JP2018506056A - 物質の光吸収を測定し、あるいは濃度を割り出すシステムのための光ファイバ装置 - Google Patents

Abstract

光の伝播モード間の結合を引き起こすための光ファイバ装置であって、光を受光する入力端（３２）および光を出射する出力端（３１）を有しており、結合誘導部（３３）が入力端から出力端まで延びているマルチモード光ファイバ（３０）と、光ファイバが配置されるホルダ（８０）とを備えており、マルチモード光ファイバは非円形断面を有している光ファイバ装置が開示される。また、物質の吸収を測定し、あるいは濃度を割り出すためのシステムであって、少なくとも１つの光ファイバ装置を備えるシステムも開示される。【選択図】図２

Description

本発明は、光の伝播モード間の結合を生じさせるための光ファイバ装置に関する。さらに、本発明は、例えば液体クロマトグラフィ分光光度計において、例えば溶液中に懸濁した物質などの物質の光吸収を測定し、あるいは濃度を割り出すためのシステムであって、光ファイバ装置を備えているシステムに関する。

光学的検出法は、生体分子などの化合物の高感度検出のための分析機器において、頻繁に使用されている。光学的検出は、生物工学、生物医学、および生化学の各研究、ならびに医薬、化粧品、エネルギ、食品、および環境の各産業において重要なツールである液体クロマトグラフィまたはろ過システムなど、物質の吸収または濃度を測定し、あるいは割り出す分析技術に、とくによく適している。

典型的には、液体クロマトグラフィに付随する光学系は、一連のレンズおよびミラーを使用して光源からの光を集めてフローセルへと伝播させ、サンプルを含む流体をフローセルを通って流すことができる。このセルを吸収されることなく通過した光は、１つ以上の感光性要素を含む光検出器に衝突し、その後にサンプルに関する情報をもたらすために分析される。

多くの場合、満足できる分析結果が達成されるよう、系内で光を伝播させるために光ファイバが使用される。これは、コリメートレンズやリフレクタなどの光学要素の使用を最小限に抑えるとともに、長距離であっても、光を柔軟に伝達し、強度の損失を最小限に抑えるという利点を有する。

光源は、例えば、特定の間隔で閃光を発するキセノンランプであってよい。強度の変動、ベースラインドリフト、および温度ドリフトなどの要因に起因し、光ファイバを一連のベンドおよびループにて配置することによって、光源からの入力の変動にかかわらず光の平滑な出力をもたらすように働く伝播モードの結合を可能にすることが、多くの場合に必要とされる。このような光ファイバの配置を、モード結合ファイバ装置と称することができる。とくには、フローセルには伝達されない安定した基準部分をもたらすために、ビームスプリッタを用いて光を２つの部分へと分割する用途において、満足できる結果を達成するために光ファイバからの出力が可能な限り均一であることが重要である。

例えばループ、マイクロベンド、またはノッチによるなど、液体クロマトグラフィの分野におけるモード結合のための方法が、技術的に公知である。そのような解決策の例を、米国特許第６９６３０６２号明細書（Ｅｋｓｉｇｅｎｔ Ｔｅｃｈ，ＬＬＣ）、米国特許第７９４５１３０号明細書（Ｇｅｎｅｒａｌ Ｐｈｏｔｏｎｉｃｓ Ｃｏｒｐ．）、または米国特許第４６７６５９４号明細書（Ａｍｅｒｉｃａｎ Ｔｅｌｅｐｈｏｎｅ＆Ｔｅｌｅｇｒａｐｈ）において見つけることができる。

一般的に使用されるモード結合またはモード混合装置は、かさばり、光学モードの充分な結合を可能にするために比較的長い光ファイバを必要とするという欠点を有する。ループおよびベンドにより、とりわけ２５０ｎｍ未満の深ＵＶ領域において、伝送損失も生じる。ベンドの半径を大きく保つと、損失は小さくなるが、モード結合能力が低くなり、充分な品質の出力を得るために、さらに長いファイバが必要になる。

上述のとおりの液体クロマトグラフィに関連する問題は、物質の吸収を測定し、あるいは濃度を割り出すための他のシステムであって、安定な基準値を必要とするシステムにも当てはまる。そのようなシステムとして、とりわけ、生物医薬品の製造のためのろ過システム、細胞収穫システム、清澄化システム、製剤システム、および同様のシステムが挙げられる。

