JP3926024B2

JP3926024B2 - 液体クロマトグラフ用ｕｖ検出器

Info

Publication number: JP3926024B2
Application number: JP03793598A
Authority: JP
Inventors: 健鹿又; 真一菊池; 光徳坂本
Original assignee: Jasco Corp
Current assignee: Jasco Corp
Priority date: 1998-02-05
Filing date: 1998-02-05
Publication date: 2007-06-06
Anticipated expiration: 2018-02-05
Also published as: JPH11223599A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、液体クロマトグラフ用ＵＶ検出器に関するもので、より具体的にはフローセルの構造の改良に関する。
【０００２】
【従来の技術】
液体クロマトグラフに用いられる多波長検出器の一例を示すと、図１のようになっている。同図に示すように、光源１から出射された光束は、集光系（図では１枚のレンズで代表している）２によって集光されフローセル３に入射する。フローセル３は、図２に示すようにガラス等の透明部材でつくられた窓板４，４に挟まれた円柱状の試料室６内を溶媒が流れるようになっており、光源１からの光はこの試料室６に向かって照射されている。そして、光は試料室６を通過する間に、溶媒に含まれている試料によって吸収を受ける。
【０００３】
フローセル３を透過した光は、光分散光学系（図では、１枚の回折格子で代表している）７によって光分散され、フォトダイオードアレーの光検知器８に入射し、各波長ごとの電気信号に変換されデータとして取り出されるようになっている。
【０００４】
ところで、上述した図２に示すフローセルを、液体クロマトグラフ用多波長検出器に使用すると、次のような不具合が生じる。
【０００５】
すなわち、フローセルへの入射光の利用効率が悪い。これは、一般的に光源１からの光は立体角をもってフローセル３へ入射する。従って、入射光の一部は円柱状の試料室６の内壁に衝突して吸収され、フローセル３を透過することができず、フローセル３への入射光の利用効率の減少を招く。このことは、光検知器８（ダイオードアレイ）から出力される検出信号（電気信号）の微弱化を招き、測定データのノイズが増加する原因となる。
【０００６】
このような問題を改善するための提案として、従来例えば特公平８−３４８３号公報に開示された発明がある。係る公報に開示された発明の一つとして、フローセルの形状を図３に示すように、試料室６の内形状を光の進行方向に沿って広くなる円錐台形状になるように設定した。係る構成をとると、ある程度の立体角があってもフローセル３内に入射した光は、試料室６の内周面に衝突しないので吸収されることがない。なお、このように試料室６の内形状を光の進行方向に沿って広くなる円錐台形状になるように設定したものとしては、本発明と目的が異なるものの特公昭５４−３３８７１号や、実公昭４０−１４０８０号公報などもある。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記したその図３に示す形状の試料室６を有するフローセル３では、以下の問題を有する。すなわち、吸光度は同じでも屈折率が異なる溶媒が入れ替わるとき、光検知器８の出力は変化し、測定データのベースラインの変動を招く。この原因は、次のように考えられている。すなわち、今まで流れていた溶媒と異なる屈折率を有する新たな溶媒がフローセル３中に流れこむと、フローセル３の中心部ほど流速が速いため、フローセル３の試料室６の内壁近辺に比べて試料室６の中心部に屈折率の違う新たな溶媒の濃度が濃い状態が生じる。このことがレンズと同じような効果（いわゆるレンズ効果）を生じさせるため、フローセル３への入射光は屈曲し、その一部はフローセル３の試料室６の内壁に衝突することによって吸収される。このため、上記したように光検知器８の出力は変化し測定データのベースラインの変動が生じる。
