JP5419301B2

JP5419301B2 - 試料分析装置

Info

Publication number: JP5419301B2
Application number: JP2011500541A
Authority: JP
Inventors: 一成横山
Original assignee: Horiba Ltd
Current assignee: Horiba Ltd
Priority date: 2009-02-18
Filing date: 2010-01-07
Publication date: 2014-02-19
Anticipated expiration: 2030-01-07
Also published as: US20110299083A1; CN102308199A; JPWO2010095472A1; KR20110127122A; WO2010095472A1

Description

この発明は、試料に光を照射して、その試料を透過した透過光を分光することにより得られる吸収スペクトルによって、試料中の成分濃度を分析する試料分析装置に関するものである。

この種の試料分析装置としては、特許文献１に示すように、例えばハロゲンランプなどの光源からの光を集光レンズにより集光して試料セルに照射し、この試料セルを通過した透過光を回折格子により分光した後、多チャンネル検出器により検出して吸収スペクトルを算出し、試料の成分濃度を分析するものがある。

この試料分析装置により試料の吸光度を測定する場合、吸光度の大きさは、吸光度１（透過率１０％）〜吸光度２（透過率１％）程度が最も測定に適している。これは、吸光度２以上は透過光の光量が小さくなり、測定系のノイズ影響を受けて精度良く濃度測定を行うこと難しくなるためである、一方、吸光度１以下では含まれる成分濃度の変化による吸光度変化が小さくなり、精度良く濃度測定を行うことが難しくなるためである。

例えば試料セルのセル長（セル内部の光路長）が１ｍｍの場合において、波長域Ａの照射光での吸光度が０．１、波長域Ｂの照射光での吸光度が１．０である試料を考える。試料の吸光度は試料濃度及び光路長に比例する（ランバート−ベールの法則）から、試料セルの光路長１０ｍｍの場合には、波長域Ａの照射光での吸光度は１となり、波長域Ｂの照射光での吸光度は１０となる。この場合、従来の試料分析装置おいては、光路長１０ｍｍの試料セルを用いて波長域Ａの照射光で測定するか、光路長１ｍｍの試料セルを用いて波長域Ｂの照射光で測定するかのいずれかである。

そして、多成分試料などの複雑な試料を測定する場合には、吸光スペクトルの波長域が広いほど一般に測定濃度精度が向上することから、光路長１０ｍｍの試料セルを用いた波長域Ａの照射光での測定、及び光路長１ｍｍの試料セルを用いた波長域Ｂの照射光での測定の両方を行うことが考えられている。具体的には、分光器を波長域Ａ及び波長域Ｂを含む広範囲な波長域を測定できる設計にした上で、２つの光路長を有する試料セルを機械的な移動機構により移動させるように構成されている。

しかしながら、この方法ではセル切り替えに時間がかかるため、濃度を算出するのに時間がかかるという問題がある。また、広い波長範囲での測定が必要であるため、マルチチャンネル検出器を用いる場合、検出器１チャンネル当たりの波長範囲が広くなり、波長分解能が悪くなってしまう。

また、試料セル及び検出器を対応する波長域毎に設ける構成が考えられるが、部品点数が増えてしまい、コストがかかってしまうという問題がある。

さらに、特許文献２に示すように、２つの波長域の光を１つのアレイ素子（光検出器）で検出可能にしたものがある。具体的には、各波長域に対応するそれぞれ異なる入射口を設けるとともに、その入射口が各波長域の中心波長に対する分散素子での回折角が同じになるように設定されている。

しかしながら、上述したような光路長と照射光の波長との関係には一切考慮しておらず、所望の波長分解能を確保しつつ測定波長範囲を拡大するものに過ぎない。

特開２００２−８２０５０号公報特開平８−２５４４６４号公報

そこで本発明は、上記問題点を一挙に解決するためになされたものであり、部品点数を可及的に少なくすると共に、吸収率（透過率）の異なる２以上の波長域における吸収スペクトルを、それぞれの波長域に適したセル長で測定し、高精度な測定結果を得ることをその主たる所期課題とするものである。

すなわち本発明に係る試料分析装置は、試料に光を照射することにより得られる吸収スペクトルによって試料の成分濃度を分析する試料分析装置であって、互いに異なるセル長を有する複数のセル空間を構成する試料セル部と、前記各セル空間に互いに異なる波長域の光を照射する光源部と、前記各セル空間毎に対応して設けられ、当該セル空間を透過した透過光を平行光にする複数のコリメータ鏡と、前記コリメータ鏡により平行光にされた反射光を分光する回折格子と、前記回折格子により分光された光を集光する集光鏡と、前記集光鏡により集光された光を検出する光検出器と、を具備し、前記複数のコリメータ鏡を、各コリメータ鏡から前記回折格子への反射光の入射角度が互いに異なるように配置していることを特徴とする。

