JP4098603B2 - Optical sensor - Google Patents

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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、測定対象と物理的若しくは化学的に相互作用する検出素子の光学特性の変化或いは検体(若しくは測定対象)の光学的特性の変化を検出する検出部と、光源及び光検出器などの光学部とを用いて測定対象の存在及び/又は濃度を測定するための光学センサに関するものであり、より詳細には、雰囲気温度と異なる温度の検体、温度変化する検体或いは温度の異なる一連の検体の測定に供される光学センサに好適に適用し得るものである。
【0002】
【従来の技術】
従来、測定対象と物理的若しくは化学的に相互作用する検出素子の光学特性の変化或いは検体(若しくは測定対象)の光学的特性の変化を利用して、検体中の測定対象の存否及び/又は濃度を光学的に直接検出する光学センサが各種提案されている。
【0003】
例えば、水中に溶存する有機物を検出する光学センサがある(例えば、特許文献1参照)。この光学センサは、検出素子が備える感応部材としてポリマー薄膜を用いて光反射量を測定する。つまり、水中に溶存する有機物と反応、吸収、吸着などによって相互作用して膜厚に物理的変化を生じるポリマー薄膜を使用し、このポリマー薄膜の物理的変化を干渉増幅反射法によって測定して、水中に溶存する有機物の濃度を決定する。
【0004】
図7を参照して更に説明すると、斯かる光学センサは、検出素子20と、光源11及び光検出器12などの光学部品とを備える。検出素子20は、基板及び結合器として作用するプリズム21の一面にポリマー薄膜22を所定の膜厚に形成したもので、プリズム21は、ポリマー薄膜22が被検液(水溶液)Sと接触するように配置されている。
【0005】
プリズム21、ポリマー薄膜22、被検液Sの屈折率をそれぞれn1、n2、n3として、n1>n2>n3であるとき、光源11より出射されてプリズム21を介してポリマー薄膜22に入射された光(入射光)L1は、プリズム21とポリマー薄膜22との界面及びポリマー薄膜22と被検液Sとの界面で反射され、プリズム21を介して出射された光(反射光)L2が光検出器12にて検出される。
【0006】
このとき、被検液Sと接触するポリマー薄膜22が水中に溶存する有機物を吸収などして膨潤し、膜厚dなどが変化することで光の反射特性が変化し、反射光L2の強度が変化することを利用して、水中に溶存する有機物濃度を測定する。
【0007】
この他、測定対象と物理的若しくは化学的に相互作用する検出素子の光学特性の変化或いは検体(若しくは測定対象)の光学的特性の変化を利用して、被検液中の測定対象成分の存否及び/又は濃度を測定する光学センサとしては、一例として次のものが挙げられる。
【0008】
上記干渉増幅反射法と同様、検体中の測定対象と相互作用して、反射特性などの光学特性が変化する感応膜を用いる光学センサとして、表面プラズモン共鳴法センサ(SPR)、光導波路型センサ、マッハツェンダー干渉計式センサなどが挙げられる。
【0009】
このような各種光学センサは、光学的特性の変化を検出することで、検体中の測定対象を、典型的には無試薬にて直接検出することができ、簡易、迅速、且つ、屋外での測定のための携帯型センサへの応用が比較的容易であるといった利点を有し、測定手法として極めて有用である。
【0010】
【特許文献1】
特開平10−104163号公報
【0011】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、例えば、光学センサが携帯可能であり、様々な環境条件下の検体の測定に供される場合、次のような問題があることが分かった。
【0012】
水中の溶存有機物濃度測定用の光学センサ(以下、「溶存有機物濃度センサ」という。)を例に説明すると、上記従来の溶存有機物濃度センサは、プリズム及びポリマー薄膜を備える検出素子と、光源及び光検出器などの光学部品とが一体に形成されている。
【0013】
本発明者らは、図8に示すように、光源11及び光検出器12などの光学部品と、検出素子20とを、同一の筐体(センサボディ)23内に配置して検出部(センシングプローブ)2とし、光源11及び光検出器12を信号線51、52を通して制御部3に接続して、溶存有機物濃度センサ200を構成した。プリズム21にポリマー薄膜22を形成して成る検出素子20は、筐体23の先端に、被検液Sにポリマー薄膜22が接触し得るように配置した。そして、光源11より出射された入射光L1が、ポリマー薄膜22内で多重反射され、その反射光L2が光検出器12で受光される。この溶存有機物濃度センサ200を用いて、様々な環境条件下にある被検液Sに対する測定を試みた。
【0014】
斯かる構成では、センサボディ23は被検液Sに接触するため、検出素子20と、光源11及び光検出器12などの光学部品との双方が被検液Sの温度の影響を受ける。そのため、被検液Sの温度が変化するか若しくは異なる温度の被検液Sを測定した時に、繰り返し性が悪く、再現性のあるデータが得られない、又は指示値がドリフトして安定値が得られないといった問題があった。
【0015】
更に説明すると、上述のように、溶存有機物濃度センサ200は、ポリマー薄膜22が水中の溶存有機物を吸収して膨潤し、膜厚が厚くなることで膜内反射強度が変化することを利用して水中に溶存する有機物の濃度を測定する。即ち、水中に溶存する有機物の濃度に対応して膜厚が変化することから、有機物濃度と反射光光度に相関関係が得られ、水中の溶存有機物の濃度を測定することができる。
【0016】
一例として、ポリマー薄膜22に膜厚が1μm程度のポリメタクリル酸共重合体を用いた場合、凡そ100ppmの有機物を吸収して変動する膜厚は、50nm程度であった。これは、0.5nmの膜厚変化は有機物濃度1ppmに相当することを示す。
【0017】
しかしながら、ポリマー薄膜22は、水中に溶存する有機物が無くても、被検液Sの温度の変化に対応して膨潤、収縮を生じる。そして、上記ポリマー薄膜22において、温度に対して凡そ0.5nm/℃、つまり約1ppm/℃程度の影響を受けることがあった。これにより、温度が高くなると見かけ上指示値が大きくなり、温度が低下すると逆に指示値が小さくなる。
【0018】
一方、光源11や光検出器12などの光学部品が、ポリマー薄膜22より温度影響が大きい場合、一例として、光源11としてレーザーダイオード、光検出器12としてフォトダイオードを用いたとき、その温度影響は3〜5ppm/℃であった。上記光源11及び光検出器12を用いた場合、温度によって影響を受ける方向はポリマー薄膜22と同じであり、温度が高くなると見かけ上指示値が大きくなり、温度が低下すると逆に指示値が小さくなる。
【0019】
そして、重要なことに、実際の測定において、室温と異なる温度の被検液を測定した場合、ポリマー薄膜22は薄膜であるため、温度差Δt℃に対応して膜が瞬時に膨張又は収縮して、Δt×1ppmの指示値変化を生じさせる。これに対して、光学部品(光源11及び光検出器12)はセンサボディ23の内部にあるため、外部の温度変化が内部に伝わるのに時間がかかるため、上記ポリマー薄膜22の温度特性により瞬時に指示値がΔt×1ppm変動した後に、徐々に指示値がドリフトすることになり、指示値が安定しないという結果になる。
【0020】
特許文献1は、ポリマー薄膜の屈折率及びポリマー薄膜の膨潤が温度と共に変動するため、温度制御又は温度補償が必要となる可能性を示唆している。しかしながら具体的な手段は示されていない。しかも、本発明者らが成した上記問題認識の1つ、即ち、光源や光検出器などの光学部品が被検液の液温の影響を受けて指示値がドリフトして安定値が得られないといった問題認識については何ら示されていない。
【0021】
上述のように、検出素子と光学部品とで、その温度の影響の程度及び/又は温度変化に対する応答性に差異があることは、安定な指示値、信頼性ある測定結果を得るために大きな問題となる。
【0022】
上述のような問題は、検出素子の感応部材として有機物を吸収して膨潤するポリマー薄膜を使用する場合に限られない。上記表面プラズモン共鳴法センサ、光導波路型センサ、マッハツェンダー干渉計式センサなどにおいて用いられる感応膜が温度特性を有し、又光源、光検出器などの光学部品との温度特性の程度及び/又は温度変化に対する応答性に相当の差があると、上記同様の問題が発生する。
【0023】
従って、本発明の目的は、雰囲気温度と異なる温度の検体、温度変化する検体或いは温度の異なる一連の検体の測定を行う際などに、常に指示値が安定し、再現性の良好な信頼性の高い測定結果を得ることのできる光学センサを提供することである。
【0024】
【課題を解決するための手段】
上記目的は本発明に係る光学センサにて達成される。要約すれば、本発明は、測定時に検体と接触する検出部と、前記検出部に光を入力する光源、及び前記検出部から出力される光を検出する光検出器を備える光学部と、を有する光学センサであって、
前記検出部は検体と相互作用する検出素子を備えており、前記光源は前記検出素子に入射する光を発し、前記光検出器は前記検出素子から出射される反射光を検出し、
前記検出部と前記光学部とは前記光学部を検体に接触させずに測定可能なようにそれぞれ別個の筐体に囲包されて互いに分離されていると共に光導波手段を備えるケーブルによって結合されており、且つ、前記検出部及び前記光学部はそれぞれ温度検出手段を有し、前記検出部の温度検出手段は前記検出素子の近傍に設けられ、前記光学部の温度検出手段は前記光学部の内部に設けられており、
更に、前記検出部が有する前記温度検出手段による検体の温度の検出結果及び前記光学部が有する前記温度検出手段による前記光学部の雰囲気温度の検出結果のそれぞれに基づいて、前記光検出器の出力信号が示す前記反射光の強度である反射強度を補正する制御手段を有し、該制御手段は、予め求められた検体の温度と前記反射強度との関係を示す関係式及び前記光学部の雰囲気温度と前記反射強度との関係を示す関係式を用いることで、前記光検出器の出力信号が示す前記反射強度を基準温度における反射強度に補正して、補正後の該基準温度における反射強度に基づいて、検体中の測定対象の存否及び/又は濃度を求めることを特徴とする光学センサである。
【0025】
本発明の一実施態様によると、前記光導波手段は、前記光源からの光を前記検出素子に導く光ファイバと、前記検出素子からの光を前記光検出器に導く光ファイバと、を有する。一実施態様では、光学センサは、検体としての被検液中の溶存有機物を検出する。前記検出素子は、検体と接触する高分子薄膜を有するものであってよい
【0026】
本発明の好ましい一実施態様によると、光学センサは更に、前記光源及び前記光検出器を囲包する断熱手段を有し、一実施態様では、前記光学部が有する温度検出手段は、前記断熱手段により囲包された領域内部に設けられる
【0027】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係る光学センサを図面に則して更に詳しく説明する。
【0028】
実施例1
