JP2020518801A - 赤外分光法で使用するためのサンプルホルダー - Google Patents

Abstract

一貫した光路長を維持しながら非平行なギャップを作り出すことで干渉縞を排除し定量分析を確実に行うことができる、赤外透過窓を３つ以上有する、赤外分光法を使用して分析対象サンプルを保持する装置。本発明によれば窓の材料として高屈折率材料であるシリコンの使用が可能になる。シリコン窓を使用する本装置によると、サンプル保管と赤外線測定セルの両方の目的を果たすことができる。汎用使い捨てサンプルホルダーが実現可能となる。一実施形態によると、流動性液体サンプルを充填し分析するのに最も適しているのは予め組み立てられたサンプルホルダーである。他の実施形態によると、高粘度流体および変形可能な固体サンプルを充填した後にサンプルホルダーを容易に組み立てることができる。さらに他の実施形態によると、２つ以上の赤外透過窓および反射鏡からなる装置を半透過型赤外分光法を用いた定量分析に使用することができる。

Description

サンプルの赤外（ＩＲ）スペクトルは、サンプルに赤外光ビームを透過させるか、または赤外光ビームをサンプル表面上で反射させることによって得られる。吸収周波数に対応するピークは、特定の化学結合または化学結合の集合体の振動周波数の特徴である。吸収の周波数と強度は、サンプル中の特定の成分の種類と量の情報を有する。よって、赤外分光法は定性的同定および定量的測定に広く用いられてきた。例えば、臨床分析において、赤外線透過は、低コストおよび複数の成分を同時に分析できる能力により、体液を分析するための強力な技術として受け入れられている。（Ｂａｋｅｒ，Ｍ．Ｊ． ｅｔ ａｌ． ２０１６． “Ｆｕｎｄａｍｅｎｔａｌ ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｓ ｉｎ ｃｌｉｎｉｃａｌ ｉｎｆｒａｒｅｄ ａｎｄ Ｒａｍａｎ ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ” Ｃｈｅｍ． Ｓｏｃ． Ｒｅｖ．，２０１６， ４５，１７９２；Ｓｈａｗ，Ｒ．Ａ． ｅｔ ａｌ． ２００８． “Ｉｎｆｒａｒｅｄ Ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ ｏｆ Ｂｉｏｌｏｇｉｃａｌ Ｆｌｕｉｄｓ ｉｎ Ｃｌｉｎｉｃａｌ ａｎｄ Ｄｉａｇｎｏｓｔｉｃ Ａｎａｌｙｓｉｓ． Ｅｎｃｙｃｌｏｐｅｄｉａ ｏｆ Ａｎａｌｙｔｉｃａｌ Ｃｈｅｍｉｓｔｒｙ”，ｐｐ．７９−１０３）

ＩＲ透過分析の標準的な手順によると、まずサンプルをＩＲ透過窓の間に充填し、赤外線の入射ビームがサンプルと窓を透過し、赤外透過スペクトルを記録する。サンプルホルダーやセルの窓に使用される材料は対象領域で高い透過性があることが重要である。吸光度は、入射光の光路長、および吸収に係わる成分の濃度または量に比例する。よって、分析対象物の濃度が正確に判断できる場合、定量分析を行なうためには一貫した光路長が必要となる。

現在、最も一般的に使用されている窓材料は、光学的透明度を最大化するため、精密に機械加工および研磨された無機塩類の結晶から作られている。これらの材料にはＮａＣｌやＫＢｒなど比較的安価なものもある。しかし、これらの材料には水溶性および吸湿性があるため、窓として使用する場合、水性サンプルまたは含水サンプルの分析が困難となる。ＢａＦ２やＺｎＳｅなど、他の材料は水溶性ではないが、より高価である。コストや湿度に対する感度の問題に加え、市販のサンプルホルダーはメンテナンス要件が高い。高コストの観点から、このようなサンプルホルダーの廃棄処分は可能な限り避けなければならない。従って、サンプル間で汚染を防ぐため、分析する度にサンプルホルダーを溶媒で慎重に洗浄する必要がある。場合によっては溶媒が技師に健康上のリスクをもたらす可能性もある。また、その結果、大規模かつハイスループットな自動分析試験構成においてそれらを使用するには制約が発生する。さらに、サンプルホルダーのコストが高いため、サンプルの長期的保持が妨げられる傾向がある。

上述の窓材料に対し、シリコンは標準的な中赤外線スペクトル領域で透過性を持ち、低コスト、化学的不活性、機械的強度、熱安定性、および天然存在量などの利点を有する。しかし、比較的高い屈折率のため干渉縞の問題が顕著になり、定量的な用途には困難が発生する。
干渉縞はスペクトルのベースライン上に見られる正弦波パターンとして現れる。この縞は、セルやサンプルを直接透過する放射線と内部で反射された光との干渉によって引き起こされる。反射が起こる界面における材料の屈折率（ＲＩ）の差が大きいほど、干渉縞の振幅は大きい。（Ｇｒｉｆｆｉｔｈｓ Ｐ．Ｒ． ｅｔ ａｌ． ２００７ “Ｆｏｕｒｉｅｒ Ｔｒａｎｓｆｏｒｍ Ｉｎｆｒａｒｅｄ Ｓｐｅｃｔｒｏｍｅｔｒｙ” Ｓｅｃｏｎｄ Ｅｄｉｔｉｏｎ，ｐｐ．２５３−２５５）

