JP2020505595A - 複数の光ビームを用いた光学分析のための光学分光計モジュール、システム、及び方法 - Google Patents

Abstract

光学分析方法は、光源からの光を光学分光計モジュールで受信することと、光学分光計モジュールの光分配コンポーネントによって、受信された光を２つ以上の光ビームに分配することと、リファレンス及び１つ以上の試験サンプルのそれぞれを、２つ以上の光ビームのうちの１つの光ビームに同時に曝露することと、対応する検出器によって、リファレンスサンプル及び１つ以上の試験サンプルのそれぞれに関連する光の特性を同時に測定することとを含む。【選択図】図４

Description

本開示は、包括的には、光学分光機器及びシステム及び光学分光方法に関する。より詳細には、本開示は、複数の光ビームを用いる光学分光のための機器、システム、及び方法に関する。

以下、実施形態について、以下に簡単に記載する添付図面を参照して、例として更に詳細に記載する。

幾つかの実施形態による光学分光計モジュールの上面図である。 幾つかの実施形態による光分配コンポーネントの概略図である。 幾つかの実施形態による光学分光計モジュールのためのサンプルホルダのセットの斜視図である。 幾つかの実施形態による光学分析方法についてのフローチャートである。 幾つかの実施形態による光学分光計モジュールの上面図である。 幾つかの実施形態による光学分光計モジュールの上面図である。

分光計は、関心の材料又は物質（例えば、分子、元素、又は化合物）、すなわち、分析物の存在を特定する、又は、分析物の濃度を判定するために、サンプルの分析のために使用される器具である。分光光度計としても知られる光学分光計は、サンプルと相互作用するように方向付けられる、紫外（ＵＶ）、可視又は赤外（ＩＲ）範囲内の光の形態の電磁エネルギーを利用することができる。各サンプルによって吸収される又は放出される光の量を分析することによって、サンプル構成要素及び量についての判定を行うことができる。例えば、ＵＶ−可視分光は、ＵＶ−可視範囲内の波長を有する光にサンプルを曝露することができる。サンプルとの相互作用に続く、結果として得られる光の特徴（例えば、光強度及び／又はサンプルによって透過、吸収、又は放出される光の波長）を測定して、分析物のタイプ又は分析物の量を評価することができる。例えば、サンプルに関連する光吸収量は、分光計の較正によって、種々の分析物濃度（複数の場合もある）に関連付けられ得る。

リファレンス測定を、サンプルが存在せず、検出のために分光計を光が透過する場合に、行うこともできる。これは、サンプルによる光吸収レベルを計算するため、サンプルを透過した光と比較するためのベースライン光強度を確立するために使用することができる。例えば、使用される光の不安定性を反映するために、分光計は、光の一部が、器具の光学部品及び光源の変動を反映するためのリファレンスとして測定される別個のリファレンスビームになるよう方向転換される構成を使用することができる。これらは、デュアルビーム又はダブルビーム分光光度計として知られる。

光学分光による分析のためのサンプルは、流体又は半流体特性を持つことができる、又は、入力される光エネルギーがサンプルと相互作用することを可能にし、結果として得られる光特性が評価されることを可能にする、溶媒又は他の媒体等のキャリア内に懸濁される、液体、固体、気体、又は粒子状物質とすることができる。分析される液体又は流体懸濁サンプルは、キュベットとして知られるサンプルセル内に通常収容される。キュベット（しばしば、石英から作られる）及びキャリア媒体は、光学相互作用に寄与する場合があり、サンプル内に存在する場合がある分析物の存在及び／又は量を正確に判定するために、これらの材料の特性を考慮することも重要である場合がある。キュベットから検出される、結果として得られる光に対するキュベット材料及びキャリア媒体のいずれの寄与も、キャリア媒体（使用される場合）を収容するリファレンスキュベットを通した光特性又は透過特徴の測定によって考慮することができる。

代替的に、特定の分析物についての較正データは、特定の溶媒又はキャリア媒体を使用して得られている場合がある。この場合、キュベット又はキャリア媒体を用いるリファレンス測定を行うことは必要ない。また、キュベット及び／又はキャリア液体による吸収は、データ分析中に数値的に又は計算的に反映することができる。

光学分光計は、通常、おそらくはリファレンスサンプルを含む１つ以上のサンプルを、光の選択された波長及び強度に曝露するように構成される、単一光源及びサンプルホルダを備える。所与の関心分析物又はリファレンスサンプルを収容するサンプルホルダは、光源からの単色光に曝露され、サンプルとの相互作用に続いて、光特性を測定することができる。こうした器具の場合、分析のために単一サンプルを逐次的に導入する必要なしで、複数のサンプル又はリファレンスに関連する光特性を同時に測定する能力を提供することが望ましい場合がある。さらに、従来の器具と比較して、少数の可動部品を有する又は可動部品が全くない光学分光計を提供することが望ましい。

本明細書に含まれている、文書、行為、材料、デバイス、物品等のいずれの議論も、これらの事物のうちの任意の又は全ての事物が、従来技術の基礎の一部を形成する、本出願の各請求項の優先日以前に存在したために本開示に関連する分野において共通の一般的知識（common general knowledge）であった、又は、理解されている、関連すると見なされている、又は、当業者によって組合されていることを合理的に予想されている可能性がある、という承認として考えられない。

本開示の幾つかの実施形態は、
光源からの光を光学分光計モジュールで受信することと、
光学分光計モジュールの光分配コンポーネントによって、受信された光を２つ以上の光ビームに分配することと、
リファレンスサンプル及び１つ以上の試験サンプルのそれぞれを、２つ以上の光ビームのうちの１つの光ビームに同時に曝露することと、
対応する検出器によって、リファレンスサンプル及び１つ以上の試験サンプルのそれぞれに関連する光の特性を同時に測定することと、
を含む、光学分析方法に関する。

幾つかの実施形態において、本方法は、リファレンスに関連する光の測定された特性を１つ以上の試験サンプルに関連する光の測定された特性と比較することによって、１つ以上の試験サンプル内に存在する１つ以上の分析物を決定することを更に含む。測定される光の特性は光の強度とすることができる。種々の実施形態において、測定することは、所定の温度で行うことができる。

光学分析方法は、異なる波長で曝露すること及び測定することを繰返して、リファレンスサンプル及び１つ以上の試験サンプルのそれぞれについて特徴スペクトルを同時に取得することを更に含むことができる。