このようなものであれば、セル長の異なる複数のセル空間に異なる波長域の光を照射するようにしているので、吸光度（吸収率）の異なる２以上の波長域における試料の吸光スペクトルをそれぞれの波長域に適した光路長で測定することにより、高精度な測定結果を得ることができる。また、回折格子、集光鏡及び光検出器を共通にしているので、部品点数を可及的に少なくすることができる。さらに、コリメータ鏡がセル空間毎に対応して設けられているので、コリメータ鏡の位置を調節することによって、光検出器により検出される波長域を変更することができ、測定対象にあった波長域を容易に検出することができる。

特に試料による吸収が大きい波長域及び吸収が小さい波長域の両方を用いて試料の吸光度を測定し、試料濃度を精度よく測定するためには、試料に光を照射することにより得られる吸収スペクトルによって試料の成分濃度を分析する試料分析装置であって、試料を収容する第１セル空間及びその第１セル空間より短いセル長の第２セル空間を有する試料セル部と、前記第１セル空間に対して試料による吸収が小さい波長域の光を照射する第１光源と、前記第２セル空間に対して試料による吸収が大きい波長域の光を照射する第２光源と、前記第１セル空間に対応して設けられ、当該第１セル空間からの透過光を平行光にする第１コリメータ鏡と、前記第２セル空間に対応して設けられ、当該第２セル空間からの透過光を平行光にする第２コリメータ鏡と、前記第１コリメータ鏡及び第２コリメータ鏡より平行光にされた反射光を分光する回折格子と、前記回折格子により分光された光を集光させる集光鏡と、前記集光鏡により集光された光を検出する光検出器と、を具備し、前記第１コリメータ鏡から前記回折格子への反射光の入射角度と前記第２コリメータ鏡から前記回折格子への反射光の入射角度とを互いに異ならせていることが望ましい。

１つの試料セル部により第１セル空間及び第２セル空間を簡単に構成するとともに、部品点数を削減するためには、前記試料セル部が、断面概略長方形状の透光性を有する筒状をなすものであり、長手方向に対向する側壁により第１セル空間を構成し、短手方向に対向する側壁により第２セル空間を構成していることが望ましい。

また、前記第１光源及び前記第２光源の代わりに、１つの光源から光を光学レンズを用いて２つの光束に分離して、各光束を前記第１セル空間及び前記第２セル空間に照射するものであることが望ましい。

このように構成した本発明によれば、部品点数を可及的に少なくすると共に、吸収率（透過率）の異なる２以上の波長域における吸収スペクトルを、それぞれの波長域に適したセル長で測定し、高精度な測定結果を得ることができる。

本実施形態に係る試料分析装置を模式的に示す構成図である。回折格子に対する反射光の入射角度及び回折角度を示す模式図である。変形実施形態に係る試料分析装置を模式的に示す構成図である。試料セル部の変形例を示す図である。変形実施形態に係る試料分析装置を模式的に示す構成図である。

１００・・・試料分析装置
２・・・試料セル部
Ｓ１・・・第１セル空間
Ｓ２・・・第２セル空間
３１・・・第１光源
３２・・・第２光源
６１・・・第１コリメータ鏡
６２・・・第２コリメータ鏡
７・・・回折格子
９・・・集光鏡
１０・・・光検出器
α１、α２・・・入射角度

以下に本発明に係る試料分析装置１００について、図面を参照して説明する。なお、図１は本実施形態に係る試料分析装置１００を模式的に示す構成図、図２は回折格子７に対する反射光の入射角度α１、α２及び回折角度βを示す模式図である。

＜１．装置構成＞
本実施形態の試料分析装置１００は、図１に示すように、試料を収容する試料セル部２と、当該試料セル部２に所定波長域の光を照射する第１光源３１及び第２光源３２と、試料セル部２を透過した透過光を平行光にする第１コリメータ鏡６１及び第２コリメータ鏡６２と、このコリメータ鏡６１、６２により平行光にされた反射光を分光する回折格子７と、この回折格子７により分光された回折光を集光する集光鏡９と、この集光鏡９により集光された光を検出する光検出器１０と、を備えている。