干渉縞はすべての窓材料に共通する問題である。しかし、低屈折率（ＲＩ＜２．０）の材料の場合その屈折率がほとんどの分析用サンプルの屈折率に近いため、その効果はあまり顕著ではない。一方、シリコン（ＲＩは３．４にほぼ等しい）のように屈折率が高い材料では、ＩＲ分光法を使った定性的／定量分析が干渉縞によって困難になることがある。対処法の１つとして、干渉縞を除去するためにくさび状のギャップを使うことがある。しかし、くさび状のギャップを作ると測定領域をわたって一貫した光路長が確保できず、それゆえに、定量分析には適さなくなってしまう。

従来、高屈折率を有するシリコンやその他のＩＲ材料を透過ＩＲ測定用の窓として使用するサンプルホルダーが何種類か提案されている。

米国特許第５，９７７，５４５号には、シリコン、ゲルマニウム、セレン化亜鉛、ダイヤモンドまたはプラスチックのような材料で作られた窓を使用するサンプルキャリアが記載され、窓の厚さは測定波長範囲の最短波長の４分の１未満、通常１０００ｎｍ未満である。また、定量分析において、サンプルの厚さは好ましくは１０００ｎｍ未満、または測定波長範囲の最短波長の４分の１未満である。しかし、そのような薄い窓は製造が難しく機械的にも弱いので、一般的な用途には実用的でない。

ドイツ特許第１０２００７０１１４０８Ａ１号は、サンプルカップの底部の役割も果たす４００〜２０００μｍの厚さを有するＩＲ窓として、シリコンの使用を提案した。この設計では窓が１つだけ使用され、光路長を正確に固定するための機構がないため、定量分析には使用できない。
米国特許第５，４６３，２２３号には、シリコンのような高屈折率材料の使用を含め、赤外光に対して実質的に不透明な薄い硬質板状フレームからなる使い捨て汎用マイクロサンプルホルダーが記載され、任意に厚さ１〜２μｍの薄い可撓性フィルムをカバーとして使用することが記載された。そのような設計は、同様の、一貫しない光路長の問題を抱えているので、定量分析に使用できない。

米国特許第４，９８０，５５１号には、対向する赤外線透過材料からなる２つの窓を有するサンプルホルダーが記載され、少なくとも１つの窓の内面部分は、長さが異なる隣接する光ビーム経路が提供されるように形作られ、窓の間にサンプル用の空間を形成するように輪郭付けられている。そのような設計では、定量的測定能力を犠牲にし様々な光路長を利用することで干渉縞を回避する。同様に、米国特許第６，５７３．９８８号には、分析に使用される波長帯の光に対して透明な材料で作られた２つの対向する窓を使用するキュベットのデザインが記載され、キュベットの空洞を形成する窓表面をお互いに非平行にすることによって干渉縞を回避し高屈折率材料の使用を可能にした。しかし、光学的厚さが測定領域にわたって変化するので、この設計は一般的な定量分析に適用されにくい。

本発明は、サンプルを保持し、赤外分光法を用いて定量分析するための装置の設計に関する。これらの装置は、定量分析に不可欠な一貫した光路長を維持しながら、干渉縞を効果的に除去することができる。本発明によれば、複数のＩＲ窓を配置することでサンプルを保持するキャビティが複数形成され、キャビティを形成する窓の表面は非平行である。以上により、サンプルキャビティ内で内部反射された波が実質的にランダムな位相で検出器に到達することが確保され、よって、干渉縞によるＩＲ吸収スペクトルにおいて望ましくない波紋が排除される。また、ＩＲ窓の配置によって一貫した光路長が維持することもできる。

本明細書に記載の様々な実施形態によれば、赤外線の透過分光法を用いてサンプルを分析する装置が提供される。本装置は、互いに平行な一対の光学窓と、当該一対の光学窓の間に斜めに配置された１つ以上の追加の光学窓とを含み、複数の非平行なギャップが該窓の間に形成される。本装置はさらに、該窓を設定位置に固定するための手段を含み、それによって該窓は対象の赤外線放射に対して一貫した光路長を作り出す。本装置はさらに、サンプルを該ギャップに充填する手段を含み、それによって該ギャップが分光分析用のサンプルで充填される。また、該窓は対象の波長帯に対し透明で、当該各窓は平行な窓の表面により生じる対象の波長帯における干渉縞を防止するのに適した厚さを有する。当該非平行なギャップは適切な角度を作り出し、透過され内部で反射する赤外線放射から生じる対象の波長帯における干渉縞を防止する。上記設計により、ＩＲ透過分光法を用いて縞のない定量分析が実現できる。