【０００８】
また、結果物（完成された発明）同士を比較すると、本発明の構造と類似するものとして、特開平２−２５９４５２号公報に開示された分光光度計がある。この公報に開示された発明では、フローセル単独で見ると、光入口側が広くなった内形状からなる試料室を有している。しかし、その公報の発明では、フローセルと光源との間、つまりフローセルの光入口側の外側にスリットを設置するのを必須の構成とするとともに、スリット近傍、つまりフローセルの光入り口側より光源側で光が結像するようにしている。
【０００９】
係る構成をとることにより、そのスリットにより光束を絞り込んだ後フローセル内に入射させ、その入射した光のうち、外側を進む光は試料室の内周面で反射させてフォトセンサに受光させないようにしている。つまり、溶媒等のセル内の条件変化にともなう影響の受けにくい光路の近軸付近のみをフォトセンサに受光させ、その光を利用して吸光度変化を測定するようにしている。したがって、受光されて測定に使用される光量が減少し感度劣化を招く。
【００１０】
本発明は、上記した背景に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、上記した問題を解決し、フローセルへの入射光の利用効率が高く、なおかつ、フローセル中を流れる溶媒の屈折率が変わった場合でもベースラインの変動を極力小さく抑えることのできる液体クロマトグラフ用ＵＶ検出器を提供することにある。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
上記した目的を達成するために、本発明に係る液体クロマトグラフ用ＵＶ検出器では、光源と、その光源から出射した光をフローセルに入射させる第１光学系と、フローセルから出射された光を光検知手段に受光させる第２光学系とを備え、前記フローセルは、軸方向に延びる試料室の内形状が、光入口側から光出口側にいくに従って、徐々に縮小する円錐台形状とする。そして、さらに、前記第１光学系は、前記フローセルの光出口側端部、或いはその光出口側端部より外側で結像するように調整することである（請求項１）。
【００１２】
そして、本発明では、特に第２光学系に分散素子を設けた多波長の測定を可能とした液体クロマトグラフ用ＵＶ検出器に適用すると、従来のものと比べて特に顕著な効果が発揮できる（請求項２）。もちろん、第１光学系に分散素子を設けたタイプにも適用してよいのはいうまでもない。
【００１３】
本発明のフローセルは、試料室の内形状が円錐台形状で、光の入口側に径の大きい方の底面が向いている。光が通過する以上は、両端の開口部はそれぞれ所定の面積を有するため（たとえ微小であっても）、内形状は、円錐ではなく円錐台形状となる。
【００１４】
フローセル中に今まで流れていた溶媒と異なった屈折率をもつ溶媒が流れ込んだ場合、屈折率が変化することにより、光分散素子から見た場合のフローセルの光入口の位置は変動する。しかし、光検知器上には機械的に位置が固定されるフローセルの光出口が結像される。このため、フローセル中において屈折率の異なる溶媒が入れ替わる際に生じるベースラインの変化を、極力小さくすることができる。
【００１５】
フローセルへの入射光の焦点はフローセルの光出口に合わせてある。また、円錐台の立体角は入射光の立体角より大きくとることにより、入射光は壁面に接触することなくフローセルの光出口に到達するため、光エネルギーの損失は生じない。つまり、より大きい立体角の光を利用できる。従って、エネルギーの損失なしにフローセルの光出口の像をフォトダイオードアレー等の光検知器上につくることができる。
【００１６】
また、前記フローセルの光出口側に溶媒の流入路を設けるとともに、光入口側に前記媒体の流出路を設け、前記フローセルの中心部の溶媒の流れはセル周辺部にも広がり、その中心部の流速を抑えるようにしてもよい。このように、光出口側に流入路を設けると、溶媒（試料）は入射光の出口側から入口側方向に流れる。すると、溶媒が流れる方向に向かってセルの内径は大きくなっているため、セル中心部の溶媒の流れはセル周辺部にも広がる。これにより、セル中心部の流速は抑えられ、レンズ効果を小さくすることができる。これによっても、セル中において屈折率の異なる溶媒が入れ替わる際のベースラインの変化を小さくすることができる。