試料セル部２は、試料を収容する第１セル空間Ｓ１及びその第１セル空間Ｓ１とは異なるセル長（光路長）の第２セル空間Ｓ２を有する。本実施形態では、第１セル空間Ｓ１を構成する第１試料セル２１と、第２セル空間Ｓ２を構成する第２試料セル２２とを備えている。より具体的には、第１セル空間Ｓ１のセル長よりも第２セル空間Ｓ２のセル長を短く構成している。つまり、第１試料セル２１の内壁面間の距離（セル長）Ｗ１と第２試料セル２２の内壁面間の距離（セル長）Ｗ２とが、Ｗ１＞Ｗ２となるように構成されている。

第１光源３１は、第１セル空間Ｓ１（第１試料セル２１）に対応して設けられ、第１セル空間Ｓ１に収容されている試料に対して光を照射するものであり、例えばハロゲンランプ等の連続スペクトル光源である。また、第１光源３１は、第１セル空間Ｓ１に収容された試料による吸収が小さい波長域の光を照射する。第１光源３１から出た光は、集光レンズ４１により集光されて第１セル空間Ｓ１に照射される。

第２光源３２は、第２セル空間Ｓ２（第２試料セル２２）に対応して設けられ、第２セル空間Ｓ２に収容されている試料に対して光を照射するものであり、例えばハロゲンランプ等の連続スペクトル光源である。また、第２光源３２は、第２セル空間Ｓ２に収容された試料による吸収が大きい波長域の光を照射する。第２光源３２から出た光は、集光レンズ４２により集光されて第２セル空間Ｓ２に照射される。ここで、第１光源３１から出た光の波長域と第２光源３２から出た光の波長域とは異なる。なお、波長域が異なるとは、互いの波長域が重複しないように異なる波長範囲であることの他、波長域の一部が重複するものであっても良いし、一方の波長域が他方の波長域を包含するものであっても良い。

第１光源３１と第１試料セル２１との間及び第２光源３２と第２試料セル２２との間には、第１光源３１からの光又は第２光源３２からの光の一方のみを第１試料セル２１又は第２試料セル２２に選択的に照射するように切り替えるための切替機構５が設けられている。この切替機構５は、メカニカルシャッタ等を用いて構成されており、図示しない制御部により制御されている。

第１コリメータ鏡６１は、第１セル空間Ｓ１（第１試料セル２１）に対応して設けられた凹面鏡であり、第１セル空間Ｓ１を通過した第１光源３１からの光（透過光）を平行光にして反射するものである。

第２コリメータ鏡６２は、第２セル空間Ｓ２（第２試料セル２２）に対応して設けられた凹面鏡であり、第２セル空間Ｓ２を通過した第２光源３２からの光（透過光）を平行光にして反射するものである。

回折格子７は、第１コリメータ鏡６１及び第２コリメータ鏡６２により平行光として反射された反射光を波長ごとに分光するものである。

このような構成において、さらに複数のコリメータ鏡６１、６２を、各コリメータ鏡６１、６２により反射される回折格子７への反射光の入射角度が互いに異なるように配置している。

つまり、図２に示すように、第１コリメータ鏡６１から回折格子７への反射光の入射角度α１と第２コリメータ鏡６２から回折格子７への反射光の入射角度α２とを互いに異ならせている。より詳細には、入射角度α１＞入射角度α２の関係となるように構成している。そして、第１コリメータ鏡６１から入射した反射光の回折角度βと第２コリメータ鏡６２から入射した反射光の回折角度βとが略同一となるように構成している。

また、第１試料セル２１と第１コリメータ鏡６１との間及び第２試料セル２２及び第２コリメータ鏡６２との間には、迷光を排除するためにスリット８１、８２が設けられている。具体的にスリット８１、８２は、透過光の焦点位置近傍に、当該焦点位置において集光する透過光のみを通過させるように設けられている。

集光鏡９は、回折格子７により分光されたほぼ全ての光を光検出器１０の光検出面に集光させるものであり、凹面鏡により構成されている。

光検出器１０は、集光鏡９である凹面鏡により反射、集光された光を波長毎に検出するマルチチャンネル検出器である。そして、光検出器１０には、当該光検出器１０による光強度信号が増幅器１１、ＡＤコンバータ１２を通して入力される演算部１３（ＣＰＵ等により構成される）が接続されている。この演算部１３は、前記光強度信号を吸収スペクトルに変換すると共に、その吸収スペクトルに基づいて試料の多成分の濃度値を演算する。また、演算部１３には、当該演算部１３により求められた多成分の濃度値を表示する表示部１４が接続されている。

