蛍光を現場で連続して取得可能であると共に、測定対象成分に応じて、簡便に蛍光波長を選択可能である。

本発明の実施形態に係る多波長蛍光分析装置の概略構成図である。

本発明の１実施形態に係る多波長蛍光分析装置について説明する。図１に示すように、本実施形態の多波長蛍光分析装置１は、遮光性の仕切り板２と仕切り板２の上方に設置される遮光性の検出部ケース３と、仕切り板２の下方に設置される遮光性の試料ケース４と、試料ケース４の下方から挿入された遮光性の試料液槽５と、試料液槽５内に設けられたオーバーフロー筒６とを備えている。

オーバーフロー筒６は下端が下側開口部６ａとされ、上端が略水平の上側開口部６ｂとされている。試料液槽５には、試料液入口５ａと試料液出口５ｂが設けられている。
試料液Ｓは、試料液槽５の試料液入口５ａから流入し、試料液槽５の内壁とオーバーフロー筒６の外周との間を下降するようになっている。また、オーバーフロー筒６の下端まで下降した試料液Ｓは、オーバーフロー筒６の下側開口部６ａからオーバーフロー筒６の内側に流入し、オーバーフロー筒６の上端側の略水平の上側開口部６ｂからオーバーフローし、オーバーフロー面７を形成するようになっている。そして、オーバーフローした試料液Ｓは、試料液出口５ｂに導かれて排出されるようになっている。
多波長蛍光分析装置１の動作中、試料液Ｓの流入流出は、原則として常に継続し、常時新しい試料液Ｓによるオーバーフロー面７が形成されるようになっている。

仕切り板２と検出部ケース３とで囲まれた空間には、光源ユニット１０、光路ユニット２０、光源側分光ユニット３０、励起光ユニット４０、受光ユニット６０、検出側分光ユニット７０、検出器ユニット８０が配置されている。
また、多波長蛍光分析装置１は演算制御装置９０を備え、演算制御装置９０により、装置全体の動作が制御されると共に、検出器ユニット８０で検出された信号等に基づき、必要な演算等を行うようになっている。

本実施形態において、光源ユニット１０が本発明における励起光源に、検出器ユニット８０における検出器８２が本発明における蛍光検出器に該当する。また、光路ユニット２０、光源側分光ユニット３０、および励起光ユニット４０が、本発明における励起光照射光学系を構成している。また、受光ユニット６０、検出側分光ユニット７０および検出器ユニット８０における検出器８２以外が、本発明における蛍光検出光学系を構成している。

また、光路ユニット２０、光源側分光ユニット３０、および励起光ユニット４０は、各々が、取付ベースに、レンズ、マスク等の２以上の光学部材が固定された照射光学ユニットに該当する。また、受光ユニット６０、検出側分光ユニット７０および検出器ユニット８０における検出器８２以外は、各々が、取付ベースに、レンズ、マスク等の２以上の光学部材が固定された本発明の検出光学ユニットに該当する。

光源ユニット１０としては、Ｘｅフラッシュランプ（キセノン放電管）、Ｄ_２ランプ（重水素放電管）等を用いることができる。
光路ユニット２０は、取付ベース２１と、この取付ベース２１に固定されたマスク２２、レンズ２３、ミラー２４、レンズ２５、およびマスク２６で構成されている。光路ユニット２０は、光源ユニット１０からの光束をマスク２２、２６やレンズ２３、２５で整えつつ、ミラー２４で方向を変えて、光源側分光ユニット３０に導くように構成されている。

光源側分光ユニット３０は、取付ベース３１と、この取付ベース３１に固定されたスリット３２、回折格子３３、およびスリット３４で構成されている。すなわち、励起光照射光学系は、分光手段として回折格子３３を有している。
回折格子３３は、図示を省略するモーターにより回転可能とされており、光路ユニット２０からスリット３２を通過して入射した光の内、特定の波長の光がスリット３４を通過して励起光ユニット４０に入射するように回転位置を選択できるようになっている。

