JP4290181B2 - 蛍光検知器構造 - Google Patents
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関連出願
本願は、２００１年３月２日に出願された米国仮出願６０／２７３，０９３号による優先権を主張している。
本願は、２００１年３月２日に出願された米国仮出願６０／２７３，０９３号による優先権を主張している。
本発明は、蛍光検知器に関し、より特定すると、改良された感度を可能にする単位体積当たりの著しく長い励起光路長を有する軸線方向に照射されたフローセルに関する。
蛍光及び励起スペクトルの測定においては、強い発生源からの単色光によってサンプルを照射し且つモノクロメータ及び光電検知装置によって、サンプルから射出される蛍光を観察することが一般的に行われる。
従来の蛍光検知器は、モノクロメータと、基本的に同じ幾何学的構造を有する不可干渉性の光源とに基づいている。励起及び射出モノクロメータは、共に同じ面内にある。キュベット又はフローセルは、一方の側を励起光によって照射され、蛍光が直角に集光される。励起及び射出モノクロメータのスリットは、光学系の面に直角なセルの長手軸線と整合される。光学系の面内にある従来の検知器のセルの断面は、典型的には正方形である。
従来の液体クロマトグラフィ装置において使用される標準的な検知フローセルは、それらのセルの光路が、それらの設計の機能として不幸にも短いという欠点を有している。セルの射出面の幅は、集光系によって射出モノクロメータ入口スリットの幅上に写される。所望のスペクトル分解能は、射出スリットの幅、従って、フローセル又はキュベットの幅に対して限度を設定する。励起光ビームは、フローセル内を伝播して蛍光放射を生じさせる。蛍光放射の量又は強度は、サンプル内の励起ビームの光路長と直接関係がある。サンプルの体積が小さくなるにつれて、結果的に得られる光路長は比例的に短くなって、検知器の低い感度を生じさせる。
上記のタイプの蛍光測定装置は、ある種の欠点を呈する。より重要な問題のうちの一つは、比較的短い光路長が遭遇する限度によって、出力信号の大きさが比較的小さいことである。装置の通常の形態においては、高圧キセノンアークのような高い輝度の光源が、励起モノクロメータの入口スリットに合焦され、出口スリットの像は、第一の光学系によってサンプル上に合焦される。サンプルからの蛍光は、射出モノクロメータの入口スリット上に合焦されて、射出モノクロメータの出口スリットにおける信号が検知器へと導かれるようになされている。選択された波長で蛍光信号を測定するために、光電子増倍管のような感度の良い検知器が、射出モノクロメータの出口スリットの後方に配置される。不幸にも、この従来の蛍光サンプル検知の方法は、サンプルのサイズが小さくなるにつれて品質が低下する。
短い励起光路によって生じる検知のこの著しい制限の観点から、励起光路を長くするため、従って、分析の感度を増すために、従来技術において多くの試みがなされて来た。
吸収光路長を長くするために、軸線方向の照射による光を導くフローセルを使用したラマン及び蛍光検知における努力がなされて来た。この方法においては、前方か後方の散乱方向において軸線方向に集光される励起及び射出のためにレーザーが使用される。これらのセルは、毛細管によって作られ、分析溶液の屈折率が管壁の屈折率を超え、励起光が内部全反射によって導かれる。しかしながら、これらの明らかな実証された利点に拘わらず、これらは、二酸化珪素を基材とするガラスが高い屈折率（ｎ＞１．４６）を有するので、現在のところほとんど使用されていない。内部全反射のための要件は、中心のサンプル液の屈折率が毛細管壁の屈折率を超えることを指示しており、これは、実用性を厳しく制限する。
低い屈折率の液体と共に使用される中空のガラス又はシリカ製の導波管は、光学的視点における欠点を有する。これらは、ガラス管の外面における内部反射によって機能するので、これらは、光が液体コアばかりでなく管壁内を進むのを可能にする。ガラス壁内を進むことは、分光的な観点からいくつかの不利な結果を有する。ガラス内を進むことは、液体内の光の光路長を短くする。また、特にラマンの研究においては、ガラス壁内を進むことは、二酸化珪素の帯の発生をもたらし、これは、不所望な背景雑音に寄与する。
