JP6350086B2 - 光学的検出器 - Google Patents

Description

本発明は、例えばＨＰＬＣ（高速液体クロマトグラフ）において分離した試料成分を検出するための検出器として用いられる光学的検出器に関するものである。

液体クロマトグラフ用検出器として用いられる光学的検出器として分光光度計が挙げられる。分光光度計には、前分光方式と呼ばれるものと後分光方式と呼ばれるものがある。

前分光方式の分光光度計は、回転可能な分光器を光源とフローセルとの間（フローセルの前段側）に配置し、分光器の回転角を調節することによってフローセルに特定の波長の光を照射し、フローセルを透過した光の強度、又はフローセル内の試料から発せられる蛍光の強度を光検出器によって検出することで、フローセルを流れる試料中の特定成分濃度を定量するように構成されている（例えば、特許文献１の図６参照。）。

他方、後分光方式の分光光度計は、フローセルの後段側に分光器を配置し、フローセルからの光を分光器で波長成分ごとに分光し、それらの波長成分をフォトダイオードアレイで同時に検出する（例えば、特許文献１の図１０参照。）。

特開２０１２−２２０４７２号公報

近年、液体クロマトグラフによる分析の高速化が進み、検出器の検出速度（分解能）の向上が求められている。後分光方式の分光光度計は、フローセルからの多波長成分の光の強度をフォトダイオードアレイによって同時に検出することができるという利点がある反面、フローセルに多波長成分を含む強いエネルギーの光を照射するため、試料によってはその成分の変質が起こることがある。

前分光方式の分光光度計では、分光器によって分光された光のうち特定の波長成分の光のみをフローセルに照射するため、試料に照射される光エネルギーによる試料の変質の問題は生じにくい。しかし、複数の波長についての光学的測定を同時に行なうためには、分光器を高速で駆動してフローセルに照射される光の波長成分の切替えを行なう必要があり、測定波長の切替速度が分光器の機械的な駆動速度に依存するため、多波長同時測定の分解能を向上させるには限界がある。

そこで、本発明は、フローセルを流れる試料の変質を防止しつつ複数の波長についての光学的測定を同時にかつ高分解能で行なうことができる光学的検出器を提供することを目的とするものである。

本発明にかかる吸光度検出器は、試料を流通させるフローセルと、互いに異なる波長の光を発する複数の発光ダイオードを備えた光源装置と、各発光ダイオードから発せられる光を同一光路上の光としてフローセルに導く光学系と、フローセルからの光を検出するための光検出器と、各発光ダイオードを互いに異なるタイミングで連続的に点灯させるように構成された光源切替手段を有する制御部と、光検出器で得られた検出信号に基づいて所定の演算を行なう演算部を、各発光ダイオードから発せられる光の波長ごとに有するとともに、発光ダイオードから発せられた光の波長に対応した演算部にその光がフローセルに照射されたときの光検出器の検出信号が取り込まれるように、光源切替手段による発光ダイオードの切替えのタイミングと同期して光検出器の検出信号を取り込む演算部を切り替えるように構成された切替スイッチ回路を有する演算処理部と、を備えたものである。

本発明では、互いに異なる波長の光を発する複数の発光ダイオードを有し、制御部は、それらの発光ダイオードを互いに異なるタイミングで連続的に点灯させるように構成されているので、フローセルに特定の波長成分の光のみを照射することができ、フローセルを流れる試料の変質を防止することができる。発光ダイオードは、点灯状態と消灯状態の瞬時の切替えが可能であるため、フローセルに照射する光の波長の切替えを、分光器の機械的な駆動による波長の切替えよりも高速で行なうことができる。さらに、演算処理部は、各発光ダイオードから発せられる光の波長ごとに演算部を有するとともに、発光ダイオードから発せられた光の波長に対応した演算部にその光がフローセルに照射されたときの光検出器の検出信号が取り込まれるように、光源切替手段による発光ダイオードの切替えのタイミングと同期して光検出器の検出信号を取り込む演算部を切り替えるように構成された切替スイッチ回路を有するので、複数波長についての光学的測定を同時にかつ高分解能で行なうことができる。