図1は、本発明に係る光学センサの一実施例の概略構成を示す。本実施例の光学センサは、水中に溶存する有機物、例えば、アルコール、トルエン、ベンゼン、キシレン、ヘキサンなどの存否及び/又は濃度を測定するためのセンサ(溶存有機物濃度センサ)である。又、本実施例の光学センサ100は携帯可能に構成されている。
【0029】
光学センサ100は、大別して光学部1と、検出部(センシングプローブ)2と、制御手段たる制御部(計器)3とを有する。
【0030】
光学部1は、光源11、コリメータレンズ11a、集光レンズ11b、光検出器12、制御部3からの指示により光源11の駆動信号を生成し、又光検出器12の出力信号の増幅処理を行う電子回路である駆動回路54、制御部3との通信手段としてのインターフェイス55などを、光学部筐体13内に有する。
【0031】
光源11としては、レーザダイオード(LD)などのレーザ光源、発光ダイオード(LED)などを好適に使用することができる。本実施例では、中心波長660nmのLEDを使用した。又、光検出器12としては、フォトダイオード、フォトトランジスタなどの光電変換素子を好適に使用することができる。本実施例では、フォトダイオードを使用した。
【0032】
この他、必要に応じて光源11の光量安定化などのために用いる参照光用の光検出器、光源11から出射された光又は光検出器12若しくは参照光用の光検出器に入射する光を偏光、分割、集光或いはコリメートする手段など、適当な光学部品を更に有していてよい。
【0033】
検出部2は、略円筒形状の検出部筐体(センサボディ)23内に検出素子20を有する。検出素子20は、基板及び結合器としてのプリズム21の一面にポリマー薄膜22を所定の膜厚に形成したものである。検出素子20は、センサボディ23が被検液Sに浸漬された際に被検液Sにポリマー薄膜22が接触するようにセンサボディ23に取り付けられ、又センサボディ23の内部に被検液が入らないようになっている。又、検出素子20が外光の影響を受けないように、内部への被検液Sの流入を許す略円筒形状の遮光カバー23aが、センサボディ23の検出素子20が設けられた側の先端に延長して設けられている。
【0034】
ポリマー薄膜22としては、種々の側鎖基を有するビニルポリマー類、ポリシロキサン及び種々の重縮合ポリエステル類、ポリアミド類、ポリイミド類、ポリウレタン類及びポリウレア類などを使用することができる。本実施例では、ポリマー薄膜22としては、ポリメタクリレート共重合体を用い、プリズム21の一面に厚さ1.5μmに形成した。
【0035】
尚、ポリマー薄膜22をガラス、プラスチックなどの基板上に形成して、プリズム結合器、格子結合器をこの基板のポリマー薄膜が設けられた側とは反対側に設けてもよい。又、ポリマー薄膜22は、基板上に、スピンコーディング法、ポリマー溶液のキャスティング法など任意公知の薄膜形成方法により形成することができる。
【0036】
又、検出部2には、温度検出手段(温度センサ)24が設けられている。温度センサ24は、本実施例ではサーミスタとされ、温度特性を有する検出部2、特に、検出素子20のポリマー薄膜22の温度を検出するためにポリマー薄膜22の近傍に設けた。これにより、被検液Sの温度変化に対してポリマー薄膜22が瞬時に応答し、指示値が変化するのに対応するように、その温度変化をリアルタイムで検出することができる。温度検出手段はこれに限定されるものではなく、検出部2の、特に、本実施例では検出素子20のポリマー薄膜22の環境温度情報信号を生成できるものであればよい。
【0037】
制御部3は、光学部1の駆動信号の生成や検出信号の演算処理を実行するための演算部31、記憶部32、光学部1との通信手段としてのインターフェイス33、測定開始/停止や各種データの入力のための入力手段34、測定結果や各種設定値の表示のための表示部35を有する。
【0038】
図示の通り、本実施例の溶存有機物濃度センサ100においては、光源11、光検出器12などの光学部品を備える光学部1は、本発明に従ってセンサボディ23から分離されている。又、本実施例では、光学部1は、コネクタ50aを介して制御部3に対して着脱可能になっている。
【0039】
次に、溶存有機物濃度センサ100の動作を説明する。
【0040】
制御部3における操作者の入力などに応じて、測定開始信号が演算部31より生成されると、この信号は、制御部3のインターフェイス33、コネクタ50a内の対応する端子、ケーブル50内を伸張して光学部1と電気的に接続された信号線51を介して、光学部1に送信される。そして、この信号は、光学部1のインターフェイス55を介して駆動回路54に入力され、光源11は、制御部3の指示により駆動回路54が生成した駆動信号により発光する。
【0041】
光学部1の光源11から出射された光(入射光)L1は、コリメータレンズ11a、集光レンズ11bを介して、光導波手段としての入射光側光ファイバ41に導かれる。入射光側光ファイバ41は、光学部1と検出部2とを光学的に結合する結合部であるケーブル40内を伸張されて検出部2内まで連続しており、入射光側光ファイバ41内を導波された入射光L1は、検出部2内でプリズム21に入射される。この入射光は更に、プリズム21によってポリマー薄膜22に結合され、図7を参照して説明したように、ポリマー薄膜22内を多重反射される。そして、反射光L2はプリズム21を通って出射され、検出部2内で、光導波手段としての反射光側光ファイバ42に結合される。反射光側光ファイバ42は、ケーブル40内を伸張されて光学部1内まで連続しており、反射光L2は、光学部1内で光検出器12で受光される。
【0042】
光検出器12は、受光した光の強度に比例した電気信号を出力する。この信号は、駆動回路54にて増幅処理を受けて、光学部1のインターフェイス55を介して反射光L2の強度を表す信号(検出信号)として制御部3へと送信される。検出信号は、ケーブル50内を伸張して制御部3と電気的に接続された信号線52、コネクタ50a内の対応する端子、制御部3のインターフェイス33を介して、演算部31に入力され、測定値の演算に供される。
【0043】
又、検出部2に設けられた温度センサ24の出力信号は、ケーブル40内を伸張する信号線53aによって、光学部1の駆動回路54に電気的に接続されており、検出部2の温度、特に、検出素子20のポリマー薄膜22の環境温度を示す信号(温度検出信号)として、光学部1のインターフェイス55、ケーブル50内を伸張する信号線53b、コネクタ50a内の対応する端子、制御部3のインターフェイス33を介して演算部31に入力される。
【0044】
このように、被検液Sに接触する検出部2から光学部1を切り離すことにより、光源11、光検出器12などの光学部品が被検液Sの温度影響を受けないようにすることができる。
【0045】
即ち、前述のように、光学部1の光源11及び光検出器12などの光学部品、又、検出部2、特に、検出素子20のポリマー薄膜22は温度特性を有する。そして、これらの温度特性は、その程度、温度変化に対する応答性に相当の差がある。更に、本実施例のように、溶存有機物濃度センサ100が携帯可能であり、例えば屋外での測定などにおいて、被検液Sの温度が変化したり、雰囲気温度とは異なる様々な温度の被検液Sの測定を行うことが想定される。そこで、光源11及び光検出器12などの光学部品を備える光学部1と、検出素子20を備える検出部2とを分離して、以下説明するような温度補償を行うことによって、再現性、指示値の安定性は格段に良好になる。
【0046】
本実施例では、被検液S内に検出部2を浸漬し、更にケーブル40の一部をも被検液Sに浸した場合であっても光学部1が被検液Sに接触することがなく、又作業性も良好であるように、ケーブル40に沿う光学部1から検出部2までの距離Dは、約1mとした。勿論、この距離Dは制限されるものではない。光学部1が被検液Sに接触して被検液Sの温度の影響を受けることがないようにして、且つ、操作性など他の制約に鑑みて、適宜、距離Dを選定することができる。
【0047】
[検出部の温度補償]
検出部2に設けられた温度センサ24の温度検出結果を用いて、検出部2の温度補償を行う。
【0048】
本実施例では、制御部3の演算部31が記憶部32に格納されたプログラム及びデータに応じて、検出部2の温度センサ24の温度検出信号から、光検出器12の検出信号の温度補償を行う。
【0049】
一例として、本実施例の構成においては、検出部2、特に、検出素子20のポリマー薄膜22に関して、温度THの被検液Sの測定で得られる反射強度RHtと換算基準温度における反射強度RHとの比rHと、温度THとの関係は4次式となる。
【0050】
H=RHt/RH=AHH 4+BHH 3+CHH 2+DHH+EH・・・(1)
H、BH、CH、DH、EH:定数
従って、予め上記式(1)中の定数を求めておくことによって、温度THの被検液Sの測定で得られる反射強度RHtを、上記(1)より算出した反射強度比で除することで、換算基準温度での値に補償することができる。
【0051】
上記式(1)中の定数は、検出部2、特に検出素子20のポリマー薄膜の温度依存性、即ち、有機物濃度ゼロの水の温度を適当に変化させて(少なくとも4種)、光学部1の温度を一定に保つと共に光検出器12の出力値を測定する。そして、出力値と温度との相関式、即ち、上記式(1)中の定数を求める。こうして得た相関式を、テーブル、演算式などの形態で制御部3の記憶部32に記憶させておき、実際の測定の際には演算部31がこの記憶部32に記憶された相関式(1)を用いることによって、温度センサ24で検出した被検液Sの温度から、出力値の温度変化による(基準温度における出力値に対する)変動分を補正する。
【0052】
こうして検出信号は、演算部31で補正され、更に例えば有機物濃度(ppm)表示に変換され、表示部35にて表示される。勿論、表示部35における表示に限らず、制御部3自体が有するか或いはこれに通信可能に接続された出力装置(プリンタ)を介して、記録用紙などの記録媒体に記録して出力してもよい。或いは、記憶部32、その他適当な記憶媒体に記憶させて保持させ、或いは取り出すことも可能である。
【0053】
尚、記憶部32には、温度補償後の出力値、即ち、基準温度での出力値と、水中の溶存有機物濃度との関係が、所定の校正操作、或いはデータの入力などにより、テーブルデータ、演算式などの形態で格納されており、演算部31は、この情報を用いることにより有機物濃度(ppm)を算出する。
【0054】
本実施例に従う検出部2の温度補償の効果を試験した。
【0055】
(試験例1)
周囲の雰囲気温度を25℃恒温とし、被検液Sとして有機物濃度ゼロの純水を使用して、その水の温度を20℃から35℃の間で変化させた。この時の出力値を濃度換算し、25℃での温度を基準として、温度に対する有機物濃度指示値(ppm)の変化分を求めた。
【0056】
試験は、本実施例に従い検出部2の温度補償を行った場合と、図8を参照して説明したように、光源11及び光検出器12などの光学部品と検出素子20とを同一の筐体内に収納し、温度補償を行わなかった場合(比較例)とで行った。図8中、本実施例の溶存有機物濃度センサ100と同様の機能、構成を有する要素には同一符号を付している。結果を表1及び図4に示す。
【0057】
【表1】