水よりも小さい屈折率を有するテフロン（登録商標）ＡＦ管の代用によって、これらの困難性のいくつかが解消される。これらの光導波セルにおいては、励起光路長が長くなる。しかしながら、射出された蛍光は、サンプル液の光導波部分の長さを進まなければならず且つ溶液が極端に薄くない限り、再吸収を受けるかもしれない。自己吸収は、光導波セル内のサンプル濃度の直線動作範囲を厳しく制限し得る。
本発明による測光フローセルは、励起ビームの長い光路長によって、サンプルによるより大きな光の吸収を提供する。励起光路長が長いことにより、サンプルにより多くの蛍光フォトンを生成させて、蛍光検知器がより大きな検知感度を有するようにさせる。このフローセルの設計の結果として、射出されたフォトンが横切る光路長が短くなり、自己吸収に伴う非直線性が避けられる。
本発明に従って、小さいサンプル体積のための測光装置はセル本体によって作られる。セル本体は、同セル本体の表面に隣接して配置された光入力光学系を有している。光源は、概して、高圧キセノンアークの高放射輝度部分によって付与され、モノクロメータは、光入力光学系を介して所定の波長又は波長範囲の光を選択する。光入力光学系は、収差が極めて低い光学系によって作られて、波長選択の後に、高圧キセノンアークの小さい高−放射輝度部分が、フローセルの小さい端部断面上に集光され。このようにして、長い光路長を備えたフローチャネルの軸線方向の照射を提供する。
フローセルを軸線方向に照射することによって、全ての方向に射出される大きな蛍光をサンプルに生成させる。逸脱した蛍光放射を射出窓を通るように導くミラーの面を射出窓と反対側に配置することによって、より多くの蛍光がフローセルの長手側から集光される。励起ビームを、湾曲した端部ミラー面から離れるように逆反射させて、ビームをフローチャネル内に２回通すことによって、本発明のフローセル内に付加的な感度が達成され、それによって、光路長が著しく長くされる。この延ばされた光路長における最小体積は、光源の集光及び励起モノクロメータのために設計された基準とされた収差の低い光学系を利用して、高圧のキセノンアークの小さい高放射輝度部分がフローセルの小さい端部断面上に集光されるようにすることによって達成される。フローセルの軸線方向の照射は、励起光学系の面を水平にさせて、フローセルの長手軸線が水平であるようにさせ且つ射出光学系の面が垂直であるようにさせることによって達成される。
２つの別個の面上の光学系の幾何学的構造のこの変化は、フローセルの軸線方向の照射によって延ばされた光路長を可能にし且つフローセルの軸線に平行に同フローセルの長いスリット形状の側面から結果的に得られる射出光の集光を可能にすることによって、光検知の改良された感度を可能にする。
本発明の利点としては、フローセル内の光路長が著しく延ばされて、出力信号のより大きな強度をもたらすことがある。この利点は、従来の大きさのフローセルと比較して小さいサンプルに対してより高い感度を可能にする。本発明の更に別の利点は、溶媒の前置濾過作用及び後置濾過作用によって信号の測定が容易になることである。
本発明の上記の及びその他の特徴及び利点は、添付図面と組み合わせてなされた以下の例示的な実施形態の詳細な説明によって更に十分に理解されるであろう。
本発明によるフローセルは、典型的には、０．５〜１５μＬの小さなサンプル体積を分析するために使用される。一般的には、これらの小さなサンプル体積の分析は、サンプルを通る長い光路長を可能にする逆反射ミラーを有する軸線方向に励起されたフローセルを使用することによって達成される。異なる面上に励起光学系及び射出光学系を備えた本発明のフローセルを使用することによって、関心のあるサンプルを通る著しく長い光路長、従って、検知器の結果のより高い感度が可能になる。
図１．Ａ及び１．Ｂを参照すると、本発明によるフローセル１００は、黒色石英及び非蛍光の透明石英の組み合わせによって構成される。透明石英は、スプラジル（Ｓｕｐｒａｓｉｌ）又はこれと等価の当業者に知られている透明石英のような低い蛍光を有するＵＶグレードである。フローセル１００は、基端１０１と末端１０２とを有している。基端１０１は、励起ビーム１０３がフローチャネル１０７内へと伝播するのを可能にする励起レンズ１１２を含んでいる。末端１０２は、逆反射ミラー付きのレンズ１０４を含んでいる。逆反射ミラー付きのレンズ１０４は、励起ビーム１０３を受け取る端部と反対側のフローセル１００の末端１０２に配置されている。