幾つかの実施形態において、分離させることは、光分配コンポーネントの光ファイバー束において光を受信することを含み、光ファイバー束は２つ以上の光ファイバーを備え、各光ファイバーは、
第１の端であって、受信された光がこの第１の端のそれぞれにおいて受信されることを可能にするように、光ファイバーが互いに近接する、第１の端と、
光ファイバーが互いから分離される第２の端と、
を備え、
光は、第１の端で受信され、第２の端に方向付けられ、第２の端のそれぞれは、対応するレセプタクルによって受信されるため、受信された光は各レセプタクルに分配される。

幾つかの実施形態において、光は第１のレンズを介して光ファイバーの第１の端において受信される。光は光学混合ファイバーを介して第１の端において受信することもできる。

２つ以上のサンプルセルは、２つ以上のレセプタクルを画定するサンプルホルダによって、光分配コンポーネントに対して固定ロケーションで受取られ位置決めすることができ、リファレンスサンプル及び１つ以上の試験サンプルは別個のサンプルセル内に収容される。

幾つかの実施形態において、各レセプタクルは、側壁によって画定される開口を通して光ビームを受信し、レセプタクルを透過した光は、開口に対向する側壁によって画定される出口を通してレセプタクルを去って、透過した光が対応する検出器によって測定されることを可能にする。光ファイバーの第２の端は開口において受取ることができる。

幾つかの実施形態において、リファレンスサンプル及び１つ以上の試験サンプルのそれぞれは、第２のレンズを介して２つ以上の光ビームに曝露される。

幾つかの実施形態において、分離させることは、２つ以上の光ビームを提供するように受信された光を分割することによって、受信された光が光分配コンポーネントのビームスプリッタのネットワークによって分配されることを含む。

受信された光は単色とすることができる。他の様々な実施形態において、光学分析方法は、光学分光計モジュール内の１つ以上のモノクロメータによって、受信された光の帯域幅を制限して、リファレンスサンプル及び１つ以上の試験サンプルが曝露される単色光を生成することを更に含む。

リファレンスサンプル及び１つ以上の試験サンプルは、１ｍｍ〜３ｍｍの範囲内のビームスポット径を有する光ビームに曝露することができる。

様々な実施形態において、各サンプルセルは、レセプタクルの上方端のセル開口で受取ることができ、セル開口は、光ビームを受信する開口及び出口に対して異なるロケーションに位置する。

本開示の幾つかの実施形態は、液体サンプルを分析する光学分光計モジュールであって、
光源から光を受信し、２つ以上の光ビームを同時に提供するために、受信された光を分配するように適合される光分配コンポーネントと、
２つ以上のレセプタクルを画定するサンプルホルダであって、
光分配コンポーネントに対する固定ロケーションにおいて２つ以上のサンプルセルを受取り、再現性よく位置決めし、
２つ以上の光ビームを同時に受信し、それにより、２つ以上のサンプルセル内に収容されるリファレンスサンプル及び１つ以上の試験サンプルが、受信される光に同時に曝露されることを可能にし、
サンプルセル内に収容されるリファレンスサンプル及び１つ以上の試験サンプルを透過した光がレセプタクルを出ることを可能にする、
ように適合される、サンプルホルダと、
２つ以上の検出器と、
を備え、それぞれの検出器は、１つのレセプタクルに隣接して位置して、サンプルを透過した光を測定し、リファレンスサンプル及び１つ以上のサンプルからの同時測定を可能にして、１つ以上のサンプルによる光吸収レベルが判定されることを可能にする、光学分光計モジュールに関する。

幾つかの実施形態において、それぞれのレセプタクルは少なくとも１つの側壁を備え、側壁は、
２つ以上の光ビームのうちの１つの光ビームを受信するように適合される開口と、
サンプルを透過した光が２つ以上の検出器によって測定されることを可能にするために開口に対向して位置決めされた出口と、
を画定する。

各レセプタクルは、サンプルセルを受取るためにレセプタクルの上方端にセル開口を画定することもできる。

光分配コンポーネントは、２つ以上の光ファイバーを備える光ファイバー束を備えることができ、各光ファイバーは、
第１の端であって、受信された光がこの第１の端のそれぞれにおいて受信されることを可能にするように、光ファイバーの側壁が互いに近接する、第１の端と、
光ファイバーが互いから分離される第２の端と、
を備え、
第１の端のそれぞれは光を受信して、光ファイバーの第２の端のそれぞれにわたって光を分配し、第２の端のそれぞれは、レセプタクルのうちの１つのレセプタクルによって受信され、それにより、各レセプタクルが２つ以上の光ビームのうちの１つの光ビームを受信することを可能にする。

幾つかの実施形態において、光学分光計モジュールは、光を第１の端上に集束させるために第１の端に光学的に結合された第１のレンズを更に備える。各光ファイバーの第１の端は、開口の対応するレセプタクルによって受取ることができる。

様々な実施形態において、第２の端のそれぞれは、第２のレンズに光学的に結合される。

他の実施形態において、光分配コンポーネントは、光源からの光を受信し、２つ以上の光ビームを提供するために、受信された光を分割するように適合されるビームスプリッタのネットワークを備える。

光分配コンポーネントは、２つ以上の光ビームが実質的に等しい強度を有するように受信された光を均等に分割することができる。光学分光計モジュールは、レセプタクルで受信される光ビームに、１ｍｍ〜３ｍｍの範囲内のビームスポット径を提供するように構成することができる。

幾つかの実施形態において、光分配コンポーネントは、２つ以上の光ビームのそれぞれについて、単色光を生成するために２つ以上のモノクロメータを備える。

サンプルホルダ及びレセプタクルは、所定の位置に固定することができる。サンプルホルダは電熱コンポーネントに結合することもできる。

本開示の幾つかの実施形態は、
幾つかの実施形態による光学分光計モジュールと、
電気アークランプを備える光源モジュールと、
を備え、
光学分光計モジュール及び光源モジュールは、互いに取外し可能に接続されるように適合され、それにより、光源からの光が、光学分光計モジュールによって受信されることを可能にする、分光システムに関する。

光源は、単色光を光学分光モジュールに提供するためにモノクロメータコンポーネントを更に備えることができる。

幾つかの実施形態において、分光システムは、リファレンスサンプルからの検出された光の測定された強度を１つ以上のサンプルのそれぞれと比較し、それにより、１つ以上のサンプルのそれぞれにおいて分析物の濃度を判定するように適合される計算ユニットを更に備える。