Figure 0004098603
【0058】
表1及び図4の結果に示すように、比較例では、被検液Sの温度の上昇に伴い、急激に測定値が上昇し、その変化量は、約0.6ppm/℃であった。
【0059】
これに対して、本実施例に従い検出部2の温度補償を行った場合、被検液Sの温度上昇に対する測定値の変化はごく僅かに抑えられており、その変化量は約0.02ppm/℃程度であった。光学部1が検出部2から分離されていることで、光学部1が被検液Sの温度変化に影響されないことが分かる。
【0060】
[光学部の温度補償]
上述のように、光学部1は、検出部2から分離されており、被検液Sに接触することはないので、被検液Sの温度変化、被検液S毎の様々な温度の影響を受けることはない。しかし、上述のように、光学部1、特に、光源11及び光検出器12などの光学部品がポリマー薄膜22よりも温度影響が大きい場合などに、雰囲気温度の変化の影響を受け易い。
【0061】
そこで、図2に示すように、更に光学部2の内部の温度変化を検出するために、本実施例ではサーミスタとされる温度検出手段(温度センサ)14を光学部1の内部に設けた。温度検出手段はこれに限定されるものではなく、光学部2の内部の温度情報信号を生成できるものであればよい。温度センサ14の出力信号は、光学部1の内部の温度を示す信号(温度検出信号)として、光学部1のインターフェイス55、ケーブル50内を伸長する信号線53c、コネクタ50a内の対応する端子、制御部3のインターフェイス33を介して演算部31に入力される。
【0062】
そして、その温度検出結果を用いて、検出部2の温度補償とは独立して、光学部1の温度補償を行う。このように、光学部1と検出部2とを分離し、それぞれ独立して温度検知、温度補償を行うことで、得られる検出結果の再現性、指示値の安定性は更に良好になる。
【0063】
一例として、本実施例の構成においては、光学部1、特に、光源11及び光検出器12に関して、温度TOの雰囲気下の測定で得られる反射強度ROtと換算基準温度における反射強度ROとの比rOと、温度TOとの関係は4次式となる。
【0064】
O=ROt/RO=AOO 4+BOO 3+COO 2+DOO+EO・・・(2)
O、BO、CO、DO、EO:定数
従って、予め上記式(2)中の定数を求めておくことによって、温度TOの雰囲気下の測定で得られる反射強度ROtを、上記(2)より算出した反射強度比で除することで、換算基準温度での値に補償することができる。
【0065】
上記式(2)中の定数は、光源11と光検出器12を含む光学部1の温度依存性、即ち、雰囲気温度を適当に変化させて(少なくとも4種)、検出部2の温度を一定に保つと共に光検出器12の出力を測定する。そして、出力値と温度との相関式、即ち、上記式(2)中の定数を求める。こうして得た相関式を、テーブル、演算式などの形態で制御部3の記憶部32に記憶させておき、実際の測定の際には演算部31がこの記憶部32に記憶された相関式(2)を用いることによって、温度センサ14で検出した光源11及び光検出器12を含む光学部1の内部の温度から、出力値の温度変化による(基準温度における出力値に対する)変動分を補正する。
【0066】
そして、上記検出部2と、光学部1とについてそれぞれ独立して求めた補正量を実際の出力値にそれぞれ適用して、光学部1及び検出部2の温度特性による影響を排除した基準温度における出力値を得る。更に、上記同様、この出力値は、有機物濃度(ppm)表示に変換されて、表示部35にて表示される。
【0067】
本実施例に従う光学部1の温度補償の効果を試験した。
【0068】
(試験例2)
被検液Sとして有機物濃度ゼロの純水を使用して、この水の温度を25℃恒温にした状態で、周囲の雰囲気温度を12℃から35℃に変化させた。この時の出力値を濃度換算し、25℃での温度を基準として、温度に対する有機物濃度指示値(ppm)の変化分を求めた。
【0069】
試験は、本実施例に従い光学部1の温度補償を行った場合と、図8を参照して説明したように、光源11及び光検出器12などの光学部品と検出素子20とを同一の筐体内に収納し、温度補償を行わなかった場合(比較例)とで行った。結果を表2及び図5に示す。
【0070】
【表2】
Figure 0004098603
【0071】
表2及び図5の結果に示すように、比較例では、雰囲気温度の上昇に伴い、急激に測定値が上昇し、その変化量は約2.6ppm/℃であった。
【0072】
これに対して、本実施例に従い光学部1の温度補償を行った場合、雰囲気温度の上昇に対する測定値の変化はごく僅かに抑えられており、その変化量は、約0.02ppm/℃程度であった。
【0073】
更に、上記光学部1の温度センサ14に加えて、図2に示すように、光学部1の内部の温度分布が均一となるように、光源11及び光学部品12を含む光学部1の光学部品を断熱手段15で覆い、外部と熱的に遮断した。そして、断熱手段15で囲包された領域の内部に、温度検出手段14を設けることで、光学部1としての温度変化をリアルタイムで検出することができる。断熱手段15としては、発泡スチロール、発泡ウレタンなどを好適に用い得る。本実施例では、発泡ウレタンを用いた。
【0074】
これにより、例えば、屋外での測定などにおいて光学部1の雰囲気温度が変化した場合であっても、光学部1、特に、光源11及び光学部品12などの光学部品はその温度変化から遮断されているため、雰囲気温度の変化が光源11及び光検出器12などの光学部品に徐々に伝達されて、指示値がドリフトするようなことは、ほぼ完全に排除することができる。
【0075】
又、上述では、検出部2から切り離された光学部1は、図1に示すように、ケーブル40、50を介して制御部3と検出部2との間に配置されるとした。しかし、本発明はこれに限定されるものではなく、図3に示すように、検出部2から切り離した光学部1を、制御部(計器)3の内部に組み込み、ケーブル40で検出部2と制御部3内の光学部1とを結合することもできる。図示の例では、制御部3の内部に配置された光学部1は、温度センサ14及び断熱手段15を具備する。これにより、通常使用状態においては、光学部1は確実に操作者の雰囲気温度下にあり、被検液Sの温度の影響を受けることはない。
【0076】
尚、上述では、ポリマー薄膜22の厚みdの変化による検出素子20の光学特性の変化によって、反射強度が変化するとして説明したが、本発明は特定の理論に束縛されることを意図しておらず、ポリマー薄膜22の吸光度、屈折率などのその他の各種パラメータにより反射強度が変化することもある。温度変化によるポリマー薄膜22の光学特性の変化は、その厚みdの変化のみならず、吸光度、屈折率などのその他の各種パラメータが温度により変化することによりもたらされたものであっても、本発明は等しく適用可能である。
【0077】
以上説明した如く、本発明によれば、常に指示値が安定し、再現性の良好な信頼性の高い測定結果を得ることができる。
【0078】
実施例2
次に、本発明の他の適用例を説明する。
【0079】
上記各実施例では、ポリマー薄膜22による光の反射を利用した溶存有機物濃度センサに本発明を適用した場合について説明したが、本発明はこれに限定されるものではない。測定対象と物理的若しくは化学的に相互作用する検出素子が、測定対象に対する感応部材として薄膜を利用する光学センサとしては、干渉増幅反射法センサの他、例えば、表面プラズモン共鳴法センサ(SPR)、光導波路型センサ、マッハツェンダー干渉式センサなどの、各種光学的性質を利用して検体中の測定対象の存否及び/又は濃度を測定する光学センサがある。
【0080】
表面プラズモン共鳴法センサは、金属/液体の界面で表面プラズモンが励起した場合に起こる所謂表面プラズモン共鳴を利用する。表面プラズモン共鳴は、入射角を変化させつつ、検出素子に光を入射させたとき、入射角がある角(共鳴角)の時に反射光の強度が著しく低減する現象である。
【0081】
表面プラズモン共鳴法センサは、例えば図6に示すように、一般的に、基板、結合手段としてのプリズム21と、プリズム21の一面に設けられた金などの金属薄膜25とを備えてなる検出素子20が検出部2のセンサボディ23に具備される。そして、例えば、測定対象(例えば、抗原)と特異的に結合する分子認識物26(例えば、抗体)などを金属薄膜25の表面に担持させることにより、検体中の測定対象が付着した金属薄膜25の表面状態に応じて共鳴角の大きさが変化するため、予め共鳴角と測定対象の濃度との相関を求めておくことで、検体中の測定対象の存否及び/又は濃度を測定することができる。
【0082】
光導波路型センサとしては、ガラスなどの基板上に光導波路層を形成し、この光導波路の表面に例えば測定対象(例えば、酵素反応基質)と特異的に反応する分子認識物(例えば、酵素)を固定し、基板上に格子結合器などを設けた検出素子を用いるものがある。そして、光導波路層内に光を導入し、例えば、分子認識物と測定対象との反応生成物による吸光量;分子認識物と測定対象との反応生成物の蛍光量;分子認識物と測定対象との反応生成物と、分子認識物と一緒に光導波路層の表面に固定された色素との反応生成物の吸光量;分子認識物と測定対象との反応生成物と、分子認識物と一緒に光導波路層の表面に固定された蛍光物質との反応生成物の蛍光量;などを測定する。この吸光量、蛍光量などと測定対象の濃度との相関を予め求めておくことで、検体中の測定対象の存否及び/又は濃度を測定することができる。
【0083】
マッハツェンダー干渉計式センサは、位相の揃ったコヒーレント光を、光ファイバやその他の光導波路で2光路に分岐させ、これを再び合流させた時の位相のずれによる干渉パターンの変化を検出して、2光波間の相対的位相変化量を測定する。斯かる原理を利用した測定方法は、分岐した光路の片側に、検体によって光波の位相が変化する検出領域を設置する。例えば、該検出領域において、光ファイバのクラッドを一部取り去り、そこに検出素子として実施例1にて説明したような有機物感応膜をコーティングする。これにより、検体中の有機物との相互作用により感応膜自体の屈折率が変化して光ファイバのコアから漏れ出す光の量が変化し、検出領域を設置した光路と、上流側で分岐されたもう一方の光路を伝搬される光波とで位相差が生じる。この位相のずれを光学部で測定することにより、検体中の有機物の存否及び/又は濃度を検出することができる。
【0084】
このように、表面プラズモン共鳴法センサ、光導波路型センサ、マッハツェンダー干渉計式センサなどにおいても、検出素子と光学部品とで、その温度の影響の程度及び/又は温度変化に対する応答性に差異があることは、安定な指示値、信頼性ある測定結果を得るために大きな問題となる。又、例えば分子認識物と測定対象との反応性など、検体自体が温度による影響を受けることもあり、その温度変化による影響の程度、応答性は、通常、光学部1とは異なる。従って、このような光学センサにおいても、本発明に従って光学部1と検出素子を設けた検出部2とを分離し、光学部1と検出部2とで独立して温度補償することにより、斯かる問題を解決することができる。
【0085】
以上の各実施例から明らかなように、本発明は、測定対象と物理的若しくは化学的に相互作用する検出素子の光学特性の変化或いは検体(若しくは測定対象)の光学的特性の変化を検出する検出部と、光源、光検出器などの光学部とを用いて測定対象の存在及び/又は濃度を測定するための光学センサに広く適用し得るものである。