本明細書に記載の他の実施形態によれば、半透過赤外分光法を使用してサンプルを分析する装置が提供される。本装置は、光学窓と、当該光学窓に平行な鏡と、該光学窓と該鏡の間に斜めに配置された１つ以上の追加の光学窓とを含み、複数の非平行なギャップが該窓の間と窓と鏡の間に形成される。本装置はさらに、該窓と鏡を設定位置に固定するための手段を含み、それによって該窓と鏡は対象の赤外線放射に対して一貫した光路長を作り出す。本装置はさらに、サンプルを該ギャップに充填する手段を含み、それによって該ギャップが分光分析用のサンプルで充填される。また、該窓は対象の波長帯に対し透明で、当該各窓は平行な窓の表面により生じる対象の波長帯における干渉縞を防止するのに適した厚さを有する。当該非平行なギャップは適切な角度を作り出し、直接反射及び内部で反射する赤外線放射から生じる対象の波長帯における干渉縞を防止する。上記設計により、ＩＲ半透過分光法を用いて縞のない定量分析が実現できる。

本発明によれば、定量分析が可能なＩＲサンプルホルダーは、例えば臭化カリウム、塩化ナトリウム、塩化カリウム、臭化銀、塩化銀、フッ化バリウム、フッ化カルシウム、ヨウ化セシウム、臭化セシウム、ゲルマニウム、フッ化リチウム、フッ化マグネシウム、酸化マグネシウム、ヨウ化臭化タリウム、シリコン、ドープシリコン、二酸化ケイ素、硫化亜鉛、セレン化亜鉛、光学ガラス、サファイア、α−石英、溶融石英、ポリエチレン、ポリテトラフルオロエチレン、その他の赤外透明材料の窓を用いて製造することができる。

十分な機械的強度を維持しながら窓の２つの表面から生じる干渉縞を防ぐため、窓は２００ミクロン〜１０，０００ミクロンの厚さを有する。実用的な厚さの範囲は窓材料の反射率に依存する。隣接する窓間の非平行なギャップの角度は０〜１５度である。実用的な角度の設定はサンプルホルダーの大きさ、窓の厚さ、及び光路長に依存する。また、窓を固定するメカニズムとしては、窓間にスペーサを配置する、あるいは接着剤と枠を併用し窓を設定位置に保持するものなどが挙げられる。

シリコン、ドープドシリコン、または表面改質シリコンといった窓材料を使用することに関しては更なる利点があり、ここで言う表面改質とは、研磨、擦過、エッチング、コーティング、表面安定化処理、酸化、シラン化、その他任意の物理的および化学的改質を含む。ＫＢｒ、ＮａＣｌ、ＣａＦ２など他に一般的に使用されるＩＲ窓材料と比較して、ＩＲ窓としてのシリコンは、低コスト、化学的不活性、優れた機械的強度、良好な熱安定性および表面改質が容易という利点を有する。よって、これまで困難だった多くの応用が可能になる。例えば、水性サンプルは上述の高価な窓材料を使用せずに容易に測定できるようになった。高温および／または高圧条件下でのサンプルの定量的測定は、本発明によるサンプルホルダーを使用して実現できる。一実施形態によれば、本サンプルホルダーは事前に組み立てられサンプル充填後に完全に密封できるので、サンプルの取り扱いに著しい努力を要せず危険なサンプルを分離し容易に測定することができる。なにより、シリコン材料は低コストであるので、定量的ＩＲ測定用の使い捨てサンプルホルダーが実現可能となる。このような手頃な価格の使い捨てサンプルホルダーは、窓材の洗浄とリサイクルにかかる時間を大幅に節約する。また、このような手頃な価格の使い捨てサンプルホルダーは、一時的なサンプル保管にさらなる便利さを提供する。一実施形態によれば、高粘度流体、ゲル、コロイド、および小粒子固体のような、流動性はないが変形可能なサンプルを充填した後にサンプルセルを迅速で簡便に組み立てることができるので、既存のＩＲ測定法と比べて、取り扱いにおいて大幅に時間と労力を節約することができる。さらに、本サンプルホルダーは、異なる位置に充填経路を配置する、２つ以上の充填経路を使用する、可撓延長管を使用してサンプルを充填する、あるいは様々な液体駆動メカニズムを使用するなど、様々なサンプル充填機構と組み合わせた多用途液体処理装置としての機能を果たす。例えば、本サンプルホルダーは、可撓管に接続し、蠕動ポンプを使用して液体サンプルの連続流を発生させることによってフローセルとして機能させることができる。

そのコスト、環境感度、脆弱性、および高いメンテナンス要件といった問題もあって、ＩＲ分光法は定量分析のための日常的なツールとしての潜在力を発揮できていない。本発明は、これらの問題の多くを克服し、ＩＲ測定操作を便利にし、サンプルの取り扱いおよび装置の洗浄において大幅に時間と労力を節約し、そして何より透過ＩＲ技術のより広範囲な応用を可能にする。

