JP6217674B2 - 透過プローブ、光学装置および液浸透過測定方法 - Google Patents

Description

本発明は、空隙内のサンプル液に光を照射して透過測定する際に、サンプル液の空隙への浸入を容易にするための技術に関する。

透過プローブは、溶液の吸光特性や透過特性等を測定する際に用いられ、光源からの光を溶液に照射し、溶液を透過した光を反射させて戻す機能を有している。透過プローブ３００を用いた液浸透過測定では、例えば、図１１に示すように、透過プローブ３００を、光ファイバ等の光伝送路３２０を介して分光装置３１０に接続し、サンプル容器内３４０のサンプル液３４０に直接浸した状態で、透過測定を行なう。

光伝送路３２０は、１つの光路で照射光とサンプル液３４０を透過した測定光の両方を伝播する場合もあるが、通常は照射光と測定光とで光路を分けている。また、あらかじめ分光した光を照射する前分光方式と、白色光を照射し、測定光を分光する後分光方式とがある。

図１２は、従来の透過プローブの構成例を示す図である。図１２（ａ）に示したタイプは、照射光がサンプル液を１回、１方向で透過する構造であり、図１２（ｂ）に示したタイプは、照射光がサンプル液を往復２回透過するタイプであり、透過反射プローブとも呼ばれている。

いずれのタイプとも、液浸透過測定が容易となるように棒状となっており、サンプル液を取り込んで、光を透過させるための空隙３０７が側面に形成されている。また、分光装置３１０と光伝送３２０を介して接続するコネクタ３０１、コネクタ３０１から照射光を導く照射用光伝送路３０２、コネクタ３０１に測定光を導く測定用光伝送路３０３、レンズ等の光学系３０４、空隙３０７の上下に配置される窓３０５、反射器３０６を備えている。

反射器３０６は、図１２（ａ）に示したタイプではプリズム型が用いられ、図１２（ｂ）に示したタイプでは平面鏡が用いられている。後者のタイプでは、光が２回サンプル液を透過するため、同仕様であれば、空隙３０７の幅（サンプルパス）は前者のタイプの半分となる。照射用光伝送路３０２、測定用光伝送路３０３は、光ファイバ等を用いることができる。

特開２００９−２５０８２５号公報

サンプル液に吸光される量は、サンプルパスの大きさに応じるため、サンプル液の吸光特性等によってサンプルパスの適切な値が定められる。例えば、照射光に対する吸光度が大きいサンプル液の場合、サンプルパスを小さくする。具体的には、水を波長２μｍ前後の光で分光分析する場合には、サンプルパスが１ｍｍ程度の透過プローブが用いられることが多い。

また、透過プローブは、耐熱、耐圧等の機械的条件から直径２０ｍｍ程度であり、空隙３０７の深さは、光をサンプル液に透過させる領域を確保するために、半径を超えるものが一般的である。

サンプルパスの小さい空隙３０７をある程度の深さで設けると、サンプル液が空隙３０７に入りにくくなる。サンプル液が空隙３０７に入りにくいと、測定の際に、空隙３０７がサンプル液で満たされない状況が生じ、測定精度が低下するおそれがある。また、反応中のサンプル液等を測定する場合等に、サンプル液が空隙３０７に貯留して入れ替わらないと、サンプル液の最新の状態を測定値が得られないという問題が発生する。

そこで、本発明は、空隙内のサンプル液に光を照射して透過測定する際に、サンプル液の空隙への浸入を容易にすることを目的とする。

上記課題を解決するため、本発明の第１の態様である液浸透過測定に用いる光学素子は、半円板状の光透過材であって、半円周上の一部に、切り欠き状の空隙が形成されていることを特徴とする。
上記課題を解決するため、本発明の第２の態様である液浸透過測定に用いる光学素子は、半球状の光透過材であって、半円球面上の一部に、切り欠き状の空隙が形成されていることを特徴とする。
いずれの態様においても、前記空隙の切り欠き側の一方の角に、斜面あるいは丸みを形成することができる。
上記課題を解決するため、本発明の第３の態様である透過プローブは、いずれかの態様の光学素子が先端部に取り付けられ、前記光学素子に照射光を前記光学素子の内面で全反射するように出射し、前記空隙を跨いだ前記光学素子からの戻り光を測定光として入射することを特徴とする。
上記課題を解決するため、本発明の第４の態様であるサンプル容器は、いずれかの態様の光学素子を内面に取り付けたことを特徴とする。
上記課題を解決するため、本発明の第４の態様である光学装置は、サンプル容器に取り付けられ、前記光学素子に照射光を前記光学素子の内面で全反射するように出射し、前記空隙を跨いだ前記光学素子からの戻り光を測定光として入射することを特徴とする。
上記課題を解決するため、本発明の第５の態様である液浸透過測定方法は、上述の光学素子をサンプル容器の内面に取り付けるステップ、前記サンプル容器の外部から前記光学素子に照射光を前記光学素子の内面で全反射するように出射するステップ、前記空隙を跨いだ前記光学素子からの戻り光を測定光として入射するステップとを有することを特徴とする。