【0086】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の光学センサは、測定時に検体と接触する検出部と、検出部に光を入力する光源、及び検出部から出力される光を検出する光検出器を備える光学部と、を有し、検出部は検体と相互作用する検出素子を備えており、光源は検出素子に入射する光を発し、光検出器は検出素子から出射される光を検出し、検出部と光学部とは光学部を測定時に検体に接触させずに測定可能なようにそれぞれ別個の筐体に囲包されて互いに分離されていると共に光導波手段を備えるケーブルによって結合されており、且つ、前記検出部及び前記光学部はそれぞれ温度検出手段を有し、検出部の温度検出手段は検出素子の近傍に設けられ、光学部の温度検出手段は光学部の内部に設けられている構成とされるので、雰囲気温度と異なる温度の検体、温度変化する検体或いは温度の異なる一連の検体の測定を行う際などに、常に指示値が安定し、再現性の良好な信頼性の高い測定結果を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】 本発明に係る光学センサの一実施例(溶存有機物濃度センサ)の概略構成図である。
【図2】 本発明に従った光学部の他の構成例を示す概略構成図である。
【図3】 本発明に従った光学センサの光学部の更に他の構成例を示す概略構成図である。
【図4】 検出部の温度補償の効果を示すグラフ図である。
【図5】 光学部の温度補償の効果を示すグラフ図である。
【図6】 本発明を適用し得る光学センサの他の例(表面プラズモン共鳴法センサ(SPR))を
説明するための検出部の概略構成図である。
【図7】 溶存有機物濃度センサの測定原理を説明するための模式図である。
【図8】 従来技術に従う光学センサの一例の概略構成図である。
【符号の説明】
1 光学部
2 検出部
3 制御部(計器)
11 光源
12 光検出器
14 温度センサ(光学部温度検出手段)
15 断熱手段
20 検出素子
21 プリズム
22 ポリマー薄膜
24 温度センサ(検出部温度検出手段)[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention provides a detection unit that detects a change in optical characteristics of a detection element that physically or chemically interacts with a measurement target or a change in optical characteristics of a specimen (or measurement target), a light source, a photodetector, and the like. The present invention relates to an optical sensor for measuring the presence and / or concentration of a measurement object using an optical unit, and more specifically, a sample having a temperature different from the ambient temperature, a sample changing in temperature, or a series of samples having different temperatures. The present invention can be suitably applied to an optical sensor that is used for the above measurement.
[0002]
[Prior art]
Conventionally, presence / absence and / or concentration of a measurement target in a sample by using a change in optical characteristics of a detection element that physically or chemically interacts with the measurement target or a change in optical characteristics of the sample (or measurement target) Various types of optical sensors that directly detect light are proposed.
[0003]
For example, there is an optical sensor that detects an organic substance dissolved in water (for example, see Patent Document 1). This optical sensor measures the amount of light reflection using a polymer thin film as a sensitive member included in the detection element. In other words, using a polymer thin film that interacts with organic substances dissolved in water by reaction, absorption, adsorption, etc. and causing a physical change in film thickness, the physical change of this polymer thin film is measured by interference amplification reflection method, Determine the concentration of organic matter dissolved in water.
[0004]
Further description will be made with reference to FIG. 7. Such an optical sensor includes a detection element 20 and optical components such as a light source 11 and a photodetector 12. The detection element 20 is formed by forming a polymer thin film 22 with a predetermined film thickness on one surface of a prism 21 acting as a substrate and a coupler. Is arranged.
[0005]
The refractive indexes of the prism 21, the polymer thin film 22, and the test solution S are n1, n2, and n3, respectively. When n1> n2> n3, the light is emitted from the light source 11 and is incident on the polymer thin film 22 through the prism 21. The light (incident light) L1 is reflected at the interface between the prism 21 and the polymer thin film 22 and the interface between the polymer thin film 22 and the test solution S, and the light (reflected light) L2 emitted through the prism 21 is detected by light. It is detected by the device 12.
[0006]
At this time, the polymer thin film 22 that comes into contact with the test solution S absorbs organic matter dissolved in water and swells, and the thickness d and the like change to change the light reflection characteristics, and the intensity of the reflected light L2 is increased. Utilizing the change, the concentration of organic matter dissolved in water is measured.
[0007]
In addition, the presence / absence of the measurement target component in the test liquid using the change in the optical characteristics of the detection element that physically or chemically interacts with the measurement target or the change in the optical characteristics of the specimen (or measurement target). Examples of the optical sensor for measuring the density include the following.
[0008]
Similar to the interference amplification reflection method, as an optical sensor using a sensitive film that interacts with a measurement object in a specimen and changes optical characteristics such as reflection characteristics, a surface plasmon resonance sensor (SPR), an optical waveguide sensor, Examples include a Mach-Zehnder interferometer type sensor.
