JP2020101426A - 吸光光度検出器 - Google Patents

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Abstract

【課題】高感度かつ高精度な液体クロマトグラフ用吸光光度検出器を提供する。【解決手段】LEDデバイス101を発光源として有する発光部と、測定試料を保持するフローセル103と、発光部が照射する光をフローセルへ導き、フローセルを透過した光を光分岐素子104に入光し2つに分岐した光の一方を、第一波長の光を選択的に出力する波長選択素子105を通して受光する受光素子106を有する受光部と、分岐した光の他方を、第二波長の光を選択的に出力する波長選択素子107を通して受光する受光素子108を有する受光部と、第一波長の透過光量および第二波長の透過光量に基づいて測定試料中における測定成分の測定値に換算する演算部109とを備えた吸光光度検出器であって、発光部が、415nmの波長の光を発生する発光素子と、発光素子が照射する光で励起し515〜680nmのいずれかの波長の光を発生する蛍光体とを含んで構成される。【選択図】図1

Description

本発明は、光源にLEDを使用して複数の波長域の光が出力可能な検出器に関するものである。
液体クロマトグラフィーに吸光光度検出器を用いる場合、溶離液の切り替え時に発生するノイズ、送液ポンプの脈動に起因して発生するノイズ、電気的なノイズ、またはベースラインのうねりやドリフト、等による測定精度への影響を抑制するために、測定波長光で分析成分を検出する際に同時に参照波長光を用いて検出し、測定値のずれを補正する方法がとられる。一般的に測定波長は測定成分の吸収極大波長付近に設定し、参照波長は測定成分が示す吸収スペクトルの影響を受けないように測定波長より100nm以上の間隔をとって設定することが多い。
LEDは、吸光光度検出器の光源として用いた場合、ハロゲンランプや重水素ランプに比べて長寿命、高発光効率、低発熱等の特長を有するため、最近多用されている。しかし、単色のLEDを単体で用いる場合は発光波長帯域が極めて狭いことから、光量の多いピーク波長付近に測定波長を設定すると、測定波長から100nm以上の間隔をとって参照波長を設定することができないという課題がある。
特許文献1は、LEDを光源として2波長を用いて測定する際に、パルス出力が可能な主波長用LEDと副波長用LEDの2つを異なるタイミングで出力する検出器を開示している。しかし、出力波長が異なる複数のLEDを使用した場合は、測定波長光量と参照波長光量の比率に差が生じ、同一試料を測定した場合でも異なる測定結果となる危険性があった。
特許文献2は、青色LEDと特殊蛍光体とを組み合わせて十分な発光強度スペクトルを有する白色発光素子を一つの光源とし、フローセルの上流と下流の異なる検出部で測光する検出器を開示している。しかしながら、一方の検出部で測定波長により測光し、他方の検出部で参照波長により測光する方式を適用すると、2箇所の検出部を通過する間に試料状態が変化し、測定波長による吸光度と参照波長による吸光度の打ち消し効果が低減するといった問題があった。
WO2014−157282号公報 特開平11−304696号公報
本発明の課題は、高感度かつ高精度な吸光光度検出器を提供することにある。
前記課題を解決するためになされた本発明は、以下の発明を包含する:
すなわち本発明の第一の態様は、
LEDデバイスを単一の発光源として有する発光部と、
測定試料を保持する光透過性のフローセルと、
前記発光部が照射する光を前記フローセルへ導き、前記フローセルを透過した光を光分岐素子に入光し2つに分岐した光の一方を、第一波長の光を選択的に出力する波長選択素子1を通して受光する受光素子1を有する受光部1と、
前記2つに分岐した光の他方を、第二波長の光を選択的に出力する波長選択素子2を通して受光する受光素子2を有する受光部2と、