本発明によれば、空隙内のサンプル液に光を照射して透過測定する際に、サンプル液の空隙への浸入を容易にすることができる。

本実施形態の透過プローブ用光学素子の第１実施例を示す図である。 透過プローブ用光学素子の半円周に沿った光伝播を示す図である。 透過プローブ用光学素子における照明光の入射と測定光の出射とを示す図である。 透過プローブ用光学素子を透過プローブの部品として用いた場合を示す図である。 透過プローブ用光学素子をサンプル容器に取り付けた場合を示す図である。 フランジ部を有する透過プローブ用光学素子を示す図である。 空隙に斜面を形成した透過プローブ用光学素子を示す図である。 本実施形態の透過プローブ用光学素子の第２実施例を示す図である。 透過プローブ用光学素子における照明光の入射と測定光の出射とを示す図である。 透過プローブ用光学素子の変形例を示す図である。 透過プローブを用いた分光分析システムの構成を示す図である。 従来の透過プローブの構成例を示す図である。

本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。図１は、本実施形態の透過プローブ用光学素子１１０の第１実施例を示す図である。本図に示すように透過プローブ用光学素子１１０は、厚さｔの半円板状で形成され、半円周上の一部にサンプル液が浸入するための切り欠き状の空隙１１１が形成されている。

空隙１１１の両壁は、空隙１１１の中間位置における半円周の接線にほぼ垂直となるように形成される。空隙１１１の底は任意の形状とすることができる。本例では、空隙１１１を半円周上の中間点に形成しているが、空隙１１１は、半円周上の他の場所に形成してもよい。

透過プローブ用光学素子１１０は、測定に用いる光を透過する材料で形成するものとし、例えば、石英ガラス、ダイヤモンド、サファイア等を用いることができる。また、非結晶の樹脂であるＰＣＴＦＥ（ポリクロロトリフルオロエチレン）等のフッ素系プラスチックを用いてもよい。これは、測定に用いる光として近赤外線を用いた場合に適している。もちろん、他の材料を用いてもよい。

このような透過プローブ用光学素子１１０に対して、図２に示すように、半円の直径部分の端部Ａから垂直方向に光を入射すると、半円周の内側で全反射を繰り返しながら円周に沿って進んでいき、空隙１１１を跨いで、さらに円周に沿って進み、反対側の端部Ｂから出射する。

なお、透過プローブ用光学素子１１０を石英ガラスで形成し、サンプル液に相当する外部の物質を水とした場合に、入射角１０°程度までの光であれば端部Ｂに伝播可能であることが臨界角を表わす式を用いて計算上確認できた。

このため、例えば、図３（ａ）に示すように、端部Ａにほぼ垂直に光が入射するように照射用光伝送路１０２の出射端を配置し、端部Ｂに測定用光伝送路１０３の入射端を配置することで、照射用光伝送路１０２からの照射光を、空隙１１１を通過させ、測定光を測定用光伝送路１０３に導くことができる。

透過プローブ用光学素子１１０では、光が円周内側に沿って進んでいくため、空隙１１１を極めて浅く形成しても光を空隙１１１部分に通過させることができる。このため、透過プローブ用光学素子１１０を透過プローブのヘッド部に適用することで、簡易な構成でサンプル液の浸入を容易にすることができる。

なお、端部Ａでは、なるべく円周に近接する位置で光が入射するようにする。また、透過プローブ用光学素子１１０の厚さｔは、入射する光の直径程度とするのが効率的であるため、照射用光伝送路１０２として用いる光ファイバの直径と同程度とすることができる。

あるいは、図３（ｂ）示すように、レンズ等の光学系１０４を介して照射用光伝送路１０２からの照射光を端部Ａに入射し、光学系１０４を介して端部Ｂからの測定光を測定用光伝送路１０３に導くようにしてもよい。光学系１０４は、集光した状態で端部Ａに照射光を導くようにしてもよいし、レーザ光のように直進性の高い光であれば平行光として端部Ａに照射光を導くようにしてもよい。