【００１７】
【発明の実施の形態】
図４は、本発明の要部となるフローセルの一例を示している。同図に示すように、フローセル１０は、軸方向に貫通する試料室１１を備えた筒状のフローセルブロック１２の軸方向両端面に、それぞれ透明な石英ガラス板等からなる窓板１３を取り付けている。図示省略するが窓板１３とフローセルブロック１２の間には、薄肉の適当な形状のテフロン（登録商標）製のシートを介在させて液密性を確保し、さらにその窓板１３は、Ｏリング（図示省略）を介してそのＯリングの内径と同程度の開口１４ａが開いている抑え板１４にてフローセルブロックに密着されることにより固定される。
【００１８】
そして、光は、一方の抑え板１４（図中左側）の開口１４ａから窓板１３を介して試料室１１内に入り、反対側の窓板１３から開口１４ａを介して出射する。さらに、フローセルブロック１２には、軸方向両端近傍に、径方向に延びる流入路１５ａ及び流出路１５ｂを設けている。これにより、試料（溶媒）は、光出口側の流入路１５ａから試料室１１内に進入し、試料室１１内を軸方向に進んだ後、光入口側の流出路１５ｂを通って外部に排出されるように流れる。
【００１９】
ここで本発明では、試料室１１の内形状を円錐台形状とし、しかも、光出口側が細くなるように形成している。すなわち、内形状が円錐台形状の試料室１１を用意し、検出器にセットする際に光入口側に円錐台形状の底面（開口部の径が大きい）が位置するようにする。そして、具体的にセットした状態の本発明の一形態である多波長検出器の一例を示すと、図５に示すようになる。
【００２０】
同図に示すように、この多波長検出器は光源として、重水素ランプ２０及びタングステンランプ２１を使用しており、各ランプ２０，２１の出射面側には、石英製の窓板２２を設け、その窓板２２に形成した開口部分から所定波長の光が出射するようになっている。そして、各ランプ２０，２１から出射される光の進路は、ほぼ直交するようにし、その交差位置にアルミ等を適当な厚さもしくは間隔で蒸着したハーフミラー２３を配置し、そこにおいて両ランプ２０，２１からの光が適当な割合の比率で合成され、一つの光路上を進むようにしている。
【００２１】
この合成された光は、軸外し楕円鏡２５にて集光され、フローセル１０の試料室１１内を通過する。ここで、上記したように、フローセル１０は、試料室１１の両端開口のうち、径の大きい方を軸外し楕円鏡２５側に位置させる。しかも、上記集光された光は、フローセル１０の出口側面（試料室１１の径の小さい方の開口部分）に結像するように調整されてる。このような位置関係に配置するのが、本発明の特徴である。そして、このフローセル１０の部分を拡大して示すと、図６のようになる。同図中各符号は、図４に示したものに対応し、また、符号２６は、Ｏリングである。
【００２２】
一方、フローセルを通過した光は、フローセル室内での液漏れの影響を遮断するための石英窓板２８を通過した後、球面鏡２９，平面鏡３０の順に反射されポリクロメータの入射スリット３１上に結像する。そして、ポリクロメータの入射スリット３１から出射した光は、回折格子３２により各波長に分散され光検知器（フォトダイオードアレイ：ＰＤＡ）３３上に結像するようにしている。なお、図示省略するが、この光検知器３３の後段には、信号処理装置が設置され、光検知器３３から出力される光強度に応じた電気信号に基づいて、所定の信号処理をするようになっている。
【００２３】
なお、上記の石英窓板２８を設けたのは以下の理由による。フローセル１０で溶媒が漏れた場合、その漏れ出た溶媒そのもの或いは気化したものがポリクロメータ側に流れ込むと、回折格子３２や各種鏡がただちに劣化してしまう。そこで係る事態の発生を未然に防止するために、溶媒に対して安定な石英窓板２８を設けてフローセルとポリクロメータとを隔離している。
【００２４】