本発明は、以下の詳細な説明と添付された図面により、さらに完全に理解されるものであるが、これらはただ説明のため付されるものであり、本発明を制限するものではない。
組立済みサンプルホルダー。図１Ａは本体を示す図である。図１Ｂは半容器を示す図である。図１Ｃは半容器と本体を示す図である。図１Ｄは完全組立済みサンプルホルダーを示す図である。 組立済みサンプルホルダーにサンプルを充填し密封する様を示す図である。図２Ａは１つの経路を使ったサンプルの充填である。図２Ｂは２つの経路を使ったサンプルの充填である。 事後的に組み付けるサンプルホルダー。図３Ａは展開された本体を示す図である。図３Ｂは折りたたんだ本体を示す図である。 事後的に組み付けるサンプルホルダーの締結の例。図４Ａは４つのコーナークランプで固定された折りたたんだサンプルホルダーを示す図である。図４Ｂは２つのエッジクランプで固定された折りたんだサンプルホルダーを示す図である。図４Ｃは４本のマグネットバーで固定された折りたたんだサンプルホルダーを示す図である。 半透過ＩＲ測定のための２窓１鏡構成を示す図である。 ＩＲ透過測定用の複数窓構成を示す図である。図６Ａはオープンギャップ３窓透過構成の一例を示す図である。図６Ｂは４ウィンドウ透過構成の一例を示す図である。図６Ｃは複数の櫛状中窓透過構成の一例である。図６Ｄは複数のジグザグ状中窓透過構成の一例である。 通常の２窓セルおよび既存の３窓セルにシリコン窓を用いて集めたトルエンのＩＲスペクトルである； シリコン窓を使用した既存の３窓セルを用いて集めた溶融チョコレートサンプルのＩＲスペクトルである。 シリコン窓を使用した既存の３窓セルを用いて集めた溶融アスファルトサンプルのＩＲスペクトルである。 シリコン窓を使用した既存の３窓セルを用いて集めた唾液サンプルのＩＲスペクトルである。 シリコン窓を使用した既存の３窓セルを用いて集めたシクロヘキサン中のグリースの定量分析である。

本発明は、互いに平行な一対の光学窓と、当該一対の光学窓の間に斜めに配置された１つ以上の追加の光学窓とを有し、複数の非平行なギャップが該窓の間に形成され、該窓は対象の波長帯に対し透明で、当該各窓は平行な窓の表面により生じる対象の波長帯における干渉縞を防止するのに適した厚さを有し、該窓を設定位置に固定するための第１手段を含み、それによって該窓は該赤外線放射に対して一貫した光路長を作り出し、該非平行なギャップは適切な角度を作り出し、透過され内部で反射する赤外線放射から生じる対象の波長帯における干渉縞を防止し、サンプルを前記ギャップに充填する第２手段を含み、それによって該ギャップが分光分析用のサンプルで充填されることを特徴とする、赤外線の透過分光法を用いてサンプルを分析する装置を提供する。

本発明はさらに、光学窓と、該窓に平行な鏡と、該光学窓と該鏡の間に斜めに配置された１つ以上の追加の光学窓とを有し、複数の非平行なギャップが該窓の間と該窓と該鏡の間に形成され、該窓は対象の波長帯に対し透明で、該鏡は対象の波長域の赤外線放射を反射し、当該各窓は平行な窓の表面により生じる対象の波長帯における干渉縞を防止するのに適した厚さを有し、該光学鏡の表面は金属、合金、金属コーティング、及びＩＲ反射ガラスからなる群から選択される赤外線反射材料を含み、該窓と該鏡を設定位置に固定するための第１手段を含み、それによって該窓は該赤外線放射に対して一貫した光路長を作り出し、該非平行なギャップは適切な角度を作り出し、直接反射及び内部で反射する赤外線放射から生じる対象の波長帯における干渉縞を防止し、サンプルを前記ギャップに充填する第２手段を含み、それによって該ギャップが分光分析用のサンプルで充填されることを特徴とする、赤外線の半透過分光法を用いてサンプルを分析する装置を提供する。