光学的検出器の一実施例を示す概略構成図である。 同実施例の演算制御部の一例を示すブロック図である。 ４波長について同時に試料の光学的測定を行なう場合の各光源部の点灯又は消灯のタイミングと、演算手段による信号処理の切替えタイミングの一例を示すタイミングチャートである。 光学的検出器の他の実施例を示す概略構成図である。 同実施例の演算制御部の一例を示すブロック図である。

本発明において、光検出器は、フローセルを透過した光を受光する位置に設けることができる。そうすれば、フローセル内を流れる試料の吸光度を測定することができる。

また、光検出器は、フローセルに照射される光の光軸上の位置から外れた位置に設けられ、発光ダイオードから照射される励起光によって励起されたフローセル内の試料から発せられる蛍光を検出するものであってもよい。その場合、フローセルと光検出器との間に、励起光成分を除去する蛍光フィルタが設けられる。

発光ダイオードなどの発光ダイオードには製造バラツキが存在し、発光ダイオードから発せられる光に測定波長以外の波長の光を含まれていることもあり得る。そこで、発光ダイオードの発光側に発光ダイオードから発せられる光よりも狭い波長範囲の透過域をもつバンドパスフィルタが配置されていることが好ましい。そうすれば、フローセルに不要な波長範囲の光が照射されることが抑制され、試料の変質の防止や測定精度の向上を図ることができる。

光学的検出器の１つである吸光度検出器の一実施例について、図１を用いて説明する。

この吸光度検出器は、複数の波長成分の光をそれぞれ異なるタイミングで発することができる光源装置２を備えている。光源装置２から発せられた光は試料が流れるフローセル２２に照射され、フローセル１２を透過した光をフォトダイオード２２（光検出器）で受光するようになっている。

光源装置２は、互いに異なる波長の光を発する４つの光源部４，６，８及び１０を備えている。光源部４は２５０ｎｍ、光源部６は２６０ｎｍ、光源部８は２７０ｎｍ、光源部１０は２８０ｎｍの波長の光をそれぞれ発する。

光源部４には波長２５０ｎｍの光を発する発光ダイオード４ａが設けられている。発光ダイオード４ａの発光側に２５０±４ｎｍの波長範囲に透過特性を有するバンドパスフィルタ４ｂが設けられ、さらにその前方にバンドパスフィルタ４ｂを透過した光を平行光にするコリメーションレンズ４ｃが設けられている。発光ダイオード４ａから発せられる光は大部分が２５０ｎｍ付近の波長の光であるため、バンドパスフィルタ４ｂは必ずしも設けられている必要はないが、この実施例では、発光ダイオードの生産バラツキを考慮して設けられている。これは、光源部６，８及び１０のバンドパスフィルタ６ｂ，８ｂ及び１０ｂについても同様である。

光源部６には波長２６０ｎｍの光を発する発光ダイオード６ａが設けられている。発光ダイオード６ａの発光側に２６０±４ｎｍの波長範囲に透過特性を有するバンドパスフィルタ６ｂが設けられ、さらにその前方にバンドパスフィルタ６ｂを透過した光を平行光にするコリメーションレンズ６ｃが設けられている。

光源部８には波長２７０ｎｍの光を発する発光ダイオード８ａが設けられている。発光ダイオード８ａの発光側に２７０±４ｎｍの波長範囲に透過特性を有するバンドパスフィルタ８ｂが設けられ、さらにその前方にバンドパスフィルタ８ｂを透過した光を平行光にするコリメーションレンズ８ｃが設けられている。

光源部１０には波長２８０ｎｍの光を発する発光ダイオード１０ａが設けられている。発光ダイオード１０ａの発光側に２８０±４ｎｍの波長範囲に透過特性を有するバンドパスフィルタ１０ｂが設けられ、さらにその前方にバンドパスフィルタ１０ｂを透過した光を平行光にするコリメーションレンズ１０ｃが設けられている。