なお、上記したフローセル１０のより具体的な構造の一例を示すと、図７，図８のようにすることができる。円錐台形状の試料室１１を備えたフローセルブロック１２の軸方向両端にテフロン製のシート（ガスケット）３４を介して窓板１３を配置し、その窓板の外側にＯリング２６を介して抑え板１４を配置し、その抑え板１４をネジ３５にてフローセルブロック１２に固定することにより、上記した各部材を密着状態で固定するようにしている。なお、図８において図示省略した光出口側も、光入口側と同様の構成をとることができる（中心の開口面積・径は異なる）。また具体的な試料室１１の寸法としては光入口側の径が２．１ｍｍで、光出口側の径が０．８ｍｍとすることができ、窓板１３，１３の間隔は１０．０ｍｍとすることができる。もちろんこの寸法に限定されるわけではないが、好ましい寸法（比）の一つである。
【００２５】
さらにまた、シート３４とフローセルブロック１２との接合面のうち、シート３４の外周縁付近に対面するフローセルブロック１２の表面には、溝３６が形成されている。すなわち、使用状態においてはシート３４とフローセルブロック１２はしっかりと密着して気密性・液密性を確保している。しかし、一旦分解しようとした場合には、密着しているために取り外しにくい。そこで、予め接合面の一部に溝３６を設けておき、取り外す際には、その溝３６を設けた位置の真上からドライバー等をシート３４に接触させるとともに溝３６に向けて押し込む。すると、その押された部分が溝３６内に沈み込むため、それにともないシート３４の押された部分の反対側が浮き上がる。これにより、シート３４とフローセルブロック１２との密着が解消されるので、例えば、その浮き上がった部分を摘んで引き上げることにより、シート３４を簡単に取り外すことができる。係る目的のための溝３６を設けている。
【００２６】
図９，図１０は、本発明の別の実施の形態を示している。本形態では、上記した図５に示す装置と、光学系が異なり、よりコンパクトにした多波長検出器に適用した例を示している。この多波長検出器は、光源として重水素ランプ４０を使用している。なお、使用波長によっては、ハロゲンランプを使用したり、また、両者を切り替えて使用するようにしてもよい。光源４０から出射された光は、第１補助光学系（非球面鏡）４１により、フローセル１０の光出口側開口に結像するようにしている。
【００２７】
フローセル１０の後段には、第２補助光学系４３（平面鏡４３ａ，レンズ４３ｂ）が配置され、フローセルから出射した光を、ポリクロメータ４４の入射スリット４５に結像させるようにしている。さらに、入射スリット４５から出射した光は、回折格子４６により分光され、フォトダイオードアレイ等の光検知器４７上にスペクトルが結像する。なお、符号４８は、ポリクロメータの入射側に設けられたシャッターで、ソレノイドやモータで駆動され、そのシャッター４８を動かすことにより光路が遮られようになっている。そして、このシャッター４８は、必要に応じてそれを閉じることにより光学系及び電気系のバックグランド信号を測定するために使用される。そして、本形態では、第１補助光学系により第１光学系が構成され、第２補助光学系４３とポリクロメータ４４内の光学系により第２光学系が構成される。
【００２８】
なお、この光学系では、実公平７−５４８２４号公報に開示された単一波長のＵＶ検出器において波長によって回折光結像距離をほぼ一定にするという技術を多波長のＵＶ検出器に適用したもので、回折格子４６の分散方向は、光路平面上ではなく光路平面からある角度をもっている。この配置によって、回折格子面が入射光軸にほぼ正対できるので、回折格子の横方向のサイズを大きくしなくともより立体角の大きい光を分光することができる。さらに、ポリクロメータの横方向のサイズを小さくすることができる。
【００２９】
また、入射光とは異なる光学平面上に光検知器（フォトダイオードアレイ）４７が設置されているので、ポリクロメータ内の入射光の光学平面上に存在するポリクロメータの側壁、遮光板、その他の構造物から反射される光が光検知器４７に到達せず、結果として光学系として迷光が減少し、たとえば吸光度検出器として使用した場合は直線性のダイナミックレンジがより大きくなる。
【００３０】
＊＊実験結果