励起光ユニット４０は、取付ベース４１と、この取付ベース４１に固定されたマスク４２、レンズ４３、ミラー４５、レンズ４６、マスク４７、リファレンス光検出器５１、マスク５２、およびレンズ５３で構成されている。光源側分光ユニット３０から入射した光は、マスク４２、５２やレンズ４３、４６で光束を整えつつ、ミラー４５を通過して、試料液Ｓによるオーバーフロー面７に対して励起光Ｅとして照射されるようになっている。
また、光源側分光ユニット３０から入射した光の一部は、ミラー４５で反射されて、マスク５２、およびレンズ５３を経由してリファレンス光Ｒとしてリファレンス光検出器５１に至り、リファレンス光Ｒが検出される。リファレンス光Ｒの検出結果は、演算制御装置９０に送られ、励起光Ｅの光量の変動を補償できるようになっている。

受光ユニット６０は、取付ベース６１と、この取付ベース６１に固定されたレンズ６２、およびレンズ６３で構成されている。受光ユニット６０は、励起光Ｅによって発せられた蛍光Ｆを、励起光Ｅがオーバーフロー面７に照射されるスポット位置の鉛直方向上方で捉えられる位置に配置されている。すなわち、オーバーフロー面から鉛直方向上方に発せられる蛍光が入射可能となるように配置されている。そして、受光した蛍光Ｆは、レンズ６２、６３により光束を整えられ、検出側分光ユニット７０に導かれるようになっている。

検出側分光ユニット７０は、取付ベース７１と、この取付ベース７１に固定されたスリット７２、回折格子７３、およびスリット７４で構成されている。すなわち、蛍光検出光学系は、分光手段として回折格子７３を有している。
回折格子７３は、図示を省略するモーターにより回転可能とされており、受光ユニット６０からスリット７２を通過して入射した光の内、特定の波長の光がスリット７４を通過して検出器ユニット８０に入射するように回転位置を選択できるようになっている。

検出器ユニット８０は、取付ベース８１と、この取付ベース８１に固定された検出器８２、マスク８３、レンズ８４およびカットフィルター８５で構成されている。検出器８２としては、光電子増倍管、フォトダイオード、フォトトランジスタ、アバランシェフォトダイオードなどを適宜用いることができる。
検出器８２は、感度が可変とされており、蛍光Ｆの光量に応じて適切な感度が選択できるようになっている。例えば、検出器８２が光電子増倍管の場合、印加電圧の調整により感度を調整できるようになっている。

検出器ユニット８０では、検出側分光ユニット７０から導かれた光が、マスク８３、レンズ８４で光束を整えられ、さらに、カットフィルター８５で不要な波長の光を除去された後、検出器８２に導入されるようになっている。カットフィルター８５は励起光Ｅと同じ波長の光を除去するもので、これにより、散乱光や迷光が除去される。検出器８２による蛍光Ｆの検出結果は、演算制御装置９０に送られ、測定対象成分の濃度等が求められるようになっている。

励起光Ｅは、光路ユニット２０、光源側分光ユニット３０、および励起光ユニット４０により、鉛直方向に対する角度θが４５±１５゜の方向から、オーバーフロー面７に入射するようになっている。また、オーバーフロー面７における励起光Ｅのスポット径は、５０ｍｍ以下となるように調整されている。

角度θは４５±１５゜であり、４５±１０゜であることが好ましく、４５±５゜であることが好ましく、４５゜であることが特に好ましい。角度θが充分に大きいことにより、受光ユニット６０に入射する励起光Ｅの反射光や迷光を低減させることができる。また、角度θが充分に小さいことにより、励起光Ｅが、オーバーフロー面７で全反射してしまうことを防ぎ、試料液Ｓ中の測定対象成分から、充分な蛍光Ｆを発生させることができる。また、角度θを充分に小さくすることにより、オーバーフロー面７における励起光Ｅのスポット径が大きくなりすぎることを防止しやすい。

