JP4448808B2 - 分光光度計 - Google Patents

Description

本発明は分光光度計に関する。例えば、溶液中の微量物質の吸光度を測定する分光光度計に関する。

従来の分光光度計は、主に、試料への入射光を発生させる光源と、測定対象の試料を収容する試料セルと、試料を透過した光を検出するための分光器と光学検出器から構成されている。光源より発生した光は、集光系により、試料セルに収容された試料へ入射される。試料セルを透過した光から、分光器により、試料に固有の吸収波長にあたる光を取り出す。光電検出器により、光の透過率を測定することにより、試料内成分の定量分析を行うことができる。

光源としては、重水素ランプやハロゲンランプといったランプが使用される。また、ランプを格納する光源室の他、光源室を冷却する冷却手段をもつことが通例である。これは、光源に使用するランプに、通常、最適な発光を実現するための最適管面温度が設定されており、ランプ管面がこの温度となるように光源室を冷却することが必要なためである。冷却手段としては、安価で冷却効率も高い強制空冷ファンを用いることが多い。

近年、分光光度計の一種である液体クロマトグラフ用検出器では、吸収スペクトルをリアルタイムに取得でき、試料の定性能力に優れた３次元検出器が主流となりつつある。しかし、３次元検出器は従来型検出器と比較して感度面で劣り、特に測定出力が環境温度の変動の影響を受けやすい。これは、３次元検出器は、測定の原理上、シングルビーム測光方式を採らざるを得ず、従来のダブルビーム測光方式の単一波長検出器のように光源光量変動を補正することができず、光源光量変動がそのまま出力値のノイズ・ドリフトとなるためである。

特開平１１−１０８８３０号公報では、３次元検出器の環境温度変化による光学検知器の暗出力の変動を、光遮光を行った検知素子からの出力を用いて補正することにより、環境温度変化による検出器のノイズ・ドリフト発生を少なくする発明が開示されている。

特開平１１−１０８８３０号公報

本願発明者が鋭意検討した結果、３次元検出器を用いた分光光度計の冷却手段に強制空冷ファンを用いた場合、以下のような問題が生じることが判明した。

３次元検出器のようなシングルビーム測光方式の分光光度計の場合、ランプの輝度が変化すると、輝度変化がそのまま光度計出力値のノイズ・ドリフトとなる。このため、光度計の高感度化を実現するためには、光源の発光状態を安定に保つことが重要である。ランプの管面温度が変化しないように、光源部の温度を一定に保つことが大事である。

しかし、光源部の冷却手段に強制空冷ファンを用いた場合、光度計周囲の外気を冷媒として用いるため、外気温が変化すると、冷却系の冷却効率が変化し、外気温変動に対応して光源部の温度が変動する。

このため、結果的に外気温変動によって分光光度計の出力値が変動し、これが光度計の感度悪化の一因となっていた。

これを避けるには、外的要因によって冷却効率が変動しにくい電子冷熱等の冷却手段を用いることが考えられるが、これらの方法は強制空冷ファンと比較すると冷却能力が不充分である。光源部の冷却を可能とするためには大掛かりなシステムが必要となり、現実的なコストで実現することは非常に困難である。

また、特開平１１−１０８８３０号公報によって補正されるのは、光学検知器の暗出力に由来する変動分のみであり、環境温度変化に伴う光源光量変化については効果がない。

本発明の目的は、外気温変化の影響を受けず、高感度な分光光度計を安価に提供することに関する。

本発明は、測定対象の試料を収容する試料セルと、前記試料に入射する入射光を供給する光源部と、前記光源部を冷却する冷却手段と、前記試料を透過した光を分光する分光器と、前記分光器により分光された光を検出する光学検知器とを含む分光光度計において、前記冷却手段は、前記光源部を冷却する冷却風を送風する送風手段と、前記冷却風が流れる冷却風流路と、前記冷却風流路を流れる冷却風の温度を測定する温度センサと、前記温度センサの出力値により前記送風手段への供給電圧を制御する制御手段とを備え、前記制御手段は、外気温が上昇して前記冷却風の温度が上昇し、前記温度センサの出力値が上昇したとき、前記冷却風の温度と、冷却風量を決定する前記送風手段の回転数とによって決まる冷却効率を一定に保ち、前記光源部の温度を一定に保つように、前記制御手段は前記送風手段への供給電圧を増加させて、前記送風手段の回転数を増加させることを特徴とする。

本発明により、外気温が変化しても光源部の温度を一定に保つことができる、高感度な分光光度計を安価に実現できる。

以下、上記及びその他の本発明の新規な特徴と効果について、図面を参酌して説明する。

図１に、液体クロマトグラフ用３次元検出器の構成を示す。

３次元検出器は、測定対象の試料を収容する試料セルであるフローセル７と、試料に入射する入射光を供給する光源部である光源１と、光源１を冷却する冷却手段である冷却ファン４と、試料を透過した光を分光する分光器であるグレーティング９と、分光された光を検出する光学検知器であるフォトダイオードアレイ検知器１０を備える。

光源１より放出された光源光を集光レンズ６にてフローセル７に導入し、フローセル透過光を集光レンズ６にてスリット８に集光し、スリット透過光をグレーティング９にて分光し、分光した光を５００〜１０００個の受光素子を持つフォトダイオードアレイ検知器１０にて各波長の光を同時に測定する。これにより、液体クロマトグラフの分離部により分離された試料の成分ごとの吸収スペクトルが取得可能であり、未知試料の定性能力に優れるばかりでなく、吸収スペクトルの形状異常より、各成分の純度を知ることも可能である。

