JP3693960B2

JP3693960B2 - A long optical path cell for a spectrophotometer using an optical fiber tube.

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Publication number: JP3693960B2
Application number: JP2002004256A
Authority: JP
Inventors: 鐵大郎吉永
Original assignee: Japan Science and Technology Agency; National Institute of Japan Science and Technology Agency
Current assignee: Japan Science and Technology Agency; National Institute of Japan Science and Technology Agency
Priority date: 2002-01-11
Filing date: 2002-01-11
Publication date: 2005-09-14
Anticipated expiration: 2022-01-11
Also published as: JP2003207442A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、分光分析の技術分野に属し、特に、光ファイバーの原理を応用して高感度の分析を行うことができる分光光度計用の新規な光路セルとその作製法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
分光光度計（例えば、紫外・可視分光光度計）は、吸光度光度法、すなわち、単色化した光を試料溶液に透過させたときの吸光度を測定することによって、その試料の濃度を測定するものである。このとき、よく知られているように、試料に入射する光の強さをＩ₀、通過後の光の強さをＩとすると、吸光度Ａ（＝ｌｏｇＩ₀／Ｉ）は、ランベルト・ベール（Lambert-Beer）の法則（Ａ＝εＣＬ）に支配される。ここで、εは試料（媒質）の分子吸光係数、Ｃは試料の濃度、Ｌは光路長である。
【０００３】
したがって、吸光光度法において高感度化を目指すには、上記のランベルト・ベールの法則から明らかなように、濃度Ｃが一定のときに吸光度（Ａ）を何らかの工夫により大きくすることが必要であり、このためには吸光係数（ε）を高めるか、光路長Ｌを長くするしか無い。εを高めるには試料中の目的分子あるいはイオンを何らかの方法で他の分子またはイオンと反応させ、より大きなεを持った化合物に変える必要がある（例えば、ポルフィリン化合物を使用するなど）が、これは、どんな分子やイオンにも使えるというものではなく、かなり制限が多い方法である。
【０００４】
そこで、吸光度Ａを大きくするための一般的な手段は、光路長（Ｌ）を長くするということになる。現在のところ、市販品で光路長を延長したものに相当するものとしては、多重反射セルがある。これは、２枚のミラー（金やアルミニウムなどで表面をメッキしたもの）に光を通し、反射を何回も繰り返しながら距離を稼ぐというものである。用途により様々な種類のものがあるが、主として気相（ガス）状の物質を取扱うものであり、液相（液体や溶液）には使用されない。また、値段も、一般に高価なものが多い。
【０００５】
一方、吸光光度法において液相試料の測定に使用されている光路セルは、通常、ガラス製の角型で長さが１ｃｍ程度のセルである。この他に、円筒セルというものがあるが、これらは光路長が５ｃｍから１０ｃｍのものが多い。このように、分光光度計に現在用いられている光路セルは、光路長が一定に固定されたガラス等から構成されているため、精々１０ｃｍ程度にしか光路長（Ｌ）を延ばすことができない。
【０００６】
近年、光ファイバーの原理を応用して分析化学の分野における感度や精度を向上させる各種の工夫が行われている。分析化学の分野における光ファイバーの利用には、（ａ）光ファイバーを光の伝達媒体として用いるものであって、光源の光を伝達し、分析対象内で発生する信号を採取する方法、（ｂ）光ファイバーの有する光の分散特性を利用した分光素子としての利用、および、（ｃ）光ファイバーのコア自体を分光法の対象とする、３つの方法が考えられる。藤原らは、この第３番目の（ｃ）の方法に従い、「長光路毛細吸収管に関する研究」を行っている（例えば、藤原祺多夫：分析化学（総合論文）、Ｖｏｌ．３４、７３７−７５６頁（１９８５）参照）。すなわち、被測定試料を二硫化炭素などの屈折率の高い溶媒に溶かし、これをキャピラリー（毛細管）に導入してコアとするとともにキャピラリーの内壁をクラッドとすることにより、長光路で光伝送が可能なウェーブガイド型光路セルとして活用できたとしている。そして、ホローファイバー（キャピラリー）としてガスクロマトグラフィー用に市販されているコイル状のチューブを利用することを提案し、例えば、長さ５０ｍのキャピラリーを用いて吸光度を通常の１ｃｍセルの３万倍まで増幅できたとしている。
【０００７】
この藤原らの案出した方法は、光ファイバーの原理を応用して液相試料を測定するための分光光度計用の長光路セルの数少ない例であるが、実用に供するには解決すべき幾つかの問題が残されている。その一つは、光路を形成する材質としてパイレックスや石英のチューブ（管）を選んだことにある。パイレックスや石英は、屈折率が大きい（例えば、パイレックスの常温における屈折率ｎ＝１．４７４）。後にも説明するように、光ファイバーの原理に従い全反射させながら光を透過させるためには、コアと成る液体として、クラッドを形成するパイレックスや石英よりも更に大きな液体を用いる必要がある。実際、彼らが使用した液体は、二硫化炭素（ｎ＝１．６２８）などの強い毒性のある液体、ベンゼン（ｎ＝１．４７４４）などの有害な液体のほか、アセトフェノン（ｎ＝１．５３４）や１−ブロモナフタレン（ｎ＝１．６５９）などであり、これらを用いて全反射条件を調べているが、液相分析において実用上最も重要な水溶液を用いた検討は行われていない。実際の吸光度分析に使用した例として、二硫化炭素中のヨウ素の定量があるが（K. Fujiwara他：Anal. Chem., 56, 1640 (1984)）、二硫化炭素は毒性が強いだけではなく、可燃性が高く、爆発性もあり、さらに、強い悪臭がある（ただし、超高純度品の場合には悪臭が無いとされる）。また、二硫化炭素の場合、３１９ｎｍと３５５ｎｍに吸収帯（蒸気）があり、吸収スペクトルの溶媒としても好ましくない。さらに、藤原らが光路セルの材質として提示しているパイレックスや石英は可撓性が乏しく可及的に径の小さいチューブを用いても曲率半径として小さくても精々１０ｃｍ程度のものしか得られず、コンパクトな長光路セルを作製することはできず、また、ガラス質であるため割れ易いことも短所である。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の目的は如上の問題点を解決し、光ファイバーの原理を応用して、液相、特に水溶液を用いる場合を含む液相中の試料の濃度を高感度に分析することができ、必要に応じて既存の分光光度計にレトロフィットすることができるようなコンパクトに作製することも可能な新しいタイプの分光光度計用長光路セルを提供することにある。
【０００９】
本発明者は、検討を重ねた結果、テフロンチューブに代表される可撓性チューブを用いることにより、上述の目的を達成し得る分光光度計用長光路セルが実現できることを見出した。
かくして、本発明に従えば、先ず、液相中に光を透過させて該液相に含有されている試料の濃度を測定するための分光光度計用光路セルであって、前記液相よりも低い屈折率を有する可撓性チューブから成り、この可撓性チューブをクラッドとし、該可撓性チューブ内に前記試料を含有する液相を満たしてコアとして、該コア中に光を透過させるようにしたことを特徴とする、分光光度計用光路セルが提供される。
【００１０】