[0009]
Such various optical sensors can detect a measurement target in a specimen directly, typically without a reagent, by detecting a change in optical characteristics, which is simple, quick, and outdoors. It has the advantage of being relatively easy to apply to a portable sensor for measurement, and is extremely useful as a measurement technique.
[0010]
[Patent Document 1]
JP-A-10-104163
[0011]
[Problems to be solved by the invention]
However, for example, when the optical sensor is portable and is used for measurement of a specimen under various environmental conditions, it has been found that there are the following problems.
[0012]
An optical sensor for measuring the concentration of dissolved organic matter in water (hereinafter referred to as “dissolved organic matter concentration sensor”) will be described as an example. The conventional dissolved organic matter concentration sensor includes a detection element including a prism and a polymer thin film, a light source and light. An optical component such as a detector is integrally formed.
[0013]
As shown in FIG. 8, the present inventors arrange optical components such as the light source 11 and the photodetector 12 and the detection element 20 in the same housing (sensor body) 23 to detect a detection unit (sensing). Probe 2), and the light source 11 and the photodetector 12 were connected to the control unit 3 through signal lines 51 and 52 to constitute the dissolved organic matter concentration sensor 200. The detection element 20 formed by forming the polymer thin film 22 on the prism 21 is arranged at the tip of the housing 23 so that the polymer thin film 22 can come into contact with the test solution S. Then, the incident light L 1 emitted from the light source 11 is multiple-reflected in the polymer thin film 22, and the reflected light L 2 is received by the photodetector 12. Using the dissolved organic matter concentration sensor 200, measurement was performed on the test solution S under various environmental conditions.
[0014]
In such a configuration, since the sensor body 23 contacts the test solution S, both the detection element 20 and optical components such as the light source 11 and the photodetector 12 are affected by the temperature of the test solution S. Therefore, when the temperature of the test solution S changes or when the test solution S having a different temperature is measured, the repeatability is poor and reproducible data cannot be obtained, or the indicated value drifts and the stable value is obtained. There was a problem that it could not be obtained.
[0015]
More specifically, as described above, the dissolved organic matter concentration sensor 200 utilizes the fact that the polymer thin film 22 absorbs the dissolved organic matter in the water and swells, and the in-film reflection intensity changes as the film thickness increases. Measure the concentration of organic matter dissolved in water. That is, since the film thickness changes corresponding to the concentration of organic matter dissolved in water, a correlation is obtained between the organic matter concentration and reflected light intensity, and the concentration of dissolved organic matter in water can be measured.
[0016]
As an example, when a polymethacrylic acid copolymer having a film thickness of about 1 μm is used for the polymer thin film 22, the film thickness that fluctuates by absorbing about 100 ppm of an organic substance is about 50 nm. This indicates that a change in film thickness of 0.5 nm corresponds to an organic substance concentration of 1 ppm.
[0017]
However, the polymer thin film 22 swells and contracts in response to changes in the temperature of the test solution S even when there is no organic substance dissolved in water. The polymer thin film 22 may be affected by the temperature of about 0.5 nm / ° C., that is, about 1 ppm / ° C. As a result, when the temperature increases, the indicated value apparently increases, and when the temperature decreases, the indicated value decreases.
[0018]
On the other hand, when an optical component such as the light source 11 or the photodetector 12 has a larger temperature influence than the polymer thin film 22, as an example, when a laser diode is used as the light source 11 and a photodiode is used as the photodetector 12, the temperature influence is It was 3-5 ppm / ° C. When the light source 11 and the light detector 12 are used, the direction affected by the temperature is the same as that of the polymer thin film 22, and as the temperature rises, the indicated value increases apparently, and when the temperature decreases, the indicated value decreases. Become.
[0019]
Importantly, in the actual measurement, when a test solution having a temperature different from room temperature is measured, since the polymer thin film 22 is a thin film, the film instantaneously expands or contracts corresponding to the temperature difference Δt ° C. Thus, a change in the indicated value of Δt × 1 ppm is caused. On the other hand, since the optical components (the light source 11 and the light detector 12) are inside the sensor body 23, it takes time for an external temperature change to be transmitted to the inside, so the temperature characteristics of the polymer thin film 22 cause an instant. After the indicated value fluctuates by Δt × 1 ppm, the indicated value gradually drifts, resulting in an unstable indication value.
[0020]
Patent Document 1 suggests that temperature control or temperature compensation may be required because the refractive index of the polymer thin film and the swelling of the polymer thin film vary with temperature. However, specific means are not shown. In addition, one of the problems recognized by the present inventors, that is, optical parts such as a light source and a photodetector are affected by the liquid temperature of the test liquid, and the indicated value drifts to obtain a stable value. There is no indication of the problem recognition.
[0021]
As described above, the difference in the degree of the influence of temperature and / or the responsiveness to a temperature change between the detection element and the optical component is a big problem for obtaining a stable indication value and a reliable measurement result. It becomes.
[0022]
The problem as described above is not limited to the case where a polymer thin film that swells by absorbing an organic substance is used as a sensitive member of a detection element. The sensitive film used in the surface plasmon resonance sensor, optical waveguide sensor, Mach-Zehnder interferometer sensor, etc. has temperature characteristics, and the degree of temperature characteristics with optical components such as light sources and photodetectors and / or If there is a considerable difference in responsiveness to temperature changes, the same problem as described above occurs.
[0023]
Therefore, the object of the present invention is to provide stable and reliable reproducibility when measuring a sample having a temperature different from the ambient temperature, a sample changing in temperature, or a series of samples having different temperatures. An optical sensor capable of obtaining a high measurement result is provided.
[0024]
[Means for Solving the Problems]
  The above object is achieved by the optical sensor according to the present invention. In summary, the present invention includes a detection unit that contacts a specimen at the time of measurement, a light source that inputs light to the detection unit, and an optical unit that includes a photodetector that detects light output from the detection unit. An optical sensor comprising:
  The detection unit includes a detection element that interacts with a specimen, the light source emits light incident on the detection element, and the photodetector is emitted from the detection element.ReflectionDetect light,
  The detection unit and the optical unit are surrounded by separate casings and separated from each other so that measurement can be performed without bringing the optical unit into contact with the specimen, and are coupled by a cable including optical waveguide means. And each of the detection unit and the optical unit has a temperature detection unit, the temperature detection unit of the detection unit is provided in the vicinity of the detection element, and the temperature detection unit of the optical unit is located inside the optical unit. Provided inAnd
Further, the output of the light detector is based on the detection result of the temperature of the specimen by the temperature detection unit of the detection unit and the detection result of the atmospheric temperature of the optical unit by the temperature detection unit of the optical unit. A control unit that corrects a reflection intensity that is the intensity of the reflected light indicated by the signal, and the control unit includes a relational expression that indicates a relationship between the temperature of the specimen obtained in advance and the reflection intensity, and an atmosphere of the optical unit. By using the relational expression indicating the relationship between temperature and the reflection intensity, the reflection intensity indicated by the output signal of the photodetector is corrected to the reflection intensity at the reference temperature, and the corrected reflection intensity at the reference temperature is obtained. Based on this, the presence / absence and / or concentration of the measurement target in the sample is obtained.This is an optical sensor.
[0025]
  According to an embodiment of the present invention, the optical waveguide means includes an optical fiber that guides light from the light source to the detection element, and an optical fiber that guides light from the detection element to the photodetector. In one embodiment, the optical sensor detects dissolved organic matter in a test solution as a specimen. The detection element may have a polymer thin film that comes into contact with a specimen..
[0026]
  According to a preferred embodiment of the present invention,lightThe optical sensor further includes heat insulating means for enclosing the light source and the light detector. In one embodiment, the temperature detecting means of the optical unit is provided in an area surrounded by the heat insulating means..
[0027]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, the optical sensor according to the present invention will be described in more detail with reference to the drawings.
[0028]
Example 1
FIG. 1 shows a schematic configuration of an embodiment of an optical sensor according to the present invention. The optical sensor of the present embodiment is a sensor (dissolved organic matter concentration sensor) for measuring the presence and / or concentration of an organic substance dissolved in water, for example, alcohol, toluene, benzene, xylene, hexane, or the like. Further, the optical sensor 100 of this embodiment is configured to be portable.
[0029]
The optical sensor 100 roughly includes an optical unit 1, a detection unit (sensing probe) 2, and a control unit (instrument) 3 as control means.
[0030]
  The optical unit 1 generates a drive signal for the light source 11 according to instructions from the light source 11, the collimator lens 11a, the condenser lens 11b, the light detector 12, and the control unit 3, and the light detector.12The optical unit housing 13 includes a drive circuit 54 that is an electronic circuit that performs amplification processing of the output signal, an interface 55 that serves as a communication unit with the control unit 3, and the like.
[0031]
As the light source 11, a laser light source such as a laser diode (LD), a light emitting diode (LED), or the like can be preferably used. In this example, an LED having a center wavelength of 660 nm was used. In addition, as the photodetector 12, a photoelectric conversion element such as a photodiode or a phototransistor can be preferably used. In this embodiment, a photodiode is used.
[0032]
In addition, a reference light detector used for stabilizing the light amount of the light source 11 as necessary, light emitted from the light source 11, or light incident on the photodetector 12 or the reference light detector. A suitable optical component such as a means for polarizing, splitting, condensing or collimating the light may be further provided.