したがって、このようなシステムに適した改善されたモード結合を有する光ファイバ装置であって、上述の欠点が存在しない光ファイバ装置が、必要とされている。

米国特許出願公開第２０１２／１４７３６２号明細書

本発明の目的は、物質の吸光度の測定または濃度の割り出しのためのシステムにおける使用に適した光ファイバ装置において、改善されたモード結合を達成することにある。これは、光の伝播モードの間の結合を引き起こすための添付の独立請求項１に記載の光ファイバ装置によって達成される。これにより、モード結合が効率的なやり方で行われ、高品質の均一な出力光が達成される。

本発明の一態様によれば、光ファイバの結合誘導部は、基本的にホルダ上の平面内に配置される。これにより、不充分な固定による結合誘導部の動きおよびそれに伴う損失を回避しつつ、光ファイバ装置の全体をより小さく、かつより安定にすることができる。

本発明のさらなる態様によれば、光ファイバの結合誘導部は、複数の領域を含み、各々の領域は、上記ホルダに対して固定される。これにより、光ファイバの位置変化、温度ドリフト、あるいは光ファイバに加わる外力に起因して生じる損失およびドリフトを、最小限に抑えることができる。

本発明の別の態様によれば、結合誘導部は、上記ホルダ内の経路に沿って配置され、上記経路は、結合誘導部のいかなる領域も他の領域と重なり合って配置されることがないように、開いたベンドを含む。これにより、光ファイバの一部分が他の部分の上へと移動または当接することによって生じる損失を、最小限に抑えることができ、結合誘導部の全体の固定が容易になる。

本発明のさらなる態様によれば、ホルダは、表面と、上記表面から伝播する複数の保持ピンとを有し、上記保持ピンは、上記表面の近くの第１の直径と、上記表面から離れた第２の直径とを有し、第１の直径は第２の直径よりも小さい。これにより、ピンは、光ファイバを表面に対して保持するように光ファイバと相互作用し、第１の直径が第２の直径よりも小さいことで、光ファイバの移動が防止される。

本発明のさらに別の態様によれば、保持ピンのうちの少なくとも１つは、ホルダの表面上に移動可能に配置される。これにより、光ファイバの固定をさらに改善することができ、ファイバの長さの公差を補償して、確実な固定を達成し、光ファイバの移動を防止することができる。

本発明の一態様は、上記態様のいずれか１つを含み、クロマトグラフィ分離カラムからの出力流を受け入れるように構成された液体クロマトグラフィ分光光度計を含む。

本発明のさらなる利点および利益は、以下の詳細な説明に照らし、当業者にとって容易に明らかになるであろう。

本発明は、添付の図面を参照して、以下でさらに詳細に説明される。

本発明による光ファイバ装置を有する典型的な液体クロマトグラフィシステムの概略図である。 本発明による光ファイバ装置の光ファイバを有するホルダの斜視図である。 図２のホルダの側面から見た平面図である。 ビームスプリッタにおける円形断面を有する２つの光ファイバの断面図である。 ビームスプリッタにおける八角形の断面を有する２つの光ファイバの断面図である。

本発明の好ましい実施形態による光ファイバ装置は、溶液中のタンパク質、ペプチド、核酸、または細胞を含む群から選択される物質の吸収を測定し、あるいは濃度を割り出すためのシステムにおける使用に適している。そのようなシステムの一例は、液体クロマトグラフィシステムであり、この種の典型的なシステムが、図１によって開示され、以下で本発明を説明するために使用される。

したがって、図１は、典型的な液体クロマトグラフィシステム１００の概略図を示しており、そのような液体クロマトグラフィシステム１００は、光源１１と、あらかじめ定められた間隔で閃光を発するように光源１１を制御するように構成されたランプトリガ１２とを備える光源ユニット１０を有する分光光度計を含んでいる。光源１１は、１００Ｈｚの周波数を有するキセノンランプとすることができるが、他の適切な光源を使用することもできる。光源１１から発せられた光は、単色光分光器２０へと伝播し、集光器２１を通って入射スリット２３へと集光された後に、収差補正されたホログラフィック格子２４に達し、ホログラフィック格子２４が、光を反射させ、第１の光ファイバ３０の入力端３２へと投射する。入射スリット２３に到達する前に、光は、可視領域の光が使用されるべき場合に例えば３６０ｎｍの所定のカットオフ周波数を下回る波長の光を取り除くハイパスフィルタ２２にも伝送される。さらに、フィルタ２２は、システムが可視光の代わりにＵＶ範囲の光を使用する場合にフィルタ２２を光の経路から取り去ることができる第１のステッピングモータ２５によって制御される。

