JP3904283B2

JP3904283B2 - 分光分析方法および分光分析装置

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Publication number: JP3904283B2
Application number: JP11735497A
Authority: JP
Inventors: ピー．ボンバーゲンケネス
Original assignee: Foss NIRSystems Inc
Current assignee: Foss NIRSystems Inc
Priority date: 1996-05-09
Filing date: 1997-05-08
Publication date: 2007-04-11
Anticipated expiration: 2017-05-08
Also published as: JPH1054761A; EP0806653B1; CA2202112A1; US5708273A; DE69706469D1; EP0806653A1; DE69706469T2

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、透過および反射測定に使用される分光分析方法およびその装置に係り、特に粘性が変化する流体の近赤外線反射および透過の測定に関し、一連の工程において物理的に大きく変化する製薬成分をその場で分析するのに適する。
【０００２】
【従来の技術】
分光分析は、成分の定量的および定性的な特性を、非侵入でかつ非破壊的に調べる方法である。赤外線分析、特に近赤外線分析は有機化合物の分析に適している。赤外線吸収スペクトルは高い特性を持ち、分子の指紋として参照されることがある。分子および結晶の固有振動周波数の大きさは赤外領域内で減少するため、赤外領域は物質の構造研究にとって重要である。一定の分子結合が特定の波長の赤外線に照射されると、分子は赤外線を吸収して振動する傾向がある。近赤外線分光学では、この振動を利用して、近赤外線範囲に渡る様々な波長で未知のサンプルの吸光度を測定している。サンプルを反射あるいは透過する赤外線光は、予め決められた様々な波長での吸光度を表す固有のスペクトルを示している。スペクトルグラフ（吸光度のグラフ表示）に表わされるように、吸収される波長およびその大きさによって、分子構造およびサンプルの成分に関する情報を調べることができる。このように、赤外分光学は、牛乳、穀物、オイル、ガソリン、アルコールおよび製薬製品を含む幅広い製品群の分析に有用であると認識されている。
【０００３】
有害性または爆発性の物質を測定するとき、サンプルと境界面を持つ光学プローブを使用するのが好ましい。プローブは気体または液体のサンプル内に直接挿入されるため、技術者等の操作者にサンプルが飛散する可能性が少なくなる。一般に、赤外分光のための測定装置として、近赤外線光源および光検出器が必要である。光検出器は分光計の器械内に備えられている。サンプルを反射または透過した光は、光をサンプルに照射する前あるいは照射した後に、複数の狭波長帯に分けられる。従来の構成では、複数の光ファイバーケーブルが、プローブ内のサンプルとの境界面を行き交う光を送信する。そのとき、狭波長帯は、光検出器に導かれ、光検出器は光の大きさを表す信号を出力する。その信号は、分析あるいは解析されて、サンプルの成分構成についての情報となる吸光度のデータが得られる。
【０００４】
吸光度の測定には、一般に、反射（reflectance）、透過（transmission）あるいは透過反射（transflectance）による測定がある。まず、反射測定では、サンプルに光を導くとともに、サンプル表面、サンプルを構成する分子あるいは結晶の何れかからの反射光が集められる。サンプルから反射される光の一部は光検出器に入力し、光検出器は信号に変換する。検出操作において、光検出器の出力は狭波長帯に応じて予め決められた時間にサンプリングされ、狭波長帯での反射光の強さを示す値が出力される。反射測定では、しばしば白い反射タイル形状である標準器が走査される。標準器から反射した光によって発生する信号値は、サンプルから反射する光と比較され、サンプルの吸光度を表す値を出力する。化学粉末および固体の農業製品のような非ニュートン物質の測定時には、必ず反射測定が行われる。
【０００５】
次に、２番目の透過による測定では、赤外線をサンプルに導いて、サンプルを通過する光が測定される。この操作では、光を送信するプローブおよび集光する受光器が必要となる。サンプルを通過する入射光は、受光器に集められ、検出器に導かれる。そのとき検出器は信号を出力し、その信号に基づきサンプル物質の吸光度が調べられる。反射測定の場合、サンプルの吸光度を波長の関数として表示した吸収スペクトルが求められるが、透過測定でも、標準器すなわち赤外線がほぼ１００％透過する参照測定が必要となる。通常、中空のサンプル室あるいは透明な液体を含む室を設けることにより、参照測定がなされる。サンプルを透過する光から得られる信号値を、標準器から得られる信号値と比較することにより、吸光度が求められる。一般に、赤外線に比較的透明であるサンプルに対しては、透過測定時での吸収スペクトルを制限して、標準器の感度は制限される。