本明細書を通して、「備える、含む（comprise）」という用語又は「備える、含む（comprises）」若しくは「備えている、含んでいる（comprising）」等の変形は、述べられている要素、完全体若しくはステップ、又は要素、完全体若しくはステップの群の包含を意味するが、他のいかなる要素、完全体若しくはステップ、又は要素、完全体若しくはステップの群の排除も意味しないことが理解されよう。

図１を参照すると、幾つかの実施形態による光学分光モジュール１００が示される。光学分光モジュール１００は、モジュール式システムの一部として提供することができる。光学分光モジュール１００は、サンプルホルダ１１０及び光分配コンポーネント１３０を備える。各サンプルホルダ１１０は、光分配コンポーネント１３０に対する固定ロケーションにおいてリファレンスサンプルセル（図示せず）及び１つ以上のサンプルセル（図示せず）を受取り、再現性よく位置決めするように適合される２つ以上のレセプタクル１１１、１１２を備える。

幾つかの構成において、リファレンスレセプタクル１１１はリファレンスセルを受取るように適合され、１つ以上の試験サンプルレセプタクル１１２はサンプルセルを受取るように適合される。リファレンスセル及びサンプルセルはキュベットとすることができる。リファレンスキュベットはキャリア液体を収容するように構成され、サンプルキュベットは液体試験サンプルを収容するように構成される。

レセプタクル１１１は、しかし、空のままにされ、リファレンスキュベットなしで又はリファレンス材料なしで使用されて、透過した光をリファレンスビームとして測定することによって、器具の変動を補正するためのリファレンス信号を取得することができる。

光分配コンポーネント１３０は、光源（図示せず）から光１５０を受信し、レセプタクル１１１、１１２に２つ以上の光ビーム１６１、１６２を同時に提供するために、受信された光１５０を分配するように適合される。

提供される光ビームは、リファレンスビーム１６１及び１つ以上の試験ビーム１６２を含むことができる。幾つかの実施形態において、光分配コンポーネント１３０は、２つ以上のリファレンスビーム１６１及び２つ以上の試験ビーム１６２を提供する。

図２を参照すると、幾つかの実施形態において、光分配コンポーネント１３０は光ファイバー束２３０を備える。光ファイバー束２３０は少なくとも２つの光ファイバーを備える。光ファイバー束２３０は、例えば、２、３、４、５、６、７、８、又は８より多く数の光ファイバーを備えることができる。光ファイバーは、互いに近接するように第１の端２３１で束ねられて、受信された光１５０が光ファイバーの第１の終端部分２３１ａで受信されることを可能にすることができる。隣接する光ファイバーの側壁は、例えば、互いに当接するように光学的に結合することができる又は物理的に接続することができる。

終端部分２３１ａを、例えば、終端部分２３１ａに隣接した、レンズ２３２を含む光学集束又は光方向付け要素を介して、受信された光１５０に光学的に結合することができる。レンズ２３２は、光ファイバー束２３０内の光ファイバーの第１の終端部分２３１ａを通して、受信された光１５０を集束させる又は方向付けることができる。光ファイバーは、その後、第２の端２３３において位置付けられて又は互いから分離されて、光ビーム１６１、１６２をレセプタクル１１１、１１２に方向付けることができる。種々の実施形態において、方向付けられたそれぞれの光ビーム１６１、１６２は、波長及び／又は強度等の実質的に同じ特性を有するため、１つ以上のサンプル及び／又はリファレンスは、同様の特徴を有する光に曝露される。こうした曝露は、望ましくは、サンプル分析及びデータ採取の改善を可能にするために、実質的に同時に起こる場合がある。

幾つかの実施形態において、レンズ２３２は、受信された光１５０を光学混合ファイバー（図示せず）上に集束させる。光学混合ファイバーは、その後、終端部分２３１ａに当接して、各光ファイバーに光学的に結合する。光学混合ファイバーは、各光ファイバーの第２の端２３３に近い第２の終端部分２３３ａにおける光の強度に対する第１の終端部分２３１ａにおける光の強度のいずれの空間的変動の影響も有利に低減する。

受信された光１５０を、入力光ファイバー（図示せず）によって光学分光モジュール１００内に方向付け、レンズ２３２に光学的に結合することができる。例えば、レンズ２３２は、第１の終端部分２３１ａに当接することができる。

光ファイバーは、約０．６ｍｍ〜約１ｍｍの範囲内の（クラッディングを覆う）外径を有することができる。幾つかの実施形態において、光ファイバーは、約０．８ｍｍの直径を有するが、０．２ｍｍ程度に小さいものとすることができる。

それぞれの第２の終端部分２３３ａは、対応するレセプタクル１１１、１１２に対して位置決めされ、それにより、それぞれの第２の終端部分２３３ａは、第２のレンズ２３４等のそれぞれの又は対応する光学要素に光学的に結合することができる。第２のレンズ２３４は、光ビーム１６１、１６２を、レセプタクル１１１、１１２を通して検出器（図示せず）に方向付ける又は集束させる。幾つかの実施形態において、第２のレンズ２３４は、光ビーム１６１、１６２を、レセプタクル１１１、１１２の近い側で１ｍｍ〜３ｍｍの範囲内の直径を有するビームスポットに集束させるようにサイズ決定される及び／又は位置決めされる。第２のレンズ２３４は、検出器に達する光の強度又は束を最大にするように光ビーム１６１、１６２を有利に集束させる。検出器において測定される光の束を最大にすることは、光学分析の正確さを改善するのを支援することができる。

幾つかの実施形態において、レンズ２３２、２３４はボールレンズ又は平凸レンズである。

受信された光１５０を分配するために光ファイバー束を使用することは、サンプルホルダ１１０又はレセプタクル１１１、１１２を移動させる必要性なしで、複数の光ビーム１６１、１６２をレセプタクル１１１、１１２内に結合させるための好都合でかつ効率的な手段を有利に提供する。

レセプタクル１１１、１１２は、２つ以上の光ビーム１６１、１６２を同時に受信し、それにより、１つ以上のリファレンス及び１つ以上の試験サンプルが、受信された光ビーム１６１、１６２に同時に曝露されることを可能にするように適合される。幾つかの構成において、リファレンスは、リファレンスキュベット又はリファレンスサンプルを収容しない空のレセプタクル１１１を備える。