図１Ａ−１Ｄ：第１実施形態
本発明の一実施形態を図１Ａ−１Ｄに示す。本装置は流動性液体サンプルを保持するのに最も適している。図面は正しい縮尺とはなっていなく、スペーサとギャップはわかりやすくするために誇張されている。図１Ａは、３つの平坦窓１２、１４、１６を含むサンプルホルダーの本体１０を示す。窓は、シリコンなどのＩＲ透過材料からなる。窓は７７５μｍの厚さを有する。そのような厚さでは、各窓の２つの表面によって引き起こされる干渉縞はごくわずかで済む。５００μｍを超える厚さの窓は、干渉縞を十分に除去できることが見出されており、よってＩＲ窓にも適している。ただし、厚さ３００μｍのシリコン窓を使用した場合、ＩＲ吸収スペクトルに不要な波紋が観察される。１２および１６は外側窓であり、１４は内側窓である。この実施形態では、スペーサを用いて一貫した光路長を確保する。スペーサは、さらされる条件に応じて金属やプラスチックなど様々な材料からなってもよい。スペーサ１３、１５は同じ厚さで、通常１〜１０００μｍの範囲である。他の実施形態では、他の厚さのスペーサや、２つ以上のスペーサを中窓の各端部に使用することができる。他の実施形態によると、楔状スペーサを単独で窓の側面に使用することができる。スペーサ１３は、窓１２、１４の間の一端部に配置されている。スペーサ１５は窓１４、１６の間の反対側の端部に配置されている。２つのスペーサは、窓１４を傾斜させ、窓１２、１４の間、および窓１４、１６の間に２つの非平行なギャップを形成するために使用される。図１Ｂは、ポリカーボネート製の剛性フレームであるサンプルホルダーの半容器２０を示す。この剛性フレームは、分析されるサンプルに対して十分な機械的強度および化学的耐性を有する任意の材料からなる。このフレームは、機械加工、成形、または他の製造工程によって製造することができる。２つの半容器２０を互いに結合することにより完全な容器が形成され、本体１０がその内部に保持される。完成したサンプルホルダーは、透過率測定のためのサンプル保管とセルの両方の役割を果たす。半容器２０内には２つの半ダクト２１、２２が配置され、別な半容器の相手部と組み合わされて液体サンプルを充填する経路を形成する。接触面２３、２４は、別な半容器の相手部と融着される。表面２５は、接着剤、封止剤、熱圧着、超音波接着など、任意の適切な方法を用いて本体１０に接着される。必要に応じ、接着剤やガスケットなど、表面２５と本体１０との間の漏れを防ぐための手段を講じてもよい。図１Ｃは、本体１０と半容器２０とを合わせた後の組立体３０を示す。図１Ｄは、本体１０および完成した容器４０を含む、完全組立済みサンプルホルダー５０を示す。容器４０は、互いに鏡面対称の２つの半容器２０によって構成されている。完成したサンプル充填系路４１、４２は、２つの半ダクト２１、２２によって構成されている。他の実施形態によると、容器は、非対称的な２つの部品によって構成され、３つ以上のサンプル充填系路を有してもよい。

図２Ａ−２Ｂ：第１実施形態の作用
図２Ａに示されるように、液体サンプルは、ピペット、点滴器、注射器、針、その他類似した装置を使用し、充填系路４１、４２のうちの１つを介して完全組立済みサンプルホルダー５０に充填することができる。サンプルホルダーは、充填系路４１、４２にストッパー５１、５２（またはキャップ）を配置することによって完全に密封することができる。ストッパーとしても機能するピストンを使ってサンプルをギャップに押し込んでもよい。サンプルが充填され密封されたサンプルホルダー６０は、すぐにＩＲ透過測定を実行してもよいし、後のＩＲ透過測定のために保管しても良い。図２Ｂに示されるように、完全組立済みサンプルホルダー５０にはピペット、点滴器、注射器、針、その他類似した装置を使用し、充填系路４１、４２を個別に介して２つ以上の液体サンプルを同時に充填することができる。充填された液体サンプルは、サンプルホルダー５０内で混合および／または反応させることができる。ＩＲ透過測定値を利用し時間依存運動の過程を適宜記録することができる。従来のＩＲ測定以外に、サンプルが充填され密封されたサンプルホルダーにより自動ＩＲ透過測定が非常に容易になる。

ＩＲ透過測定を実行するための赤外分光計は、先行技術において十分に知られている。Ｔｈｅｒｍｏ Ｆｉｓｈｅｒ Ｓｃｉｅｎｔｉｆｉｃ社のＮｉｃｏｌｅｔ（登録商標）ＦＴＩＲ Ｓｐｅｃｔｒｏｍｅｔｅｒなど、現在市販されているほとんどのＩＲ透過分光計は、本発明によるサンプルホルダーを用いて測定を実行するのに適している。そのためには、サンプルを充填し密封したサンプルホルダーを赤外線分光計の上に置き、赤外線に晒す。

本発明による干渉縞を除去する能力を実証するため、図７には、２つの平行なシリコン窓を含むトルエン充填サンプルホルダーに関して記録された第１のスペクトル１０１と、２つの窓が互いに平行で、３つめの窓が当該２つの窓に対して斜めに配置された３つのシリコン窓を含むトルエン充填サンプルホルダーに関して記録された第２のスペクトル１０２とを示す。スペクトル１０１には明らかに多数の波紋が観察される。このような波紋は、特に装置の標準化、較正、または定量分析にとって非常に望ましくない。本発明による完全組立済みサンプルホルダーを使用して記録されたスペクトル１０２では、観察可能な干渉縞による波紋はない。

水性生物学的サンプルを取り扱う本発明の能力を実証するため、図１０には、本発明による完全に組立てられたサンプルホルダーを使用して記録された唾液サンプルの赤外スペクトルを示す。このスペクトルは、干渉縞のない唾液の特徴を示している。唾液は、その含水量のため塩ベースのサンプルセルが使用できず、サンプルセルの再利用はサンプル汚染のリスクをもたらし、サンプルの扱いはＩＲ技師にバイオハザードの危険をもたらすため、従来のＩＲ測定に対して大きな課題を投げかける生物学的サンプルの代表である。本発明による完全組立済み使い捨てサンプルホルダーは、ＩＲ技師の健康に何らの脅威を付与することなく簡便なＩＲ測定を実現する。