【０００６】
最後に、３番目の透過反射による複合型の測定では、サンプルから反射する光およびサンプルを透過する光の両方を同時に集光する。この測定方法では、サンプル内に浸されたプローブに赤外線の光源が設けられる。サンプル物質は、プローブ端部で窓部および窓部に対向する鏡により形成された間隙内を流れるようになっている。プローブから送信された光は、窓部を通るとともに、サンプルを通過して鏡に衝突する。光は鏡を反射してサンプルを再び通過し窓部に戻り、光ファイバーのような好ましい集光手段によって集光されて検出器に導かれる。この構成においては、サンプル内の懸濁した物質に光が直接照射されると、光はサンプルによって散乱してしまう。散乱した光の一部は、直接光ファイバーに再び入力される。このように、ある環境において、集光光ファイバーは、サンプルを透過する光およびサンプルから反射する光のどちらも捕獲する。サンプルから反射する赤外線の量は、サンプルの成分構成によって異なるが、流体サンプルからの反射値は一般に低くなる。このため、従来の透過反射型の光学分析装置では、サンプルを透過した光を最適化するように設計されている。したがって、従来の透過反射型の光学分析システムでは、検出器の出力は透過測定のために作られたプロトコルに従って測定され、複数の透過測定用標準器の測定値および定数と比較して吸光度の値が求められる。
【０００７】
従来技術として、透過測定に関連して通路長を調節可能としたプローブを設けることは既に知られている。通路長が調節可能な透過測定用のプローブは、赤外線光に対して比較的不透明なサンプルを測定するとき、通路長を狭くすることにより、サンプルを通過する光量を最適化することができる。長さが調節可能な通路を備えることにより、吸光度の測定精度を最適範囲内に保持することができるとともに、異なる通路長での各測定における一連のサンプル測定が容易になり、技術者の操作作業は簡単になる。吸収度の値を比較することにより、例えばくもりによるプローブ窓部の汚れのような、精度誤差の原因による影響を取り除くことができる。
【０００８】
従来の装置にあっては、通路長を変化させるためには、プローブをサンプル物質から取り出すことが必要であった。このため、化学反応時の物質が、有害性、発癌性、放射能性、可燃性を有するか、極めて高温度あるいは高圧力にあるときには、反応室外側の離れた場所から通路長を変化させるのが望ましいことは明らかである。
【０００９】
また、従来の装置にあっては、プローブによって粘性の高いサンプルを測定するのが困難であった。例えば、液体中に固体が懸濁する特性を持つ初期過程が、製造工程に含まれている場合である。製造工程中に混合物は溶解して次第に透明になるが、それ以前の初期過程においては、調査される混合物は不透明なスラリー状になっている。そのような混合物は、懸濁液を透明な溶液に容易に変態させるために、加熱してかき混ぜられることが多い。また、他の製造工程においては、逆の順序が起こる。すなわち、比較的透明あるいは半透明の液体が粘性を次第に高めていき、赤外線に対して不透明となる場合である。そのような状況は製薬製品の製造時によく見られる。そのような過程の進行を調べることは、反応条件の最適化あるいは操作パラメータの制御のために望ましいことである。しかしながら、上述のように、過程中に大きな変態があり、不透明で高粘性の混合物を含む期間があるため、実現するのは物理的に困難であった。液体が不透明なスラリー状になっている状態では、プローブに設けられた窓部の間隙内を液体が確実に流れるようにするとともに、サンプルを通過する光を十分集めて、正確な測定を行うのは困難である。サンプルの混合物がそのような状態にあるときには、プローブあるいは赤外線測定システムは機能しない。以上のように、従来には、サンプルが過程中に大きく変態する状態において、反射測定による情報を用いるという着想は全くなかった。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
したがって、本発明の目的は、長さが調整可能な通路を形成したプローブを設けることにより、粘性および光学濃度が過程中に急激に変化する流体に関する測定を容易にすることである。また、本発明の別の目的は、反射あるいは透過のいずれかでサンプルの反応物質を測定することにより、プローブおよび分光計を単一とすることである。また、本発明の目的は、検出器および分析装置がサンプルを透過する光による影響を全く受けないように通路長を調整可能とした透過反射用のプローブを設けることである。さらに、本発明の目的は、反応室の外側の場所から間隙の大きさ、すなわちプローブの通路長の大きさを正確に調節することができる透過反射用のプローブを設けることである。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