前記第一波長の透過光量1および前記第二波長の透過光量2に基づいて前記測定試料中における測定成分の測定値に換算する演算部と、
を備えた液体クロマトグラフ用の吸光光度検出器であって、
前記発光部が、少なくとも415nmの波長の光を発生する発光素子と、
前記発光素子が照射する光で励起し515〜680nmのいずれかの波長の光を発生する蛍光体と、
を含んで構成されることを特徴とする。
次に、本発明の第二の態様は、
LEDデバイスを単一の発光源として有する発光部と、
測定試料を保持する光透過性のフローセルと、
前記発光部が照射する光を光分岐素子に入光し2つに分岐した光の一方を、第一波長の光を選択的に出力する波長選択素子1を通して前記フローセルへ導き、前記フローセルを透過した光を受光する受光素子1を有する受光部1と、
前記2つに分岐した光の他方を、第二波長の光を選択的に出力する波長選択素子2を通して光路セルへ導き、前記光路セルを透過した光を受光する受光素子2を有する受光部2と、
前記第一波長の透過光量1および前記第二波長の透過光量2に基づいて前記測定試料中における測定成分の測定値に換算する演算部と、
を備えた液体クロマトグラフ用の吸光光度検出器であって、
前記発光部が、少なくとも415nmの波長の光を発生する発光素子と、
前記発光素子が照射する光で励起し515〜680nmのいずれかの波長の光を発生する蛍光体と、
を含んで構成されることを特徴とする。
発光源として発光素子および蛍光体を含んで構成される単一のLEDデバイスを備えた吸光光度検出器を用いて参照波長を測定波長より100nm以上長く設定することにより、高感度かつ高精度なヘモグロビン類の測定が可能になる。
本発明の吸光光度検出器の一態様を示した図である。 本発明の吸光光度検出器の別の態様を示した図である。 本発明の吸光光度検出器を組み入れた液体クロマトグラフの構成を示した図である。 アルミネート系黄緑色蛍光体をコートした発光素子の発光スペクトルを示した図である。 アルミネート系黄緑色蛍光体をコートした発光素子を用いて、測定波長を415nm、参照波長を600nmにて測定し得られたクロマトグラムを示した図である。 測定波長、参照波長および演算後のノイズ・ドリフトのレベルを示したクロマトグラムを示した図である。 全血中のヘモグロビンの吸収スペクトルを示した図である。 窒化物系橙色蛍光体をコートした発光素子の発光スペクトルを示した図である。 窒化物系橙色蛍光体をコートした発光素子を用いて、測定波長を415nm、参照波長を600nmにて測定し得られたクロマトグラムを示した図である。 窒化物系橙色蛍光体をコートした発光素子を用いて、測定波長を415nm、参照波長を650nmにて測定し得られたクロマトグラムを示した図である。 窒化物系赤色蛍光体をコートした発光素子の発光スペクトルを示した図である。 窒化物系赤色蛍光体をコートした発光素子を用いて、測定波長を415nm、参照波長を650nmにて測定し得られたクロマトグラムを示した図である。 ブロード特性を有する青色LEDの発光スペクトルを示した図である。 ブロード特性を有する青色LEDを用いて、測定波長を415nm、参照波長を500nmにて測定し得られたクロマトグラムを示した図である。
以下に本発明を詳細に説明する。
LEDデバイスとは、発光素子に対し、透明シリコン樹脂、透明フッ素樹脂、透明エポキシ樹脂等に蛍光体を混合し発光素子の上部を包囲するようにコートする等の方法でモールドを行い、パッケージに実装してランプ化したものを指す。形状は、一般的な砲弾型、帽子型、チップ型、フラックス型などが例示される。
発光素子とは、半導体発光素子(LEDチップ)を指し、青色の発光素子より短い波長の光を発する、紫色から青紫色の発光素子が好適に使用できる。波長でいえば、ピーク波長が380〜450nm程度、好ましくは400〜430nm程度の発光素子が、ヘモグロビン類(オキシヘモグロビン類)の極大吸収波長415nmにおける検出光量が十分に確保できる点において適している。