光源１１からの各々の閃光において発せられる光は、一般に、使用されるランプの強度の不揃いに起因し、あるいは単色光分光器２０に対する光源１１の小さな動きまたは液体クロマトグラフィシステム１００の動作中の温度ドリフトに起因して、閃光ごとに異なる。しかしながら、システムにおいて実行された測定から満足できる結果を達成するために、第１の光ファイバ３０から発せられる出力光がこれらの要因にもかかわらず均一なモード分布を有するように、光のモードが第１の光ファイバ３０によって混合される。

したがって、第１の光ファイバ３０は、入力端３２に投射された光を受光し、結合誘導部３３に沿って出力端３１へと伝播させ、出力端３１からビームスプリッタ４０へと放射できるように構成されたマルチモード光ファイバである。結合誘導部３３は、入力端３２から出力端３１まで延びており、均一な分布を有する平滑な出力光を達成するために、入力端３２において受光された光の伝播モード間の結合を誘発し、すなわち光のモードを混合するように機能する。結合誘導部３３を、複数の領域３４（図２を参照）を含むと言うことができる。

したがって、第１の光ファイバ３０の出力端３１から放射された光は、ビームスプリッタ４０に投射され、基準値をもたらす目的で第２の光ファイバ４２にて制御ユニット６０へと伝送される光の第１の部分と、クロマトグラフィ分離カラムからのサンプル流体の流れ（太い矢印によって概略的に示されている）を受け入れるように構成されたフローセルユニット５０へと第３の光ファイバ４１にて伝送され、サンプル流体が流れるフローセル５１を照らすことができる光の第２の部分とに分割される。フローセル５１から、光は第４の光ファイバ４３にて制御ユニット６０へと伝送され、サンプルの値として使用される。制御ユニット６０は、第２および第４の光ファイバ４２、４３からの光の検出に適した光検出器を備え、サンプルの値と基準値とを比較することによって、特定の分子の存在および量などのフローセル５１内のサンプルの特性を割り出すように構成されている。

また、制御ユニット６０は、複数の制御信号によって液体クロマトグラフィシステム１００の動作を制御するように構成されている。したがって、第１の制御信号６１が、ランプトリガ１２を制御することにより、光源１１の動作を制御し、第２の制御信号６２が、第１のステッピングモータ２５を制御することにより、フィルタ２２の位置を制御し、第３の制御信号６３が、第２のステッピングモータ２６を制御することにより、光を第１の光ファイバ３０へと投射する収差補正されたホログラフィック格子２４の動作を制御する。さらに、制御ユニット６０は、とりわけ、フローセル５１内のサンプルの特性の測定に関する信号などのシステム出力信号６４をもたらす。

ＰＣなどの外部制御ユニット７０が、システム出力信号６４を受信するように構成され、例えばそれらを保存し、計算に使用し、ユーザにデータを提示することができる。また、外部制御ユニット７０は、例えば光源１１の周波数、フィルタ２２の位置、格子２４による第１の光ファイバ３０への光の投射の方法、または光検出器によって検出すべき波長範囲に関する一連のシステム入力信号７１によって、制御ユニット６０の動作を制御するように構成される。これらの入力制御信号７１は、ユーザによって決定することができる。

次に、本発明を、上述した液体クロマトグラフィシステム１００ならびに図２および図３を参照して、詳細に説明する。

本発明の好ましい実施形態によれば、第１の光ファイバ３０は、ホルダ８０内に配置され、入力端３２から出力端３１までの一連の開いたベンドを含む経路８３に沿って固定手段８２によって保持される。ベンドのおかげで、光が結合誘導部３３において多数回の全反射を被った後に完全なモード混合が達成されているように、伝播モードの結合が生じる。

さらに、第１の光ファイバ３０は、好ましくは八角形であるが、例えば六角形、矩形、または十角形などでもよい非円形の断面を有する。これは、伝播モードの効率的な結合、すなわち光ファイバを通って伝播する光の混合を可能にするうえで、非常に有利である。したがって、結合を、円形断面を有するマルチモード光ファイバと比べてより高い効率で実行することができ、光源１１の各々の閃光から均一な光出力を生成する完全な混合を、より短い長さの結合誘導部３３で、したがって円形ファイバを用いる従来技術によって可能であるよりも短いファイバ全長で、達成することができる。