空隙１１１部分を除く半円周の弧面や両側面は、測定に用いる光を反射するためのコーティングを施してもよい。コーティング剤としては、銀、金、銅、亜鉛、アルミニウム、カリウム等を用いることができる。

このような透過プローブ用光学素子１１０は、図４に示すように、透過プローブ１００の部品として用いることができる。すなわち、分光装置と光伝送を介して接続するコネクタ１０１、コネクタ１０１から照射光を導く照射用光伝送路１０２、コネクタ１０１に測定光を導く測定用光伝送路１０３を備えた本体の先端に取り付け、透過プローブ用光学素子１１０をサンプル液に浸して分光分析を行なうことができる。これにより、サンプル液の浸入が容易な透過プローブ１００を実現することができる。

上述のように、透過プローブ用光学素子１１０と照射用光伝送路１０２との間、透過プローブ用光学素子１１０と測定用光伝送路１０３との間にレンズ等の光学素子を介在させてもよい。

あるいは、図５（ａ）に示すように、透過プローブ用光学素子１１０を、サンプル容器１３０の内側に取り付けてもよい。この場合、照射用光伝送路１４１と測定用光伝送路１４２とを備えた光学装置１４０をサンプル容器１３０の外部に配置することでサンプル容器１３０内のサンプル液の分光分析を行なうことができる。透過プローブ用光学素子１１０の取り付け位置はサンプル容器１３０の底面に限られず、側面であってもよい。

この場合、照射用光伝送路１４１からの照射光が透過プローブ用光学素子１１０の適切な位置に入射し、透過プローブ用光学素子１１０から出射される測定光が測定用光伝送路１４２に入射するように、光学装置１４０の位置決めとなるガイド部材１３１をサンプル容器１３０に形成することができる。

なお、図５（ｂ）に示すように、位置決め用のガイド部材１４３を光学装置１４０側に設けるようにしてもよい。

透過プローブ用光学素子１１０を取り付けたサンプル容器１３０は、例えば、滅菌した状態で流通させ、１回のみの使用を目的とした生化学用途や、危険化学物質の測定用途等に適している。

また、図６に示すように、透過プローブ用光学素子１１０の取り扱いを容易にするため側面方向にフランジ部１１５を形成してもよい。フランジ部１１５は、透過プローブ用光学素子１１０を持ったり、固定する場合等に利用することができる。フランジ部１１５は、光路の一部として形成してもよいし、光路外に形成してもよい。

また、空隙１１１から照射光が出射する際に、外周方向に散乱する量を減らして、測定光量を多くするために、図７に示すように空隙１１１の切り欠き側の一方の角１１６に斜面や丸みを形成してもよい。

次に、本発明の第２実施例について説明する。図８は、本実施形態の透過プローブ用光学素子１２０の第２実施例を示す図である。本図に示すように透過プローブ用光学素子１２０は、半球状で形成され、半球面上の一部にサンプル液が浸入するための切り欠き状の空隙１２１が形成されている。

空隙１２１の両壁は、空隙１２１の中間位置における半球面上の接平面にほぼ垂直となるように形成される。空隙１２１の底は任意の形状とすることができる。本例では、空隙１１１を半球の頂点に形成しているが、空隙１２１は、半球面上の他の場所に形成してもよい。

このような透過プローブ用光学素子１２０に対して、図９に示すように、半球の平面と、空隙１２１の壁と直角に交わる平面（光路平面）とが交わってできる線分の端部Ａから半球の平面に対して垂直方向に光を入射すると、半球の内側で全反射を繰り返しながら光路平面付近を半球面に沿って進んでいき、空隙１２１を跨いで、さらに半球面に沿って進み、反対側の端部Ｂから出射する。

このため、第１実施例と同様に、端部Ａにほぼ垂直に光が入射するように照射用光伝送路の出射端を配置し、端部Ｂに測定用光伝送路の入射端を配置することで、照射用光伝送路からの照射光を、空隙１２１を通過させ、測定光を測定用光伝送路に導くことができる。

透過プローブ用光学素子１２０では、光が半球内側に沿って進んでいくため、空隙１２１を極めて浅く形成しても光を空隙１２１部分に通過させることができる。このため、透過プローブ用光学素子１２０を透過プローブのヘッド部に適用することで、簡易な構成でサンプル液の浸入を容易にすることができる。