本発明に従えば、さらに、液相中に光を透過させて該液相に含有されている試料の濃度を測定するための分光光度計用光路セルであって、前記液相よりも低い屈折率の膜が内壁に固着された可撓性チューブから成り、この可撓性チューブの前記内壁をクラッドとし、該可撓性チューブ内に前記試料を含有する液相を満たしてコアとして、該コア中に光を透過させるようにしたことを特徴とする、分光光度計用光路セルが提供される。
【００１１】
また、本発明は、上記のごとき分光光度計用光路セルを作製する方法であって、可撓性チューブの部に、被測定試料を含有する液相よりも屈折率の低い物質の溶液を注入して加熱乾燥および減圧操作を繰り返すことにより、その低屈折率物質の膜を前記可撓性チューブの内壁に固着させる工程を含むことを特徴とする方法を提供する。
さらに本発明は、別の視点として上記のごとき光路セルを用いる分光光度計も対象とするものである。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下に、添付図面を参照しながら、本発明の理論的な背景となる光ファイバーの原理、本発明の光路セルの構成、本発明に従う光路セルの作製法、分光光度計への適用等に関して本発明の実施の形態を詳述する。
【００１３】
光ファイバーの原理
先ず、簡単な原理図を用いて、なぜ光が全反射するか、また、どのような条件下で、本発明の光路セルの好ましい形状である中空コイル状の光ファイバー内を光が全反射して進行するかを説明する。図１は光の進行方向（入射、反射、屈折など）を律するスネルの法則（Snell's law）を説明するものである。屈折率がｎ₁の媒質からｎ₂の媒質へ光線が入る場合、法線に対してθ₁の角度をもって入射するとθ₂の角度で進入する（屈折現象）。これは、逆も成り立つ。すなわち、屈折率がｎ₂の媒質からｎ₁の媒質へ光線が入る場合、法線に対してθ₂の角度をもって入射するとθ₁の角度で進入する。ただし、屈折率と角度の間には次の関係がある。
sin(θ₁)／sin(θ₂)＝(ｎ₂／ｎ₁)＝(ｃ₂／ｃ₁) （１）
ここで、ｃ₁、ｃ₂は、媒質ｎ₂およびｎ₁内を通過する光の速度である。これをスネルの法則という。θ₁が（π／２）rad＝９０°のときのθ₂を臨界角といいθ_ｃで表す。光線が屈折率ｎ₂の媒質からθ（＞θ_ｃ）で、すなわち臨界角より大きい角度で入射すると、上記の条件から、屈折率ｎ₁の媒質には進入できず、両媒質の境界線（水平線）のところで鏡のように反射する。これが全反射現象である。
【００１４】
図１では、α(＝(π／２)−θ)を境界線からの角度にとっている。この関係をコイル状に巻回されたテフロンチューブのような可撓性チューブ（フレキシブルチューブ）に適用したときの図を図２として示している。図２において、ｒは曲率半径（ρ）の平均値であり、ｄはチューブの内径（光路幅）である。いま、θは全反射条件を満たすときの入射角であり、φが照角であるとする（π／２＝θ＋φ）。これらをスネルの法則に当てはめると、sin(θ)≧sin(θ_ｃ)＝（ｎ／ｎ_ｓ）、sin(θ)＝２ｒ／(２ｒ＋ｄ)となる。ただし、ここで、ｎはクラッドとなるチューブ内壁の屈折率、ｎ_ｓはコアとなる水などの液相屈折率とする。これから、全反射条件として次の関係式が得られる。
２ｒ≧ｄ(ｎ／[ｎ_ｓ−ｎ])；θ_ｃ＝sin⁻ ¹(ｎ／ｎ_ｓ) （２）
具体例として、後記の実施例に示すように水溶液を測定するために屈折率１．３１または１．２９のテフロンの膜が固着された場合につき、上式にｎ_ｓ＝１．３３３３、ｎ＝１．２９または１．３１、ｄ＝０．１ｃｍを代入すると、全反射条件を満たす曲率半径として、ｒ(ｎ＝１．２９)≧１．５０ｃｍ、ｒ(ｎ＝１．３１)≧２．８１ｃｍが得られる。また、入射角の臨界角は、θ_ｃ(ｎ＝１．２９)＝７５．４°およびθ_ｃ(ｎ＝１．３１)＝７９．３°である。したがって、照射角の臨界角は、φ_ｃ(ｎ＝１．２９)＝１４．６°およびφ_ｃ(ｎ＝１．３１)＝１０．７°である。すなわち、φ_ｃ(ｎ＝１．２９)＝１４．６°およびφ_ｃ(ｎ＝１．３１)＝１０．７°のとき、全反射することが分かる。このように、光ファイバーの原理（光の全反射：スネルの法則）とランベルト・ベールの法則が本発明の理論面の両論である。
【００１５】
可撓性チューブから直接構成される長光路セル
本発明の分光光度計用光路セルは、第１の態様として、可撓性チューブから直接構成することができる。すなわち、充分な可撓性を有し、吸光光度法による測定対象となる試料を含有する液相よりも屈折率の低い材質から成るチューブを用い、これを例えばコイル状に巻回し、この可撓性チューブをクラッドとし該チューブ内に試料含有液相を満たしコアとして、このコア中に光を透過させるようにすることにより、従来から一般的に知られたガラス製や石英製の光路セルに比べて光路長がきわめて延長された長光路セルが得られる。
このような本発明に従う分光光度計用光路セルを構成するのに最も適しているのはテフロン（ポリテトラフルオロエチレン）チューブであり、目的に応じて、市販のテフロンチューブ（ＦＥＰスパゲッティチューブ；内径：０．４ｍｍ以上９０ｍｍ程度まで広範囲にあり、長さも性質も多種多様なものが用意されている[ユニバーサル社などから入手可]）の中から購入するか、調製する。例えば、市販の低屈折率（屈折率ｎ＝１．３４）テフロンチューブを用いることにより、これより屈折率の大きい液相の試料分析が可能な光路セルが得られる。勿論、テフロンチューブと同様に、可撓性と耐薬品性があり、引張り強度や曲げ強度を有するものであれば他のチューブも適用可能である。
【００１６】
低屈折率膜が固着された長光路セル
本発明の分光光度計用光路セルは、第２の態様、そして本発明の好ましい態様として、低屈折率の膜（薄膜）が内壁に固着（被覆）された可撓性チューブから構成することもできる。すなわち、充分な可撓性を有するチューブの内壁に、被測定試料を含有する液相よりも屈折率の低い物質の膜を固着または被覆して、これを例えばコイル状に巻回し、この可撓性チューブの内壁膜をクラッドとしチューブ内に試料含有液相を満たしてコアとして、このコア中に光を透過させるようにすることによっても、従来の光路セルよりも光路長が著しく延長された長光路セルを得ることができる。このタイプの長光路セルは、特に水溶液系の試料を高感度分析することができる点において優れている。
全反射条件の観点からは、通常の条件で水溶液系の測定ができれば、その他の系でも一般に測定が可能である。なぜなら、常温で、水より屈折率の小さい液体はほとんど無いからである（通常の条件で、水の屈折率（ｎ＝１．３３３３）よりも屈折率の小さい液体は、メタノール（ＣＨ₃ＯＨ：ｎ＝１．３３００）とアセトアルデヒド（ＣＨ₃ＣＨＯ：ｎ＝１．３３１６）だけである。しかもその値も水よりわずかに小さいだけである）。
【００１７】
上述の第１の態様に従い可撓性チューブから光路セルを構成し、そのチューブの内壁自体をクラッドとする場合、市販品または研究用で屈折率が水より小さい（ｎ＝１．３３３３以下）のチューブで容易に入手できるものは見当らない。そこで、本発明の好ましい態様に従えば、市販品として容易に入手できる可撓性チューブの内壁に、水より低屈折率の物質の膜を固着（被覆）する。
例えば、屈折率ｎ＝１．３１のテフロン含有溶液（６％溶液）やｎ＝１．２９のテフロン含有溶液（１％溶液）（いずれも三井・デュポンフロロケミカル（株）から入手できる）を用い、これらを可撓性チューブの内壁に固着（被覆）する。これらの低屈折率物質は、固体（樹脂状）として入手することもでき、この場合は比較的安価に購入できるが、別途、適当な溶媒に溶かして使用することになる。このようにして作製された本発明の長光路セルは、そのクラッドと成る内壁の屈折率が上述したようなメタノールやアセトアルデヒドよりも小さいので、通常の範囲で取扱うあらゆる液相試料の分光分析に適用できる。可撓性チューブとしては、テフロンチューブの他、ポリ塩化ビニルチューブやポリエチレンチューブなどの各種の可撓性チューブが使用できるようになる。
【００１８】
低屈折率膜が固着された長光路セルの作製