サンプルホルダ１１０及びレセプタクル１１１、１１２を、所定の位置に固定することができる。サンプルホルダ１１０の各レセプタクル１１１、１１２が光を同時に受信するように複数の光ビームが提供されるため、光が各レセプタクル１１１、１１２によって受信されるためにサンプルホルダ１１０を移動させる必要性は全く存在しない。これは、光学分光計モジュールの構造を有利に簡略化し、可動部品が少数であるため、修理についての必要性を低減する場合がある。

各サンプルホルダ１１０は、１つ以上の試験サンプル（キュベット内に収容することができる）及び任意のリファレンスを透過した光がレセプタクル１１１、１１２を出ることを可能にするように更に適合される。

レセプタクル１１１、１１２は、直角プリズム又は立方体等の選択された形状の本体を有するキュベットを受取るように構成されるキュベット開口１１７を備えることができる。キュベット開口１１７は、１０ｍｍ〜２０ｍｍの範囲内の寸法を持って（例えば、正方形として）形作ることができる。レセプタクル１１１、１１２は、３０ｍｍ〜５０ｍｍの範囲の深さを有することができる。キュベット開口１１７は、収容されるように設計されるキュベットの寸法よりわずかに大きいサイズに決定されて、クリアランスを提供する。例えば、レセプタクル１１１、１１２は、１４ｍｍ×１４ｍｍ正方形開口及び４０ｍｍの深さを備えて、１２．５ｍｍ×１２．５ｍｍ正方形ベース及び４５ｍｍの高さを有する本体を備えるキュベットを収容することができる。クリアランスは、対角線上に取付けることができるばね又は他の弾性変位式コンポーネントによって占められて、キュベットをその４つの側面のうちの２つの側面に関してレセプタクル１１１、１１２の角に位置付けることができる。レセプタクル１１１、１１２は、キュベットの高さより小さい深さを有することができるため、取外すためにキュベットが指で把持されることを可能にするのに十分な量のキュベットが露出される。

サンプルホルダ１１０は、レセプタクル１１１、１１２において、リファレンスビーム１６１及び１つ以上の試験又は分析物検出ビーム１６２を受信するように更に適合することができる。例えば、リファレンスレセプタクル１１１は、リファレンスビーム１６１が、リファレンスレセプタクル１１１のそれぞれにおいて受取られたリファレンスキュベットに方向付けられることを可能にするために、開口１１５ａを画定する第１の壁１１３ａを備えることができる。サンプルレセプタクル１１２は、試験ビーム１６２のそれぞれが、サンプルレセプタクル１１２のそれぞれにおいて受取られたサンプルキュベットに方向付けられることを可能にするために、それぞれが更なる開口１１６ａを画定する第１のサンプル壁１１４ａを備えることもできる。

幾つかの実施形態において、開口１１５ａ及び更なる開口１１６ａは、約２ｍｍ〜５ｍｍの範囲内の寸法を有することができる。例えば、開口１１５ａ及び更なる開口１１６ａは、約２ｍｍの幅及び約２．５ｍｍの高さを有することができる。

開口１１５ａ、１１６ａは、例えば、光ビーム１６１、１６２を、レセプタクル１１１、１１２を通して方向付ける又は集束させるのを支援するレンズ２３４を含む更なる光学要素を備えることができる。

また、サンプルホルダ１１０は、リファレンスレセプタクル１１１及びサンプルレセプタクル１１２を透過した光がレセプタクル１１１、１１２を出ることを可能にするように更に適合される。これは、リファレンスサンプル及び１つ以上のサンプルを透過した光の強度の同時測定を可能にするために各レセプタクル１１１、１１２に隣接して設置される１つの検出器１４０が、２つ以上のサンプルによる複数の光吸収レベルを同時に判定することを可能にする。例えば、リファレンスレセプタクル１１１は、第１の壁１１３ａに対向して第２の壁１１３ｂを備えることができる。出口１１５ｂを画定する第２の壁１１３ｂは、リファレンスレセプタクル１１１を横切り、リファレンスセルを通って送信されたリファレンスビーム１６１が、検出器１４０のうちの１つの検出器内に方向付けられることを可能にする。また、サンプルレセプタクル１１２は、第１のサンプル壁１１４ａに対向する、更なる出口１１６ｂを画定する第２のサンプル壁１１４ｂを備えて、サンプルレセプタクル１１２を横切り、キュベットを通って送信された試験ビーム１６２のそれぞれが、検出器１４０のうちの別の１つの検出器内に方向付けられることを可能にすることができる。

また、光学分光モジュール１００は電熱コンポーネント１２０を更に備えることができる。電熱コンポーネント１２０は、レセプタクル１１１、１１２に熱的に結合されて、レセプタクル１１１、１１２によって受取られた１つ以上の試験サンプル及び任意のリファレンスサンプルの温度を制御し調整する。例えば、所定の温度を、測定中に維持することができる。これは、サンプルによる光吸収がサンプルの温度によって影響を受ける可能性があるため、有用である場合がある。

電熱コンポーネント１２０は、光ビーム１６１、１６２がレセプタクル１１１、１１２によって受信されることを可能にし、検出器１４０がレセプタクル１１１、１１２を透過した光を測定することを可能にするように位置付けられる。幾つかの実施形態において、電熱コンポーネント１２０はレセプタクル１１１、１１２の下に位置する。

レセプタクル１１１、１１２は、レセプタクル１１１、１１２、サンプルキュベット、リファレンスキュベット、サンプル、キャリア液体、及びリファレンス物質のうちの１つ以上の均一な加熱を支援するために高熱伝導率材料から形成することができる。例えば、レセプタクル１１１、１１２は、アルミニウム合金、銅、又はグラファイト等の高熱伝導率材料から形成することができる。

高熱伝導率材料の熱伝導率は約５０Ｗ／ｍＫより大きいものとすることができる。高熱伝導率材料の熱伝導率は約１００Ｗ／ｍＫより大きいものとすることができる。

幾つかの実施形態において、電熱コンポーネント１２０は、サンプルホルダ１１０の温度を制御可能に調整するために、ペルチエデバイス等の熱電デバイスを含む。ペルチエデバイスを、光学分光モジュール１００のサンプルホルダ１１０とベース１０２との間でサンプルホルダ１１０に結合することができる。