光源部４は、フローセル１２に向かって発光ダイオード４ａからの光を射出するように配置され、光源部６，８及び１０は、光源部４からフローセル１２への光の光軸に対して垂直に発光ダイオード６ａ，８ａ及び１０ａからの光を射出するように配置されている。ここで、光源部４，６，８又は１０を点灯させるとは、それぞれの発光ダイオード４ａ，６ａ，８ａ又は１０ａを点灯させることを意味する。

光源部４からフローセル１２への光の光軸上に、各光源部４，６，８及び１０からの光をフローセル１２に導く光学系をなすハーフミラー１４，１６，１８が配置されている。ハーフミラー１４，１６及び１８は光源部４からの光の光軸に対して斜めに配置されている。ハーフミラー１４は光源部６からの光の光軸を光源部４からの光の光軸と合一化させてフローセル１２に導くものである。ハーフミラー１６は光源部８からの光の光軸を光源部４及び光源部６からの光の光軸と合一化させてフローセル１２に導くものである。ハーフミラー１８は光源部１０からの光の光軸を光源部４、光源部６及び光源部８からの光の光軸と合一化させてフローセル１２に導くものである。

フローセル１２を透過した光を検出するためのフォトダイオード２２がフローセル１２を挟んで光源部４とは反対側に設けられている。ハーフミラー１８とフローセル１２との間に、光源部４，６，８又は１０からフローセル１２に照射される光の一部を参照光として取り出すビームスプリッタ２０が設けられている。ビームスプリッタ２０により取り出された光を受光する位置に、参照光強度を検出するためのフォトダイオード２５（参照光検出器）が設けられている。

フォトダイオード２２の検出信号は、増幅器２３及びアナログ／デジタル変換器（Ａ／Ｄ変換器）２４を経て、測定信号として演算制御部２８に取り込まれる。フォトダイオード２５の検出信号は、増幅器２６及びＡ／Ｄ変換器２７を経て、参照信号として演算制御部２８に取り込まれる。

演算制御部２８は、光源装置２の各光源部４，６，８及び１０の点灯と消灯の切替えを制御する制御部としての光源切替手段２９、及びフォトダイオード２２と２５からの信号に基づいてフローセル１２を流れる試料の吸光度を求める演算処理部としての演算手段３０を備えている。

光源切替手段２９はフローセル１２に照射される光の波長が連続的に切り替えられるように、各発光ダイオード４ａ，６ａ，８ａ及び１０ａの点灯状態と消灯状態の切替えを行なうように構成されている。各発光ダイオード４ａ，６ａ，８ａ及び１０ａはそれぞれに対応して設けられたＬＥＤドライバ３２，３４，３６及び３８から必要な電流が与えられることで点灯する。各ＬＥＤドライバ３２，３４，３６及び３８は演算制御部２８から与えられる点灯又は消灯の信号に基づいて各発光ダイオード４ａ，６ａ，８ａ及び１０ａに必要な電流を供給し、又は電流の供給を停止する。

演算制御部２８の構成の一例について図２を用いて説明する。

演算制御部２８は、光源切替手段２９（図１参照。）をなす時分割制御回路４０、フローセル１２に照射される光の波長ごとの吸光度を算出するために各波長に対応して設けられた演算部４４ａ‐４４ｄ、参照信号を各演算部４４ａ‐４４ｄに振り分ける切替スイッチ回路４２ａ、測定信号を各演算部４４ａ‐４４ｄに振り分ける切替スイッチ回路４２ｂ、及び各演算部４４ａ‐４４ｄで求められた測定値を出力する通信部５２を備えている。参照信号は、フォトダイオード２５で得られた検出信号を増幅器２６で増幅し、Ａ／Ｄ変換器２７でデジタル処理した信号である。測定信号は、フォトダイオード２２で得られた検出信号を増幅器２３で増幅し、Ａ／Ｄ変換器２４でデジタル処理した信号である。