上述の水溶液系を含む広範囲の液相試料の高感度分析を可能にする本発明の分光光度計用長光路セルは、本発明に従い、可撓性チューブ、特に、充分な可撓性を有し耐薬品性や物理的強度においても優れているが、撥水性や撥油性が高く他の物質に対する固着性に難のあるテフロンチューブの内壁に低屈折率の物質（例えば、既述したような屈折率１．３１または１．２９のテフロン）の薄膜を固着ないしは被覆することによって作製することができる。この方法は、被測定試料を含有する液相よりも屈折率の低い物質の溶液を可撓性チューブの内部に注入して加熱乾燥および減圧操作を繰り返すことから成り、必要に応じて（特に可撓性チューブとしてテフロンチューブを用いる場合）、内壁の洗浄工程およびエッチング工程から成る前処理を施す。
以下に、内壁に低屈折率薄膜を固着した可撓性チューブの作製方法について詳述する。以下の記述は、可撓性チューブとしてテフロンチューブを用いる場合を中心に行っているが、他の可撓性チューブ、例えば、ポリ塩化ビニルチューブやポリエチレンチューブを使用する場合でも同様に低屈折率薄膜の固着（被覆）が可能であり、しかもテフロンチューブのような厳密な操作を必要としない。
【００１９】
第一段階前処理：可撓性チューブ、特にテフロンチューブに低屈折率を固着する場合には、その内部での固着性を高めるために、前処理を行うことが必要である。前処理の第一段階は、チューブ内部（内壁）を充分に洗浄することにある。すなわち、例えば、ガラス器具用洗剤や純水でチューブ内外を充分に洗浄した後、さらに、適当な濃度の洗剤をチューブ内に充填し、超音波洗浄器中で一定時間振盪させる。次いで、純水などで内部を充分に洗浄した後、アルコールやアセトンなどの揮発性溶媒を繰り返し通す。最後にドライヤーなどの温熱乾燥機で溶媒を完全に追い出す（汚れや水分が残っていると処理ムラが生じ易い）。
【００２０】
第二段階前処理：可撓性チューブ（特にテフロンチューブ）には、次にもう1段の前処理を行うことが望ましい。すなわち、テフロンチューブ内にテフロン樹脂などを強固に固着あるいは被覆（coating）するためには、チューブ内壁を洗浄しておくだけでは充分ではなく、予めチューブ内面のエッチング（etching）を行っておかなければならない。エッチング処理としては、各種の方法が適用可能であるが、好ましい方法として次の二通りの方法が例示できる。
第１の方法は、最も簡単な方法であり、手近の化学薬品を利用するものである。テフロンは一般に耐薬品性が極めて強く大抵の薬品には侵されない。すべての有機溶剤に安定であるとされている。通常の有機溶媒の中ではテフロンに最も強い影響があるとされるクロロホルム（ＣＨＣｌ3）やエーテル（Ｃ2Ｈ5ＯＣ2Ｈ5）に対しても、僅かに影響を受けるが、十分使用に耐えるとされている。このテフロンも唯一臭素に対しては大きな影響を受けることが分かっているのでエッチング作用の点からは臭素が効果的であるが、実際には、実験の安全性の観点から、例えば、清浄にしたテフロンチューブ内にクロロホルムを充填し、両端を封じて３ヶ月程度放置後、液を抜き出し、アルコールで洗浄し、さらに真空および加熱乾燥する。この場合、乾燥した表面は、少しエッチングした程度になっている。
第２の方法は、テフロンの表面をエッチングできることが確立された手段を用いるものである。例えば、テフロンエッチング剤であるテトラエッチ（商品名：潤工社製、石油類を主成分とするエッチング剤）を充填した後、一定時間（５秒程度）接触させる。処理が終わったことを確かめてから（処理されると暗緑色から褐色に変化する）、液を抜き出し、処理面をアルコールなどで洗浄する。次いで、残っているテトラエッチを完全に除去するため、純水で洗浄する。さらに、内部を乾燥するため、真空乾燥、加熱乾燥などを行うのは、第１の方法と同様である。
【００２１】
固着（被覆）方法：以上のような２段階の前処理が修了した後、以下のように、低屈折率物質含有液を用いて可撓性チューブ内への固着あるいは被覆を行う。以下の操作は、テフロンチューブの内壁に低屈折率テフロンの薄膜を固着（被覆）する場合の具体例であるが、他の可撓性チューブや低屈折率物質を用いる場合も基本的には同様の操作を実施すればよい。
市販のテフロンチューブは、ある程度の弾力性と可撓性があり、通常は大きな円形状に湾曲している。そこで、均一な膜厚のテフロン固着膜を製作するには、テフロンチューブ内面を真直ぐな状態にして固着操作を行う必要がある。例えば、内径１ｍｍ、外径１．８ｍｍの市販のテフロンチューブを使用する場合、内径２ｍｍの肉厚ガラス管を用いて、図３に示すように、垂直に立てた状態で低屈折率テフロン含有液を注入する。テフロン含有液を充填したチューブ入りガラス管を横において（水平状態で）回転しながら加熱乾燥し、同時に減圧しながら溶媒を揮発させることもできるが、垂直にした場合よりもやや時間がかかるので、ここでは垂直の場合のみを例に示す。
低屈折率テフロン液を注射器で少量ガラス管内のテフロンチューブ内へ注入し、ガラス管を同一高さ（位置）に保ち、一定速度で回転させながら、ドライヤーで乾燥する。注入液量は注入口から、出口までで丁度乾燥し終わる程度の量がよい（多すぎると余剰量の溶液が下部の容器に落下する）。２〜３回通す毎に真空（減圧）乾燥し溶媒蒸気の揮散を確実に行うとよい（加熱乾燥しながら同時に減圧してもよい）。また、この時点で、ガラス管の上下を入れ替えて、同様な操作を行う。全体として均一性が保たれた固着膜が得られるように、以上のような操作を一般に４〜５回繰り返す。
【００２２】
分光光度計への適用
テフロンチューブに代表される可撓性チューブから成る本発明の光路セルは、可撓性と弾力性に優れるので、任意の形状に作製することができる。実用上、一般的に好ましいのはコイル状であるが、他の形状にすることもできる。特に、曲率半径が１０ｃｍ以下のコイル状に巻回することもできる。かくして、用いるチューブ内壁の屈折率、被測定試料含有液相の屈折率、チューブの内径（光路幅）から既述の（２）式より、巻回すべき曲率半径を推算し、その値に基づき用途に応じて可及的にコンパクトになるように可撓性チューブを巻回すればよい。但し、実用的には、（２）式から推算されるような全反射条件を満たす曲率半径よりも小さいと考えられる曲率半径を採用することによって感度を増大させることができる（後述の実施例１参照）。
【００２３】
本発明の光路セルは、基本的に図４に示されるような装置として組み立てられ、分光光度計に適用される。図４に示されるように、コイル状に巻回された可撓性チューブから成る可撓性チューブから成る光路セルは、２つの支持板によって支持され、試料注入口および試料排出口が取り付けられている。光路セルは、図に示されるように、支持板に配設された適当なスライド手段によりＸＺ方向に可動とすることが好ましい。入射光は、集光レンズ（これもＸＺ方向に可動とすることが好ましい）を経て、ラッパ状に拡大された光路セルの入口から試料の満たされた光路内を通った後、透過光が検出器に伝送されるようになっている。
【００２４】
この装置については、さらに２種類に大別することができる。一つは、光路セルの光路長Ｌ＝５０ｃｍ〜５００ｃｍ程度とするものであり、これは、既存の分光光度計にレトロフィットできる、すなわち、通常の分光光度計のセル室（１５ｃｍ×２０ｃｍ程度）にセル室を改造することなくそのまま使える型のもの（普及型）である。
もう一つの型は、少し特殊な用途のもので、感度をさらに通常型の数倍〜数十倍に上げたい場合に使用するもので、例えば、光路長Ｌ＝５ｍ以上２０ｍ程度のものであり、全体としては、６００倍〜３０００倍程度の増幅率になる。この場合は、光ファイバー型セルを通常の分光光度計のセル室の内部に入れて測定することは困難なので、外部に取り付けて実施する形態となる。この第二の型では、試料量が増大するので、内径０．４ｍｍ程度に内径を小さくしたテフロンチューブを使用する必要がある（この場合、試料量は最大で２．５ｃｍ³程度になる）。ただし、試料注入圧力も高まるので、送液ポンプで高圧をかけるか、減圧下で試料を導入するなどの工夫が必要になる。
【００２５】
【実施例】
以下に本発明の特徴を更に具体的に明らかにするため実施例を示すが、本発明はこれらの実施例によって制限されるものではない。
実施例１：紫外・可視領域に吸収をほとんど持たない溶液を使用した場合の長光路セルによる測定結果