幾つかの実施形態において、電熱コンポーネント１２０は熱交換コンポーネント（図示せず）を備える。熱交換コンポーネントは、熱を、ペルチエデバイスの一方の側面から対向する側面に伝達して、試験サンプル及び任意のリファレンスサンプルの温度が制御されることを可能にするのを有利に支援することができる。ベース１０２は、例えば、サンプルホルダ１１０に対するヒートシンクとして働くことができる。

幾つかの実施形態において、ベース１０２は、内部チャネルを通して液体が流れることを可能にする、当該内部チャネルを含むことで、電熱コンポーネント１２０を介して液体とサンプルホルダ１１０との間で熱を伝達することができる。例えば、ベース１０２は、水がベース１０２を通して流れることを可能にするように適合することができる。

他の実施形態において、電熱コンポーネント１２０は、サンプルホルダ１１０及び熱交換コンポーネントを加熱する抵抗加熱デバイス（図示せず）を備えることができる。熱交換コンポーネントは、抵抗加熱デバイスと協働してサンプルホルダ１１０から熱を直接除去して、リファレンスサンプル及び試験サンプルの温度が制御されることを可能にすることができる。

幾つかの実施形態によれば、サンプルホルダ１１０は支持体１１８を更に備える。支持体１１８は、光学分光計モジュール１００のレセプタクル１１１、１１２とベース１０２との間でレセプタクル１１１、１１２に取付けられる。それにより、支持体１１８は、ベース１０２からレセプタクル１１１、１１２を分離する。

幾つかの実施形態において、支持体１１８は、熱交換コンポーネントの一部として働いて、電熱コンポーネント１２０と支持体１１８を囲む環境との間の熱伝達を支援する。したがって、支持体１１８は、高熱伝導率材料から形成することができる。光学分光計モジュール１００は２つ以上の検出器１４０を更に備えることができ、各検出器１４０は、対応するレセプタクル１１１、１１２に隣接して位置付けられ又は位置決めされて、リファレンスサンプル及び試験サンプルを透過した光を採取又は測定し、リファレンスサンプル及び１つ以上のサンプルからの同時測定を可能にし、それにより、１つ以上の試験サンプルによる光吸収レベルが同時に判定されることを可能にする。測定を同時に実施することができるため、これは、試験サンプルの光学分析を実施するために必要とされる総時間量を有利に低減することができる。

幾つかの実施形態において、各検出器１４０は、その対応するレセプタクル１１１、１１２に取付けられ、リファレンスサンプルを透過した光を直接測定する。これは、検出器１４０とレセプタクル１１１、１１２との間に更なる光学コンポーネントが全く存在しないため、透過光の強度のいずれの損失も、有利に最小にする。サンプルホルダ１１０が移動せず、所定の位置に固定されるため、レセプタクル１１１、１１２に検出器１４０を直接取付けることは或る程度実用的である。光学分光計モジュール１００において移動機構は必要ない場合があるので、光学分光計モジュール１００内に検出器１４０を直接含む更なる空間がある。

幾つかの実施形態において、光学分光計モジュール１００は、電熱コンポーネント１２０に結合された温度コントローラ（図示せず）を更に備える。温度コントローラは、電熱コンポーネント１２０、レセプタクル１１１、１１２、及び／又はリファレンスサンプル及び試験サンプルの温度を制御及び／又は維持するように構成される。

光学分光計モジュール１００は、電熱コンポーネント１２０及びレセプタクル１１１、１１２の１つ以上の温度を測定する複数の温度センサを備えることもできる。熱温度コントローラが温度センサに結合されて、温度センサによって測定される温度をフィードバックシステム内で使用することができる。

図３を参照すると、幾つかの実施形態による光学分光計モジュール１００内に含まれるように適合されるサンプルホルダ３１０のセットが示される。各サンプルホルダ３１０は、リファレンスレセプタクル３１１及び少なくとも１つのサンプルレセプタクル３１２を含む。サンプルホルダ３１０は、共通ヒートシンク３２２を共有するが、その他の点ではサンプルホルダ１１０と同じである。４つのそのようなサンプルホルダ３１０が、示す実施形態において設けられ、サンプルホルダ３１０のうちの１つは、下にある電熱コンポーネント３２０を見ることを可能にするために示されない。

リファレンスビーム及び試験ビーム（図示せず）を、提供し、それにより、それぞれ光ファイバーケーブル３６３及び３６４を介してリファレンスレセプタクル３１１及びサンプルレセプタクル３１２によって受信することができる。レセプタクル３１１、３１２は、開口３１５ａ、３１６ａを画定して、リファレンス及び試験ビームが、レセプタクル３１１、３１２のそれぞれにおいて受取られたリファレンスキュベット及び試験サンプルキュベットに方向付けられることを可能にする。

また、レセプタクル３１１、３１２は、光ファイバーケーブル３６３及び３６４の端３６５、３６６に結合し、端を所定の位置に固定するのを支援する凹所３１３ｂ、３１４ｂを画定することができる。これは、リファレンスキュベット及びサンプルキュベットが、受信される光ビームに対して正しい整列状態で確実にかつ一貫して設置されることを有利に可能にする。これは、サンプルホルダ３１０が光ビームに対して移動しないため、光学分光モジュールの構造及び設計を簡略化する。

幾つかの実施形態において、レセプタクル３１１、３１２は約４５ｍｍの高さを有する。開口３１５ａ、３１６ａ及び凹所３１３ｂ、３１４ｂは、円形であり、レセプタクル３１１、３１２のベースの上の１５ｍｍに心出しすることができる。

幾つかの実施形態において、サンプルホルダ１１０及びサンプルホルダ３１０のセットは、測定中に所定の位置に固定されるが、その他のときは取外し可能とすることができる。サンプルホルダ１１０、３１０を、例えば、ねじ、クリップ等の締結具によって、又は、所定の場所に入れる（slotting）ことによって固定することができる。サンプルホルダ１１０、３１０は、例えば、保守、修理、又は置換のために取外すことができる。

