JP3176582U - ライトガイドセル - Google Patents

Abstract

【課題】液体クロマトグラフ分析に使用するライトガイドセルにおいて、高ＮＡ伝送光の伝送効率の悪さを改善して高感度化を実現するライトガイドセルを提供する。
【解決手段】液体試料で充填されたキャピラリ２の端部に挿入される光導波管を被覆なし光ファイバもしくは石英円柱で形成して、より高いＮＡ光まで入射させる。その光導波管の入射端３ｂを平面にし、出射端３ａに凸レンズ効果を生起させる形状とすることにより、光導波管に入射した高ＮＡ光を、低ＮＡ光に変換する。
【選択図】図１

Description

本考案は、光検出器に使用されるライトガイドセルに関する。

液体クロマトグラフ等に用いられる吸光検出器では、セルと呼ばれる容器に液体試料を充填もしくは連続的に通液し、光を照射して分析を行う。微小量の試料を高感度で検出するためには、セルの断面積を小さく、光路長を長くする必要がある。そこでセルにキャピラリを使用し、キャピラリの外壁、もしくは内壁で全反射させて光を伝送するライトガイドセルが実用化されている。

キャピラリの外壁で光伝送を行う例は、キャピラリに溶融シリカを使用し、外径部のシリカ−空気の境界面で全反射させるものがある（特許文献３）。内壁で全反射させる例としては、内壁にテフロンＡＦ（登録商標）のコーティングを施したキャピラリを使用する方法がある（特許文献１参照）。ライトガイドセルへの光の入射および出射には光ファイバ等の光導波管がよく使われる。

図４は、従来のライトガイドセルを用いた光検出器の概要を示したもので、光検出器２１は、ライトガイドセル２２と、光源２３と、ミラー２４、２５と、回折格子２６と、スリット２７と、検出器２８から構成される。

光源２３より出射した光は、ミラー２４を介してライトガイドセル２２に入射し、ライトガイドセル２２内のキャピラリ２２ａに充填された液体試料を透過する。その透過光は、ミラー２５、スリット２７を経て、回折格子２６で分光され、検出器２８で検出される。検出器２８は、例えばフォトダイオードアレイ等で構成される。

図５は、従来のガイドセルの概要を示したものである。ライトガイドセル４１は、液体試料４９で満たされたキャピラリ４２と、キャピラリ４２の一端に挿入されるとともに両端が平面の入光側光導波管４３と、キャピラリ４２の他端に挿入される出光側光導波管４４と、液体試料４９をキャピラリ４２に注入するための通路４５ａ、４６ａを有するセルホルダ４５、４６から構成される。なお、キャピラリ４２、入光側光導波管４３および出光側光導波管４４は、フェルール４７、４８によってセルホルダ４５、４６に密封固定（固定部材は図示せず）される。

入射した光は、入光側光導波管４３を通り、内部が液体試料４９で満たされたキャピラリ４２に入射され、出光側光導波管４４を通って出射されて検出器（図示せず）で検出される。分析される液体試料４９は、セルホルダ４６の通路４６ａからキャピラリ４２に導入され、セルホルダ４５の通路４５ａから排出される。

なお、特許文献２には、入射光の弱い場合でも、高い検出感度と低ノイズを実現できるキャピラリーフローセルが開示されている。

特表２００２−５３６６７３号公報 特開２００４−３４０６３６号公報 米国特許第４４７７１８６号

ライトガイドセルを用いた光伝送では、キャピラリの全反射界面に何らかの付着物がある場合や、表面に粗さが存在する場合、その個所では吸収や散乱のために全反射が生起しない。したがって、高ＮＡ光は内部反射回数も多いため、高ＮＡ光の反射効率が悪くなる。さらに、伝送効率も大きく低下し、透過光量が減少する。したがって、検出器の感度を上げるため高ＮＡ光の伝送効率を向上させることが課題である。

なお、ＮＡとは、開口数であり、光ファイバなどライトガイドにおいては光源から光ファイバへ入射した場合に伝送可能な最大角度θを正弦値で表したものである。すなわち、光ファイバを介して全反射で伝送可能な光の最大入射角度がθである場合、以下の式で表される。
ＮＡ＝sinθ

検出器の高感度化を目的として、液体試料の拡散を押えるためセルの断面積を小さくしたライトガイドセルが用いられるが、多くの場合、光源サイズよりセルの光伝送直径が小さいため、通常サイズのセルの場合より光量が減少する。セルの断面積を小さくしたとしても、透過光量が減少すれば感度は低下し、さらにノイズが増えるためＳ／Ｎ比が悪化して高感度化は実現できない。