この実施例は、紫外・可視領域に吸収をほとんど有しない溶液を使用して、可撓性チューブから成る長光路セルのサイズと透過光強度の関係を調べたものである。使用した溶液は、水−エタノール（４７％）混合液（屈折率ｎ＝１．３５０）であり、紫外−可視領域（波長：２００ｎｍ〜８００ｎｍ）で吸収極大を持たない（但し、透過率は１００％ではないので全領域にわたってほぼ一定の弱い吸収がある）。
実験には、図５に示すような装置を用いた。右側にＨｅ−Ｎｅレーザー発信器を置き、２００〜３００μｍ程度にビーム径を絞ったレーザービームを発信した（波長：６３２．８ｎｍ）。曲率半径（ρ）を考慮して、中央部の一定半径の円筒に内径（光路幅）１ｍｍ、外径１．８ｍｍ、屈折率１．３３８で一定の長さのテフロンチューブをコイル状に巻き付けてチューブの先端部（光入射口：ラッパ状に広げてある）にレーザービームを入射させ、チューブ内を通過したビームをチューブ出口に置いた光パワーメータで受光し、光の強度Ｉ（ｍＷ単位）を測定した。チューブの全長Ｌ（ｃｍ）は１００ｃｍから６００ｃｍの範囲で変えた。また、曲率半径ρを１．０ｃｍから８．０ｃｍの範囲で変化させて実験した。結果を図６に示す。この図では、横軸に光路長Ｌ、縦軸に透過光強度をとっている。ただし、ここでは、光強度の変化の範囲が広いので、強度の対数を取っている（log 10 [Ｉ／ｍＷ]）。
実験範囲内の全ての曲率半径（１．０ｃｍ≦ρ≦８．０ｃｍ）で、光路長Ｌが６００ｃｍ以下では、log₁₀[Ｉ／ｍＷ]と長さＬの間に直線関係、すなわち、−log₁₀[Ｉ／ｍＷ]＝αＬ＋βの関係が得られた（α、βは定数）。これを初期光度Ｉ₀（ｍＷ）を使って整理すると、−log₁₀[Ｉ／Ｉ₀]＝αＬの形にでき、ランベルト−ベールの法則と等価である。この関係は、簡単なモデルを使って理論的にも説明できる。
傾き（α）と曲率半径（ρ）の間には一定の関係が認められ、この関係式は、以下のように近似できた。
α＝Ｐ（ρ）＝−０．６３coth（０．１９ρ）−４．４
４ｃｍ≦ρでは、αがほぼ一定であり、入射した光は全反射されていると考えられる。曲率半径ρが４ｃｍ以下では全反射が不完全になるため、部分的に光がチューブ外へ漏れることになる。すなわち、全反射を仮定して計算される光の通過に伴う吸収値以上の光の減衰が光の出口で観測されることになる。しかしながら、この現象を逆に積極的に利用することにすれば、実用的見地からは、さらなる感度の増大に利用でき、換言すれば、見かけ上光路長を増加させたのと同じ効果が得られることになる。
【００２６】
実施例２：紫外・可視領域に吸収を持つ化合物の溶液を使用した場合の長光路セルによる測定結果
次に、実施例と同様の装置を用い、紫外・可視領域内に吸収を持つ物質について、吸光度による濃度測定実験を行った。すなわち、５０％エタノール水溶液中で、インドフェノールの電子スペクトルは、第一吸収帯が４００〜８００ｎｍ付近に存在しており、吸収極大が６２０ｎｍ付近にある。一方、Ｈｅ−Ｎｅレーザーは、発信波長が６３２．８ｎｍであり、吸収極大付近とレーザー波長がほぼ重なる。
図７は、測定結果であり、横軸にインドフェノールの濃度（ｐｐｍ単位：ｍｇ／Ｌ）、縦軸に吸光度（absorbance）を示している。比較のために、従来型の通常の１ｃｍセルで測定したものと、本発明に従いＬ＝１００ｃｍ（Ｎ＝４巻き）およびＬ＝２００ｃｍ（Ｎ＝９巻き）の長光路セル（実施例１で用いた内径１ｍｍのテフロンチューブから成る；曲率半径ρ＝３ｃｍ；直線部分＝２５〜３０ｃｍ）を用いた場合の結果を示している。図から明らかなように、本発明に従う長光路セルが圧倒的に高い吸収を示しており、通常の１ｃｍセルを基準にすると、１００ｃｍセルで約１４０倍、２００ｃｍセルで約２６０倍の感度の増大が得られている。
【００２７】
実施例３：水より低い屈折率を有する光ファイバー型長光路セルを用いた場合の測定結果
この実施例では、低屈折率テフロン溶液（６％溶液：ｎ＝１．３１；三井・デュポンフルオロケミカル（株）社製）を使ってテフロンチューブ（Ｌ＝６０ｃｍ；曲率半径ρ＝３ｃｍ；内径ｄ＝１．０ｍｍ）の内壁に該低屈折率テフロンを固着して作製した長光路セルを用いた場合の実験結果を示すものである。
既述したように洗浄およびテトラエッチを用いるエッチングによりテフロンチューブを前処理した後、図３に沿って既述した方法に従い、ガラス管内に固定したテフロンチューブ内にテフロン溶液を加熱しながら注入した。落下終了まで放置した後、吸引装置を用いて乾燥を促進させた。この操作を５回繰り返して曲折率１．３１テフロンが固着されたテフロンチューブから成る長光路セルを作製した。
予備実験の結果から、純水（ｎ＝１．３３３３）を用いて光（レーザー光）を通したところ、コイル状のチューブ内を通過したことが確認できたので、電子スペクトルの第一吸収帯（５００〜７００ｎｍ；λmax＝６５４ｎｍ）がＨｅ−Ｎｅレーザー波長（６３２．８ｎｍ）と重なるメチレンブルーの水溶液を用いて実験を行った。図８に測定結果の検量線を示す。横軸がメチレンブルー濃度であり、縦軸が吸光度である。図に示されるように、メチレンブルー濃度が０．８μｍｏｌ／Ｌ付近まで、濃度に対して直線的に吸光度が増大している。これは、１ｃｍセルを基準にしたときの約７０倍の感度増大となっている（セルが直線状であると考えた場合の単純計算では、６０倍になる）。
【００２８】
【発明の効果】
如上の説明から明らかなように、本発明に従えば、光ファイバーの原理を利用して光路長を延長させることにより、従来から一般的に用いられているガラスセルまたは石英セルに比べて測定感度が著しく増大した分光光度計用光路セルが得られる。
本発明に従う分光光度計用光路セルは、テフロンチューブに代表される充分な可撓性を有し物理的強度や耐薬品性にも優れた可撓性チューブを用いてスパイラル状（コイル状）など任意の形状、大きさに作製することができ、例えば、既存の分光光度計にそのままレトロフィットできるコンパクトな長光路セルとして使用可能な形状、大きさに作製することもできる。
本発明の分光光度計用光路セルは、測定対象の液相よりも屈折率の低いチューブ内壁をクラッドとし、そのチューブ内に液相を満たしてコアとし、このコアに光を透過させるよう構成されているので、液相の分光分析が可能である。特に、チューブ内壁に屈折率が水よりも小さい低屈折率物質（例えば、屈折率１．３１または１．２９のテフロン）を固着させることにより、水溶液系を含む殆ど全ての液相試料の測定を行うことができ、液相（溶液）の制約がきわめて少なく広範囲の試料を測定対象とする分光光度計用高感度長光路セルである。そして、本発明の分光光度計用光路セルは、市販または既存の材料や装置・器具等を用いて、簡単且つ低コストで作製することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】スネルの法則の説明するための模式図である。
【図２】本発明に従いコイル状に巻回された長光路セル内の光の進行を説明するための模式図である。
【図３】本発明に従い可撓性チューブの内壁に低屈折率物質を固着する方法の典型例を示す図である。
【図４】本発明の長光路セルを用いる光路セル装置の典型例を示す。
【図５】実施例で用いた実験装置図である。
【図６】本発明の長光路セルを構成するテフロンチューブの長さと透過光強度の関係を示す。
【図７】本発明の長光路セルおよび通常のセルを用いて測定したインドフェノールの濃度と吸光度の関係を示す。
【図８】低屈折率テフロンが固着された本発明の長光路セルを用いて測定したメチレンブルーの濃度と吸光度の関係を示す。[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention belongs to the technical field of spectroscopic analysis, and particularly relates to a novel optical path cell for a spectrophotometer capable of performing high-sensitivity analysis by applying the principle of an optical fiber and a method for manufacturing the same.