請求項１記載の発明は、上記課題を解決するため、長さが調節可能な通路が形成された透過反射測定用のプローブおよび分析装置を備えた近赤外線分光器を使って、粘性および光学濃度が変化する物質を周期的に調べる分光分析方法であって、前記プローブを前記物質に浸すステップと、前記プローブの通路長を第１の位置に設定するステップと、前記第１の位置で前記物質に対して第１の走査を行うステップと、前記第１の位置に対応する情報を前記分析装置に入力するステップと、前記分析装置が予め定められた第１のプロトコルに従って前記第１の走査を分析するステップと、前記プローブの通路長を第２の位置に設定するステップと、前記第２の位置で前記物質に対して第２の走査を行うステップと、前記第２の位置に対応する情報を前記分析装置に入力するステップと、前記分析装置が予め定められた第２のプロトコルに従って前記第２の走査を分析するステップと、を有し、前記プローブは前記第１の位置または前記第２の位置のどちらか一方で通路長を最大に設定して測定を行い、前記物質から反射した赤外線を検出して、対応する情報を前記分析装置に入力し、前記分析装置は前記第１のプロトコルまたは前記第２のプロトコルのどちらか一方である反射率測定用プロトコルに従って前記対応する情報を分析し、前記反射率測定用プロトコルは所定のアルゴリズムおよび定数を有し、前記定数は、反射率測定条件に基づいて選択された物質の過去の分析結果により決定され、前記プローブは前記第１の位置または前記第２の位置の他方で通路長を所定の長さに設定して測定を行い、前記物質を透過または透過反射した赤外線を検出して、対応する情報を前記分析装置に入力し、前記分析装置は前記第１のプロトコルまたは前記第２のプロトコルの他方である透過率測定用プロトコルに従って対応する情報を分析し、前記透過率測定用プロトコルは所定のアルゴリズムおよび定数を有し、前記定数は、透過率または反射透過率測定条件に基づいて選択された物質の過去の分析結果により決定されることを特徴とする。
【００１２】
請求項２記載の発明は、上記課題を解決するため、請求項１に記載の分光分析方法において、前記物質は、容器内で化学反応する最初は不透明な物質を含み、前記第１の走査を行うステップは、前記通路内を物質が流れるように、前記通路長を最大位置まで開口し、前記物質を赤外線に照射して測定を行い、前記物質から反射した赤外線を検出するステップを有し、前記入力するステップは、対応する情報を入力するステップを有し、前記分析するステップは、反射率測定用プロトコルに従って前記第１の走査を分析するステップを有し、前記第２の走査を行うステップは、前記物質の透過度が前記第１の走査を行うステップ時よりも高まると、通路長を前記第１のステップ時よりも短い第２の通路長にして測定を行い、前記物質を透過した赤外線を検出するステップを有し、前記入力するステップは、対応する情報を入力するステップを有し、前記分析するステップは、透過率測定用プロトコルに従って前記第２の走査を分析するステップを有することを特徴とする。
【００１６】
請求項３記載の発明は、上記課題を解決するため、長さが調節可能な通路が形成された単一のプローブを備える分光装置を使って、赤外線分光を測定し、サンプル物質の定量分析および定性分析を行う分光分析方法であって、赤外領域全域に渡ってサンプル物質を赤外線光で走査して反射光または透過光を検出器で検出することにより、各スペクトル内のそれぞれのバンド幅での吸光度を調べるとともに、走査間隔毎にサンプル物質を物理的にサンプリングして定量分析および定性分析を行うことにより、各走査間隔におけるサンプル物質の成分構成を調べて、前記分光装置を特定の過程に対して較正する較正ステップと、測定時刻および前記プローブの通路長を第１の位置および第２の位置に変化させて前記較正ステップを前記過程中で複数回繰り返すことにより、過程および測定条件に基づいてデータセットを作成するデータセット作成ステップと、サンプル物質の定量的および定性的なデータを吸光度と関連付けるアルゴリズムを定めるステップと、前記アルゴリズムを記憶させるステップと、特性が未知の過程に対して走査すると、前記走査時の測定条件に基づいて、前記アルゴリズムを吸光度に対して使うことにより、前記サンプル物質に関する定量的および定性的な情報を求めるステップと、を有し、前記プローブは前記第１の位置または前記第２の位置のどちらか一方で通路長を最大に設定して測定を行い、前記物質から反射した赤外線を検出して、対応する情報を前記分析装置に入力し、前記分析装置は反射率測定用プロトコルに従って前記対応する情報を分析し、前記反射率測定用プロトコルは所定のアルゴリズムおよび定数を有し、前記定数は、反射率測定条件に基づいて選択された物質の過去の分析結果により決定され、前記プローブは前記第１の位置または前記第２の位置の他方で通路長を所定の長さに設定して測定を行い、前記物質を透過または透過反射した赤外線を検出して、対応する情報を前記分析装置に入力し、前記分析装置は透過率測定用プロトコルに従って前記対応する情報を分析し、前記透過率測定用プロトコルは所定のアルゴリズムおよび定数を有し、前記定数は、透過率または反射透過率測定条件に基づいて選択された物質の過去の分析結果により決定されることを特徴とする。