第２実施例の透過プローブ用光学素子１２０の材料、使用態様、変形例等は第１実施例の透過プローブ用光学素子１１０と同様である。なお、半球は厳密に半球でなくてもよい。特に、光路平面以外の箇所については、自由に形成することができる。

上述の第１実施例では、切り欠き状の空隙１１１は、所定の深さで形成されていたが、図１０に示すように、反対側の面まで貫通していてもよい。この場合、透過プローブ用光学素子１１０は、切り欠き状の空隙１１１により２つの部分に分割されることになる。第２実施例においても、同様に空隙１２１を反対側の面まで貫通させ、透過プローブ用光学素子１２０を切り欠き状の空隙１２１により２つの部分に分割してもよい。

１００…透過プローブ、１０１…コネクタ、１０２…照射用光伝送路、１０３…測定用光伝送路、１０４…光学系、１１０…透過プローブ用光学素子、１１１…空隙、１１５…フランジ部、１２０…透過プローブ用光学素子、１２１…空隙、１３０…サンプル容器、１３１…ガイド部材、１４０…光学系、１４１…照射用光伝送路、１４２…測定用光伝送路、１４３…ガイド部材

Claims (6)

1. 半円板状の光透過材であって、半円周上の一部に、切り欠き状の空隙が形成され、
   前記空隙の切り欠き側の一方の角にのみ、斜面あるいは丸みが形成されている液浸透過測定用光学素子が先端部に取り付けられ、
   前記光学素子に照射光を前記光学素子の内面で全反射するように出射し、前記空隙を前記斜面あるいは丸みが形成されている角から他方の角に進む方向で跨いだ前記光学素子からの戻り光を測定光として入射することを特徴とする透過プローブ。
2. 半球状の光透過材であって、半円球面上の一部に、切り欠き状の空隙が形成され、
   前記空隙の切り欠き側の一方の角にのみ、斜面あるいは丸みが形成されている液浸透過測定用光学素子が先端部に取り付けられ、
   前記光学素子に照射光を前記光学素子の内面で全反射するように出射し、前記空隙を前記斜面あるいは丸みが形成されている角から他方の角に進む方向で跨いだ前記光学素子からの戻り光を測定光として入射することを特徴とする透過プローブ。
3. 半円板状の光透過材であって、半円周上の一部に、切り欠き状の空隙が形成され、
   前記空隙の切り欠き側の一方の角にのみ、斜面あるいは丸みが形成されている光学素子を内面に取り付けたサンプル容器が取り付けられ、
   前記光学素子に照射光を前記光学素子の内面で全反射するように出射し、前記空隙を前記斜面あるいは丸みが形成されている角から他方の角に進む方向で跨いだ前記光学素子からの戻り光を測定光として入射することを特徴とする光学装置。
4. 半球状の光透過材であって、半円球面上の一部に、切り欠き状の空隙が形成され、
   前記空隙の切り欠き側の一方の角にのみ、斜面あるいは丸みが形成されている光学素子を内面に取り付けたサンプル容器が取り付けられ、
   前記光学素子に照射光を前記光学素子の内面で全反射するように出射し、前記空隙を前記斜面あるいは丸みが形成されている角から他方の角に進む方向で跨いだ前記光学素子からの戻り光を測定光として入射することを特徴とする光学装置。
5. 半円板状の光透過材であって、半円周上の一部に、切り欠き状の空隙が形成され、
   前記空隙の切り欠き側の一方の角にのみ、斜面あるいは丸みが形成されている液浸透過測定用光学素子をサンプル容器の内面に取り付けるステップ、
   前記サンプル容器の外部から前記光学素子に照射光を前記光学素子の内面で全反射するように出射するステップ、
   前記空隙を前記斜面あるいは丸みが形成されている角から他方の角に進む方向で跨いだ前記光学素子からの戻り光を測定光として入射するステップとを有することを特徴とする液浸透過測定方法。
6. 半球状の光透過材であって、半円球面上の一部に、切り欠き状の空隙が形成され、
   前記空隙の切り欠き側の一方の角にのみ、斜面あるいは丸みが形成されている液浸透過測定用光学素子をサンプル容器の内面に取り付けるステップ、
   前記サンプル容器の外部から前記光学素子に照射光を前記光学素子の内面で全反射するように出射するステップ、
   前記空隙を前記斜面あるいは丸みが形成されている角から他方の角に進む方向で跨いだ前記光学素子からの戻り光を測定光として入射するステップとを有することを特徴とする液浸透過測定方法。