励起ビーム１０３は、フローセル１００の基端１０１においてフローチャネル１０７内に入射し、フローチャネル１０７内を軸線方向に進む。励起ビーム１０３は、次いで、フローセル１００の末端に設けられた逆反射ミラー付きのレンズ１０４を使用することによって、フローチャネル１０７内へと再度導かれる。蒸発せしめられたアルミニウムで光学レンズをコーティングすることによって、逆反射ミラー１０４を形成するＳｉＯ２保護膜を備えた逆反射ミラー付きレンズ１０４が形成される。フローセル１００の末端１０２に配置された逆反射ミラー付きレンズ１０４は、励起ビーム１０３を戻して関心のあるサンプル内へと再度導き、励起ビーム１０３が少なくとも２回サンプル内を通過するようにさせる。フローチャネル１０７内のサンプル内に励起ビーム１０３を２回通過させることによって、サンプル内の励起ビーム１０３の光路長を効率良く２倍にし、それによってサンプルの蛍光を増大させ且つ検知器の感度を更に改良する。
本発明によるフローセル１００は、フローチャネル１０７の両端に配置された、サンプルに分析を受けさせるためにフローセル１００内を通過させる入口ポート１０５及び出口ポート１０６を有している。フローチャネル１０７は、頂部プレート１０８及び底部プレート１０９によって形成されて、同フローチャネル１０７が２つの対向するプレート１０８、１０９の間に配置されるようになされている。頂部プレート１０９は、射出窓１１０を形成している黒色石英と透明石英 とによって形成されている。底部プレート１０９もまた、黒色石英と透明石英とによって形成されている。底部プレート１０９の透明石英領域は、同底部プレート１０９に反射ミラー付きの面１１１を提供するＳｉＯ２保護膜を備え、蒸発せしめられたアルミニウムによってコーティングされている。底部プレート１０９のミラー付きの面１１１は、射出エネルギを、頂部プレート１０８に含まれる射出窓１１０を通り且つ同射出窓から出て行くように導く。
図２．Ａ、２．Ｂ、２．Ｃ及び２．Ｄを参照すると、例示的な本発明のフローセル及び同フローセルを製造する方法が示されている。本発明のフローセル２００は、（フローセルの所望のサイズの関数としての）特定の寸法を有し、組み立てられたときに、小さい体積及び長く延ばされた光路長を有するフローセルを形成する一連のプレートを使用して作られる。フローセル２００は、サイズが実質的に等しく且つ形状が矩形である頂部プレート２０１と底部プレート２０２とを有している。この例示的な実施形態においては、プレート２０１及び２０２の両方が、約４ｍｍ×６ｍｍであり、蛍光が低いＵＶグレードである透明石英によって作られた、幅が約４ｍｍで長さが約５ｍｍの中心領域２０３を有している。両方のプレートの中心領域２０３は、幅が約０．５ｍｍの黒色石英の帯２０４を各端部に有している。
フローセルを形成している頂部プレート２０１及び底部プレート２０２の端部に設けられた黒石英の帯２０４は、励起光が、フローセル２００の頂部及び底部を形成している中心領域２０３内の透明石英プレートの端部断面に入射するのを阻止する。これらの黒石英の帯２０４は、両方とも、散乱光を減らし且つフローセル２００に入る光のスペクトル幅を制限するフローセル２００の入口開口を規定している。特に頂部プレート２０１に設けられたこれらの同じ黒石英の帯２０４は、射出集光光学系が、フローセル２００の内側端面を見ることを阻止して、散乱された励起光の集光を最少化している。
プレート２０１、２０２は、両方とも、フローセル２００内の体積に応じて厚みが約１．０ないし１．５５ｍｍである。底部プレート２０２は、蒸着アルミニウムによってコーティングされたＳｉＯ２保護膜を底部プレート２０２の外側に備えている。蒸着アルミニウムコーティングは、底部プレート２０２の中心領域２０３にミラー付きの面２１６を形成している。頂部プレート２０１は、コーティングされないまま残されて、頂部プレート２０１の中心領域２０３に射出窓を形成している。