【００１７】
すなわち、本発明は、バッチ式（batch type）の反応あるいは過程をその場で計測するために設けられた赤外線分析装置およびその方法に関する。本発明による分光分析装置は、赤外線光源、“透過反射”用のプローブ、回折格子、赤外線を検出するとともに信号を出力する検出器および信号を分析する分析装置から構成される。光ファイバーによって、赤外線は光源からプローブの感知ヘッドに導かれる。プローブの感知ヘッドは、反応室内の反応物質に完全に浸されるよう設計されている。プローブは、窓部および鏡を互いに移動可能とすることにより、内部のサンプル物質が赤外線光に照射される通路の長さを調節できるようになっている。このプローブの通路長は、反応室から離れた場所で正確に制御される。プローブの通路長の正確な制御は反応室から離れた場所で行われる。プローブはサンプル物質の透過光あるいは反射光を集光するファイバー束を含んでおり、近赤外領域での成分波長帯（constituent wavelengths bands）に分光する回折格子に光が導かれるようになっている。回折格子から出力された赤外線は検出器に導かれ、検出器は入力した光量の大きさに応じた信号を出力する。検出器からの信号は反射率測定用のプロトコルあるいは透過率測定用のプロトコルのどちらか一方に従って分析される。それぞれのプロトコルは予め定められており、異なる較正に関係している。それらのプロトコルは、調査および測定される特定の反応あるいは過程に応じて相違し、プロトコルの管理基準は分析法を用いた過去の累積データによって発展するようになっている。プローブは、サンプルが高粘性で比較的不透明な状態なとき、赤外線がサンプル物質を実質的に透過しない最大の通路長に調節できるように設けられている。このように、プローブは、反射モード、透過モードおよび透過反射モードの何れでも機能できるようになっている。
【００１８】
初期過程にサンプル物質が低粘性で少なくとも比較的透過あるいは透明であるとき、透過測定を容易するために、プローブの通路長を狭くするのが好ましい。サンプル物質が反応して高粘性になると、サンプル物質のプローブの通路内での流れを促進するために、プローブの通路長を広げるのが好ましい。
反射率測定時には、測定を容易にするためにプローブの通路長を最大に設定して、赤外線がサンプルを透過しないようにするのが好ましい。このとき、サンプルを透過する光量は最小となる。
【００１９】
本発明の他の実施形態は、サンプル物質が最初不透明かつ高粘性である場合である。例えば、粉末あるいは結晶形態の固体を液体に入れると、濁った懸濁液となる場合である。初期過程では、プローブの通路長を最大に設定して測定され、次に反射率測定用プロトコルに従って処理される。そして、混合物は加熱され、透明あるいは半透明になるまでかき混ぜられる。混合物が加熱されると、混合物の粘性は低下し、混合物はプローブの通路内を容易に流れる。後期過程では、透過測定用プロトコルに従って測定される。
【００２０】
【発明の実施の形態】
次に本発明の実施形態の一例を図１〜８に基づいて説明する。
図１が示すように、本発明による装置は、近赤外線を出力する光源10を設けており、シャッター12を通過する赤外線の連続光線11が、光ファイバー束14あるいは光ファイバー束16のどちらか一方の端部に入射される。光源10、シャッター12および光ファイバー束14，16の各端部は、密閉箱13内に設置されている。シャッター12は、近赤外線光が光ファイバー束14，16のどちらか一方に入射するように操作制御される。シャッター12を閉じると、近赤外線の内部への入射が阻止される。シャッター12は、光密閉箱26内に設置されたＣＰＵ（Central Processing Unit）20からの命令によって操作される。
【００２１】
光ファイバー束14は、赤外線光を光源10からプローブ18へ送信する接続路あるいは導管を備えている。プローブ18には分析されるサンプル物質22との境界面が形成されている。光ファイバー束24は、サンプル物質22から反射される光を集光するファイバーとして、プローブ18から光密閉箱26内の光ファイバー束16に近傍まで延在する。光ファイバー束16は、分析においてサンプル物質22からの反射光との参照光を供給するファイバーとして、光源10から光密閉箱26へ直接光を導くようになっている。光ファイバー束16は参照光を分流光線として供給するように設けられている。したがって、分析操作において光源10の強度の変動は適切に補正される。また、光ファイバー束16を反射標準器としても使えるため、反射モードにおいて標準器を不要とすることができる。
【００２２】