[0002]
[Prior art]
A spectrophotometer (for example, an ultraviolet / visible spectrophotometer) measures the concentration of a sample by measuring the absorbance when the monochromatized light is transmitted through the sample solution. is there. At this time, as is well known, the intensity of light incident on the sample is expressed as I₀, If the intensity of light after passing is I, absorbance A (= log I₀/ I) is governed by Lambert-Beer's law (A = εCL). Here, ε is the molecular extinction coefficient of the sample (medium), C is the concentration of the sample, and L is the optical path length.
[0003]
Therefore, in order to achieve high sensitivity in the absorptiometry, as is clear from the above-mentioned Lambert-Beer law, it is necessary to increase the absorbance (A) by some device when the concentration C is constant, For this purpose, there is no choice but to increase the extinction coefficient (ε) or increase the optical path length L. In order to increase ε, it is necessary to react the target molecule or ion in the sample with another molecule or ion by some method to change it to a compound having a larger ε (for example, using a porphyrin compound). Isn't something that can be used for any molecule or ion, it's a rather restrictive method.
[0004]
Therefore, a general means for increasing the absorbance A is to increase the optical path length (L). At present, there is a multi-reflection cell as a commercially available product corresponding to an extended optical path length. In this method, light is passed through two mirrors (those plated with gold or aluminum), and the distance is increased while repeating reflection many times. Although there are various types depending on the application, it mainly deals with a gas phase (gas) -like substance and is not used for a liquid phase (liquid or solution). Also, the price is generally expensive.
[0005]
On the other hand, an optical path cell used for measurement of a liquid phase sample in the absorptiometry is usually a glass square cell having a length of about 1 cm. In addition to this, there is a so-called cylindrical cell, and many of these have an optical path length of 5 cm to 10 cm. Thus, since the optical path cell currently used for the spectrophotometer is made of glass or the like whose optical path length is fixed, the optical path length (L) can be extended only to about 10 cm.
[0006]
In recent years, various ideas have been made to improve the sensitivity and accuracy in the field of analytical chemistry by applying the principle of optical fiber. For the use of optical fibers in the field of analytical chemistry, (a) a method of using an optical fiber as a light transmission medium, transmitting light from a light source, and collecting a signal generated in an analysis target; (b) an optical fiber There are three methods that can be used as a spectroscopic element that utilizes the light dispersion characteristics of the optical fiber, and (c) the core of the optical fiber itself is the target of the spectroscopic method. In accordance with the third method (c), Fujiwara et al. Conducts “Studies on long-path capillary absorption tubes” (for example, Fujio Yutaka: Analytical Chemistry (General Paper), Vol. 34, pages 737-756). (1985)). In other words, by dissolving the sample to be measured in a solvent with a high refractive index such as carbon disulfide and introducing it into a capillary (capillary) to make the core and the inner wall of the capillary as a cladding, light transmission can be achieved over a long optical path. It can be used as a simple waveguide type optical path cell. Then, it is proposed to use a coiled tube that is commercially available for gas chromatography as a hollow fiber (capillary). For example, using a capillary with a length of 50 m, the absorbance is 30,000 times that of a normal 1 cm cell. It is said that it could be amplified.
[0007]
The method devised by Fujiwara et al. Is a few examples of long optical path cells for spectrophotometers for measuring liquid phase samples by applying the principle of optical fiber. The problem remains. One of them is the selection of Pyrex or quartz tubes as the material for forming the optical path. Pyrex and quartz have a large refractive index (for example, Pyrex's refractive index n = 1.474 at room temperature). As will be described later, in order to transmit light while totally reflecting in accordance with the principle of an optical fiber, it is necessary to use a liquid larger than Pyrex or quartz forming a clad as a liquid as a core. In fact, the liquids they used include highly toxic liquids such as carbon disulfide (n = 1.628), harmful liquids such as benzene (n = 1.74444), and acetophenone (n = 1.534). ), 1-bromonaphthalene (n = 1.659), and the like, and the total reflection conditions are investigated using these, but studies using the most important aqueous solution in liquid phase analysis have not been performed. An example of actual absorbance analysis is the determination of iodine in carbon disulfide (K. Fujiwara et al .: Anal. Chem., 56, 1640 (1984)). Carbon disulfide is not only highly toxic. It is highly flammable, explosive, and has a strong odor (however, it is said that there is no odor in the case of ultra-high purity products). In the case of carbon disulfide, there are absorption bands (vapors) at 319 nm and 355 nm, which is not preferable as a solvent for the absorption spectrum. Furthermore, Pyrex and quartz presented by Fujiwara et al. As the material of the optical path cell are poor in flexibility and can only be obtained with a tube having a diameter as small as possible or a curvature radius of only about 10 cm. In addition, a compact long optical path cell cannot be produced, and since it is glassy, it is disadvantageous in that it is easily broken.
[0008]
[Problems to be solved by the invention]
The object of the present invention is to solve the above problems and apply the principle of an optical fiber to analyze the concentration of a sample in a liquid phase, particularly when using an aqueous solution, with high sensitivity. Accordingly, it is an object of the present invention to provide a new type of long optical path cell for a spectrophotometer that can be made compact so as to be retrofitable to an existing spectrophotometer.
[0009]
As a result of repeated studies, the present inventors have found that a long optical path cell for a spectrophotometer that can achieve the above-described object can be realized by using a flexible tube typified by a Teflon tube.
Thus, according to the present invention, first, there is provided an optical path cell for a spectrophotometer for measuring the concentration of a sample contained in the liquid phase by transmitting light into the liquid phase. It consists of a flexible tube having a low refractive index. The flexible tube is used as a clad, and the liquid phase containing the sample is filled in the flexible tube as a core so that light can be transmitted through the core. An optical path cell for a spectrophotometer is provided.
[0010]
According to the present invention, there is further provided an optical path cell for a spectrophotometer for measuring the concentration of a sample contained in the liquid phase by transmitting light into the liquid phase, wherein the refractive index is lower than that of the liquid phase. A flexible tube having an inner wall fixed to the inner wall, and the inner wall of the flexible tube is used as a clad, and the flexible tube is filled with a liquid phase containing the sample as a core. An optical path cell for a spectrophotometer is provided, characterized in that light is transmitted therethrough.
[0011]
Further, the present invention is a method for producing an optical path cell for a spectrophotometer as described above, wherein a solution of a substance having a refractive index lower than that of a liquid phase containing a sample to be measured is injected into a flexible tube portion. Then, the method includes the step of fixing the film of the low refractive index material to the inner wall of the flexible tube by repeating the heat drying and the decompression operation.
Furthermore, the present invention is also directed to a spectrophotometer using the optical path cell as described above as another viewpoint.