電熱コンポーネント３２０は、上述した熱電デバイスである。電熱コンポーネント３２０の上側３２１は、リファレンスレセプタクル３１１及びサンプルレセプタクル３１２のベースに熱的に結合される。ヒートシンク３２２は、電熱コンポーネント３２０の下側（図示せず）に熱的に結合される。ヒートシンク３２２は、熱消散を支援するために電熱コンポーネントから外方に延在する複数のベーン３２４を備える。幾つかの実施形態において、単一電熱コンポーネント３２０は、全てのレセプタクル３１１、３１２の温度を制御するために使用される。

光学分光モジュール１００は、ブロワ又はファン（図示せず）を備えることもできる。ブロワは、複数のベーン３２４にわたって空気を方向付け、それにより、ヒートシンク３２２への又はヒートシンク３２２からの熱伝達を更に支援するように配置される。

電熱コンポーネント１２０、３２０は、−１０℃〜１１０℃の範囲にわたってサンプルホルダ１１０、３１０の温度を調整するように適合することができる。

また、光源モジュール（図示せず）に取外し可能に結合された光学分光計モジュール１００を備える分光システムが開示される。光源モジュールはランプを含む。例えば、ランプは、最大３００Ｈｚのレートで最大０．５Ｊ／パルス（／フラッシュ）のエネルギーを有するパルス状光出力を生成することが可能である電気アークランプ等の高出力フラッシュランプとすることができる。有利には、出力光強度を、最大８つの光ビームであって、それぞれが光学分光を実施するのに十分な強度を有する、最大８つの光ビームに分割することができる。また、高出力ランプは、１９０ｎｍ〜２５００ｎｍの波長範囲にわたる光を生成する。幾つかの実施形態において、ランプは、加圧されたキセノンガス内に収容された電極を備えるショートアークフラッシュランプとすることができる。例えば、光源モジュールは、Exelitas Technologies社によって生産された１１００シリーズＦＸ−１１６０ショートアークフラッシュランプを含むことができる。

分光システムをモジュール式システムとして設けることは、異なる用途のためのモジュール間の相互交換及び相互運用を有利に可能にする。例えば、光源モジュールは、本明細書で開示される光学分光モジュール１００と別の光学分光モジュールとの間で相互交換することができる。これは、共通モジュールを使用して、コストを節約する、又は、必要である場合、故障したモジュールをすぐに相互交換する柔軟性をエンドユーザに提供する。

また、光源モジュールは、狭い波長範囲の（単色の）光ビーム１５０を有する出力光ビーム１５０を生成するモノクロメータコンポーネントを備えることができる。出力光は、例えば、０．１ｎｍ〜５ｎｍの範囲内の帯域幅を有することができる。

幾つかの実施形態において、光源モジュールは、スリット又はアパーチャ、及び、生成される光を光ファイバー内に集束させるレンズを更に備える。光ファイバーを、その後、光学分光計モジュール１００の光分配コンポーネント１３０内に給送することができる。

幾つかの実施形態において、光分配コンポーネント１３０は、狭い波長範囲を有する（単色）光ビーム１６１，１６２を生成する１つ以上のモノクロメータコンポーネントを備える。

分光システムは、光学分光モジュール１００から光強度データを受信するように適合される計算ユニットを更に備えることができる。計算ユニットは、プロセッサを備え、プロセッサは、リファレンスサンプルからの検出された光の測定された強度を１つ以上の試験サンプルのそれぞれと比較し、それにより、１つ以上のサンプルによる光吸収レベルを判定し光吸収データを生成するように適合される。

図４を参照すると、幾つかの実施形態による光学分析方法４００を示すフローチャートが示される。方法４００は、４１０にて、光学分光計モジュール１００で光１５０を受信することを含む。方法４００は、４２０にて、光学分光計モジュール１００の光分配コンポーネント１３０によって、受信された光１５０を２つ以上の光ビーム１６１、１６２に分配することを更に含む。サンプルホルダ１１０、３１０内のレセプタクル１１１、３１１、１１２、３１２によって受取られるリファレンス及び１つ以上の試験サンプルは、４３０にて、光ビーム１６１、１６２に同時に曝露される。方法４００は、４４０にて、対応する検出器１４０によって、リファレンスサンプル及び１つ以上の試験サンプルのそれぞれに関連する光の特性を同時に測定することを更に含む。例えば、光の強度を同時に測定することができる。

リファレンスサンプル及び１つ以上の試験サンプルに関連する光は、例えば、リファレンスサンプル及び１つ以上の試験サンプルを透過しているものとすることができる。

方法４００は、４５０にて、リファレンスに関連する光の測定された特性を、１つ以上の試験サンプルに関連する光の測定された特性と比較することによって、１つ以上の分析物が１つ以上の試験サンプル内に存在することを判定することを含むこともできる。これは、例えば、リファレンスに関連する光の測定された強度を、１つ以上の試験サンプルに関連する光の測定された強度で割ることによって実施することができる。

幾つかの実施形態において、方法４００は、リファレンス材料、サンプル、又はキュベットが全く存在しない状態で各レセプタクル１１１、３１１、１１２、３１２において２つ以上の光ビーム１６１、１６２を受信することを含む。各レセプタクル１１１、３１１、１１２、３１２を通過する光の強度は、その後、対応する検出器１４０によって測定される。サンプル測定についてのベースラインは、サンプルが設置されることになるレセプタクルについて取得される測定値を、リファレンスとして使用されるレセプタクルからの測定値で割ることによって判定することができる。

リファレンス及び１つ以上の試験サンプルに関連する光の測定される特性の比較は、測定される特性がコンピューティングデバイスによって受信された後にコンピューティングユニットによってデジタル的に実施することができる。代替的に、比較は、適切な電子回路及びデバイスを通してアナログ方式で実施することができる。

幾つかの実施形態において、方法４００は、異なる波長で曝露すること（４３０）及び測定すること（４５０）を繰返して、リファレンスサンプル及び１つ以上の試験サンプルのそれぞれについて特徴スペクトルを同時に取得することを含む。例えば、特徴スペクトルは強度スペクトルとすることができる。

サンプルホルダ１１０、３１０を、サンプル測定１２０、３２０中に所定の温度の動作マージン以内に維持することができる。温度を、電熱コンポーネント１２０、３２０によってサンプルホルダ１１０、３１０を制御可能に加熱することによって維持することができる。

動作マージンは、０．０５°〜５°の範囲内とすることができる。例えば、測定温度は所定の温度の０．０５°以内とすることができる、又は、所定の温度の２°以内とすることができる。動作マージンは、光学分光計モジュール１００の用途に依存する、例えば、動作マージンは、実験の温度敏感性又は温度に対するサンプルによる吸収の敏感性に依存する場合がある。