頂部プレート２０１と底部プレート２０２との間には、２つの類似した中間プレートが配置されており、これらの中間プレートは、配置されたときに入口ポート２０６及び出口ポート２０７を有しているフローチャネル２０５（図示せず）を形成する。後方の中間プレート２０８は黒石英によって形成されている。後方の中間プレート２０８は、頂部プレート２０１及び底部プレート２０２の長さに等しい長さを有している。第一の例示的な実施形態においては、後方の中間プレート２０８は、厚みが約１．５ｍｍで幅が約１．５ｍｍである。前方の中間プレート２０９は、後方の中間プレート２０８よりも短い約０．４ｍｍの長さを有している。前方の中間プレート２０９は、頂部プレート２０１と底部プレート２０２との中央においてフローセルアセンブリ内に配置されている。前方の中間プレート２０９を中央に位置決めすることによって、前方の中間プレート２０９の両側に約０．２ｍｍの隙間が形成されている。これらの隙間は、入口ポート２０６及び出口ポート２０７を形成している。同じ長さの頂部プレート及び底部プレートを有している前方の中間プレート２０９内に穴を開けるか又はさもなければ穴を形成することによって、入口ポート２０６及び出口ポート２０７を形成することができることは、本発明の範囲内で予想される。
第一の例示的な実施形態における後方の中間プレート２０８及び前方の中間プレート２０９の幅とこれら２つのプレートの厚みとの組み合わせは、この実施形態においては、幅が１．０ｍｍで高さが１．５ｍｍで長さが６．０ｍｍの概略の寸法を有しているフローチャネル２０５を形成している。これらの寸法は、約９．０μＬの体積を有するフローチャネルを形成する。
第二の例示的な実施形態においては、後方の中間プレート２０８及び前方の中間プレート２０９の高さは、約４．０ｍｍまで低くされている。後方の中間プレート２０８及び前方の中間プレート２０９の幅は、約１．８ｍｍまで広げられている。頂部プレート２０１及び底部プレート２０２の長さは同じままである。第二の例示的な実施形態における中間プレート２０８，２０８の変更された寸法によって、幅０．４ｍｍ、高さ０．４ｍｍ、長さ６．０ｍｍの概略の寸法を有するフローチャネル２０５がもたらさせる。第二の例示的な実施形態内のフローチャネル２０５の寸法は、約０．９６μＬの体積を有する小体積のフローチャネル２０５を形成する。この第二の実施形態においては、頂部プレート２０１と底部プレート２０２との厚みは、２つの実施形態の外径寸法を同じにして、共通のセル量における互換性を助長するために、約１．５５ｍｍまで増大せしめられる。両方の例示的な実施形態のフローチャネルは、約５００ｐｓｉまでの内部圧力に耐える構造とされている。
フローセル２００を形成している組み合わせられたプレートは、第一の端部２１１と第二の端部２１２とを有している。両方の例示的な実施形態においては、組み合わせられたプレートの各端部２１１、２１２に光学レンズが固定されている。組み合わせられたプレートの第一の端部には、励起レンズ２１４が固定されていて、フローチャネル２０５が励起ビームを受け取るのを可能にしている。組み合わせられたプレートの第二の端部には、第二の光学レンズ２１５が固定されている。第二の光学レンズ２１５は、その外面にＳｉＯ２保護膜によってコーティングされている。この第二の光学レンズ２１５のアルミニウムコーティングによって、ミラー付きの面を有するようになる。励起レンズ２１４の反対側のフローチャネル２０５の端部にこのミラー付きの面を有することにより、励起ビームがフローチャネル２０５内へと逆反射せしめられる。
球面／平面励起レンズ２１４の曲線は、励起光学装置の瞳孔が逆反射ミラー付きの第二の光学レンズ２１５を形成しているコーティングされたレンズの曲線は、セルの入口開口が単位倍率でそれ自体へと像を写し戻されるように選択される。このようにして、セルの内壁による励起光の反射が最少化されて、射出モノクロメータ内の迷光による背景が最少化される。
上に示された種々のプレート及び部品が互いに融着される前に、これらの部品は、適当な場所での液体ガスケットシール並びに低散乱光学的伝達及び反射を可能にする粗さに加工され且つ研磨される。これらの部品はまた、当業者に知られている種々の接着剤及び方法を使用することによって相互に固定されてもよい。