[0033]
The detection unit 2 includes a detection element 20 in a detection unit housing (sensor body) 23 having a substantially cylindrical shape. The detection element 20 is formed by forming a polymer thin film 22 with a predetermined thickness on one surface of a prism 21 as a substrate and a coupler. The detection element 20 is attached to the sensor body 23 so that the polymer thin film 22 comes into contact with the test solution S when the sensor body 23 is immersed in the test solution S, and the test solution is placed inside the sensor body 23. It is designed not to enter. In addition, a substantially cylindrical light-shielding cover 23a that allows the sample liquid S to flow into the inside so that the detection element 20 is not affected by external light is provided at the tip of the sensor body 23 on the side where the detection element 20 is provided. It is provided to extend.
[0034]
As the polymer thin film 22, vinyl polymers having various side chain groups, polysiloxane and various polycondensation polyesters, polyamides, polyimides, polyurethanes, polyureas, and the like can be used. In this example, a polymethacrylate copolymer was used as the polymer thin film 22 and was formed on one surface of the prism 21 to a thickness of 1.5 μm.
[0035]
The polymer thin film 22 may be formed on a substrate such as glass or plastic, and the prism coupler and the grating coupler may be provided on the side of the substrate opposite to the side where the polymer thin film is provided. The polymer thin film 22 can be formed on the substrate by any known thin film forming method such as a spin coding method or a polymer solution casting method.
[0036]
The detection unit 2 is provided with temperature detection means (temperature sensor) 24. The temperature sensor 24 is a thermistor in this embodiment, and is provided in the vicinity of the polymer thin film 22 in order to detect the temperature of the detection unit 2 having temperature characteristics, in particular, the polymer thin film 22 of the detection element 20. Thereby, the polymer thin film 22 responds instantaneously to the temperature change of the test solution S, and the temperature change can be detected in real time so as to correspond to the change of the indicated value. The temperature detection means is not limited to this, and any means may be used as long as it can generate an environmental temperature information signal of the detection unit 2, particularly the polymer thin film 22 of the detection element 20 in this embodiment.
[0037]
The control unit 3 includes a calculation unit 31 for generating a drive signal for the optical unit 1 and a calculation process for a detection signal, a storage unit 32, an interface 33 as a communication unit with the optical unit 1, measurement start / stop, and various types. An input unit 34 for inputting data and a display unit 35 for displaying measurement results and various set values are provided.
[0038]
As shown in the figure, in the dissolved organic matter concentration sensor 100 of the present embodiment, the optical unit 1 including optical components such as the light source 11 and the photodetector 12 is separated from the sensor body 23 according to the present invention. In the present embodiment, the optical unit 1 is detachable from the control unit 3 via the connector 50a.
[0039]
Next, the operation of the dissolved organic matter concentration sensor 100 will be described.
[0040]
When a measurement start signal is generated from the calculation unit 31 in response to an operator input or the like in the control unit 3, this signal extends through the interface 33 of the control unit 3, the corresponding terminal in the connector 50 a, and the cable 50. Then, the signal is transmitted to the optical unit 1 via the signal line 51 electrically connected to the optical unit 1. This signal is input to the drive circuit 54 via the interface 55 of the optical unit 1, and the light source 11 emits light according to the drive signal generated by the drive circuit 54 according to an instruction from the control unit 3.
[0041]
  Light (incident light) L1 emitted from the light source 11 of the optical unit 1 is guided to an incident light side optical fiber 41 as an optical waveguide means through a collimator lens 11a and a condenser lens 11b. The incident light side optical fiber 41 is extended in the cable 40 which is a coupling portion for optically coupling the optical unit 1 and the detection unit 2 and continues to the detection unit 2. Is incident on the prism 21 in the detector 2. This incident light is further coupled to the polymer thin film 22 by the prism 21 and is reflected multiple times within the polymer thin film 22 as described with reference to FIG. Then, the reflected light L2 is emitted through the prism 21, and is coupled to the reflected light side optical fiber 42 as an optical waveguide means in the detection unit 2. The reflected light side optical fiber 42 extends in the cable 40 and continues to the inside of the optical unit 1, and the reflected light L <b> 2 is a photodetector in the optical unit 1.12Is received.
[0042]
The photodetector 12 outputs an electrical signal proportional to the intensity of the received light. This signal is amplified by the drive circuit 54 and transmitted to the control unit 3 as a signal (detection signal) indicating the intensity of the reflected light L <b> 2 via the interface 55 of the optical unit 1. The detection signal is input to the arithmetic unit 31 via the signal line 52 that is extended in the cable 50 and electrically connected to the control unit 3, the corresponding terminal in the connector 50a, and the interface 33 of the control unit 3. It is used for calculation of measured values.
[0043]
Further, the output signal of the temperature sensor 24 provided in the detection unit 2 is electrically connected to the drive circuit 54 of the optical unit 1 by a signal line 53 a extending in the cable 40, and the temperature of the detection unit 2, In particular, as a signal (temperature detection signal) indicating the environmental temperature of the polymer thin film 22 of the detection element 20, the interface 55 of the optical unit 1, the signal line 53b extending in the cable 50, the corresponding terminal in the connector 50a, the control unit 3 Are input to the arithmetic unit 31 via the interface 33.
[0044]
In this way, by separating the optical unit 1 from the detection unit 2 in contact with the test solution S, it is possible to prevent the optical components such as the light source 11 and the photodetector 12 from being affected by the temperature of the test solution S. it can.
[0045]
That is, as described above, the optical components such as the light source 11 and the photodetector 12 of the optical unit 1 and the polymer thin film 22 of the detection unit 2, particularly the detection element 20, have temperature characteristics. These temperature characteristics have a considerable difference in their responsiveness to temperature changes. Further, as in the present embodiment, the dissolved organic matter concentration sensor 100 is portable. For example, in the case of outdoor measurement, the temperature of the test solution S changes, or tests at various temperatures different from the ambient temperature are performed. It is assumed that the liquid S is measured. Therefore, by separating the optical unit 1 including optical components such as the light source 11 and the photodetector 12 and the detection unit 2 including the detection element 20 and performing temperature compensation as described below, reproducibility and instruction are performed. The stability of the value is much better.
[0046]
In this embodiment, the optical unit 1 is in contact with the test solution S even when the detection unit 2 is immersed in the test solution S and a part of the cable 40 is also immersed in the test solution S. The distance D from the optical unit 1 to the detection unit 2 along the cable 40 is about 1 m so that there is no problem and the workability is good. Of course, this distance D is not limited. It is possible to select the distance D as appropriate so that the optical unit 1 does not come into contact with the test solution S and is not affected by the temperature of the test solution S, and in consideration of other restrictions such as operability. it can.
[0047]
[Temperature compensation of detector]
The temperature compensation of the detection unit 2 is performed using the temperature detection result of the temperature sensor 24 provided in the detection unit 2.
[0048]
In the present embodiment, the calculation unit 31 of the control unit 3 performs temperature compensation of the detection signal of the photodetector 12 from the temperature detection signal of the temperature sensor 24 of the detection unit 2 in accordance with the program and data stored in the storage unit 32. I do.
[0049]
As an example, in the configuration of the present embodiment, the temperature T with respect to the detection unit 2, particularly the polymer thin film 22 of the detection element 20, is described.HRatio r of the reflection intensity RHt obtained by measurement of the test liquid S and the reflection intensity RH at the conversion reference temperatureHAnd temperature THIs a quartic equation.
[0050]
rH= RHt / RH = AHTH Four+ BHTH Three+ CHTH 2+ DHTH+ EH... (1)
AH, BH, CH, DH, EH:constant
Therefore, by obtaining the constant in the above formula (1) in advance, the temperature THBy dividing the reflection intensity RHt obtained by the measurement of the test liquid S by the reflection intensity ratio calculated from the above (1), the value at the conversion reference temperature can be compensated.
[0051]
The constant in the above formula (1) is obtained by appropriately changing the temperature dependence of the polymer thin film of the detection unit 2, particularly the detection element 20, that is, the temperature of water having an organic substance concentration of zero (at least four types). And the output value of the photodetector 12 is measured. Then, a correlation equation between the output value and the temperature, that is, a constant in the above equation (1) is obtained. The correlation equation thus obtained is stored in the storage unit 32 of the control unit 3 in the form of a table, an arithmetic expression, etc., and the actual calculation is performed by the calculation unit 31 stored in the storage unit 32. 1) is used to correct the variation due to the temperature change of the output value (relative to the output value at the reference temperature) from the temperature of the test solution S detected by the temperature sensor 24.
[0052]
In this way, the detection signal is corrected by the calculation unit 31, further converted into, for example, organic substance concentration (ppm) display, and displayed on the display unit 35. Of course, it is not limited to the display on the display unit 35, and it may be recorded on a recording medium such as a recording sheet and output via an output device (printer) that the control unit 3 itself has or is communicably connected to. Good. Alternatively, it can be stored in the storage unit 32 or other appropriate storage medium, held, or taken out.
[0053]
In the storage unit 32, the relationship between the output value after temperature compensation, that is, the output value at the reference temperature, and the concentration of dissolved organic matter in the water is determined by table data, The calculation unit 31 calculates the organic substance concentration (ppm) by using this information.
[0054]
The effect of temperature compensation of the detector 2 according to the present embodiment was tested.
[0055]
(Test Example 1)
The ambient temperature was set to a constant temperature of 25 ° C., pure water with an organic substance concentration of zero was used as the test solution S, and the temperature of the water was changed between 20 ° C. and 35 ° C. The output value at this time was converted into a concentration, and the change in the organic substance concentration instruction value (ppm) with respect to the temperature was obtained with the temperature at 25 ° C. as a reference.