図２が示すように、プローブ18は、内側管状エレメント32（以下、単に管状エレメント32という）と、平滑内部穴に管状エレメント32を収納する外側円柱ハウジング30（以下、単に円柱ハウジング30という）とから構成される。管状エレメント32は、端部が窓部34にあるすべての光ファイバー束（光ファイバー束14，24を含む）を包囲する。窓部34は、サンプル物質22に対して不浸透性であって、壁90で仕切られる反応室内の環境に対して耐久性を有するサファイヤあるいは他の好ましい材料より成っている。サファイヤは化学的に不活性でありしかも優れた透過性を持っているため、近赤外線波長では特に窓部34にとって好ましい材料となる。鏡36は窓部34と軸方向に対向して設けられる。鏡36もサファイヤから成っており、その表面は例えば金のような光ファイバー束24に赤外線光を反射するのに適する反射物質でコーティングされている。窓部34および鏡36によってサンプルエリア38が形成されており、後述に詳細に説明されるように、サンプルエリア38の大きさは管状エレメント32を鏡36に向かって滑らせることにより調節できるようになっている。サンプルエリア38は、内部にサンプル物質22が流れるとともに赤外線光を受ける位置を表している。鏡36は、円柱ハウジング30に対して固定した位置に保持されており、取り外し可能なプローブ18の先端部40に設けられている。
【００２３】
図３に示されるように、先端部40は外周面にネジ山42を設けており、円柱ハウジング30のネジ山と噛み合うようになっている。環状くぼみ穴44はわずかに面取りされており、鏡36を正確に収納するようになっている。先端部40と交差して横切る溝穴46は、サンプル物質22が流れ得る最大面積を形成している。溝穴46の軸方向寸法は約２．０ｃｍである。先端部40を軸方向から見た図４に示されるように、溝穴46の底面は平坦な表面を形成しているとともに、溝穴46の断面は一般に長方形となっているため、プローブ18の軸方向に垂直な方向を流れるサンプル物質22はサンプルエリア38内を自由に通過するようになっている。
【００２４】
次に、円柱ハウジング30を底面から見た図５に示されるように、円柱ハウジング30の側壁の上面には卵状開口部50が設けられている。また、図５には、先端部40に係合する円柱ハウジング30が示されている。円柱ハウジング30の端部の内周面には、先端部40のネジ山42に噛み合うネジ山54が設けられている。先端部40に対して反対側にある端部には、ネジ山52が円柱ハウジング30の外周に設けられており、図６に示すように、円柱ハウジング30はケーシング60に係合するようになっている。
【００２５】
図６に示されるピン56によって、円柱ハウジング30はケーシング60内での軸方向のピストン運動が制限されるとともに、ケーシング60は円柱ハウジング30に対して回転運動が阻止されるようになっている。ピン56は卵状開口部50内に収納されるとともに、円柱ハウジング30の外周面から突出しないように形成されているため、円柱ハウジング30はケーシング60内に抵抗なく収納される。ピン56は一定位置に保持される。図８（ａ）〜（ｃ）に示されるように、ピン56はヘッド62により構成されており、ヘッド62の断面形状は円柱ハウジング30の円柱壁形状と同一の弓形曲線となっている。シャンク64は、円柱ハウジング30の軸方向に対して垂直に延在するとともに、円柱ハウジング30の環状通路部内に突出するようになっている。図８（ａ）〜（ｃ）に示されるように、ピン56のシャンク64は管状エレメント32の上面に設けられた細長い溝穴74（図７参照）内に収納されるようになっている。シャンク64が溝穴74内に収納されると、管状エレメント32の円柱ハウジング30内での回転、および管状エレメント32の円柱ハウジング30に対する軸方向運動が阻止される。赤外線光とサンプル物質との境界面となる窓部34は、管状エレメント32の端部に固定されて、光学フィルムを含む管状エレメント32を覆うとともに密封している。他方の管状エレメント32の端部には、ボルトが収納される通路71が管状エレメント32の軸方向と垂直に形成されており、ボルトによって光ファイバー束14，24が締結されるようになっている。
【００２６】
次に、図１に示されるように、光ファイバー束16，24はどちらも鏡68に向けられており、この鏡68によって、サンプル物質22から反射された赤外線光および光源10から直接集光された赤外線光は、回折格子70に導かれるようになっている。回折格子70は赤外線をスペクトルに分光（分散）し、回折格子70の振動に応じて特定の波長を持つ光を検出器72に導くようになっている。図１に示される実施形態では、赤外線をサンプル物質22に照射した後に回折格子70によって単色のスペクトルに分光するようにしているが、他の分光方法、例えば、赤外線をサンプル物質22に照射する前にスペクトルバンドに分光する方法であってもよい。回折格子70と検出器72の間の光路近傍には複数の標準器77が設けられており、ＣＰＵ20から命令を受けると、定期的に標準器77を光路内に位置させて、透過測定用プロトコルを用いた測定が実行される。なお、予め決められた時間に標準器77を光路中に位置させるようにしてもよい。光が検出器72に達する前にソーター76によってフィルタリングが行われ、高周波数が取り除かれるようになっている。また、回折格子70から検出器72へ向かう光の波長を正確にフィルターするために、ＣＰＵ20による制御に基づいて、ソーター76の位置は調整される。