時分割制御回路４０は、点灯する発光ダイオードが連続的に切り替わるように、各発光ダイオード４ａ，６ａ，８ａ及び１０ａを駆動するＬＥＤドライバ３２，３４，３６及び３８に対して点灯信号又は消灯信号を時分割で与えるように構成された回路である。時分割制御回路４０は、点灯させる光源を切り替えるタイミングで切替信号を切替スイッチ回路４２ａ及び４２ｂに出力する。

切替スイッチ回路４２ａ及び４２ｂは、時分割制御回路４０からの切替信号に基づき、測定信号及び参照信号に基づいて吸光度を求める演算処理を実行させる演算部を演算部４４ａ‐４４ｄの間で、フローセル１２に照射される光の波長の切替えに同期して切り替える回路である。

演算部４４ａ‐４４ｄはそれぞれ光源部４，６，８及び１０から発せられる光の波長に対応して設けられている。演算部４４ａは波長２５０ｎｍの光に対応し、演算部４４ｂは波長２６０ｎｍの光に対応し、演算部４４ｃは波長２７０ｎｍの光に対応し、演算部４４ｄは波長２８０ｎｍの光に対応する。切替スイッチ４２ａ及び４２ｂは、光源部４（発光ダイオード４ａ）の点灯時に得られた参照信号及び測定信号が演算部４４ａに取り込まれ、光源部６（発光ダイオード６ａ）の点灯時に得られた参照信号及び測定信号が演算部４４ｂに取り込まれ、光源部８（発光ダイオード８ａ）の点灯時に得られた参照信号及び測定信号が演算部４４ｃに取り込まれ、光源部１０（発光ダイオード１０ａ）の点灯時に得られた参照信号及び測定信号が演算部４４ｄに取り込まれるように、参照信号及び測定信号を各演算部４４ａ‐４４ｄに振り分ける。

演算部４４ａ‐４４ｄのそれぞれは、参照信号と測定信号のそれぞれの高周波成分を除去するためのデジタルフィルタ４６、デジタルフィルタ４６を経た参照信号Ｉ₀でデジタルフィルタ４６を経た測定信号Ｉを除算した値（Ｉ／Ｉ₀）を求める除算部４８、吸光度として−ｌｏｇ₁₀（Ｉ／Ｉ₀）を求める吸光度算出部５０を備えており、吸光度算出部５０により求められた−ｌｏｇ₁₀（Ｉ／Ｉ₀）が測定値として通信部５２を介して外部のモニタ等に出力される。演算部４４ａ‐４４ｄは演算処理手段３０（図１参照。）をなしている。

演算制御装置２８の時分割制御回路４０、切替スイッチ回路４２ａ，４２ｂ、演算部４４ａ‐４４ｄはソフトウエアにより実現することができる。また、時分割制御回路４０、切替スイッチ回路４２ａ，４２ｂ及び通信部５２をハードウエア、演算部４４ａ‐４４ｄをソフトウエアで実現してもよい。

図３に各光源部４，６，８及び１０の点灯又は消灯のタイミングと、参照信号及び測定信号を取り込む演算部の切替えタイミングの一例を示す。図３において、各波長の入力信号がオンのときはその波長に対応した演算部に参照信号及び測定信号が取り込まれ、オフのときはその波長に対応した演算部には参照信号及び測定信号が取り込まれないことを意味する。

この例では、測定を開始した後、光源部４を点灯させ、その後一定時間が経過した後に光源部４を消灯させて光源部６を点灯させ、さらに一定時間が経過した後に光源部６を消灯させて光源部８を点灯させ、さらに一定時間が経過した後に光源部１０を点灯させる。光源部１０を一定時間点灯させた後、光源部１０を消灯させ、また光源部４を点灯させる。光源部４を点灯させてから光源部１０を消灯させるまでを１サイクルとし、測定中にこのサイクルを連続して繰り返す。１サイクルに要する時間は、例えば２５ｍ秒である。