図３を参照すると、典型的な検知器のための従来技術による光学系が示されている。励起光学系及び射出光学系の両方が同じ面上にある。励起ビームはフローセル内を通過せしめられ、結果的に得られる射出光は直角に集光される。サンプルを通る光路長は、フローセルの幅によって限定され且つ決定される。
本発明による光学系は、２つの別個の面上に存在する。図４．Ａ及び４．Ｂは、本発明のフローセル内で使用されているように、２つの別個の面上にある射出光学系と励起光学系の図面による表示を提供している。これらの光学系は、極めて低い収差の光学系であるように設計されている。キセノンアークによって生成された光ビームは、集光光学系３０３へと導かれ、集光光学系３０３は、光ビーム３０２を更に励起モノクロメータ３０５の入口スリット３０４に向けて導く。入口スリット３０４に入射した光ビーム３０２は、励起光学系３０６の方向へ向けられ励起格子３０７へと導かれる。励起光学系は、光源の集光のために設計された極めて収差の低い光学系であり、例示的な実施形態においてはキセノンアーク３１３から発生される光ビーム３０２の小さい高放射輝度部分が、本発明のフローセル３００の小さな端部断面３０８上へと軸線方向に集光される励起ビーム３１４を生成する。
励起レンズを含んでいるフローセル３００の小さな端部断面３０８は、大まかには正方形である。関心のある液体サンプルを含んでいるフローセル３００は、励起ビーム３１４を受け取り、サンプルは、励起ビーム３１４の軸線方向の流れによって励起され、この励起ビーム３１４は、次いで、フローチャネルの端部に設けられたミラー付きのレンズによって逆反射されてサンプル内へと戻される。励起ビーム３１４がフローセルの軸線に沿ってサンプル内を前後に通過することによって、従来のフローセルよりも大きな蛍光が生成される。サンプルによってもたらされた蛍光は全ての方向に射出される。本発明のフローセル３００は、誤った方向に向けられた蛍光を集光するためにフローセル３００の射出窓と反対側へ反射されている。
フローセル３００から射出された蛍光は、フローセル３００の長手側面上の射出窓から集光され且つ射出光学系３１５に向けて導かれ、射出光学系３１５は、蛍光を射出モノクロメータ３１０の射出光入口スリット３０９に向けて導く。射出スリットは、フローセルの射出窓の長手軸線と整合されている。射出光学系が励起光学系に直角な面内にあるようにさせるのは、この事実による。蛍光は、次いで、射出光入口スリット３０９を通って射出格子３１８へと通過する。励起モノクロメータ３０５の面及びフローセル３００の長手軸線は共に水平である。射出光学系３１５及び射出モノクロメータ３１０の面は、励起モノクロメータ３０５及びフローセル３００の長手軸線に直角である。
特に図４．ｂを参照すると、射出モノクロメータ３１０の図面による表示が示されている。フローセル３００から射出された蛍光は、垂直に配置された射出モノクロメータ３１０によって受け取られる。射出モノクロメータ３１０の垂直方向位置によって、励起ビーム３１４がフローセル３００内を軸線方向に通過せしめられる。フローセル３００内を励起ビーム３１４が軸線方向に通過することによって、その光学系が全て図３に示すように水平である従来の装置よりも光路長が著しく長くされる。集光された射出光は、入口スリット３０９を通過し、射出格子３１８上へ導かれる。蛍光は、射出格子３０８によって導かれ且つ射出モノクロメータ３１０の出口スリット３１７を介して集光される。出口スリット３１７から出た蛍光は、サンプルからの発光射出の選択された単色の部分を含んでいる。発生する発光は、光電子像倍管３２０によって受け取られる。光電子像倍管３２０は、当業者に知られている一般的な構造を有し、特定の関心のある波長での感度を示すタイプであるのが好ましい。光電子像倍管３２０は、出口スリット３１７から射出する蛍光の強度に関係のある信号を発生する。
本明細書における例示的な実施形態に記載されている可視光の光源はキセノンアークであるけれども、キセノン／水銀アーク、重水素アーク、タングステンハロゲンランプ等のような当業者に知られている他の適当な可視光又は不可視光の光源を使用することができることは理解されるべきである。