光ビーム１６１、１６２は、狭い帯域幅の（単色の）波長を有する光を含む。受信される光１５０は単色とすることができる。しかし、幾つかの実施形態において、方法４００は、広帯域光として光１５０を受信すること及び光分配コンポーネント１３０によって単色光ビーム１６１、１６２を生成することを含む。

また、方法４００は、或る範囲の異なる所定の温度にわたって繰返されて、その範囲の温度にわたって１つ以上の試験サンプルについて、同時に、測定される強度を取得し光吸収データを判定することができる。例えば、リファレンスサンプル及び試験サンプルの温度を、連続的に又は周期的に変更することができ、測定は、温度が所定の温度の動作マージン以内であるときに行われ得る。

図５を参照すると、幾つかの実施形態による光学分光モジュール５００が示される。光学分光モジュール５００は、単一サンプルホルダ５１０及び支持体５１８を備えることができる。サンプルホルダ５１０は、レセプタクル５１１、５１２を画定する。支持体５１８は、サンプルホルダ５１０に取付けられ、サンプルホルダ５１０を、光学分光計モジュール５００内の光分配コンポーネント５３０に対する固定位置に位置付けることができる。

支持体５１８は、電熱コンポーネント５２０に結合された上述した熱交換コンポーネント（図示せず）として働くこともできる。

幾つかの実施形態において、サンプルホルダ５１０と支持体５１８との間の熱伝達を制限するために、支持体５１８は、低熱伝導率材料から形成することができる。これらの実施形態において、電熱コンポーネント５２０を、上述した別個の熱交換コンポーネントに結合することができる。

図６を参照すると、幾つかの実施形態による光学分光計モジュール６００が示される。光学分光計モジュール６００は、２つ以上のレセプタクル６１１、６１２を備え、光分配コンポーネント６３０は、光ビーム６６１、６６２を提供するように構成されるビーム分割ミラー６３１のネットワークを備える。各ビーム分割ミラー６３１は、入射光ビーム６５０を受信し、入射ビームの強度を２つの出射ビーム６６３、６６４に同等に分割することができる。ビーム分割ミラー６３１のネットワークは、ｎ＋１の光ビーム６６１、６６２を生成する。ここで、ｎはビーム分割ミラー６３１の数である。ビーム分割ミラーは、レンズの使用と比較して、最小の色収差を有する光ビーム６６１、６６２を有利に提供する。

ビームスプリッタの注意深い整列が、上述したレセプタクル１１１、１１２、５１１、５１２と同一であるレセプタクル６１１、６１２に光ビーム６６１、６６２を方向付けるために必要とされる。サンプルホルダ１１０、３１０、５１０（図示せず）は、上述したレセプタクル６１１、６１２を画定することができる又は備えることができる。

当業者には、本開示の広い全体的な範囲から逸脱することなく、上述した実施形態に対して多数の変形及び／又は変更を行うことができることが理解されよう。したがって、本実施形態は、全ての点において、限定的ではなく例示的なものとしてみなされるべきである。

Claims (33)