本発明に係るフローセルを作成し、フォトダイオードアレーからの出力及び溶媒の成分を変化させた場合のベースラインの変動を、円柱形状のフローセルと比較した。波長及び溶媒等の測定条件を以下の通り行い、またフローセルに入射した光は、フローセルの光の出口側に結像するようにしている。
【００３１】
まず、フローセルがＨ₂０で満たされているときの、光検出器（フォトダイオードアレー）からの２５０ｎｍ及び４００ｎｍにおける出力は以下のようであった。
【００３２】
【表１】

すなわち、従来型のフローセルより、本発明に係る実施の形態によるフローセルの方が２５０ｎｍにおいて約１．３倍、４００ｎｍにおいて約１．２倍エネルギーが高い。なお、円筒形状のフローセルの場合には、光の焦点をフローセルのどの位置にあわせるかによって光検出器からの出力は多少変化するといわれている。そして，表１に示した値は、本発明品同様光出口側に結像したものである。但し、光入口側に結像した場合でもほとんど差が認められなかった。
【００３３】
次に表２に示すように、溶媒の成分を変化させた場合のベースラインの変動を示す。
【００３４】
【表２】

また、上記溶媒条件での従来型の円柱状の試料室を有するフローセルによるベースラインの変化は、図１１に示すようになった。また、同様の条件での本発明では、図１２に示すようになった。ここで、Ｈ₂Ｏのみを流しているときのベースラインをそれぞれＢ１（従来：図１１），Ｂ３（本発明：図１２）、ＣＨ₃ＣＮのみを流しているときのベースラインをそれぞれＢ２（従来：図１１），Ｂ４（本発明：図１２）、グラジエント中のベースラインの変動区間をそれぞれＢ１２（従来：図１１），Ｂ３４（本発明：図１２）とおくと、以下の２つのことがわかる。
（１）Ｂ１２とＢ３４のベースライン変動の幅（図中の幅を示す矢印の長さ）を比較すると、本発明の方が減少している。
（２）Ｂ１，Ｂ２のベースラインの高さは一致していないが、Ｂ３，Ｂ４のベースラインの高さは一致している。
【００３５】
また、同様に、図３に示す光出口側が広くした円錐台形状の試料室を持ったフローセルによるベースラインの変化は、図１３に示すようになる。ここで、上記と同様にＨ₂Ｏのみを流している時のベースラインをＢ５、ＣＨ₃ＣＮのみを流している時のベースラインをＢ６とし、グラジエント中のベースラインの変動区間をＢ５６とおくと、以下の２つのことがわかる。
（１）Ｂ５６とＢ３４のベースライン変動の幅（図中の幅を示す矢印の長さ）を比較すると、本発明の方が減少している。
（２）Ｂ５，Ｂ６のベースラインの高さは一致していないが、Ｂ３，Ｂ４のベースラインの高さは一致している。
【００３６】
以上のことから、従来の試料室が円柱状のフローセルや、光入口側を狭くした円錐台形状の試料室を持ったフローセルと、本発明品とを比較すると、本発明品の方が溶媒組成が変化した場合のベースラインの安定度が目覚ましく改善されていることがわかる。
【００３７】
以上のように、液体クロマトグラフ用多波長検出器において、本発明に係るフローセルを使用することにより、従来使用されているフローセルに比べて、エネルギーも高く、また溶媒変化にともなうベースラインの変動を最小に抑えることができ、安定した測定が可能となる。
【００３８】
また、上記した各実施の形態では、いずれも多波長検出器に適用した例を示したが、本発明ではこれに限ることはなく、単一波長を試料に照射するタイプのＵＶ検出器に適用できる。一例を示すと、図１４に示すように、光源５０から出射した光は、球面鏡５１，スリット５２，回折格子５３，球面鏡５４を備えた第１光学系を経て、フローセル１０に入射するようにしている。このように第１光学系側に分散素子である回折格子５３を設けて波長分散し、目的の波長の光のみをフローセル１０内に通過させるようにしている。また、フローセル１０の後段には、フォトダイオード５５を配置している。
【００３９】
また、上記した各実施の形態では、いずれもフローセルに対する入射光は、そのフローセルの光出口側で結像するようにしたが、本発明はこれに限ることはなく、例えば図１５に示すように、光出口側よりもさらに外側で結像するようにしてもよい。但し、その場合には、光出口側の開口径よりも、通過する光の光束の径を小さくし、フローセルにて吸収されないように構成するのがよい。