[0012]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION The present invention will be described below with reference to the accompanying drawings with regard to the principle of the optical fiber that is the theoretical background of the present invention, the configuration of the optical path cell of the present invention, the method of manufacturing the optical path cell according to the present invention, and the application to a spectrophotometer. The embodiment will be described in detail.
[0013]
Principle of optical fiber
First, by using a simple principle diagram, why light is totally reflected, and under what conditions, light is totally reflected in a hollow coiled optical fiber which is a preferred shape of the optical path cell of the present invention. Explain how it will proceed. FIG. 1 explains Snell's law that governs the traveling direction of light (incident, reflection, refraction, etc.). Refractive index is n₁N from the medium₂When light enters the medium of₁Is incident at an angle of θ₂It enters at an angle of (refraction phenomenon). The reverse is true. That is, the refractive index is n₂N from the medium₁When light enters the medium of₂Is incident at an angle of θ₁Enter at an angle of. However, there is the following relationship between the refractive index and the angle.
sin (θ₁) / Sin (θ₂) = (N₂/ N₁) = (C₂/ C₁(1)
Where c₁, C₂Is medium n₂And n₁It is the speed of light passing through. This is called Snell's law. θ₁Θ when is (π / 2) rad = 90 °₂Is called the critical angle θ_cRepresented by Light ray is refractive index n₂Θ (> θ from the medium of_c), That is, when incident at an angle larger than the critical angle, the refractive index n₁Cannot enter the medium, and reflects like a mirror at the boundary (horizontal line) between the two media. This is the total reflection phenomenon.
[0014]
In FIG. 1, α (= (π / 2) −θ) is taken as an angle from the boundary line. FIG. 2 shows a diagram when this relationship is applied to a flexible tube (flexible tube) such as a Teflon tube wound in a coil shape. In FIG. 2, r is the average value of the radius of curvature (ρ), and d is the inner diameter (optical path width) of the tube. Now, θ is an incident angle when the total reflection condition is satisfied, and φ is an illumination angle (π / 2 = θ + φ). Applying these to Snell's law, sin (θ) ≧ sin (θ_c) = (N / n_s), Sin (θ) = 2r / (2r + d). Here, n is the refractive index of the inner wall of the tube that becomes the cladding, and n_sIs a liquid phase refractive index of water or the like as a core. From this, the following relational expression is obtained as the total reflection condition.
2r ≧ d (n / [n_s−n]); θ_c= Sin⁻ ¹(n / n_s(2)
As a specific example, in the case where a Teflon film having a refractive index of 1.31 or 1.29 is fixed to measure an aqueous solution as shown in Examples below, n_s= 1.3333, n = 1.29 or 1.31, and d = 0.1 cm, r (n = 1.29) ≧ 1.50 cm, r (n = 1.31) ≧ 2.81 cm is obtained. The critical angle of incidence is θ_c(n = 1.29) = 75.4 ° and θ_c(n = 1.31) = 79.3 °. Therefore, the critical angle of irradiation angle is φ_c(n = 1.29) = 14.6 ° and φ_c(n = 1.31) = 10.7 °. That is, φ_c(n = 1.29) = 14.6 ° and φ_cIt can be seen that total reflection occurs when (n = 1.31) = 10.7 °. Thus, the principle of optical fiber (total reflection of light: Snell's law) and Lambert Beer's law are both arguments of the theoretical aspect of the present invention.
[0015]
Long path cell constructed directly from a flexible tube
The optical path cell for a spectrophotometer of the present invention can be configured directly from a flexible tube as a first aspect. That is, a tube made of a material having sufficient flexibility and having a refractive index lower than that of a liquid phase containing a sample to be measured by an absorptiometry is wound around in a coil shape, for example. Compared with conventionally known glass or quartz optical path cells by making a transparent tube a clad and filling the sample-containing liquid phase in the tube and allowing light to pass through the core. Thus, a long optical path cell with a very long optical path length can be obtained.
A Teflon (polytetrafluoroethylene) tube is most suitable for constructing the optical path cell for a spectrophotometer according to the present invention. A commercially available Teflon tube (FEP spaghetti tube; inner diameter: There are a wide variety of lengths and properties ranging from 0.4 mm to 90 mm [available from Universal, etc.])) or they are prepared. For example, by using a commercially available low refractive index (refractive index n = 1.34) Teflon tube, an optical path cell capable of analyzing a liquid phase sample having a higher refractive index can be obtained. Of course, other tubes can be used as long as they have flexibility and chemical resistance and have tensile strength and bending strength in the same manner as Teflon tubes.
[0016]
Long optical path cell with low refractive index film
The optical path cell for a spectrophotometer of the present invention may be composed of a flexible tube in which a low refractive index film (thin film) is fixed (coated) to the inner wall as a second aspect and as a preferred aspect of the present invention. it can. That is, a film of a substance having a refractive index lower than that of the liquid phase containing the sample to be measured is fixed or covered on the inner wall of the tube having sufficient flexibility, and this film is wound in a coil shape, for example. The length of the optical path is significantly longer than the conventional optical path cell by using the inner wall film of the conductive tube as a cladding and filling the tube with the sample-containing liquid phase as a core to allow light to pass through the core. An optical path cell can be obtained. This type of long optical path cell is excellent in that an aqueous sample can be analyzed with high sensitivity.
From the standpoint of total reflection conditions, if measurement of an aqueous solution system can be performed under normal conditions, measurement can be generally performed with other systems. This is because there is almost no liquid having a refractive index lower than that of water at room temperature (a liquid having a refractive index lower than that of water (n = 1.3333) under normal conditions is methanol (CH_ThreeOH: n = 1.300) and acetaldehyde (CH_ThreeCHO: n = 1.3316) only. And its value is only slightly smaller than water).
[0017]
In the case where the optical path cell is constructed from the flexible tube according to the first aspect described above and the inner wall of the tube itself is clad, the refractive index is smaller than water for commercial products or research (n = 1.3333 or less). There are no easily available tubes. Therefore, according to a preferred embodiment of the present invention, a film of a substance having a refractive index lower than that of water is fixed (coated) on the inner wall of a flexible tube that can be easily obtained as a commercial product.
For example, a Teflon-containing solution (6% solution) with a refractive index n = 1.31 or a Teflon-containing solution (1% solution) with n = 1.29 (both are available from Mitsui & DuPont Fluorochemical Co., Ltd.) These are fixed (coated) to the inner wall of the flexible tube. These low-refractive-index substances can also be obtained as solids (resin-like). In this case, they can be purchased at a relatively low cost, but they are separately used in a suitable solvent. The thus produced long optical path cell of the present invention has a smaller refractive index of the inner wall serving as the cladding than that of methanol or acetaldehyde as described above, so it can be applied to spectroscopic analysis of any liquid phase sample handled in the normal range. it can. As the flexible tube, various flexible tubes such as a polyvinyl chloride tube and a polyethylene tube can be used in addition to the Teflon tube.
[0018]
Fabrication of long optical path cell with low refractive index film
The spectrophotometer long optical path cell of the present invention that enables high-sensitivity analysis of a wide range of liquid phase samples including the above-mentioned aqueous solution system has a flexible tube, particularly sufficient flexibility, according to the present invention. Although it is excellent in chemical resistance and physical strength, it has a low refractive index on the inner wall of the Teflon tube, which has high water and oil repellency and is difficult to fix to other substances (for example, refraction as described above). It can be produced by fixing or coating a thin film having a ratio of 1.31 or 1.29 Teflon. This method consists of injecting a solution of a substance having a lower refractive index than the liquid phase containing the sample to be measured into the flexible tube and repeating the heating and drying and depressurization operations. When a Teflon tube is used as the flexible tube), a pretreatment consisting of an inner wall cleaning step and an etching step is performed.
Below, the manufacturing method of the flexible tube which fixed the low refractive index thin film to the inner wall is explained in full detail. In the following description, the case where a Teflon tube is used as a flexible tube is mainly described. However, even when another flexible tube such as a polyvinyl chloride tube or a polyethylene tube is used, the low refractive index thin film is similarly used. Can be fixed (covered), and does not require strict operation like a Teflon tube.