蛍光体は、アルミネート系、シリケート系、YAG(イットリウムアルミニウムガーネット)系などの緑色発光蛍光体(ピーク波長が520〜550nm程度)または黄色発光蛍光体(ピーク波長が550〜580nm程度)、窒化物系の橙色発光蛍光体(ピーク波長が580〜620nm程度)または赤色発光蛍光体(ピーク波長が620〜680nm程度)等が例示される。蛍光体は発光素子から発生する光で励起され、515〜680nmのいずれかの波長の光を含んだ光を発生する。
フローセルは、形状が一般的な円柱型、直方体型または垂台型等に成形されたものが例示できる。材質は石英ガラスやプラスチック等で製造されたものを使用することができ、少なくとも光源から照射した光が透過し得るものであれば完全な透過性を有するものでなく、一部分が透過性のものでも良い。光路セルは、形状および材質においてはフローセルと同等のものが好ましい。
光分岐素子は、波長に応じて光を透過または反射することによって、光をスペクトル的に分離する素子を指し、ダイクロイックミラーやハーフミラーなどが例示される。例えばロングパスダイクロイックミラーは、カットオフ波長よりも短い波長の光に対しては高い反射率を示し、カットオフ波長よりも長い波長の光では高い透過率を示す。ショートパスダイクロイックミラーは、カットオフ波長よりも短い波長の光の透過率は高く、カットオフ波長よりも長い波長の光の反射率は高くなる。
波長選択素子は、特定の波長帯の光のみを選択的に透過する、スペクトル半値幅が5〜20nm程度のバンドパスフィルタ(干渉フィルタ)などが例示される。
受光素子とは、光を電気に変換する一般的な半導体光検出器を指し、フォトダイオード、フォトトランジスタなどが例示される。受光部とは、プリント基板上に受光素子を搭載したものを指す。
演算部は、受光部が出力するアナログ信号の取得、デジタル信号への変換、変換された値の解析、クロマトグラム化、測定値への換算と出力等を行う。例えば2波長測定の場合は、測定波長光の受光部から得られる出力電圧、参照波長光の受光部から得られる出力電圧、およびそれらの出力電圧の比に対して対数変換し、変換した値を解析後、クロマトグラム化、さらに測定値に換算し出力する。
本発明の光学系は以下の構成が例示できる。
一つの態様(光学系1)としては、図1に示すような、LEDデバイス101、LEDデバイス101から照射する光を平行光に変換するコリメートレンズ102、コリメートレンズ102を通過した光を入射する、測定試料を保持するフローセル103、フローセル103を通過した光を2つに分岐するためのロングパスダイクロイックミラー104、分岐した一方の光から測定波長光を得るためのバンドパスフィルタ105、測定波長光を受光検出する受光素子を有する受光部106、分岐した他方の光から参照波長光を得るためのバンドパスフィルタ107、参照波長光を受光検出する受光素子を有する受光部108、受光部106および受光部108が出力する信号を入力し測定試料中における測定成分の測定値に換算する演算部109により構成される。
別の態様(光学系2)としては、図2に示すような、LEDデバイス201、LEDデバイス201から照射する光を平行光に変換するコリメートレンズ202、コリメートレンズ202を通過した光を2つに分岐するためのロングパスダイクロイックミラー204、分岐した一方の光から測定波長光を得るためのバンドパスフィルタ207、バンドパスフィルタ207を通過した光を入射するフローセル203、フローセル203を通過した光を受光検出する受光素子を有する受光部208、分岐した他方の光から参照波長光を得るためのバンドパスフィルタ205、バンドパスフィルタ205を通過した光を入射する参照用光路セル210、参照用光路セル210を通過した光を受光検出する受光素子を有する受光部206、受光部206および受光部208が出力する信号を入力し測定試料中における測定成分の測定値に換算する演算部209により構成される。