本発明者らは、オーバーフロー面に励起光Ｅを照射する場合、スポット径が大きすぎると、水面の揺らぎの影響により、蛍光Ｆを安定して検出することが困難であることを見出した。そして、角度θや、励起光照射光学系のレンズ等を調整してスポット径を充分に小さくすることにより、安定した検出が可能であることを見出した。
一方、スポット径をある程度大きくすることは、蛍光Ｆの光量を確保しやすい点で有利である。但し、蛍光Ｆの光量は、光源ユニット１０の光量を増すことによっても大きくすることが可能なため、スポット径の下限値に特に限定はない。
スポット径は、５０ｍｍ以下であり、５〜４０ｍｍであることが好ましく、５〜２０ｍｍであることがより好ましく、５〜１０ｍｍであることがさらに好ましい。

本実施形態の多波長蛍光分析装置１は、励起光をオーバーフロー面７に照射する角度θが３０゜以上であるため、励起光の経路と蛍光の経路を充分にずらすことが可能である。そのため、落射方式のように、ダイクロイックミラーを必要としない。そのため、回折格子等を用いることにより、励起光と蛍光の波長を、個別に調整可能である。
また、スポット径を制限したことにより、試料液と接するセル等の部材を使用しないオーバーフロー方式であっても、安定して蛍光を測定することができる。

また、本実施形態では、照射光学系と蛍光検出光学系の双方に、回折格子を配置したため、測定対象成分に応じた蛍光波長を選択し、かつ最適な励起光の波長を選択することができる。そのため、一台の装置で、複数成分の測定を精度良く行うことが可能である。

例えば、直鎖アルキルベンゼンスルホン酸塩類濃度を求める場合の励起光Ｅの波長は２３０ｎｍとし、蛍光Ｆの波長は２９０ｎｍとすることができる。また、ＢＯＤを測定する場合の励起光Ｅの波長は３２０ｎｍとし、蛍光Ｆの波長は４４０ｎｍとすることができる。また、水中油分濃度を測定する場合の励起光Ｅの波長は２３０ｎｍまたは３６５ｎｍとし、蛍光Ｆの波長は励起光Ｅの波長が２３０ｎｍの場合２９０〜３６０ｎｍ、励起光Ｅの波長が３６５ｎｍの場合４４０〜４６０ｎｍとすることができる。また、フェノール濃度を測定する場合の励起光Ｅの波長は２５０ｎｍとし、蛍光Ｆの波長は３００ｎｍとすることができる。また、クロロフィル濃度を測定する場合の励起光Ｅの波長は２５０〜３２０ｎｍとし、蛍光Ｆの波長は３６０〜３７０ｎｍとすることができる。

また、濁度補正に適した波長、例えば波長６６０ｎｍの光をオーバーフロー面７に照射し、波長６６０ｎｍの散乱光を検出し、濁度を求め、濁度補正用のデータを得ることもできる。

また、本実施形態では、励起光照射光学系が、ユニット化された照射光学ユニットで構成されている。また、蛍光検出光学系が、ユニット化された検出光学ユニットで構成されている。
そのため、装置の組み立てが容易であり、部品交換等の保守作業や光路調整も容易である。また、仕切り板２から上を試料ケース４から取り外し、光学部材（励起光源、励起光照射光学系、蛍光検出光学系及び蛍光検出器）を検出部ケース３と仕切り板２の中に収納したまま別の現場に持ち出し、可搬型としてパソコンや専用コントローラ等と組み合わせて使用することも可能である。

なお、本実施形態では、照射光学系と蛍光検出光学系の双方に、回折格子を配置したが、各々回折格子に代えて、プリズム等の他の分光手段を用いてもよい。また、励起光の波長は固定とし、蛍光検出光学系の方だけに回折格子等の分光手段を配置してもよい。その場合、光路ユニット２０、光源側分光ユニット３０を省き、光源ユニット１０と励起光ユニット４０とを直接連結させてもよい。