【００２７】
回折格子70が振動して、各波長の光が検出器72に衝突するとき、光の強さを表す信号が出力される。検出器72により発生する電気信号は、図示されない分析装置に送信され、サンプル物質22の吸収率に関する有用な情報に変換されるようになっている。この電気信号に対して所定のアルゴリズムを用いると、サンプル物質の定量的および定性的な情報が得られる。他に、例えば人工知能技術を用いて分析したり、専門家によって既知の混合物データと未知の混合物データとのグラフを比較して分析することもできる。
【００２８】
本発明による分光分析装置を操作するためには、まず装置を較正（calibrate）して、適切なアルゴリズム定数を決定する必要がある。この較正作業には、過程（process）を所定時間間隔毎に測定するときに、サンプル物質を物理的にサンプリングする作業が含まれている。サンプリングされたサンプル物質は、例えば核磁気共鳴、滴定および特定の試薬の使用等の従来の化学分析法により分析される。この分析試験の結果は、サンプリング時刻に対応する前述の赤外線走査結果（サンプル物質22の吸収率に関する情報）と相関関係があり、この数学モデルが作られる。この処理手順は、多数の参考データによりデータを高精度なものとするため、装置を複数回運転して複数回の過程中で繰り返される。プローブ18の通路長、すなわちサンプルエリア38におけるプローブ通路方向の長さｗは、装置の複数回の運転時で互いに異なるように設定され、記録される。各スペルトルは分析試験の結果と相関関係がある。上述の工程に対して、それぞれ一組のデータセットあるいは較正サンプルセット（a calibration sample set）が作成される。未知のスペクトル特性を既知の値と相関関係を持たせるためには、多変量回帰分析（a multi-variant regression analysis）あるいは多重線形回帰分析（a multilineal regression analysis）のような数学的過程（a mathematical process）が用いられ、分析される物質に関する複数のアルゴリズム定数が決定される。本発明による分光分析装置によれば、このようにして、サンプル物質22に関する定量的および定性的な情報が出力される。
【００２９】
測定時、先端部40すなわちプローブ18の感知ヘッドを、壁70で仕切られた反応室内にある化学的あるいは物理的に変化するサンプル物質に浸される。初期過程の流体が溶解状態にある不透明な懸濁液である場合、プローブ18は最初反射モードにして操作される。
図２に示されるように、調整ディスク31は、窓部34との距離が最大になるとき、鏡36に対して回転するようになっている。この調整ディスク31と窓部34との距離は電子計器によって測定され、サンプル物質22を走査する命令が出力されたとき、ＣＰＵ20にその測定値が入力されるようになっている。プローブ18の通路長が最大のとき、サンプル物質22は容易に溝穴46を流れるとともに、光は本質的にサンプル物質を透過しないようになっている。サンプル物質22を走査する命令に応じてシャッター12が開き、近赤外線光のすべてのスペクトルが光ファイバー束14を通って連続的に導かれる。また、近赤外線光のすべてのスペクトルは、交互の時間間隔毎に、光ファイバー束16を通って連続的に導かれる。光源10の大きさ変動によって測定精度が影響を受けないように、吸収率あるいは反射率の値は光ファイバー束16から送信される信号値と光ファイバー束24から送信される信号値とを比較して求められる。光ファイバー束16を用いることにより、従来の反射率の測定において使用していた反射タイルを不要とすることができるとともに、従来の透過率の測定において使用していた中空のサンプル室を不要とすることができる。
【００３０】
上述したように、測定の初期過程では、定量的および定性的なデータを決定する複数のアルゴリズム定数は、過去に蓄積された測定データのうち時刻およびプローブ18の通路長が同一のもののアルゴリズム定数が使用される。反応混合物が比較的透明になるまで反応が進行すると、調整ディスク31を回転してプローブ18の通路長が狭くされ、図示されない測定手段により透過測定が行われる。プローブ18の通路長は光が完全に透過可能な粘性まで狭められる。調整ディスク31の回転により、調整ディスク31は円柱ハウジング30の外周面に設けられたネジ山52に係合し、円柱ハウジング30がケーシング60、および管状エレメント32のフランジ部分に設けられたシート80に向かって引張られるようになっている。円柱ハウジング30がシート80に向かって移動するとき、鏡36は窓部34に接近して、プローブ18の通路長は狭められるようになっている。鏡36および窓部34は、互いの距離を正確に調節することができ、その距離は計器によって測定される。
【００３１】
初期過程に流体が透明あるいは半透明である過程の場合には、最初従来の透過測定の手順に従って操作される。反応が進行すると、サンプル物質22は次第に濁り、近赤外線に対して不透明となる。この時点で、プローブ18の通路長は最大に広げられ、反射測定用プロトロルに従って過程の測定が進められる。