検出器の高感度化の目的で、入射光量を増加させるために縮小光学系を用いて入射光を絞り込んだ場合、増加した高ＮＡ光がセル内を伝送することになる。ライトガイドセルでは前述の通り高ＮＡ光の伝送効率が悪いので、伝送光量を向上させることが難しい。

したがって、検出器の高感度化のためには、入射光量を減らさないために高ＮＡ光を入射させて、その高ＮＡ光を効率よく透過させることが課題である。しかし、キャピラリの伝送効率を低下させる原因である全反射界面の付着物の除去や、表面の粗さの解消は困難であるため、その他の方法による伝送効率の向上が課題である。

上記課題を解決するために、本考案は、液体試料で充填されるとともに光を全反射により伝送することのできるキャピラリと、前記キャピラリの入光側の端部に挿入される光導波管と、前記液体試料を前記キャピラリの内部に導入するための手段を備えたライトガイドセルにおいて、前記光導波管が、前記光の入射端が平面で、出射端が凸レンズ効果を有する形状である。

また本考案は、前記凸レンズ効果を有する形状が、前記光導波管の出射端を表面が凸形状の曲面とすることで実現されるものであることが好適である。

また本考案は、前記凸レンズ効果を有する形状が、前記光導波管の出射端を平面とした上でその直後に凸レンズを配置して実現されるものであってもよい。

光導波管を介してセルに光を入射する際に、通常は平面である光導波管の出射端を球面化して凸レンズ効果を付与し、光導波管の出射端から高ＮＡ光を低ＮＡ化して出射させる。したがって、セル内を伝送する光は反射回数の少ない低ＮＡ光になり、全反射界面の付着物や、表面の粗さによる吸収や散乱の影響が少なく、入射光の伝送効率が向上する。その結果、透過光量が増加し、検出器の感度が向上する。

本考案によるガイドセルの概要を示す。 本考案による球面を有する入光側光導波管によって、高ＮＡ光が低ＮＡ光に変換される状態を示す。（ａ）に本考案の球面出射端の場合、（ｂ）に従来の平面出射端の場合を示す。 本考案における入光側光導波管の球面出射端の効果の実験結果を示す。本考案の球面出射端と従来の平面出射端について、入射光ＮＡごとの透過光量を（ａ）に、それぞれの総合透過光量を（ｂ）に示す。 従来のライトガイドセルを用いた光検出器の概要を示す。 従来のガイドセルの概要を示す。

図１は、本考案によるガイドセルの概要を示したものである。ライトガイドセル１は、液体試料９で満たされたキャピラリ２と、キャピラリ２の一端に挿入されるとともに出射端が凸レンズ化された入光側光導波管３と、キャピラリ２の他端に挿入される出光側光導波管４と、液体試料９をキャピラリ２に注入するための通路５ａ、６ａを有するセルホルダ５、６から構成される。なお、キャピラリ２、入光側光導波管３および出光側光導波管４は、フェルール７、８によってセルホルダ５、６に密封固定（固定部材は図示せず）される。

入射した光は、入光側光導波管３を通り、内部が液体試料９で満たされたキャピラリ２に入射され、出光側光導波管４を通って出射されて検出器（図示せず）で検出される。分析される液体試料９は、セルホルダ６の通路６ａからキャピラリ２に導入され、セルホルダ５の通路５ａから排出される。

入光側光導波管３は、入射端３ｂが平面で、出射端３ａが凸レンズ効果を有する球面である。この出射端３ａの形状は、一般的に表面が凸形状の曲面であればよい。また、出射端３ａは、出射端を平面にした上でその直後に凸レンズを配置してもよい。入射端３ｂより入射した高ＮＡ光は、球面である出射端３ａから出射してキャピラリ２内で低ＮＡ光として伝送される。

図２は、球面を有する入光側光導波管によって、高ＮＡ光が低ＮＡ光に変換される状態の説明図である。（ａ）に本考案の球面の出射端３ａの場合、（ｂ）に従来の平面の出射端４３ａの場合を示す。同一の条件で、光が入射した場合、入光側光導波管３、４３の出射端３ａ、４３ａの屈折点Ｐ、Ｑで屈折して液体試料９、４９に出射する光の角度は、球面と平面における差が生じて、図示のごとくキャピラリ２、４２内を伝送する。前記（ａ）の場合が全反射回数の少ない低ＮＡ光に変換されることが明らかである。