また、励起光の波長を固定とする場合、光源ユニット１０としてＸｅフラッシュランプ（キセノン放電管）、Ｄ_２ランプ（重水素放電管）等を用いるのであれば、励起光ユニット４０に干渉フィルタ等の波長選択手段を挿入することが好ましい。干渉フィルタは、例えば、レンズ４３とミラー４５との間に挿入することができる。
また、励起光の波長を固定とする場合、光源ユニット１０として、所望の波長の光を発するレーザ光源やＬＥＤなどの単色光源を使用してもよい。
励起光の波長が固定であっても、蛍光の測定波長が可変であれば、測定対象成分に応じた蛍光波長を選択し、一台の装置で、複数成分の測定を精度良く行うことが可能である。例えば、励起光の波長を２５０ｎｍとし、波長３００ｎｍの蛍光によりフェノールを測定し、波長３６０ｎｍの蛍光によりクロロフィルを測定することができる。

なお、試料液が試料液入口５ａに至るまでの経路には、受水槽、流量調節弁等、公知のサンプリングシステムに使用される部材を適宜設けることができる。また、演算制御装置９０に指示を出すための指示操作部や、測定結果を表示するための表示装置や記録計、プリンター等を適宜設けることができるのはもちろんである。

本発明の多波長蛍光分析装置は、試料液の直鎖アルキルベンゼンスルホン酸塩類濃度、ＢＯＤ（生物化学的酸素要求量）、水中油分濃度、フェノール濃度、クロロフィル濃度等を求める多項目水質分析計として利用できる。その他、試料液の発する蛍光により、測定対象成分、測定対象成分の反応生成物、或いは測定対象成分と反応する試薬の蛍光（強度、消光時間を含む。）を測定し、測定対象成分の存否及び／又は濃度、或いはその蛍光の特性（蛍光スペクトル、励起スペクトルなど）自体を測定する、任意の多波長蛍光分析装置に広く適用可能である。

１…多波長蛍光分析装置、２…仕切り板、３…検出部ケース、４…試料ケース、
５…試料液槽、６…オーバーフロー筒、７…オーバーフロー面、
１０…光源ユニット、２０…光路ユニット、３０…光源側分光ユニット、
３３…回折格子、４０…励起光ユニット、６０…受光ユニット、
７０…検出側分光ユニット、７３…回折格子、８０…検出器ユニット、
９０…演算制御装置、Ｓ…試料液、Ｅ…励起光、Ｆ…蛍光、Ｒ…リファレンス光

Claims (4)

1. 上端が開口部とされ、前記開口部に試料液のオーバーフロー面が形成されるように下方から流入した試料液がオーバーフローするオーバーフロー筒と、
   励起光を発する励起光源と、
   前記励起光を前記励起光源から前記オーバーフロー面に導く励起光照射光学系と、
   前記励起光によって前記試料液から発せられる蛍光を検出する蛍光検出器と、
   前記蛍光を前記オーバーフロー面から前記蛍光検出器に導く蛍光検出光学系とを備え、
   前記蛍光検出光学系は、分光手段を有し、
   前記励起光照射光学系は、鉛直方向に対して４５±１５゜の角度で、前記オーバーフロー面に前記励起光を入射させ、かつ前記オーバーフロー面における前記励起光のスポット径が、５０ｍｍ以下となるように構成され、
   前記励起光照射光学系は、前記励起光が照射されたオーバーフロー面から鉛直方向上方に発せられる蛍光が入射可能となるように配置されていることを特徴とする多波長蛍光分析装置。
2. さらに、前記励起光照射光学系は、分光手段を有する請求項１に記載の多波長蛍光分析装置。
3. 前記励起光照射光学系が１以上の照射光学ユニットを含み、前記照射光学ユニットは、２以上の光学部材が取付ベースに固定されてなる請求項１または２に記載の多波長蛍光分析装置。
4. 前記蛍光検出光学系が１以上の検出光学ユニットを含み、前記検出光学ユニットは、２以上の光学部材が取付ベースに固定されてなる請求項１〜３の何れか一項に記載の多波長蛍光分析装置。

Images