本発明によれば、過去の測定方法を統合できる。また、従来では、似たような過程を測定する際には多数のプローブが必要があったが、本発明では、サンプル物質が完全に変態するまで一つのプローブのみで測定することができる。また、反応混合物が透過測定に不適切であるとき、従来必要であった複数の標準器やその他の付属装置を設けた分離型の透過率測定用プローブを不要とすることができる。単一のプローブを用いることにより、反応室に設けられる光学器械のコストおよびその取り付けコストを低減することができるため、分光分析装置のコストの削減を図ることができる。
【００３２】
上記の本発明の実施形態は、好ましい一例であって、特許請求の範囲の思想に沿うものであれば、他のものであってもよい。
【００３３】
【発明の効果】
請求項１記載の発明によれば、サンプルである物質が高粘性となって赤外線に対して不透明となる過程にあっても、プローブによる測定を行うことができる。すなわち、従来では、物質が赤外線に対して不透明となる状態では、物質を透過する光量の大きさは減少して十分なデータが得られず、信頼性の高い透過測定を行うことができなかったのに対して、本発明によれば、このような状態でも、通路長を最大に設定して、物質への透過を実質的に行わずに反射光を測定するようにしているため、信頼性の高い測定を続行できる。また、このように、プローブの通路長が調整可能となっているため、物質の化学的および物理的な特性が完全に変化したときであっても、透過測定時と同一のプローブを用いることができる。
【００３４】
請求項２記載の発明によれば、間隙が最大位置まで開口するため、高粘性物質は間隙内で容易に流れるとともに、高粘性物質を透過する赤外線の光量は最小となる。したがって、高粘性物質を測定する場合であっても、高粘性物質から反射する赤外線光を検出することにより、精度の高い測定を行うことができる。
請求項３記載の発明によれば、第２の光ファイバー束から送信される信号値と第３の光ファイバー束から送信される信号値とを比較することにより、サンプル物質の吸収率あるいは反射率が求められるため、光源の出力変動や光学器械の誤差による測定精度の低下を防止することができる。また、第２の光ファイバー束を用いることにより、従来使用していた反射タイルおよび中空のサンプル室を不要とすることができ、装置コストの低下を図ることができる。
【００３５】
請求項４記載の発明によれば、請求項３記載の発明の効果に加えて、プローブの外側スリーブは内側容器に対して移動するため、サンプルエリアの大きさを調節する毎にプローブをサンプル物質から取り出す必要がない。したがって、測定作業の容易化を図るとともに、測定時の安全性を向上させることができる。
請求項５記載の発明によれば、請求項４記載の発明の効果に加えて、サンプルエリアから離隔した位置からサンプルエリアの大きさを変化させることができるため、サンプル物質が取扱いが危険な物質であっても、測定者は安全に測定することができる。したがって、測定時の安全性を一層向上させることができる。
【００３６】
請求項６記載の発明によれば、サービスエリアの大きさの変化に応じて、照射用光ファイバー束および集光用光ファイバー束は移動するため、測定作業の容易化を一層図ることができる。
請求項７記載の発明によれば、過去の測定結果を統合したデータセットを過程および測定条件に基づいて作成することができ、プロトコルの管理基準をデータが累積するにつれて発展させることができる。したがって、定量分析および定性分析の精度を向上させていくことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明における分光分析装置の概略平面図を示している。
【図２】本発明における組立て後のプローブの部分側面図を示している。
【図３】プローブ先端部の側面図を示している。
【図４】反射表面を収納する穴部が示されるよう２−２′線で切断されたプローブ先端部の端面図である。
【図５】プローブ先端部に係合する円柱ハウジングの部分側面図を示している。
【図６】組立て後のケーシング、ピン、円柱ハウジングおよびプローブ先端部の側面図を示している。
【図７】管状エレメントおよび組立て後のプローブ窓部の部分平面図を示している。
【図８】ピンの正面図、平面図および側面図を示している。
【符号の説明】
10 光源
14 光ファイバー束（第１の光ファイバー束、照射用光ファイバー束）
16 光ファイバー束（第２の光ファイバー束）
18 プローブ
22 サンプル物質
24 光ファイバー束（第３の光ファイバー束、集光用光ファイバー束）
30 円柱ハウジング（外側スリーブ）
31 調整ディスク（スリーブ移動手段、移動手段）
32 管状エレメント（内側容器）
34 窓部
36 鏡（反射表面）
38 サンプルエリア（間隙）
40 先端部
ｗサンプルエリアにおけるプローブ通路方向の長さ
ｗ_max サンプルエリアにおけるプローブ通路方向の最大長さ

Claims