【００４０】
さらにまた、図１６に示すようなタイプの検出器にも適用できる。すなわち、タングステンランプ６０から出射した光をレンズ６１で集束させ、シースルータイプの重水素ランプ６２に集光する。これにより、重水素ランプ６２からは、２つのランプから発光される光が合成された状態で出射される。そして、その光をレンズ６３で集束させてフローセル６４の光出口側で結像させる。このフローセル６４も、光入口側が広くなった円錐台形状の試料室を備えたものを用いている。さらに、フローセル６４を透過した光を、レンズ６５で集光するとともに、スリット６６上に結像させ回折格子６７に照射させ、波長分散させた光を、光検出器６８で検出するようになっている。図から明らかなように、光検出器６８以外の光学部品が、同一直線状に並ぶため、構造がシンプルとなる。さらに、セル６４の出口とレンズ６５との間隔よりも、レンズ６５とスリット６６との間隔を短くすることで波長分解能を高くし、かつ光の利用効率も高くすることができる。
【００４１】
【発明の効果】
以上のように、本発明に係る液体クロマトグラフ用ＵＶ検出器では、フローセルの試料室の内形状を光入口側が広くなった円錐台形状とし、かつ、セルへの入射光の焦点はセルの光出口近傍或いはそれよりも外側に設けたことにより、立体角を大きくとることができ、フローセルへの入射光の利用効率が高く、なおかつ、フローセル中を流れる溶媒の屈折率が変わった場合でもベースラインの変動を極力小さく抑えることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】従来技術を示す図である。
【図２】従来技術を示す図である。
【図３】従来技術を示す図である。
【図４】本発明の要部となるフローセルの一例を示す図である。
【図５】本発明に係る検出器の一実施の形態を示す図である。
【図６】本発明に用いられるフローセルを示す模式図である。
【図７】そのフローセルの具体的な構造の一例を示す図である。
【図８】その断面図である。
【図９】本発明に係る検出器の他の実施の形態を示す平面図である。
【図１０】図９に示す検出器を示す側面図である。
【図１１】従来の装置を用いて行った測定結果を示す図である。
【図１２】本発明の装置を用いて行った測定結果を示す図である。
【図１３】従来の装置を用いて行った測定結果を示す図である。
【図１４】本発明に係る検出器の他の実施の形態を示す平面図である。
【図１５】フローセルと入射光の結像位置の関係を示す図である。
【図１６】本発明に係る検出器の他の実施の形態を示す平面図である。
【符号の説明】
１０フローセル
１１試料室
１２フローセルブロック
１３窓板
１４抑え板
１５ａ流入路
１５ｂ流出路
２０，２１，４０，５０，６０，６２ランプ（光源）
２２窓板
２３ハーフミラー（第１光学系）
２５軸外し楕円鏡（第１光学系）
２８石英窓板
２９球面鏡（第２光学系）
３０平面鏡（第２光学系）
３１入射スリット（第２光学系）
３２，４６，６７回折格子（第２光学系）
３３，４７，６８光検知器
４１第１補助光学系（第１光学系）
４３第２補助光学系（第２光学系）
４４ポリクロメータ（第２光学系）
５１，５４球面鏡（第１光学系）
５３回折格子（第１光学系）

Claims

光源と、その光源から出射した光をフローセルに入射させる第１光学系と、フローセルから出射された光を光検知手段に受光させる第２光学系とを備え、
前記フローセルは、軸方向に延びる試料室の内形状が、光入口側から光出口側にいくに従って、徐々に縮小する円錐台形状とし、
前記第１光学系は、前記フローセルの光出口側端部近傍、或いはその光出口側端部より外側で結像するように調整したことを特徴とする液体クロマトグラフ用ＵＶ検出器。
前記第２光学系に分散素子を設け、多波長の測定を可能とした請求項１に記載の液体クロマトグラフ用ＵＶ検出器。
前記フローセルの光出口側に溶媒の流入路を設けるとともに、光入口側に前記媒体の流出路を設けたことを特徴とする請求項１または２に記載の液体クロマトグラフ用ＵＶ検出器。