本発明による定量分析の能力を実証するため、図１１には、ＩＲ強度のプロットをオイルおよびグリースサンプルの濃度の関数として示す。オイルおよびグリース濃度を制御し一連のシクロヘキサン溶液を調製し、本発明に従って完全組立済みサンプルホルダーに充填した。品質管理基準であるＨｏｒｉｚｏｎ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ社のＯｉｌ ＆ Ｇｒｅａｓｅ Ｓｎｉｐ ａｎｄ Ｐｏｕｒ Ｓｔａｎｄａｒｄｓ（９９．５％アセトンに溶解した１０ｍｌちょうどの２０ｍｇ ｎ−ヘキサデカンおよび２０ｍｇ ステアリン酸を含有するチューブ）を使用して５０〜１４００ｐｐｍの範囲の濃度のシクロヘキサン溶液を調製した。光路長はスペーサーを用いて１００μｍに設定した。各濃度で二重測定を行い、平均帯強度をエラーバーと共にプロットした。オイルおよびグリースの濃度とＩＲ帯強度との間に見られる強い線形相関は、本発明によるサンプルホルダーを定量分析に使用する能力を実証している。

図３Ａ−３Ｂ、４Ａ−４Ｃ：第２実施形態
本発明の他の実施形態を図３Ａ〜図３Ｂおよび図４Ａ〜図４Ｃに示す。本装置は、流動性はないが変形可能なサンプルに適している。本装置は、変形可能なサンプルを充填した後にサンプルホルダーを容易に組み立てられるように設計されている。図３Ａには、サンプルホルダー本体７０を開いた状態を示す。本体７０は、３つの平坦なシリコン窓７１、７３、７５と、スペーサ７２、７４とを含む。窓７１、７５は、片面のみにサンプル保持キャビティを形成する外側窓である。窓７３は、両面にサンプル保持キャビティを形成する内側窓である。シリコン窓は７７５μｍの厚さを有する。本実施形態では、スペーサは、窓を結合しサンプルホルダの組み立て中に可撓性を付与するためのヒンジとしても機能する。窓７１、７３は、片側でスペーサ７２によって結合されている。窓７３、７５は、反対側でスペーサ７４によって結合されている。スペーサ７２、７４は同じ厚さであり、ＩＲ測定のための一貫した光路長を確保する。スペーサ７２、７４は、接着剤その他同様の手段によって窓に接着されている。流動性はないが変形可能なサンプルは、窓によって作られたキャビティに２回充填される。本実施形態によれば、以下の工程でサンプルの充填を行なえる。まず、サンプルが外側窓７１の内面に充填される。内側窓７３は、サンプルに対してスペーサーヒンジ７２の周りに折りたたまれ、圧力を加えてサンプルを塗抹することで、ＩＲ測定用のキャビティ内の領域が確実にサンプルで満たされるようにすることができる。次に、サンプルを内側窓７３の開口面に充填する。外側窓７５は、スペーサーヒンジ７４の周りに折りたたまれ、圧力を加えてサンプルを塗抹することで、ＩＲ測定用のキャビティ内の領域が確実にサンプルで満たされるようにすることができる。２回のサンプル充填とギャップを満たす作業が必要なのは、定量分析に不可欠な一定の光路長を確保するためである。定性分析のためには、２つの窓と１つのスペーサーを使用する楔状サンプルホルダーで十分である。場合によっては、窓とスペーサーが確実に密着し、一定の光路長が得られるように、十分な圧力を加える必要がある。図３Ｂは、上述の手順に従ってサンプルが充填された後の組立済みサンプルホルダーの本体８０を示す。組立体の本体８０は、ＩＲ測定をするためには密閉可能な容器を必要としないが、取り扱いを容易にするために固定される必要がある。図４Ａ〜図４Ｃはいくつかの締結機構の例を示す。図４Ａは、クランプ固定されたサンプルホルダー９０を示しており、サンプル充填後の組立済み本体８０は、４つのコーナークランプ８１、８２、８３、８４によって固定されている。図４Ｂは、クランプ固定された別のサンプルホルダー１００を示しており、サンプル充填後の組立済み本体８０は、２つのエッジクランプ９１、９２によって固定されている。図４Ｃは、磁石で固定されたサンプルホルダー１１０を示しており、サンプル充填後の組立済み本体８０は、４つのマグネットバー１０１、１０２、１０３、１０４によって固定されている。サンプルが充填された完成サンプルホルダ９０、１００、１１０は、すぐにＩＲ透過測定を実行することができる。これらすべての締結機構は低コストで簡単に製造でき、クランプやマグネットバーは再利用可能である。他の実施形態では、プレートおよび締結ボルトの使用などの締結機構を使用することができる。