[0056]
In the test, when the temperature compensation of the detection unit 2 is performed according to the present embodiment and as described with reference to FIG. 8, the optical component such as the light source 11 and the photodetector 12 and the detection element 20 are placed in the same housing. It was stored in the body and when temperature compensation was not performed (comparative example). In FIG. 8, elements having the same functions and configurations as the dissolved organic matter concentration sensor 100 of the present embodiment are denoted by the same reference numerals. The results are shown in Table 1 and FIG.
[0057]
[Table 1]
Figure 0004098603
[0058]
As shown in the results of Table 1 and FIG. 4, in the comparative example, as the temperature of the test solution S increased, the measured value increased rapidly, and the amount of change was about 0.6 ppm / ° C.
[0059]
On the other hand, when the temperature compensation of the detection unit 2 is performed according to the present embodiment, the change of the measured value with respect to the temperature rise of the test solution S is suppressed very slightly, and the change amount is about 0.02 ppm / It was about ℃. It can be seen that the optical unit 1 is not affected by the temperature change of the test solution S because the optical unit 1 is separated from the detection unit 2.
[0060]
[Optical temperature compensation]
As described above, since the optical unit 1 is separated from the detection unit 2 and does not come into contact with the test solution S, the temperature change of the test solution S and the influence of various temperatures for each test solution S. Not receive. However, as described above, when the optical part 1, in particular, optical components such as the light source 11 and the photodetector 12 have a larger temperature influence than the polymer thin film 22, the optical part 1 is easily affected by changes in the ambient temperature.
[0061]
Therefore, as shown in FIG. 2, in order to detect a temperature change inside the optical unit 2, temperature detecting means (temperature sensor) 14 that is a thermistor in this embodiment is provided inside the optical unit 1. The temperature detecting means is not limited to this, and any means capable of generating a temperature information signal inside the optical unit 2 may be used. The output signal of the temperature sensor 14 is a signal indicating the temperature inside the optical unit 1 (temperature detection signal), an interface 55 of the optical unit 1, a signal line 53c extending in the cable 50, a corresponding terminal in the connector 50a, The data is input to the calculation unit 31 via the interface 33 of the control unit 3.
[0062]
And the temperature compensation of the optical part 1 is performed independently of the temperature compensation of the detection part 2 using the temperature detection result. Thus, by separating the optical unit 1 and the detection unit 2 and independently performing temperature detection and temperature compensation, the reproducibility of the obtained detection result and the stability of the indicated value are further improved.
[0063]
As an example, in the configuration of the present embodiment, the temperature T is related to the optical unit 1, particularly the light source 11 and the photodetector 12.OThe ratio r of the reflection intensity ROt obtained by measurement in the atmosphere of the sample and the reflection intensity RO at the conversion reference temperatureOAnd temperature TOIs a quartic equation.
[0064]
rO= ROt / RO = AOTO Four+ BOTO Three+ COTO 2+ DOTO+ EO... (2)
AO, BO, CO, DO, EO:constant
Accordingly, by obtaining the constant in the above formula (2) in advance, the temperature TOBy dividing the reflection intensity ROt obtained by the measurement under the above atmosphere by the reflection intensity ratio calculated from (2) above, it is possible to compensate for the value at the conversion reference temperature.
[0065]
The constant in the above formula (2) is the temperature dependence of the optical unit 1 including the light source 11 and the photodetector 12, that is, the ambient temperature is appropriately changed (at least four types), and the temperature of the detection unit 2 is kept constant. And the output of the photodetector 12 is measured. Then, a correlation equation between the output value and the temperature, that is, a constant in the above equation (2) is obtained. The correlation equation thus obtained is stored in the storage unit 32 of the control unit 3 in the form of a table, an arithmetic expression, etc., and the actual calculation is performed by the calculation unit 31 stored in the storage unit 32. 2) is used to correct a variation due to a temperature change of the output value (relative to the output value at the reference temperature) from the temperature inside the optical unit 1 including the light source 11 and the photodetector 12 detected by the temperature sensor 14. .
[0066]
And the correction amount calculated | required independently about the said detection part 2 and the optical part 1 is applied to an actual output value, respectively, in the reference temperature which excluded the influence by the temperature characteristic of the optical part 1 and the detection part 2 Get the output value. Further, as described above, this output value is converted into an organic substance concentration (ppm) display and displayed on the display unit 35.
[0067]
The effect of temperature compensation of the optical unit 1 according to this example was tested.
[0068]
(Test Example 2)
Pure water with an organic substance concentration of zero was used as the test solution S, and the ambient temperature was changed from 12 ° C. to 35 ° C. with the temperature of the water kept constant at 25 ° C. The output value at this time was converted into a concentration, and the change in the organic substance concentration instruction value (ppm) with respect to the temperature was obtained with the temperature at 25 ° C. as a reference.
[0069]
In the test, when the temperature compensation of the optical unit 1 is performed according to the present embodiment and as described with reference to FIG. 8, the optical component such as the light source 11 and the photodetector 12 and the detection element 20 are placed in the same housing. It was stored in the body and when temperature compensation was not performed (comparative example). The results are shown in Table 2 and FIG.
[0070]
[Table 2]
Figure 0004098603
[0071]
As shown in the results of Table 2 and FIG. 5, in the comparative example, as the ambient temperature increased, the measured value increased rapidly, and the amount of change was about 2.6 ppm / ° C.
[0072]
On the other hand, when the temperature compensation of the optical unit 1 is performed according to the present embodiment, the change in the measured value with respect to the increase in the ambient temperature is suppressed to a slight extent, and the change amount is about 0.02 ppm / ° C. Met.
[0073]
Further, in addition to the temperature sensor 14 of the optical unit 1, as shown in FIG. 2, the optical components of the optical unit 1 including the light source 11 and the optical component 12 so that the temperature distribution inside the optical unit 1 is uniform. Was covered with a heat insulating means 15 and thermally insulated from the outside. And the temperature change as the optical part 1 is detectable in real time by providing the temperature detection means 14 inside the area | region enclosed by the heat insulation means 15. FIG. As the heat insulation means 15, styrene foam, urethane foam, or the like can be suitably used. In this example, urethane foam was used.
[0074]
Thereby, for example, even when the ambient temperature of the optical unit 1 changes during outdoor measurement, the optical unit 1, particularly the optical components such as the light source 11 and the optical component 12, are blocked from the temperature change. Therefore, it can be almost completely eliminated that the change in the ambient temperature is gradually transmitted to the optical components such as the light source 11 and the photodetector 12 and the indicated value drifts.
[0075]
In the above description, the optical unit 1 separated from the detection unit 2 is arranged between the control unit 3 and the detection unit 2 via the cables 40 and 50 as shown in FIG. However, the present invention is not limited to this, and as shown in FIG. 3, the optical unit 1 separated from the detection unit 2 is incorporated in the control unit (instrument) 3 and is connected to the detection unit 2 with a cable 40. The optical unit 1 in the control unit 3 can also be coupled. In the illustrated example, the optical unit 1 disposed inside the control unit 3 includes a temperature sensor 14 and a heat insulating means 15. Thereby, in the normal use state, the optical unit 1 is surely under the atmospheric temperature of the operator and is not affected by the temperature of the test solution S.
[0076]
In the above description, it has been described that the reflection intensity changes due to the change in the optical characteristics of the detection element 20 due to the change in the thickness d of the polymer thin film 22, but the present invention is not intended to be bound to a specific theory. First, the reflection intensity may change depending on various other parameters such as absorbance and refractive index of the polymer thin film 22. Even if the change in the optical characteristics of the polymer thin film 22 due to the temperature change is caused not only by the change in the thickness d but also by various other parameters such as absorbance and refractive index, The invention is equally applicable.
[0077]
As described above, according to the present invention, the indicated value is always stable, and a highly reliable measurement result with good reproducibility can be obtained.
[0078]
Example 2
Next, another application example of the present invention will be described.
[0079]
In each of the above embodiments, the case where the present invention is applied to the dissolved organic matter concentration sensor using the reflection of light by the polymer thin film 22 has been described, but the present invention is not limited to this. As an optical sensor that uses a thin film as a sensing member for a measurement object that physically or chemically interacts with the measurement object, in addition to an interference amplification reflection method sensor, for example, a surface plasmon resonance sensor (SPR), There are optical sensors that measure the presence and / or concentration of a measurement target in a specimen using various optical properties, such as an optical waveguide sensor and a Mach-Zehnder interference sensor.
[0080]
A surface plasmon resonance sensor utilizes so-called surface plasmon resonance that occurs when surface plasmons are excited at a metal / liquid interface. Surface plasmon resonance is a phenomenon in which when the incident angle is changed and light is incident on the detection element, the intensity of reflected light is remarkably reduced when the incident angle is a certain angle (resonance angle).
[0081]
For example, as shown in FIG. 6, the surface plasmon resonance sensor generally includes a substrate, a prism 21 as a coupling means, and a metal thin film 25 such as gold provided on one surface of the prism 21. 20 is provided in the sensor body 23 of the detection unit 2. Then, for example, by carrying on the surface of the metal thin film 25 a molecular recognition product 26 (for example, an antibody) that specifically binds to the measurement target (for example, antigen), the metal thin film 25 to which the measurement target in the specimen is attached. Since the magnitude of the resonance angle changes according to the surface state of the sample, the presence / absence and / or concentration of the measurement target in the sample can be measured by obtaining the correlation between the resonance angle and the concentration of the measurement target in advance. it can.