本明細書の例示的な実施形態のフローチャネルの寸法は０．９６μＬないし９．０μＬの体積のサンプルを生成するけれども、フローセルの形成中に中間プレートの寸法を変えることによって、著しく大きいか又は小さい体積を獲得することができる。
この例示的な実施形態はフローチャネルの端部に逆反射ミラーを示しているけれども、フローセル自体の軸線方向の照射によって、より長い光路長、従って、より高い感度の検知器が形成されることが当業者によって理解されるべきである。同様に、フローチャネルの端部に設けられた逆反射ミラーは、励起ビームを多数回前後に反射させて、励起ビームの光路長、従って、検知器の感度を大きく増大させるような構造とすることができる。
更に、アルミニウムの逆反射面がフローセルの端部の外側に蒸着されるように記載されているけれども、使用されるべき励起波長に応じて、銀、金等のような他の材料を、逆反射を生じさせるめために使用することができる。適当な反射材料によってコーティングされた逆反射ミラー面として、凹状の内側面を使用することができることもまた理解されるであろう。
本発明の精神及び範囲から逸脱することなく、本発明の形態及び細部に種々の他の変更、省略及び付加を施しても良い。従って、上記の説明は、限定的なものと解釈されるべきではなく、単に種々の実施形態の形状として解釈されるべきである。
Claims (9)
- 測光分析のためのフローセルであって、
セル本体と、
前記セル本体内に形成され、入力手段と出力手段とを有するフローチャネルと、
前記セル本体に対して軸線方向に配置された光入力手段であって、同光入力手段と前記セル本体とが水平面内にあるようになされた光入力手段と、
所定の波長の励起ビームを射出するための光源手段であって、前記励起ビームが前記フローチャネル内を軸線方向に流れて蛍光を発生するようになされた光源手段と、
前記励起ビームを逆反射させて前記フローチャネル内へと戻すための手段にして、反射材料によってコーティングされた光学レンズを含む手段と、
前記蛍光を前記光出力手段に向けて反射させるための手段と、
前記光出力手段に隣接して配置された光検知手段と、を含むフローセル。 - 測光分析のためのフローセルであって、
セル本体と、
前記セル本体内に形成され、入力手段と出力手段とを有するフローチャネルと、
前記セル本体に対して軸線方向に配置された光入力手段であって、同光入力手段と前記セル本体とが水平面内にあるようになされた光入力手段と、
所定の波長の励起ビームを射出するための光源手段であって、前記励起ビームが前記フローチャネル内を軸線方向に流れて蛍光を発生するようになされた光源手段と、
前記励起ビームを逆反射させて前記フローチャネル内へと戻すための手段にして、蒸着アルミニウムによってコーティングされた光学レンズを含む手段と、
前記蛍光を前記光出力手段に向けて反射させるための手段と、
前記光出力手段に隣接して配置された光検知手段と、を含むフローセル。 - 請求項１または２に記載のフローセルであって、
前記光源手段がキセノンアークを含んでいる、フローセル。 - 請求項１または２に記載のフローセルであって、
前記蛍光を反射させるための手段が、前記光出力手段の反対側にミラー付きの面を含んでいる、フローセル。 - 請求項１または２に記載のフローセルであって、
前記光出力手段が透明な窓を含んでいる、フローセル。 - 請求項１または２に記載のフローセルであって、
前記光入力手段が光学的励起レンズを含んでいる、フローセル。 - 請求項１または２に記載のフローセルであって、
前記セル本体が、透明石英及び黒色石英によって作られた種々の大きさのプレートを含む、フローセル。 - 請求項１または２に記載のフローセルであって、
前記蛍光を反射するための手段が、蒸着アルミニウムによってコーティングされた透明石英プレートを含んでいる、フローセル。 - 請求項７に記載のフローセルであって、
前記プレートが、互いに融着されたプレートである、フローセル。
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