ビームスプリッタ４０に配置され、第１の光ファイバ３０から放射される光の一部分をそれぞれ受け取る第２の光ファイバ４２および第３の光ファイバ４１は、好ましくは、やはり非円形の断面を有する。いくつかの構成において、非円形の第２の光ファイバ４２および第３の光ファイバ４１を有することは、ビームスプリッタにおける損失を最小にするうえで好都合であり、上記第２および第３の光ファイバ４２、４１を、ビームスプリッタ４０へと投射される光を受け取るように各々の光ファイバ４２、４１の入力端を並べた状態に配置することができる。ビームスプリッタ４０における第２および第３の光ファイバ４２、４１の２つの円形の入力端を開示している図４ａ、およびビームスプリッタ４０における第２および第３の光ファイバ４２、４１の２つの八角形の入力端を開示している図４ｂによって示されるとおり、円形の断面を有する光ファイバを使用し、それらを並べて配置すると、ファイバの入力端へと投影される光のかなりの部分が失われてしまう。ビームスプリッタの断面は、図４ａおよび図４ｂに示される円形の断面でなくてもよく、例えば断面は、第１の光ファイバ３０の断面に一致してもよく、したがって断面において八角形などであってよいことを、理解できるであろう。

多くの従来技術のシステムにおいて、マルチモード光ファイバは、入力端から出力端まで三次元に突出するベンドおよびループにて配置されている。多くの場合、ループは、ループの底部を除き、ホルダによって支持されることがない。しかしながら、本発明のこの好ましい実施形態においては、結合誘導部３３が保持される経路が、結合誘導部３３のいかなる領域３４も他の領域３４と重なり合うことがないようなやり方で配置された開いたベンドだけを含む。したがって、結合誘導部３３は、ループ状には配置されておらず、三次元に突出することがなく、むしろ基本的に、入力端３２から出力端３１までホルダ８０の表面８１上の平面内を延びている。これは、より小さくかつより安定なホルダ８０を使用することができ、結合誘導部３３の各領域３４、すなわち結合誘導部３３に沿った各点を、ホルダ８０の表面８１に対してしっかりと取り付けて固定することができるという利点を有する。この確実な固定のおかげで、第１の光ファイバ３０における強度損失およびドリフトを最小限に抑えることができ、出力端３１から発せられる光について、高品質を達成することができる。所望であれば、第１の光ファイバ３０のすべての部分が固定されるように、入力端３２および出力端３１もホルダ８０に取り付けることができる。

固定手段８２は、第１の光ファイバ３０をホルダ８０上に固定するように機能し、経路８３に沿った溝の形態の固定装置、複数のフックまたはクリップ、接着剤、光ファイバへと押し付けられる蓋、あるいは任意の他の適切な種類の固定手段を備えることができる。この好ましい実施形態において、固定手段８２は、経路８３に沿った所望の場所において表面８１から突出する複数の保持ピン８２である。保持ピン８２は、表面８１から基本的に直角に延び（図３を参照）、表面の近くの第１の直径ｄ_１と表面８１から離れた第２の直径ｄ_２とを有し、第１の直径ｄ_１は第２の直径ｄ_２よりも小さい。したがって、保持ピン８２は、表面８１へと接続された基部においてより細く、保持ピン８２の頂部に向かって広がっている。この形状により、第１の光ファイバ３０を、他の固定装置を必要とせずに経路に沿って確実に保持することができ、表面８１から遠ざかる保持ピン８２に沿った滑りなどの小さな動きを、回避することができる。

この実施形態においては、すべての保持ピン８２の形状およびサイズが互いに類似しているが、代案においては、第１の光ファイバの確実な固定をもたらすために、１つ以上の保持ピン８２が所望のとおりに異なっていてもよい。また、第１の光ファイバ３０の固定を容易にし、光ファイバ３０の長さの小さな公差を補償するために、ピン８２のうちの１つ以上を、表面８１に対して移動可能であり、例えばスライド可能であるように構成することができる。横方向にスライド可能なピンを、モード結合の効率を変更し、あるいは徐々に調整するためにも使用することができる。

第１の光ファイバ３０を取り付けるとき、第１の光ファイバ３０に沿ったすべての領域３４がホルダ８０およびこのホルダ８０の表面８１に対して固定されるように、結合誘導部が経路に沿った所定の場所に置かれ、保持ピンによって保持され、入力端３２および出力端３１が所望のとおりに固定される。いずれかの保持ピン８２が移動可能に構成されている場合には、取り付けを、第１の光ファイバ３０を経路８３に沿った所定の場所に置き、次いで第１の光ファイバが固定されるように移動可能な保持ピン８２を所望の場所へとスライドさせることによって、実行することができる。その後に、保持ピンを、例えば保持ピン８２のさらなる移動を防止するねじまたは他の固定装置によって、ホルダ８０に対して固定することができる。

光ファイバ３０のホルダ８０へのしっかりとした固定の実現は、取り付け時に生じ得る光ファイバ３０の内部張力が、光ファイバが固定される場合により容易に緩和されることで、初期のベースラインドリフトが少なくなるため、システムの製造においても好都合である。