洗浄が困難なサンプルを取り扱う本発明の能力を実証するため、図１０には、図３と図４に示す事後的に組み付けるサンプルホルダーを使用して記録されたチョコレートサンプルの赤外スペクトルを示す。本サンプルホルダーは、厚さ７７５μｍのシリコン窓、および厚さ１３μｍの金属スペーサを利用する。記録されるスペクトルには干渉縞がない。このサンプルは、ＩＲスペクトルを記録する前に、柔らかい固形チョコレートをプレスしてそれをシリコン窓の間に塗りつけて用意した。窓のコストが低いため、窓を洗浄・リサイクルするために多大な努力を要することなく、サンプルホルダー本体を廃棄することができる。

高温で扱いにくいサンプルを取り扱う本発明の能力を実証するため、図９には、図３と図４に示す事後的に組み付けるサンプルホルダーを使用して記録された溶融アスファルトサンプルの赤外スペクトルを示す。本サンプルホルダーは、厚さ７７５μｍのシリコン窓、および厚さ１３μｍの金属スペーサを利用する。記録されるスペクトルには干渉縞がない。このサンプルは、アスファルトを加熱し強く押圧してシリコン窓の間に塗りすけて用意した。シリコンの優れた機械的および熱的性質によってサンプルセルをＩＲ分析用に調製することができる。低コストなシリコンを窓材料として利用することで、このようなサンプルについて使い捨てサンプルホルダーを使用するのが実行可能な解決策となりうる。これらのサンプルは、従来の透過型セルを使用したセルの準備や洗浄が極めて困難であることが知られている。

図６Ａ−６Ｄ：他の実施形態
本発明の他の実施形態について説明する。図６Ａ〜図６Ｄは、本発明によるサンプルホルダー本体のいくつかの例を示す。１つの原理によると、互いに平行な一対の光学窓と、当該一対の光学窓の間に斜めに配置された１つ以上の追加の光学窓とが使用され、複数の非平行なギャップが該窓の間に形成される。非平行なギャップにより、窓の配置によって定量分析に必要な一貫した光路長を維持しながら干渉縞を効果的に除去することができる。図６Ａは、中窓をいずれの外側窓とも接触させない３窓構成を示し、これは両端でサイズの異なる２組のスペーサを使用するか、または窓を特定の位置で容器のフレームに固定することによって達成できる。図６Ｂは、２つの斜めの中窓を使用し３つの非平行なギャップを形成する４窓構成の一例を示す。図６Ｃは、一連の小さい斜めの中窓を使用した複数窓構成の一例を示す。図６Ｄは、一連の小さい斜めの中窓を使用した複数窓構成の別の例を示す。また、図６Ａは、外側または中央の窓が異なる厚さであり得ることを示している。

図５：他の実施形態
本発明の一実施形態は、半透過ＩＲ測定に最も適している。半透過ＩＲ測定では、ＩＲ放射をすべての窓およびサンプルを透過させて検出するのではなく、ＩＲ放射は鏡によって反射されて光源と同じ側で検出される。図５は、サンプルホルダー本体のいくつかの例を本発明の図面によって示す。この図では、鏡は黒で表示する。本実施形態では、光学窓と、当該光学窓に平行な鏡と、該光学窓と該鏡の間に斜めに配置された１つ以上の追加の光学窓とを使用し、複数の非平行なギャップが該窓の間と窓と鏡の間に形成される。鏡は、金属などのＩＲ反射材料からなる。非平行なギャップにより、窓の配置によって定量分析に必要な一貫した光路長を維持しながら干渉縞を効果的に除去することができる。図１に示される組立済みサンプルホルダーと図３および図４の事後的に組み付けるサンプルホルダーのいずれも本実施形態に適用可能である。図６に示される中窓構成の他の実施形態も本実施形態に適用可能である。

上記の説明から、本発明のいくつかの実施形態のいくつかの利点が明らかになる。

窓としてシリコンのような材料を使用するＩＲサンプルホルダーにより、様々なサンプル分析の日常的なツールとしてＩＲ分光法が利用できるようになる。また、本発明によるサンプルホルダーによると、高温および／または高圧下でのＩＲ測定も可能である。本発明によるサンプルホルダーは、静的システムまたは動的システムのＩＲ分析を実行するために使用することができる。シリコン材料は低コストであるため、使い捨てのサンプルホルダーが手頃な価格で製造できる。定量分析が可能な使い捨てサンプルホルダーはサンプル調製において非常に便利であり、ＩＲセルを維持する必要性をなくすことができる。密封可能な使い捨てサンプルホルダーは、危険なサンプルまたは生物学的に危険なサンプルに適する。また、密封可能な使い捨てサンプルホルダーによると、一時的なサンプル保管がさらに便利になる。また、密封可能な使い捨てサンプルホルダーは、大規模かつハイスループットな自動分析試験構成に適する。

本発明の上記実施形態は本発明の様々な態様を示すために提供した。しかし、異なる特定の実施形態で示した本発明の異なる態様は、組み合わせて本発明の他の実施形態を提供できることを理解されたい。また、本発明の様々な改変は、前述の説明及び添付図面から明らかになるであろう。従って、本発明は以下の特許請求の範囲によってのみ限定されるものとする。