光源１は光源室２に格納され、これを冷却ファン４により発生させた冷却風３によって冷却し、光源１が最適発光する光源温度を実現する。

図２は、液体クロマトグラフ用３次元検出器の光源部の冷却系の模式図である。

この冷却系は、光源室２を冷却する冷却風を発生させるファン４と、冷却風流路を流れる冷却風の温度を測定する温度センサ１２と、温度センサの出力値によりファンへの供給電圧を制御する制御手段であるファン駆動部１３からなる。

図３に、冷却系の制御フローを示す。

温度センサ１２は、冷却風の温度Ｔに対応した出力電圧Ｖｓをファン駆動部１３に出力する。ファン駆動部１３は、その内部の制御回路により温度センサ出力Ｖｓに対応したファン駆動電圧Ｖｄを発生し、これを冷却ファン４に出力する。冷却ファン４は、ファン駆動電圧Ｖｄに対応した回転数ωにて回転し、所望の風量の冷却風３を発生する。

ファン駆動部における入力Ｖｓと出力Ｖｄの関係は、冷却風の温度Ｔと冷却風量を決定するファン回転数ωによって決まる冷却効率Ｆ（Ｔ，ω）を一定にするようにあらかじめ定義されている。以下、実際の冷却風量制御の様子を詳述する。
（１）外気温がＴ′からＴ′＋ΔＴ′に上昇した場合、それにともなって冷却風の温度も ＴからＴ＋ΔＴに上昇し、これによって冷却風の冷却効率がΔＦ＝（∂Ｆ／∂Ｔ） ・ΔＴだけ低下する。
（２）冷却風の温度上昇Ｔ→Ｔ＋ΔＴに対応して、温度センサの出力ＶｓがＶｓ＋ΔＶｓ に上昇する。
（３）ファン駆動部が温度センサ出力変化Ｖｓ→Ｖｓ＋ΔＶｓに対応しファン駆動電圧を Ｖｄ→Ｖｄ＋ΔＶｄに増加させる。
（４）ファン駆動電圧変化Ｖｄ→Ｖｄ＋ΔＶｄに対し、ファン回転数ωがω＋Δωに増加 し、冷却効率が上昇する。
（５）このとき、冷却風温度Ｔとファン回転数ωは中間関数Ｖｓ（Ｔ）とＶｄ（Ｖｓ）に よって、Ｆ（Ｔ，ω）＝一定となるよう関連づけられているので、
ΔＦ＝（∂Ｆ／∂Ｔ）・ΔＴ＋（∂Ｆ／∂ω）・Δω＝０
となる。
（６）ゆえに、冷却風の温度上昇による冷却効率の低下分（∂Ｆ／∂Ｔ）・ΔＴと、ファ ン回転数増加による冷却効率の上昇分（∂Ｆ／∂ω）・Δωがキャンセルし、冷却 効率Ｆを一定に保つことができる。

本実施例により、冷却風の冷却効率を一定に保ち、光源部の温度を一定に保つことができる。これにより、外気温が変化しても常に光源ランプの管面温度が一定となるため、ノイズ・ドリフトの少ない高感度な分光光度計を安価に提供できる。

尚、光源室自体の温度をモニタし、光源室の温度を一定に保つようにする考え方もある。しかし、光源室は高温の光源ランプを収納するため、通常堅牢な構造となっており、結果、熱容量も大きくなる。このため光源室の温度変動は外気温の変動に対して遅れを生じ、また、変動幅も小さくなる。温度センサの検出温度範囲が狭くなるため、温度分解能が高く、かつ特性の個体間差が少ない高品質な温度センサを用いる必要がある。

液体クロマトグラフ用３次元検出器の基本構成図。 分光光度計光源部の冷却系の構成図。 冷却風量制御のフロー図。

符号の説明

１…光源、２…光源室、３…冷却風、４…冷却ファン、５…光学系、６…集光レンズ、７…フローセル、８…スリット、９…グレーティング、１０…フォトダイオードアレイ検知器、１１…計算部、１２…温度センサ、１３…ファン駆動部。

Claims (3)

1. 測定対象の試料を収容する試料セルと、
   前記試料に入射する入射光を供給する光源部と、
   前記光源部を冷却する冷却手段と、
   前記試料を透過した光を分光する分光器と、
   前記分光器により分光された光を検出する光学検知器とを含む分光光度計において、
   前記冷却手段は、前記光源部を冷却する冷却風を送風する送風手段と、
   前記冷却風が流れる冷却風流路と、
   前記冷却風流路を流れる冷却風の温度を測定する温度センサと、
   前記温度センサの出力値により前記送風手段への供給電圧を制御する制御手段とを備え、
   前記制御手段は、外気温が上昇して前記冷却風の温度が上昇し、前記温度センサの出力値が上昇したとき、前記冷却風の温度と、冷却風量を決定する前記送風手段の回転数とによって決まる冷却効率を一定に保ち、前記光源部の温度を一定に保つように、前記制御手段は前記送風手段への供給電圧を増加させて、前記送風手段の回転数を増加させることを特徴とする分光光度計。
2. 請求項１に記載の分光光度計であって、
   前記送風手段がファンであり、該ファンの回転数を変更することにより前記冷却風量を変更することを特徴とする分光光度計。
3. 請求項１に記載の分光光度計であって、
   前記光学検知器が、前記分光器により分光された光をリアルタイムに取得できることを特徴とする分光光度計。

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