長さが調節可能な通路が形成された透過反射測定用のプローブおよび分析装置を備えた近赤外線分光器を使って、粘性および光学濃度が変化する物質を周期的に調べる分光分析方法であって、
前記プローブを前記物質に浸すステップと、
前記プローブの通路長を第１の位置に設定するステップと、
前記第１の位置で前記物質に対して第１の走査を行うステップと、
前記第１の位置に対応する情報を前記分析装置に入力するステップと、
前記分析装置が予め定められた第１のプロトコルに従って前記第１の走査を分析するステップと、
前記プローブの通路長を第２の位置に設定するステップと、
前記第２の位置で前記物質に対して第２の走査を行うステップと、
前記第２の位置に対応する情報を前記分析装置に入力するステップと、
前記分析装置が予め定められた第２のプロトコルに従って前記第２の走査を分析するステップと、を有し、
前記プローブは前記第１の位置または前記第２の位置のどちらか一方で通路長を最大に設定して測定を行い、前記物質から反射した赤外線を検出して、対応する情報を前記分析装置に入力し、前記分析装置は前記第１のプロトコルまたは前記第２のプロトコルのどちらか一方である反射率測定用プロトコルに従って前記対応する情報を分析し、前記反射率測定用プロトコルは所定のアルゴリズムおよび定数を有し、前記定数は、反射率測定条件に基づいて選択された物質の過去の分析結果により決定され、
前記プローブは前記第１の位置または前記第２の位置の他方で通路長を所定の長さに設定して測定を行い、前記物質を透過または透過反射した赤外線を検出して、対応する情報を前記分析装置に入力し、前記分析装置は前記第１のプロトコルまたは前記第２のプロトコルの他方である透過率測定用プロトコルに従って前記対応する情報を分析し、前記透過率測定用プロトコルは所定のアルゴリズムおよび定数を有し、前記定数は、透過率または反射透過率測定条件に基づいて選択された物質の過去の分析結果により決定されることを特徴とする分光分析方法。
前記物質は、容器内で化学反応する最初は不透明な物質を含み、前記第１の走査を行うステップは、前記通路内を物質が流れるように、前記通路長を最大位置まで開口し、前記物質を赤外線に照射して測定を行い、前記物質から反射した赤外線を検出するステップを有し、前記入力するステップは、対応する情報を入力するステップを有し、前記分析するステップは、反射率測定用プロトコルに従って前記第１の走査を分析するステップを有し、
前記第２の走査を行うステップは、前記物質の透過度が前記第１の走査を行うステップ時よりも高まると、通路長を前記第１のステップ時よりも短い第２の通路長にして測定を行い、前記物質を透過した赤外線を検出するステップを有し、前記入力するステップは、対応する情報を入力するステップを有し、前記分析するステップは、透過率測定用プロトコルに従って前記第２の走査を分析するステップを有することを特徴とする請求項１に記載の分光分析方法。
長さが調節可能な通路が形成された単一のプローブを備える分光装置を使って、赤外線分光を測定し、サンプル物質の定量分析および定性分析を行う分光分析方法であって、
赤外領域全域に渡ってサンプル物質を赤外線光で走査して反射光または透過光を検出器で検出することにより、各スペクトル内のそれぞれのバンド幅での吸光度を調べるとともに、走査間隔毎にサンプル物質を物理的にサンプリングして定量分析および定性分析を行うことにより、各走査間隔におけるサンプル物質の成分構成を調べて、前記分光装置を特定の過程に対して較正する較正ステップと、
測定時刻および前記プローブの通路長を第１の位置および第２の位置に変化させて前記較正ステップを前記過程中で複数回繰り返すことにより、過程および測定条件に基づいてデータセットを作成するデータセット作成ステップと、
サンプル物質の定量的および定性的なデータを吸光度と関連付けるアルゴリズムを定めるステップと、
前記アルゴリズムを記憶させるステップと、
特性が未知の過程に対して走査すると、前記走査時の測定条件に基づいて、前記アルゴリズムを吸光度に対して使うことにより、前記サンプル物質に関する定量的および定性的な情報を求めるステップと、を有し、
前記プローブは前記第１の位置または前記第２の位置のどちらか一方で通路長を最大に設定して測定を行い、前記物質から反射した赤外線を検出して、対応する情報を前記分析装置に入力し、前記分析装置は反射率測定用プロトコルに従って前記対応する情報を分析し、前記反射率測定用プロトコルは所定のアルゴリズムおよび定数を有し、前記定数は、反射率測定条件に基づいて選択された物質の過去の分析結果により決定され、
前記プローブは前記第１の位置または前記第２の位置の他方で通路長を所定の長さに設定して測定を行い、前記物質を透過または透過反射した赤外線を検出して、対応する情報を前記分析装置に入力し、前記分析装置は透過率測定用プロトコルに従って前記対応する情報を分析し、前記透過率測定用プロトコルは所定のアルゴリズムおよび定数を有し、前記定数は、透過率または反射透過率測定条件に基づいて選択された物質の過去の分析結果により決定されることを特徴とする分光分析方法。