Claims (12)

1. 互いに平行な一対の光学窓と、
   前記一対の光学窓の間に斜めに配置された１つ以上の追加の光学窓と、を有し、
   複数の非平行なギャップが前記窓の間に形成され、
   前記平行な窓と追加の窓は対象の波長帯に対し透明で、
   前記平行な窓と追加の窓のそれぞれは平行な窓の表面により生じる対象の波長帯における干渉縞を防止するのに適した厚さを有し、
   前記平行な窓と追加の窓を設定位置に固定するための第１手段を含み、それによって前記平行な窓と追加の窓は前記赤外線放射に対して一貫した光路長を作り出し、
   前記非平行なギャップは適切な角度を作り出し、透過され内部で反射する赤外線放射から生じる対象の波長帯における干渉縞を防止し、
   サンプルを前記ギャップに充填する第２手段を含み、それによって前記ギャップが分光分析用のサンプルで充填される、赤外線の透過分光法を用いてサンプルを分析する装置。
2. 前記平行な窓と追加の窓は、臭化カリウム、塩化ナトリウム、塩化カリウム、臭化銀、塩化銀、フッ化バリウム、フッ化カルシウム、ヨウ化セシウム、臭化セシウム、ゲルマニウム、フッ化リチウム、フッ化マグネシウム、酸化マグネシウム、ヨウ化臭化タリウム、シリコン、ドープシリコン、二酸化ケイ素、硫化亜鉛、セレン化亜鉛、光学ガラス、サファイア、α−石英、溶融石英、ポリエチレン、またはポリテトラフルオロエチレンからなる群から選択した赤外透明材料を含む、請求項１に記載の装置。
3. 前記平行な窓と追加の窓はシリコン、ドープドシリコン、または表面改質シリコンからなる群から選択した赤外線に透明な材料を含み、前記表面改質は、研磨、擦過、エッチング、コーティング、表面安定化処理、酸化、シラン化、および化学的改質を含む、請求項１に記載の装置。
4. 前記平行な窓と追加の窓は２００ミクロン〜１０，０００ミクロンの厚さを有する、請求項１に記載の装置。
5. 前記平行な窓と追加の窓との間の非平行なギャップがなす角度は、０度〜１５度である、請求項１に記載の装置。
6. 前記平行な窓と追加の窓とを設定位置に固定するための前記第１手段が、前記平行な窓と追加の窓との間に配置されたスペーサか、前記平行な窓と追加の窓を設定位置に固定する接着剤とフレームである、請求項１に記載の装置。
7. 前記サンプルを充填する手段が、前記平行な窓と追加窓を設定位置に保持する組立済み容器に流動性サンプルを充填することを可能にする１つまたは複数の開口部を有する、請求項１に記載の装置。
8. 前記開口部はストッパー、プラグ、キャップ、封止剤、クランプ、あるいはそれらの組み合わせによって封止される、請求項７に記載の装置。
9. 前記組立て済容器が、１つまたは複数の開口部を有する完全な本体フレームと、フレームと前記平行な窓および追加の窓との間の漏れを防ぐための手段とを含む、請求項７に記載の装置。
10. 前記サンプルが、流体サンプルが前記装置に出入りしてその中に含まれるサンプルを繰り返し置き換えるように駆動される流体サンプルである、請求項７に記載の装置。
11. 前記平行窓と追加の窓とを設定位置に固定するための前記第１の手段が、前記平行な窓と追加の窓との間に配置されたスペーサであり、さらに変形可能なサンプルを前記平行な窓および追加の窓の内面上に充填した後に、事後的に組み付ける装置を所定位置に保持する締結手段を含む、請求項１に記載の装置。
12. 光学窓と、前記光学窓に平行な鏡と、
    前記光学窓と前記鏡の間に斜めに配置された１つ以上の追加の光学窓と、を有し、
    複数の非平行なギャップが前記光学窓と前記追加の窓と、前記追加の窓と前記鏡との間に形成され、
    前記光学窓と追加の窓は対象の波長帯に対し透明で、
    前記鏡は対象の波長域の赤外線放射を反射し、
    前記各光学窓と追加の窓は平行な窓の表面により生じる対象の波長帯における干渉縞を防止するのに適した厚さを有し、
    前記光学鏡の表面は金属、合金、金属コーティング、及びＩＲ反射ガラスからなる群から選択される赤外線反射材料を含み、
    前記光学窓と追加の窓と前記鏡を設定位置に固定するための第１手段を含み、それによって前記光学窓と追加の窓と前記鏡は前記赤外線放射に対して一貫した光路長を作り出し、
    前記非平行なギャップは適切な角度を作り出し、直接反射及び内部で反射する赤外線放射から生じる対象の波長帯における干渉縞を防止し、
    サンプルを前記ギャップに充填する第２手段を含み、それによって前記ギャップが分光分析用のサンプルで充填される、赤外線の半透過分光法を用いてサンプルを分析する装置。