上述した光学系1または光学系2で構成される本発明の吸光光度検出器を備えた液体クロマトグラフは、波長選択素子1により出力した415nmの第一波長を測定波長とし、波長選択素子2により出力した515〜680nmのいずれか、好ましくは600〜650nmのいずれかの第二波長を参照波長とすることでヘモグロビン類の測定を好適に行える。
以下、実施例等を用いて本発明をさらに詳細に説明するが、本発明の態様はこれらに限定されるものではない。
図3は本発明の効果を確認した際に用いた液体クロマトグラフの概略図である。
溶離液は、1液(G9溶離液HSi第1液 東ソー株式会社)301、2液(G9溶離液HSi第2液 東ソー株式会社)302、3液(G9溶離液HSi第3液 東ソー株式会社)303を使用した。
各溶離液を送液ポンプ(DP−8020 東ソー株式会社)306を用いて流速2.0mL/分で送液した。各溶離液は脱気装置304を通じて脱気し、3液、2液、1液の順序で電磁弁(305a、305b、305c)を切り替えてステップグラジエント溶出を行った。測定対象物である血液中の安定型糖化ヘモグロビンを測定するために、注入バルブを含むオートサンプラー(AS−8020 東ソー株式会社)307を用いて健常人血を200倍に希釈した試料を注入した。試料注入は5μLのサンプルループを使用した。血液中のヘモグロビン成分の吸着脱離を行うための充填剤として陽イオン交換樹脂TSKgel SP−NPR(東ソー株式会社)を充填したカラム308に試料を注入し、分離したヘモグロビン各成分を図1の光学系を有する吸光光度検出器309(フローセルの形状は、内径が1.0mmかつ光路長が10mmの円柱状)にて検出した。検出器から出力する信号として、測定波長光から得られる出力電圧Vsam、参照波長光から得られる出力電圧Vref、測定波長光から得られる出力電圧と参照波長光から得られる出力電圧の比に対して対数変換した換算出力Vout(log(Vref/Vsam))を得た。Vsam、Vref、Voutのアナログ信号はLC−8020(東ソー株式会社)を備えたコントローラーで取得し、出力値の解析、描写、データ処理や各ユニットの制御はLC−8020model2(東ソー株式会社)で行った。
(実施例1)
青紫色発光素子(ピーク波長約430nm)の上部を、アルミネート系黄緑色蛍光体(ピーク波長約550nm)を含む透明シリコン樹脂でモールドしたLEDデバイスを用い、測定波長用のバンドパスフィルタの出力波長を415nm、参照波長用のバンドパスフィルタの出力波長を600nmとし、全血中の安定型糖化ヘモグロビンを測定した。LEDデバイスの発光スペクトルを図4、検出器にて得られたVsam、Vref、Voutによるクロマトグラムを図5に示した。
参照波長光から得られる出力Vrefを用いて検出したヘモグロビンA0ピークは、測定波長光から得られる出力Vsamを用いて検出したヘモグロビンA0ピークの1.33%であり、参照波長側における測り込みが小さいことが確認できた。また、Voutによるクロマトグラムから不安定型ヘモグロビンA1cピーク(401)、安定型ヘモグロビンA1cピーク(402)、ヘモグロビンA0ピーク(403)が得られることが確認できた。
高感度かつ高精度な測定を達成するためには、ベースラインのドリフトやノイズを小さくすることが必須である。参照波長を測定波長より100nm以上長く設定するメリットを示す1例として、上記検出条件にて溶離液を3液から2液、1液の順序で電磁弁により切り替えてノイズおよびドリフトを評価し、Vsam、Vref、Voutの各出力電圧により得られたベースラインのクロマトグラムを図6に示した。Vsamは、ドリフト0.08mV、最大ノイズ0.073mV、切り替えノイズ0.17mVであり、Vrefは、ドリフト0.08mV、最大ノイズ0.067mV、切り替えノイズ0.31mVであった。一方、Voutは、ドリフト0.01mV、最大ノイズ0.011mV、切り替えノイズ0.03mVであり、Vsamを、Vrefを用いて補正・算出することによりドリフトの88%、最大ベースラインノイズの85%、切り替えノイズの82%を低減することが可能となり、高感度かつ高精度な測定が達成される。