測定中に各フォトダイオード２２及び２５で得られた信号は、光源部４が点灯しているときは波長２５０ｎｍの光の参照信号及び測定信号として、光源部６が点灯しているときは波長２６０ｎｍの光の参照信号及び測定信号として、光源部８が点灯しているときは波長２７０ｎｍの光の参照信号及び測定信号として、光源部１０が点灯しているときは波長２８０ｎｍの光の参照信号及び測定信号として処理され、各波長に対応した演算部４４ａ‐４４ｄにおいて各波長についての吸光度が求められる。

次に、光学的検出器としての蛍光検出器の一実施例について図４を用いて説明する。なお、図１の吸光度検出器と同じ構成である箇所には同じ符号を付し、その構成についての説明を省略する。

この蛍光検出器は、図１の吸光度検出器と同じ構成を有する光源装置２を備えている。光源装置２の各光源部４，６，８及び１０から発せられる２５０ｎｍ、２６０ｎｍ、２７０ｎｍ及び２８０ｎｍの波長の光をフローセル１２内の試料に励起光として照射し、励起された試料から発せられる蛍光をフォトダイオード２２ａにより検出する。フォトダイオード２２ａは、フローセル１２から出た光のうちフローセル１２に照射される励起光の光軸に対して垂直な方向の成分を受光する向きに配置されている。

フローセル１２とフォトダイオード２２ａとの間に蛍光フィルタ５４が設けられている。蛍光フィルタ５４は、フローセル１２からの光のうち励起光成分を除去して蛍光成分を抽出するように、励起光の最長波長よりも長い波長（例えば２９０ｎｍ）以下の波長の光をカットする特性を有するフィルタである。

測定用の光検出器であるフォトダイオード２２ａの検出信号は、増幅器２３ａ及びＡ／Ｄ変換器２４ａを経て測定信号として演算制御部２８ａに取り込まれる。参照用の光検出器であるフォトダイオード２５の検出信号は、増幅器２６及びＡ／Ｄ変換器２７を経て参照信号として演算制御部２８ａに取り込まれる。

演算制御部２８ａは図１の実施例の演算制御部２８と同様に光源切替手段２９ａと演算処理手段３０ａを備えている。光源切替手段２９ａは励起光を発する光源を光源部４，６，８及び１０の間で連続的に切り替えるように構成されており、演算処理手段３０ａはフォトダイオード２２ａ及び２５の検出信号を光源部光源部４，６，８及び１０の点灯・消灯のタイミングに同期して時分割で取り込み、各波長の励起光がフローセル１２に照射されたときの蛍光強度を求める。

図５に演算制御部２８ａの具体的な構成の一例を示すが、図１の実施例における演算制御部２８の構成（図２参照。）とほぼ同じである。演算制御部２８ａは、フローセル１２に各波長の励起光が照射されたときの蛍光強度を求めるための演算処理手段３０ａとして、各光源部４，６，８及び１０に対応した演算部４５ａ‐４５ｄを備えている。励起光の波長は、光源切替手段２９ａとしての時分割制御回路４０により時分割で切り替えられ、参照信号及び測定信号を取り込む演算部が切替スイッチ回路４２ａ，４２ｂによって励起光の波長の切替えに同期して切り替えられる。

各演算部４５ａ‐４５ｄはデジタルフィルタ４６、除算部４８及び蛍光算出部５０ａを備えており、最終的に蛍光算出部５０ａによって算出された蛍光強度としての値が通信部５２を介して外部モニタ等に出力される。

以上の実施例では、４つの光源部４，６，８及び１０を時分割で切り替える構成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く、２つ、３つ又は５つ以上の光源部を時分割で切り替えるようにしてもよい。