図３に本考案における入光側光導波管の球面出射端の効果の実験結果を示す。本考案の球面出射端（先端球面）と従来の平面出射端（先端平面）について、入射光ＮＡごとの透過光量を（ａ）に、それぞれの総合透過光量を（ｂ）に示す。本考案の球面出射端（先端球面）が従来の平面出射端（先端平面）と比べ高ＮＡの光量が増加しており、また総合光量も約１．４４倍となり、球面出射端の効果が明らかである。通常使用されている光導波管の外径は、約０．１〜１．０ｍｍが好適とされており、本実験では０．３ｍｍの石英円柱を使用した。

光導波管としては、屈折率の違う二種の素材界面、または外側素材−外部素材界面の全反射で光伝送を行う光ファイバ、もしくは素材−空気界面の全反射で光伝送する円柱が用いられ、本考案では光導波管の素材について特に制限はない。この素材界面の屈折率差が大きいほど高ＮＡ光の入射光量が大きくなるので、光検出器の感度を向上させるためには、屈折率差が大きいほど、入射光量の大きい光導波管が用いられる。

前述の通り、光導波管の出射端に凸レンズ効果を付与することにより検出器の感度をあげるという本考案の課題を達成することができるが、さらに感度を上げるためには全反射する界面の屈折率差の大きな光導波管を用いればよい。光導波管として通常用いられる石英円柱、被覆なし石英光ファイバおよび樹脂被覆光ファイバの３種類の伝送可能なＮＡの比較を行う。素材として合成石英を用いた石英円柱の場合、石英−空気の屈折率差から計算されるＮＡは１を超えるため、空気中から入射される光は理論上全て伝送する。コアに合成石英を用いた被覆なし石英光ファイバの場合も同様にＮＡは１を超える。樹脂被覆光ファイバの場合、紫外−可視領域で代表的なＮＡは０．２２であり、感度の向上のためには屈折率差がより大きく伝送可能なＮＡが高いものを使用するのが望ましい。ちなみに、ナトリウムのＤ線・波長５８９．３ｎｍの光に対して、屈折率は、空気：１．０００２９２、合成石英：１．４５８４４３、また、一般的なＮＡ０．２２の石英光ファイバの屈折率は、コアに合成石英を用いた場合、クラッド：約１．４４１である。

なお、本考案のライトガイドセルは、図４と同様に光検出器を構成する。また、図１から図５において、同一符号で表示されているものは、同一物を表し、同じ機能を有するものである。

１、２２、４１ ライトガイドセル
２、２２ａ、４２ キャピラリ
３、４３ 入光側光導波管
３ａ、４３ａ 出射端
３ｂ 入射端
４、４４ 出光側光導波管
５、６、４５、４６ セルホルダ
５ａ、６ａ、４５ａ、４６ａ 通路
７、８、４７、４８ フェルール
９、４９ 液体試料
２１ 光検出器
２３ 光源
２４、２５ ミラー
２６ 回折格子
２７ スリット
２８ 検出器
Ｐ、Ｑ 屈折点

また本考案は、前記光導波管は合成石英からなることが好適である。

また本考案は、前記光導波管の外径は０．１〜１．０ｍｍであることが好適である。

入光側光導波管３は、入射端３ｂが平面で、出射端３ａが凸レンズ効果を有する球面である。この出射端３ａの形状は、一般的に表面が凸形状の曲面であればよい。入射端３ｂより入射した高ＮＡ光は、球面である出射端３ａから出射してキャピラリ２内で低ＮＡ光として伝送される。

Claims (3)

1. 液体試料で充填されるとともに光を全反射により伝送することのできるキャピラリと、前記キャピラリの入光側の端部に挿入される光導波管と、前記液体試料を前記キャピラリの内部に導入するための手段を備えたライトガイドセルにおいて、前記光導波管が、前記光の入射端が平面で、出射端が凸レンズ効果を有する形状であることを特徴とするライトガイドセル。
2. 前記凸レンズ効果を有する形状が、前記光導波管の出射端を表面が凸形状の曲面とすることで実現されるものであることを特徴とする請求項１記載のライトガイドセル。
3. 前記凸レンズ効果を有する形状が、前記光導波管の出射端を平面とした上でその直後に凸レンズを配置して実現されるものであることを特徴とする請求項１記載のライトガイドセル。