[0019]
First stage pretreatment: When a low refractive index is fixed to a flexible tube, particularly a Teflon tube, it is necessary to perform a pretreatment in order to improve the fixing property inside the tube. The first stage of the pretreatment is to thoroughly clean the inside (inner wall) of the tube. That is, for example, after thoroughly cleaning the inside and outside of the tube with a glassware detergent or pure water, the tube is further filled with a detergent of an appropriate concentration and shaken in an ultrasonic cleaner for a certain period of time. Next, after thoroughly washing the interior with pure water or the like, a volatile solvent such as alcohol or acetone is repeatedly passed. Finally, the solvent is completely expelled with a thermal dryer such as a dryer (if there is dirt or moisture remaining, processing irregularities are likely to occur).
[0020]
Second stage pretreatment: For flexible tubes (especially Teflon tubes), it is desirable to perform another pre-treatment next. That is, in order to firmly fix or coat Teflon resin or the like in a Teflon tube, it is not sufficient to clean the inner wall of the tube, and the inner surface of the tube must be etched in advance. Don't be. Although various methods can be applied as the etching treatment, the following two methods can be exemplified as preferable methods.
The first method is the simplest method and uses chemicals at hand. Teflon is generally extremely resistant to chemicals and is not affected by most chemicals. It is said to be stable to all organic solvents. Among ordinary organic solvents, although it is slightly affected by chloroform (CHCl 3) and ether (C 2 H 5 OC 2 H 5), which are said to have the strongest influence on Teflon, it is said that it can be used sufficiently. This Teflon is also known to be greatly affected by bromine, so bromine is effective in terms of etching action. In practice, however, it was cleaned from the viewpoint of safety of experiments. Fill a Teflon tube with chloroform, seal both ends and leave it for about 3 months, then drain the solution, wash with alcohol, and vacuum and heat dry. In this case, the dried surface is slightly etched.
The second method uses a means established to etch the surface of Teflon. For example, after filling with tetra-etch (trade name: manufactured by Junko Co., Ltd., an etchant mainly composed of petroleum) which is a Teflon etchant, the contact is made for a predetermined time (about 5 seconds). After confirming that the treatment has been completed (the color changes from dark green to brown when treated), the liquid is drawn out and the treated surface is washed with alcohol or the like. Next, in order to completely remove the remaining tetraetch, it is washed with pure water. Furthermore, in order to dry the inside, vacuum drying, heat drying, and the like are performed as in the first method.
[0021]
Fixing (coating) method: After completion of the two-stage pretreatment as described above, the low-refractive-index substance-containing liquid is used to fix or coat the flexible tube as follows. The following operation is a specific example of fixing (covering) a thin film of low refractive index Teflon on the inner wall of the Teflon tube, but basically the same applies when using other flexible tubes or low refractive index materials. May be performed.
Commercially available Teflon tubes have a certain degree of elasticity and flexibility, and are usually curved in a large circular shape. Therefore, in order to manufacture a Teflon fixing film having a uniform thickness, it is necessary to perform the fixing operation with the inner surface of the Teflon tube being in a straight state. For example, when a commercially available Teflon tube having an inner diameter of 1 mm and an outer diameter of 1.8 mm is used, a low refractive index Teflon-containing liquid is used in a vertically standing state using a thick glass tube having an inner diameter of 2 mm as shown in FIG. Inject. A glass tube filled with a Teflon-containing liquid can be heated and dried while rotating horizontally (in a horizontal state), and at the same time the solvent can be volatilized while reducing the pressure, but it takes a little more time than vertical, Here, only the vertical case is shown as an example.
A small amount of low refractive index Teflon solution is injected into the Teflon tube in the glass tube with a syringe, and the glass tube is kept at the same height (position) and dried with a drier while rotating at a constant speed. The amount of the injection solution should be such that it is completely dried from the injection port to the outlet (if it is too much, an excessive amount of solution falls into the lower container). It is recommended to dry the solvent vapor in a vacuum (reduced pressure) every time it is passed 2 to 3 times (the pressure may be reduced simultaneously while drying by heating). At this point, the glass tube is turned upside down and the same operation is performed. In general, the above operation is repeated 4 to 5 times so as to obtain a fixed film having uniformity as a whole.
[0022]
Application to spectrophotometer
Since the optical path cell of the present invention comprising a flexible tube represented by a Teflon tube is excellent in flexibility and elasticity, it can be produced in an arbitrary shape. In practice, the coil shape is generally preferred, but other shapes are possible. In particular, it can be wound in a coil shape with a radius of curvature of 10 cm or less. Thus, the radius of curvature to be wound is estimated from the above formula (2) from the refractive index of the inner wall of the tube to be used, the refractive index of the liquid phase containing the sample to be measured, and the inner diameter (optical path width) of the tube. The flexible tube may be wound so as to be as compact as possible. However, practically, the sensitivity can be increased by adopting a radius of curvature considered to be smaller than the radius of curvature satisfying the total reflection condition as estimated from the equation (2) (Example 1 described later). reference).
[0023]
The optical path cell of the present invention is basically assembled as an apparatus as shown in FIG. 4 and applied to a spectrophotometer. As shown in FIG. 4, an optical path cell composed of a flexible tube made of a flexible tube wound in a coil shape is supported by two support plates, and a sample inlet and a sample outlet are attached. Yes. As shown in the drawing, it is preferable that the optical path cell is movable in the XZ direction by an appropriate sliding means disposed on the support plate. Incident light passes through a condensing lens (which is also preferably movable in the XZ direction), passes through the optical path cell filled with the sample from the entrance of the optical path cell expanded in a trumpet shape, and then the transmitted light is detected. It is transmitted to the device.
[0024]
This apparatus can be further divided into two types. One is that the optical path length L of the optical path cell is about 50 cm to 500 cm, which can be retrofitted to an existing spectrophotometer, that is, a cell room of a normal spectrophotometer (about 15 cm × 20 cm) It is a type that can be used as it is without modifying the cell chamber (spread type).
The other type has a special purpose and is used when the sensitivity is to be increased several times to several tens of times that of the normal type. For example, the optical path length L is about 5 m to 20 m. As a whole, the amplification factor is about 600 to 3000 times. In this case, since it is difficult to measure the optical fiber type cell by putting it inside the cell room of a normal spectrophotometer, the embodiment is implemented by attaching it to the outside. In this second mold, since the sample amount increases, it is necessary to use a Teflon tube having an inner diameter reduced to about 0.4 mm (in this case, the sample amount is 2.5 cm at the maximum).^ThreeTo the extent). However, since the sample injection pressure also increases, it is necessary to devise such as applying a high pressure with a liquid feed pump or introducing the sample under a reduced pressure.
[0025]
【Example】
Examples are given below to clarify the features of the present invention more specifically, but the present invention is not limited to these examples.
Example 1: Measurement result with a long optical path cell when a solution having almost no absorption in the ultraviolet / visible region is used.
In this example, a relationship between the size of a long optical path cell made of a flexible tube and the transmitted light intensity was examined using a solution having little absorption in the ultraviolet / visible region. The solution used was a water-ethanol (47%) mixture (refractive index n = 1.350), and has no absorption maximum in the ultraviolet-visible region (wavelength: 200 nm to 800 nm) (however, the transmittance is 100). %, There is almost constant weak absorption over the whole area).
In the experiment, an apparatus as shown in FIG. 5 was used. A He—Ne laser transmitter was placed on the right side, and a laser beam with a beam diameter reduced to about 200 to 300 μm was transmitted (wavelength: 632.8 nm). In consideration of the radius of curvature (ρ), a Teflon tube having a constant length with an inner diameter (optical path width) of 1 mm, an outer diameter of 1.8 mm, and a refractive index of 1.338 is wound in a coil shape around a cylinder with a constant radius at the center. A laser beam is incident on the tip of the tube (light entrance: widened in a trumpet shape). The beam that has passed through the tube is received by an optical power meter placed at the tube exit, and the light intensity I (in mW) Was measured. The total length L (cm) of the tube was varied in the range of 100 cm to 600 cm. Further, the experiment was performed by changing the curvature radius ρ in the range of 1.0 cm to 8.0 cm. The results are shown in FIG. In this figure, the horizontal axis represents the optical path length L and the vertical axis represents the transmitted light intensity. However, since the range of change in light intensity is wide here, the logarithm of intensity is taken (log 10 [I / mW]).