２ 光源装置
４，６，８，１０ 光源部
４ａ，６ａ，８ａ，１０ａ 発光ダイオード（発光ダイオード）
４ｂ，６ｂ，８ｂ，１０ｂ バンドパスフィルタ
４ｃ，６ｃ，８ｃ，１０ｃ コリメーションレンズ
１２ フローセル
１４，１６，１８ ハーフミラー
２０ ビームスプリッタ
２２，２２ａ，２５ フォトダイオード
２３，２３ａ，２６ 増幅器
２４，２４ａ，２７ アナログ／デジタル変換器
２８，２８ａ 演算制御部
２９，２９ａ 光源切替手段
３０，３０ａ 演算手段
３２，３４，３６，３８ ＬＥＤドライバ
４０ 時分割制御回路
４２ａ，４２ｂ 切替スイッチ回路
４４ａ‐４４ｄ，４５ａ‐４５ｄ 演算部
４６ デジタルフィルタ
４８ 除算部
５０ 吸光度算出部
５０ａ 蛍光算出部
５２ 通信部

Claims (6)

1. 試料を流通させるフローセルと、
   互いに異なる波長の光を発する複数の発光ダイオードを備えた光源装置と、
   前記各発光ダイオードから発せられる光を同一光路上の光として前記フローセルに導く光学系と、
   前記フローセルからの光を検出するための光検出器と、
   前記各発光ダイオードを互いに異なるタイミングで連続的に点灯させるように構成された光源切替手段を有する制御部と、
   前記光検出器で得られた検出信号に基づいて所定の演算を行なう演算部を、前記各発光ダイオードから発せられる光の波長ごとに備えているとともに、前記発光ダイオードから発せられた光の波長に対応した前記演算部にその光が前記フローセルに照射されたときの前記光検出器の検出信号が取り込まれるように、前記光源切替手段による前記発光ダイオードの切替えのタイミングと同期して前記光検出器の検出信号を取り込む演算部を切り替える切替スイッチ回路を備えている演算処理部と、を備えた光学的検出器。
2. 前記光源装置は、前記複数の発光ダイオードから発せられる光が測定波長範囲内において網羅的に分布するように構成されたものであり、
   前記光源切替手段は、前記光源装置から発せられる光の波長が連続的に切り替わるように、前記各発光ダイオードを互いに異なるタイミングで切り替えて点灯させるように構成されたものである、請求項１に記載の光学的検出器。
3. 前記光学系は、前記各発光ダイオードから発せられる光に基づく参照光を取り出すように構成され、
   前記参照光を検出するための参照光検出器をさらに備え、
   前記演算処理部は、前記参照光検出器で得られた参照信号に基づいて所定の演算を行なう演算部を、前記各発光ダイオードから発せられる光の波長ごとに備え、
   前記切替えスイッチ回路は、前記発光ダイオードから発せられた光の波長に対応した前記演算部にその光が前記フローセルに照射されたときの前記光検出器の検出信号及び前記参照光検出器の検出信号が取り込まれるように、前記光源切替手段による前記発光ダイオードの切替えのタイミングと同期して前記光検出器の検出信号及び前記参照光検出器の検出信号を取り込む演算部を切り替えるように構成されている、請求項１又は２に記載の光学的検出器。
4. 前記光検出器は前記フローセルを透過した光を受光する位置に設けられている請求項１から３のいずれか一項に記載の光学的検出器。
5. 前記光検出器は、前記フローセルに照射される光の光軸上の位置から外れた位置に設けられ、前記発光ダイオードから照射される励起光によって励起された前記フローセル内の試料から発せられる蛍光を検出するものであり、
   前記フローセルと前記光検出器との間に、励起光成分を除去する蛍光フィルタが設けられている請求項１から３のいずれか一項に記載の光学的検出器。
6. 前記発光ダイオードの発光側に前記発光ダイオードから発せられる光より狭い波長範囲の透過域をもつバンドパスフィルタが配置されている請求項１から５のいずれか一項に記載の光学的検出器。

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