さらに、全血中のヘモグロビン類の測定に600nm以上の参照波長を用いるメリットを示すため、全血中のヘモグロビンの吸収スペクトルを、分光光度計(UV−2600 島津製作所)を用いて測定し、結果を図7に示した。得られた吸収スペクトルにおいて約415nmを中心とする波長域と520nm〜600nmの波長域においてヘモグロビンに固有の吸収を示し、600nm以上では顕著な吸収を示さないため、600nm以上の波長域を参照波長に設定することによりヘモグロビン濃度の影響が軽減され、参照波長側への測り込みの少ない、より高精度な測定が可能となる。
(実施例2)
蛍光体を窒化物系橙色蛍光体(ピーク波長約620nm)に変更した以外は、実施例1と同様の条件で全血中の安定型糖化ヘモグロビンを測定した。LEDデバイスの発光スペクトルを図8、検出器にて得られたVsam、Vref、Voutによるクロマトグラムを図9に示した。
参照波長光から得られる出力Vrefを用いて検出したヘモグロビンA0ピークは、測定波長光から得られる出力Vsamを用いて検出したヘモグロビンA0ピークの1.37%であり、参照波長側における測り込みが小さいことが確認できた。また、Voutによるクロマトグラムから不安定型ヘモグロビンA1cピーク(401)、安定型ヘモグロビンA1cピーク(402)、ヘモグロビンA0ピーク(403)が得られることが確認できた。
(実施例3)
測定波長用のバンドパスフィルタの出力波長を415nm、参照波長用のバンドパスフィルタの出力波長を650nmに変更した以外は実施例2と同様の条件で全血中の安定型糖化ヘモグロビンを測定した。検出器にて得られたVsam、Vref、Voutによるクロマトグラムを図10に示した。
参照波長光から得られる出力Vrefを用いて検出したヘモグロビンA0ピークは、測定波長光から得られる出力Vsamを用いて検出したヘモグロビンA0ピークの0.12%であり、参照波長側における測り込みが小さいことが確認できた。また、Voutによるクロマトグラムから不安定型ヘモグロビンA1cピーク(401)、安定型ヘモグロビンA1cピーク(402)、ヘモグロビンA0ピーク(403)が得られることが確認できた。
(実施例4)
蛍光体を窒化物系赤色蛍光体(ピーク波長約660nm)に変更した以外は、実施例3と同様の条件で全血中の安定型糖化ヘモグロビンを測定した。LEDデバイスの発光スペクトルを図11、検出器にて得られたVsam、Vref、Voutによるクロマトグラムを図12に示した。
参照波長光から得られる出力Vrefを用いて検出したヘモグロビンA0ピークは、測定波長光から得られる出力Vsamを用いて検出したヘモグロビンA0ピークの0.15%であり、参照波長側における測り込みが小さいことが確認できた。また、Voutによるクロマトグラムから不安定型ヘモグロビンA1cピーク(401)、安定型ヘモグロビンA1cピーク(402)、ヘモグロビンA0ピーク(403)が得られることが確認できた。
(比較例1)
比較例1では、蛍光体を含有しない、ブロード特性を有する青色発光素子からなるLEDデバイスを光源として使用した。本LEDデバイスの発光スペクトルを図13に示した。
約460nmを中心波長とするLEDデバイスであるが、560nm以降の波長帯ではほとんど発光しないことがわかった。したがって、この光源では、560nm以上の波長を参照波長に設定することが不可能であった。バンドパスフィルタの出力波長は、測定波長に415nmを、参照波長に500nmを用いた。本LEDデバイスを実装した吸光光度検出器を用いて全血中の安定型糖化ヘモグロビンを測定した。検出器にて得られたVsam、Vref、Voutによるクロマトグラムを図14に示した。