For all radii of curvature within the experimental range (1.0 cm ≦ ρ ≦ 8.0 cm) and the optical path length L is 600 cm or less, log_TenA linear relationship between [I / mW] and length L, ie, -log_TenThe relationship [I / mW] = αL + β was obtained (α and β are constants). This is the initial intensity I₀If you organize using (mW), -log_Ten[I / I₀] = ΑL, which is equivalent to the Lambert-Beer law. This relationship can also be explained theoretically using a simple model.
A certain relationship was recognized between the slope (α) and the radius of curvature (ρ), and this relational expression could be approximated as follows.
α = P (ρ) = − 0.63 coth (0.19ρ) −4.4
When 4 cm ≦ ρ, α is substantially constant, and the incident light is considered to be totally reflected. When the radius of curvature ρ is 4 cm or less, total reflection is incomplete, so that light partially leaks out of the tube. That is, the attenuation of light exceeding the absorption value accompanying the passage of light calculated assuming total reflection is observed at the light exit. However, if this phenomenon is used positively, it can be used from the practical point of view to further increase the sensitivity, in other words, the same effect as the apparent increase in the optical path length can be obtained. It will be.
[0026]
Example 2: Measurement results with a long optical path cell when a solution of a compound having absorption in the ultraviolet / visible region is used.
Next, using an apparatus similar to that of the example, a concentration measurement experiment by absorbance was performed on a substance having absorption in the ultraviolet / visible region. That is, in a 50% ethanol aqueous solution, in the electronic spectrum of indophenol, the first absorption band exists in the vicinity of 400 to 800 nm, and the absorption maximum is in the vicinity of 620 nm. On the other hand, the He—Ne laser has a transmission wavelength of 632.8 nm, and the laser wavelength almost overlaps with the vicinity of the absorption maximum.
FIG. 7 shows measurement results, in which the horizontal axis represents the concentration of indophenol (ppm units: mg / L) and the vertical axis represents the absorbance. For comparison, a long optical path cell (used in Example 1) of L = 100 cm (N = 4 windings) and L = 200 cm (N = 9 windings) according to the present invention was measured with a conventional normal 1 cm cell. It shows a result in the case of using a Teflon tube having an inner diameter of 1 mm; a radius of curvature ρ = 3 cm; a straight portion = 25-30 cm). As is clear from the figure, the long optical path cell according to the present invention shows an overwhelmingly high absorption. When the normal 1 cm cell is used as a reference, the sensitivity is increased about 140 times in the 100 cm cell and about 260 times in the 200 cm cell. Is obtained.
[0027]
Example 3: Measurement results when using an optical fiber type long optical path cell having a refractive index lower than that of water
In this example, a Teflon tube (L = 60 cm; curvature radius ρ = 3 cm; inner diameter d) using a low refractive index Teflon solution (6% solution: n = 1.31; manufactured by Mitsui DuPont Fluorochemical Co., Ltd.) = 1.0 mm) shows an experimental result in the case of using a long optical path cell manufactured by fixing the low refractive index Teflon to the inner wall.
As described above, the Teflon tube was pretreated by cleaning and etching using tetraetching, and then the Teflon solution was injected into the Teflon tube fixed in the glass tube while heating according to the method described above with reference to FIG. After leaving it to fall, drying was promoted using a suction device. This operation was repeated 5 times to produce a long optical path cell composed of a Teflon tube having a curvature of 1.31 Teflon fixed thereto.
As a result of the preliminary experiment, when light (laser light) was passed through using pure water (n = 1.3333), it was confirmed that the light passed through the coiled tube. The experiment was performed using an aqueous solution of methylene blue (500 to 700 nm; λmax = 654 nm) overlapping with the He—Ne laser wavelength (632.8 nm). FIG. 8 shows a calibration curve of the measurement results. The horizontal axis is the methylene blue concentration, and the vertical axis is the absorbance. As shown in the figure, the absorbance increases linearly with respect to the concentration until the methylene blue concentration is around 0.8 μmol / L. This is a sensitivity increase of about 70 times compared to a 1 cm cell (in a simple calculation when the cell is considered to be a straight line, it is 60 times).
[0028]
【The invention's effect】
As apparent from the above description, according to the present invention, the optical path length is extended by using the principle of optical fiber, so that the measurement sensitivity is higher than that of a glass cell or a quartz cell generally used conventionally. A significantly increased spectrophotometer optical path cell is obtained.
The optical path cell for a spectrophotometer according to the present invention is spiral (coiled), etc. using a flexible tube having sufficient flexibility represented by a Teflon tube and excellent in physical strength and chemical resistance. For example, it can be made into a shape and size that can be used as a compact long optical path cell that can be retrofitted to an existing spectrophotometer as it is.
The optical path cell for a spectrophotometer of the present invention is configured such that a tube inner wall having a refractive index lower than that of a liquid phase to be measured is used as a cladding, and the tube is filled with the liquid phase to form a core, and light is transmitted through the core. Therefore, liquid phase spectroscopic analysis is possible. In particular, by fixing a low refractive index substance (for example, Teflon having a refractive index of 1.31 or 1.29) having a refractive index smaller than that of water to the inner wall of the tube, almost all liquid phase samples including an aqueous solution system can be measured. This is a high-sensitivity long optical path cell for a spectrophotometer that can be performed and has a very small liquid phase (solution) restriction and a wide range of samples to be measured. The optical path cell for a spectrophotometer according to the present invention can be easily and inexpensively manufactured using commercially available or existing materials, devices, instruments, and the like.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a schematic diagram for explaining Snell's law.
FIG. 2 is a schematic diagram for explaining the progress of light in a long optical path cell wound in a coil according to the present invention.
FIG. 3 is a view showing a typical example of a method for fixing a low refractive index substance to the inner wall of a flexible tube according to the present invention.
FIG. 4 shows a typical example of an optical path cell device using the long optical path cell of the present invention.
FIG. 5 is an experimental apparatus diagram used in Examples.
FIG. 6 shows the relationship between the length of a Teflon tube constituting the long optical path cell of the present invention and the transmitted light intensity.
FIG. 7 shows the relationship between the concentration and absorbance of indophenol measured using the long optical path cell of the present invention and a normal cell.
FIG. 8 shows the relationship between methylene blue concentration and absorbance measured using the long optical path cell of the present invention to which low refractive index Teflon is fixed.

Claims

This is an optical path cell for a spectrophotometer for measuring the concentration of a sample contained in the liquid phase by transmitting light into the liquid phase, and a film of a substance having a refractive index lower than that of the liquid phase is fixed to the inner wall. The inner wall of the flexible tube is used as a clad, the liquid phase containing the sample is filled in the flexible tube as a core, and light is transmitted through the core. A method for creating a spectrophotometer optical path cell comprising:
A Teflon tube is used as the flexible tube, and Teflon is used as the substance having a refractive index lower than that of the liquid phase containing the sample to be measured. (I) After cleaning the inner wall of the Teflon tube, Etching, the etching is performed by bringing the Teflon tube into contact with chloroform or ether, or contacting with a Teflon etchant, followed by washing, vacuum drying, and heat drying, and then (ii) the Teflon tube Injecting a solution of Teflon, which is the low refractive index material, into the inside of the tube, and repeating the heating and drying and decompression operations to volatilize the solvent of the solution, thereby fixing the Teflon film to the inner wall of the Teflon tube. A method characterized by that.

The method for producing an optical path cell for a spectrophotometer according to claim 1, wherein the low refractive index Teflon is Teflon having a refractive index = 1.31 or 1.29.

An optical path cell for a spectrophotometer produced by the method according to claim 1 or 2.

A spectrophotometer using the optical path cell for a spectrophotometer produced by the method according to claim 1.