1. 光源からの光を光学分光計モジュールで受信することと、
   前記光学分光計モジュールの光分配コンポーネントによって、前記受信された光を２つ以上の光ビームに分配することと、
   リファレンスサンプル及び１つ以上の試験サンプルのそれぞれを、前記２つ以上の光ビームのうちの１つの光ビームに同時に曝露することと、
   対応する検出器によって、前記リファレンスサンプル及び１つ以上の試験サンプルのそれぞれに関連する光の特性を同時に測定することと、
   を含む、光学分析方法。
2. 前記リファレンスに関連する光の前記測定された特性を前記１つ以上の試験サンプルに関連する光の前記測定された特性と比較することによって、前記１つ以上の試験サンプル内に存在する１つ以上の分析物を判定することを更に含む、請求項１に記載の光学分析方法。
3. 異なる波長で曝露すること及び測定することを繰返して、前記リファレンスサンプル及び前記１つ以上の試験サンプルのそれぞれについて特徴スペクトルを同時に取得することを更に含む、請求項１又は２に記載の光学分析方法。
4. 前記分離させることは、前記光分配コンポーネントの光ファイバー束において光を受信することを含み、前記光ファイバー束は２つ以上の光ファイバーを備え、各光ファイバーは、
   第１の端であって、前記受信された光が該第１の端のそれぞれにおいて受信されることを可能にするように、前記光ファイバーが互いに近接する、第１の端と、
   前記光ファイバーが互いから分離される第２の端と、
   を備え、
   前記光は、前記第１の端で受信され、前記第２の端に方向付けられ、前記第２の端のそれぞれは、対応するレセプタクルによって受信されるため、前記受信された光は各レセプタクルに分配される、請求項１〜３のいずれか１項に記載の光学分析方法。
5. 前記光は第１のレンズを介して前記光ファイバーの前記第１の端において受信される、請求項４に記載の光学分析方法。
6. 前記光は光学混合ファイバーを介して前記第１の端において受信される、請求項４又は５に記載の光学分析方法。
7. ２つ以上のサンプルセルは、２つ以上のレセプタクルを画定するサンプルホルダによって、前記光分配コンポーネントに対して固定ロケーションで受取られ位置決めされ、前記リファレンスサンプル及び前記１つ以上の試験サンプルは別個のサンプルセル内に収容される、請求項１〜６のいずれか１項に記載の光学分析方法。
8. 各レセプタクルは、側壁によって画定される開口を通して光ビームを受信し、
   前記レセプタクルを透過した光は、前記開口に対向する側壁によって画定される出口を通して前記レセプタクルを去って、前記透過した光が前記対応する検出器によって測定されることを可能にする、請求項７に記載の光学分析方法。
9. 前記光ファイバーの前記第２の端は前記開口において受取られる、請求項８に従属する場合の請求項４又は５に記載の光学分析方法。
10. 前記リファレンスサンプル及び前記１つ以上の試験サンプルのそれぞれは、第２のレンズを介して前記２つ以上の光ビームに曝露される、請求項４〜９のいずれか１項に記載の光学分析方法。
11. 前記分離させることは、前記２つ以上の光ビームを提供するように前記受信された光を分割することによって、前記受信された光が前記光分配コンポーネントのビームスプリッタのネットワークによって分配されることを含む、請求項１〜３のいずれか１項に記載の光学分析方法。
12. 前記受信された光は単色である、請求項１〜１１のいずれか１項に記載の光学分析方法。
13. 前記光学分光計モジュール内の１つ以上のモノクロメータによって、前記受信された光の帯域幅を制限して、前記リファレンスサンプル及び前記１つ以上の試験サンプルが曝露される単色光を生成することを更に含む、請求項１〜１１のいずれか１項に記載の光学分析方法。
14. 前記リファレンスサンプル及び前記１つ以上の試験サンプルは、１ｍｍ〜３ｍｍの範囲内のビームスポット径を有する光ビームに曝露される、請求項１〜１３のいずれか１項に記載の光学分析方法。
15. 前記測定される光の特性は光の強度である、請求項１〜１４のいずれか１項に記載の光学分析方法。
16. 前記測定することは、所定の温度で行われる、請求項１〜１５のいずれか１項に記載の光学分析方法。
17. 各サンプルセルは、前記レセプタクルの上方端のセル開口で受取られ、前記セル開口は、前記光ビームを受信する前記開口及び前記出口に対して異なるロケーションに位置する、請求項８に記載の光学分析方法。
18. 液体サンプルを分析する光学分光計モジュールであって、
    光源から光を受信し、２つ以上の光ビームを同時に提供するために、前記受信された光を分配するように適合される光分配コンポーネントと、
    ２つ以上のレセプタクルを画定するサンプルホルダであって、
    前記光分配コンポーネントに対する固定ロケーションにおいて２つ以上のサンプルセルを受取り、再現性よく位置決めし、
    前記２つ以上の光ビームを同時に受信し、それにより、前記２つ以上のサンプルセル内に収容されるリファレンスサンプル及び１つ以上の試験サンプルが、前記受信される光に同時に曝露されることを可能にし、
    前記サンプルセル内に収容される前記リファレンスサンプル及び前記１つ以上の試験サンプルを透過した光が前記レセプタクルを出ることを可能にする、
    ように適合される、サンプルホルダと、
    ２つ以上の検出器と、
    を備え、それぞれの検出器は、１つのレセプタクルに隣接して位置して、サンプルを透過した光を測定し、前記リファレンスサンプル及び前記１つ以上のサンプルからの同時測定を可能にして、前記１つ以上のサンプルによる光吸収レベルが判定されることを可能にする、光学分光計モジュール。
19. 各レセプタクルは少なくとも１つの側壁を備え、該側壁は、
    前記２つ以上の光ビームのうちの１つの光ビームを受信するように適合される開口と、
    サンプルを透過した光が前記２つ以上の検出器によって測定されることを可能にするために前記開口に対向して位置決めされた出口と、
    を画定する、請求項１８に記載の光学分光計モジュール。
20. 前記光分配コンポーネントは、２つ以上の光ファイバーを備える光ファイバー束を備え、各光ファイバーは、
    第１の端であって、前記受信された光が前記第１の端のそれぞれにおいて受信されることを可能にするように、前記光ファイバーの側壁が互いに近接する、第１の端と、
    前記光ファイバーが互いから分離される第２の端と、
    を備え、
    前記第１の端のそれぞれは前記光を受信して、前記光ファイバーの前記第２の端のそれぞれにわたって前記光を分配し、前記第２の端のそれぞれは、前記レセプタクルのうちの１つのレセプタクルによって受信され、それにより、各レセプタクルが前記２つ以上の光ビームのうちの１つの光ビームを受信することを可能にする、請求項１８又は１９に記載の光学分光計モジュール。
21. 光を前記第１の端上に集束させるために前記第１の端に光学的に結合された第１のレンズを更に備える、請求項２０に記載の光学分光計モジュール。
22. 各光ファイバーの前記第１の端は、前記開口の対応するレセプタクルによって受取られる、請求項１９に従属する場合の請求項２０又は２１に記載の光学分光計モジュール。
23. 前記第２の端のそれぞれは、第２のレンズに光学的に結合される、請求項２０〜２２のいずれか１項に記載の光学分光計モジュール。
24. 前記光分配コンポーネントは、前記光源からの光を受信し、２つ以上の光ビームを提供するために、前記受信された光を分割するように適合されるビームスプリッタのネットワークを備える、請求項１８〜２３のいずれか１項に記載の光学分光計モジュール。
25. 前記光分配コンポーネントは、前記２つ以上の光ビームが実質的に等しい強度を有するように前記受信された光を均等に分割する、請求項１８〜２４のいずれか１項に記載の光学分光計モジュール。
26. 前記サンプルホルダ及び前記レセプタクルは、所定の位置に固定される、請求項１８〜２５のいずれか１項に記載の光学分光計モジュール。
27. 各レセプタクルは、前記サンプルセルを受取るために前記レセプタクルの上方端にセル開口を画定する、請求項１８〜２６のいずれか１項に記載の光学分光計モジュール。
28. 前記レセプタクルで受信される光ビームに、１ｍｍ〜３ｍｍの範囲内のビームスポット径を提供するように構成される、請求項１８〜２７のいずれか１項に記載の光学分光計モジュール。
29. 前記光分配コンポーネントは、前記２つ以上の光ビームのそれぞれについて、単色光を生成するために２つ以上のモノクロメータを備える、請求項１８〜２８のいずれか１項に記載の光学分光計モジュール。
30. 前記サンプルホルダは電熱コンポーネントに結合される、請求項１８〜２９のいずれか１項に記載の光学分光計モジュール。
31. 請求項１８〜３０のいずれか１項に記載の光学分光計モジュールと、
    電気アークランプを備える光源モジュールと、
    を備え、
    前記光学分光計モジュール及び前記光源モジュールは、互いに取外し可能に接続されるように適合され、それにより、前記光源からの光が、前記光学分光モジュールによって受信されることを可能にする、分光システム。
32. 前記光源は、単色光を前記光学分光モジュールに提供するためにモノクロメータコンポーネントを更に備える、請求項３１に記載の分光システム。
33. 前記リファレンスサンプルからの検出された光の測定された強度を前記１つ以上のサンプルのそれぞれと比較し、それにより、前記１つ以上のサンプルのそれぞれにおいて分析物の濃度を判定するように適合される計算ユニットを更に備える、請求項３１又は３２に記載の分光システム。