本発明は、上述した実施形態に限定されるものではなく、当業者であれば容易に理解できるとおり、添付の特許請求の範囲の技術的範囲において変更が可能である。例えば、本発明による光ファイバ装置は、種々のさまざまな液体クロマトグラフィシステムにおいて使用することができ、生物医薬品の製造のためのろ過システム、細胞収穫システム、清澄化システム、製剤システム、または同様のシステムなどの光ファイバ内の伝播モードの結合が有益であり、安定した基準信号が必要とされる種々の技術的用途、ならびに他の技術分野においても使用することができる。

１０ 光源ユニット
１１ 光源
１２ ランプトリガ
２０ 単色光分光器
２１ 集光器
２２ フィルタ
２３ 入射スリット
２４ ホログラフィック格子
２５ ステッピングモータ
２６ ステッピングモータ
３０ 第１の光ファイバ
３１ 出力端
３２ 入力端
３３ 結合誘導部
３４ 領域
４０ ビームスプリッタ
４１ 第３の光ファイバ
４２ 第２の光ファイバ
４３ 第４の光ファイバ
５０ フローセルユニット
５１ フローセル
６０ 制御ユニット
６１ 第１の制御信号
６２ 第２の制御信号
６３ 第３の制御信号
６４ システム出力信号
７０ 外部制御ユニット
７１ システム入力信号、入力制御信号
８０ ホルダ
８１ 表面
８２ 固定手段、保持ピン
８３ 経路
１００ 液体クロマトグラフィシステム

Claims (10)

1. 光の伝播モード間の結合を引き起こすための光ファイバ装置であって、
   光を受光する入力端（３２）と、光を出射する出力端（３１）とを有しており、結合誘導部（３３）が前記入力端（３２）から前記出力端（３１）まで延びているマルチモード光ファイバ（３０）と、
   ホルダ（８０）と、
   前記ホルダ（８０）内に前記マルチモード光ファイバ（３０）を固定するように構成された固定手段（８２）と
   を備え、
   前記マルチモード光ファイバ（３０）は、非円形の断面を有することを特徴とする、光ファイバ装置。
2. 前記結合誘導部（３３）は、前記ホルダ（８０）において基本的に単一の平面内に配置される、請求項１に記載の光ファイバ装置。
3. 前記第１の光ファイバ（３０）の前記結合誘導部（３３）は、複数の領域（３４）を含んでおり、各々の領域（３４）が、前記ホルダ（８０）に対して固定されている、請求項１または２に記載の光ファイバ装置。
4. 前記結合誘導部（３３）は、前記ホルダ（８０）において経路（８３）に沿って配置され、前記経路（８３）は、前記結合誘導部（３３）のいかなる領域（３４）も他の領域（３４）と重なり合って配置されることがないように開いたベンドを含む、請求項１乃至３のいずれか１項に記載の光ファイバ装置。
5. 前記ホルダ（８０）は、表面（８１）と、前記表面（８１）から伝播する複数の保持ピン（８２）とを有し、前記保持ピン（８２）は、前記表面（８１）に隣接する第１の直径（ｄ_１）と、前記表面（８１）から離れた第２の直径（ｄ_２）とを有し、前記第１の直径（ｄ_１）は、前記第２の直径（ｄ_２）より小さい、請求項１乃至４のいずれか１項に記載の光ファイバ装置。
6. 前記第１の光ファイバ（３０）の前記結合誘導部（３３）は、前記保持ピン（８２）によって前記ホルダ（８０）の前記表面（８１）に沿って保持される、請求項５に記載の光ファイバ装置。
7. 前記保持ピン（８２）の少なくとも１つは、前記ホルダ（８０）の前記表面（８１）上に移動可能に配置されている、請求項６に記載の光ファイバ装置。
8. 物質の光吸収の測定または濃度の割り出しのためのシステムであって、請求項１乃至７のいずれか１項に記載の光ファイバ装置を少なくとも１つ備えているシステム。
9. ビームスプリッタ（４０）が、前記第１の光ファイバ（３０）の前記出力端（３１）に配置され、前記ビームスプリッタ（４０）は、第２の光ファイバ（４１）および第３の光ファイバ（４２）の入力端へと光を投射するように構成され、前記第２の光ファイバ（４１）および前記第３の光ファイバ（４２）は、非円形の断面を有する、請求項８に記載のシステム。
10. 請求項９に記載のシステムを含んでおり、クロマトグラフィ分離カラムからの出力流を受け入れるように構成された液体クロマトグラフィ分光光度計。