参照波長光から得られる出力Vrefを用いて検出したヘモグロビンA0ピークは、測定波長光から得られる出力Vsamを用いて検出したヘモグロビンA0ピークの13.66%であり実施例1〜4と比較して参照波長側における測り込みが大きいことが確認された。また、Voutによるクロマトグラムから不安定型ヘモグロビンA1cピーク(401)、安定型ヘモグロビンA1cピーク(402)、ヘモグロビンA0ピーク(403)が得られることが確認できた。
101、201:LEDデバイス
102、202:コリメートレンズ
103、203:フローセル
104、204:ダイクロイックミラー
105、107、205、207:バンドパスフィルタ
106、108、206、208:受光部
109、209:演算部
210:参照用光路セル
301:1液
302:2液
303:3液
304:脱気装置
305a、305b、305c:電磁弁
306:送液ポンプ
307:オートサンプラー
308:カラム
309:吸光光度検出器
401:不安定型ヘモグロビンA1cのピーク
402:安定型ヘモグロビンA1cのピーク
403:ヘモグロビンA0のピーク

Claims (4)

  1. LEDデバイスを単一の発光源として有する発光部と、
    測定試料を保持する光透過性のフローセルと、
    前記発光部が照射する光を前記フローセルへ導き、前記フローセルを透過した光を光分岐素子に入光し2つに分岐した光の一方を、第一波長の光を選択的に出力する波長選択素子1を通して受光する受光素子1を有する受光部1と、
    前記2つに分岐した光の他方を、第二波長の光を選択的に出力する波長選択素子2を通して受光する受光素子2を有する受光部2と、
    前記第一波長の透過光量1および前記第二波長の透過光量2に基づいて前記測定試料中における測定成分の測定値に換算する演算部と、
    を備えた液体クロマトグラフ用の吸光光度検出器であって、
    前記発光部が、少なくとも415nmの波長の光を発生する発光素子と、
    前記発光素子が照射する光で励起し515〜680nmのいずれかの波長の光を発生する蛍光体と、
    を含んで構成されることを特徴とする前記吸光光度検出器。
  2. LEDデバイスを単一の発光源として有する発光部と、
    測定試料を保持する光透過性のフローセルと、
    前記発光部が照射する光を光分岐素子に入光し2つに分岐した光の一方を、第一波長の光を選択的に出力する波長選択素子1を通して前記フローセルへ導き、前記フローセルを透過した光を受光する受光素子1を有する受光部1と、
    前記2つに分岐した光の他方を、第二波長の光を選択的に出力する波長選択素子2を通して光路セルへ導き、前記光路セルを透過した光を受光する受光素子2を有する受光部2と、
    前記第一波長の透過光量1および前記第二波長の透過光量2に基づいて前記測定試料中における測定成分の測定値に換算する演算部と、
    を備えた液体クロマトグラフ用の吸光光度検出器であって、
    前記発光部が、少なくとも415nmの波長の光を発生する発光素子と、
    前記発光素子が照射する光で励起し515〜680nmのいずれかの波長の光を発生する蛍光体と、
    を含んで構成されることを特徴とする前記吸光光度検出器。
  3. 請求項1または2に記載の吸光光度検出器を備えた液体クロマトグラフによるヘモグロビン類の測定方法であって、
    前記波長選択素子1により出力した415nmの第一波長を測定波長とし、前記波長選択素子2により出力した515〜680nmのいずれかの第二波長を参照波長とすることを特徴とする前記方法。
  4. 請求項1または2に記載の吸光光度検出器を備えた液体クロマトグラフによるヘモグロビン類の測定方法であって、
    前記波長選択素子1により出力した415nmの第一波長を測定波長とし、前記波長選択素子2により出力した600〜650nmのいずれかの第二波長を参照波長とすることを特徴とする前記方法。
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