[0082]
As an optical waveguide sensor, an optical waveguide layer is formed on a substrate such as glass, and a molecular recognition substance (for example, an enzyme) that specifically reacts with, for example, a measurement target (for example, an enzyme reaction substrate) on the surface of the optical waveguide. Is used, and a detection element in which a lattice coupler or the like is provided on a substrate is used. Then, light is introduced into the optical waveguide layer. For example, the amount of light absorbed by the reaction product between the molecular recognition product and the measurement target; the fluorescence amount of the reaction product between the molecular recognition product and the measurement target; the molecular recognition product and the measurement target Absorption amount of the reaction product of the reaction product of the molecular recognition product and the dye fixed on the surface of the optical waveguide layer together with the molecular recognition product; together with the reaction product of the molecular recognition product and the measurement target, and the molecular recognition product The amount of fluorescence of the reaction product with the fluorescent substance fixed on the surface of the optical waveguide layer is measured. By obtaining the correlation between the light absorption amount, the fluorescence amount, and the like and the concentration of the measurement target in advance, the presence and / or concentration of the measurement target in the sample can be measured.
[0083]
The Mach-Zehnder interferometer sensor detects the change in the interference pattern due to the phase shift when the coherent light with the same phase is split into two optical paths by an optical fiber or other optical waveguides, and then merged again. The relative phase change between the two light waves is measured. In the measurement method using such a principle, a detection region in which the phase of the light wave changes depending on the specimen is provided on one side of the branched optical path. For example, in the detection region, a part of the clad of the optical fiber is removed, and an organic material sensitive film as described in the first embodiment is coated thereon as a detection element. As a result, the refractive index of the sensitive film itself changes due to the interaction with the organic matter in the specimen, and the amount of light leaking from the core of the optical fiber changes, and the optical path where the detection region is installed and the upstream branch. There is a phase difference between the light wave propagating through the other optical path. By measuring this phase shift with the optical unit, it is possible to detect the presence and / or concentration of the organic substance in the specimen.
[0084]
As described above, even in the surface plasmon resonance sensor, the optical waveguide sensor, the Mach-Zehnder interferometer sensor, etc., there is a difference in the degree of the influence of the temperature and / or the responsiveness to the temperature change between the detection element and the optical component. This is a big problem in order to obtain stable indication values and reliable measurement results. In addition, the specimen itself may be affected by temperature, such as the reactivity between the molecular recognition product and the measurement target, and the degree of influence and the response due to the temperature change are usually different from those of the optical unit 1. Therefore, even in such an optical sensor, according to the present invention, the optical unit 1 and the detection unit 2 provided with the detection element are separated, and the optical unit 1 and the detection unit 2 independently perform temperature compensation. The problem can be solved.
[0085]
As is clear from the above embodiments, the present invention detects a change in the optical characteristics of the detection element that physically or chemically interacts with the measurement target or a change in the optical characteristics of the specimen (or measurement target). The present invention can be widely applied to optical sensors for measuring the presence and / or concentration of a measurement object using a detection unit and an optical unit such as a light source and a photodetector.
[0086]
【The invention's effect】
  As described above, the optical sensor of the present invention includes an optical unit including a detection unit that contacts a specimen at the time of measurement, a light source that inputs light to the detection unit, and a photodetector that detects light output from the detection unit. And havingThe detection unit includes a detection element that interacts with the specimen, the light source emits light incident on the detection element, the photodetector detects light emitted from the detection element,Detection unit and optical unitIs lightTo be able to measure the faculty without touching the specimen during measurementEach enclosed in a separate housingIsolatedAnd coupled by a cable with optical waveguide meansAnd each of the detection unit and the optical unit has a temperature detection means.The temperature detection unit of the detection unit is provided in the vicinity of the detection element, and the temperature detection unit of the optical unit is provided inside the optical unit.Because it is configured, when measuring a sample at a temperature different from the ambient temperature, a sample that changes in temperature, or a series of samples at a different temperature, etc., the indicated value is always stable, and reproducible and highly reliable measurement. The result can be obtained.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a schematic configuration diagram of an embodiment (dissolved organic matter concentration sensor) of an optical sensor according to the present invention.
FIG. 2 is a schematic configuration diagram showing another configuration example of an optical unit according to the present invention.
FIG. 3 is a schematic configuration diagram showing still another configuration example of the optical unit of the optical sensor according to the present invention.
FIG. 4 is a graph showing the effect of temperature compensation of a detection unit.
FIG. 5 is a graph showing the effect of temperature compensation of the optical unit.
FIG. 6 shows another example of an optical sensor (surface plasmon resonance sensor (SPR)) to which the present invention can be applied.
It is a schematic block diagram of the detection part for demonstrating.
FIG. 7 is a schematic diagram for explaining the measurement principle of a dissolved organic matter concentration sensor.
FIG. 8 is a schematic configuration diagram of an example of an optical sensor according to the prior art.
[Explanation of symbols]
  1 Optical part
  2 detector
  3 Control unit (instrument)
  11 Light source
  12    Photodetector
  14 Temperature sensor (Optical part temperature detection means)
  15 Insulation means
  20 sensing element
  21 Prism
  22 Polymer thin film
  24 Temperature sensor (detector temperature detection means)

Claims (6)

測定時に検体と接触する検出部と、前記検出部に光を入力する光源、及び前記検出部から出力される光を検出する光検出器を備える光学部と、を有する光学センサであって、
前記検出部は検体と相互作用する検出素子を備えており、前記光源は前記検出素子に入射する光を発し、前記光検出器は前記検出素子から出射される反射光を検出し、
前記検出部と前記光学部とは前記光学部を検体に接触させずに測定可能なようにそれぞれ別個の筐体に囲包されて互いに分離されていると共に光導波手段を備えるケーブルによって結合されており、且つ、前記検出部及び前記光学部はそれぞれ温度検出手段を有し、前記検出部の温度検出手段は前記検出素子の近傍に設けられ、前記光学部の温度検出手段は前記光学部の内部に設けられており、
更に、前記検出部が有する前記温度検出手段による検体の温度の検出結果及び前記光学部が有する前記温度検出手段による前記光学部の雰囲気温度の検出結果のそれぞれに基づいて、前記光検出器の出力信号が示す前記反射光の強度である反射強度を補正する制御手段を有し、該制御手段は、予め求められた検体の温度と前記反射強度との関係を示す関係式及び前記光学部の雰囲気温度と前記反射強度との関係を示す関係式を用いることで、前記光検出器の出力信号が示す前記反射強度を基準温度における反射強度に補正して、補正後の該基準温度における反射強度に基づいて、検体中の測定対象の存否及び/又は濃度を求めることを特徴とする光学センサ。
An optical sensor having a detection unit that comes into contact with a specimen at the time of measurement, a light source that inputs light to the detection unit, and an optical unit that includes a photodetector that detects light output from the detection unit,
The detection unit includes a detection element that interacts with a specimen, the light source emits light incident on the detection element, the photodetector detects reflected light emitted from the detection element,
The detection unit and the optical unit are surrounded by separate casings and separated from each other so that measurement can be performed without bringing the optical unit into contact with the specimen, and are coupled by a cable including optical waveguide means. And each of the detection unit and the optical unit has a temperature detection unit, the temperature detection unit of the detection unit is provided in the vicinity of the detection element, and the temperature detection unit of the optical unit is located inside the optical unit. is provided to,
Further, the output of the light detector is based on the detection result of the temperature of the specimen by the temperature detection unit of the detection unit and the detection result of the atmospheric temperature of the optical unit by the temperature detection unit of the optical unit. A control unit that corrects a reflection intensity that is the intensity of the reflected light indicated by the signal, and the control unit includes a relational expression that indicates a relationship between the temperature of the specimen obtained in advance and the reflection intensity, and an atmosphere of the optical unit. By using the relational expression indicating the relationship between temperature and the reflection intensity, the reflection intensity indicated by the output signal of the photodetector is corrected to the reflection intensity at the reference temperature, and the corrected reflection intensity at the reference temperature is obtained. An optical sensor characterized in that the presence / absence and / or concentration of a measurement target in a sample is obtained .
前記光導波手段は、前記光源からの光を前記検出素子に導く光ファイバと、前記検出素子からの光を前記光検出器に導く光ファイバと、を有することを特徴とする請求項1の光学センサ。  2. The optical device according to claim 1, wherein the optical waveguide means includes an optical fiber that guides light from the light source to the detection element, and an optical fiber that guides light from the detection element to the photodetector. Sensor. 検体としての被検液中の溶存有機物を検出することを特徴とする請求項1又は2の光学センサ。  3. The optical sensor according to claim 1, wherein a dissolved organic substance in a test liquid as a specimen is detected. 前記検出素子は、検体と接触する高分子薄膜を有することを特徴とする請求項1〜3のいずれかの項に記載の光学センサ。  The optical sensor according to claim 1, wherein the detection element includes a polymer thin film that comes into contact with a specimen. 更に、前記光源及び前記光検出器を囲包する断熱手段を有することを特徴とする請求項1〜のいずれかの項に記載の光学センサ。Furthermore, the optical sensor according to any of claims 1-4, characterized in that it comprises a heat insulating means encloses the light source and the light detector. 前記光学部が有する温度検出手段は、前記断熱手段により囲包された領域内部に設けられることを特徴とする請求項の光学センサ。6. The optical sensor according to claim 5 , wherein the temperature detection means included in the optical unit is provided inside a region surrounded by the heat insulation means.
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