＜２．本実施形態の効果＞
このように構成した本実施形態に係る試料分析装置１００によれば、セル長の異なる複数のセル空間に異なる波長域の光を照射するようにしているので、吸光度（吸収率）の異なる２以上の波長域における試料の吸光スペクトルをそれぞれの波長域に適した光路長で測定することにより、高精度な測定結果を得ることができる。具体的には、試料による吸収が小さい波長域の光を光路長の小さい第１セル空間に照射し、試料による吸収が大きい波長域の光を光路長の大きい第２セル空間に照射しているので、試料の成分濃度を精度よく測定することができる。また、回折格子７、集光鏡９及び光検出器１０を共通にしているので、部品点数を可及的に少なくすることができる。さらに、コリメータ鏡６１、６２がセル空間Ｓ１、Ｓ２毎に対応して設けられているので、コリメータ鏡６１、６２の位置を調節することによって、光検出器１０により検出される波長域を変更することができ、測定対象にあった波長域を容易に検出することができる。

＜３．その他の変形実施形態＞
なお、本発明は前記実施形態に限られるものではない。

例えば、前記実施形態の試料セル部２は、２種類の試料セルを別体として設けて２種類のセル空間を構成するものであったが、その他、図３に示すように、試料セル部２が、断面概略長方形状の透光性を有する筒状をなすものであり、長手方向に対向する側壁により第１セル空間Ｓ１を構成し、短手方向に対向する側壁により第２セル空間Ｓ２を構成しても良い。このとき、第１光源３１を短手方向の側壁に向かって光を照射するように配置し、第２光源３２を長手方向の側壁に向かって光を照射するように配置する。これならば１つのセルによって第１セル空間Ｓ１及び第２セル空間Ｓ２を構成することができるので、装置構成を簡単にするとともに部品点数を削減することができる。

また、試料セル部２を１つのセルにより構成する場合には、図４に示すように、広幅部と狭幅部とを有するセルによって第１セル空間Ｓ１及び第２セル空間Ｓ２を構成するようにしても良い。

さらに、前記実施形態では、光源部として第１光源及び第２光源を設けて構成しているが、その他、図５に示すように、光源部として１つの光源３を設け、当該光源３からの光を光学レンズ（図５においてはコリメータレンズ４０及び集光レンズ４１、４２）を用いて２つの光束部に分離し、各光束を第１セル空間Ｓ１及び第２セル空間Ｓ２に照射するようにしても良い。

その他、前述した実施形態や変形実施形態の一部又は全部を適宜組み合わせてよいし、本発明は前記実施形態に限られず、その趣旨を逸脱しない範囲で種々の変形が可能であるのは言うまでもない。

本発明により、部品点数を可及的に少なくすると共に、吸収率（透過率）の異なる２以上の波長域における吸収スペクトルを、それぞれの波長域に適したセル長で測定し、高精度な測定結果を得ることができる。

Claims

試料に光を照射することにより得られる吸収スペクトルによって試料の成分濃度を分析する試料分析装置であって、
試料を収容する第１セル空間及びその第１セル空間より短いセル長の第２セル空間を有する試料セル部と、
前記第１セル空間に対して試料による吸収が小さい波長域の光を照射する第１光源と、
前記第２セル空間に対して試料による吸収が大きい波長域の光を照射する第２光源と、
前記第１セル空間に対応して設けられ、当該第１セル空間からの透過光を平行光にする第１コリメータ鏡と、
前記第２セル空間に対応して設けられ、当該第２セル空間からの透過光を平行光にする第２コリメータ鏡と、
前記第１コリメータ鏡及び第２コリメータ鏡より平行光にされた反射光を分光する回折格子と、
前記回折格子により分光された光を集光させる集光鏡と、
前記集光レンズにより集光された光を検出する光検出器と、を具備し、
前記第１コリメータ鏡から前記回折格子への反射光の入射角度と前記第２コリメータ鏡から前記回折格子への反射光の入射角度とを互いに異ならせており、
前記試料セル部が、断面概略長方形状の透光性を有する筒状をなすものであり、長手方向に対向する側壁により第１セル空間を構成し、短手方向に対向する側壁により第２セル空間を構成している試料分析装置。
前記第１光源及び前記第２光源の代わりに、１つの光源から光を光学レンズを用いて２つの光束に分離して、各光束を前記第１セル空間及び前記第２セル空間に照射するものである請求項１記載の試料分析装置。