JP6380665B2 - 光学測定装置 - Google Patents

Description

本発明は、セル中の試料液に光を照射し、それに対して該試料液から得られる透過光、散乱光、蛍光などを検出する光学測定装置に関する。

液体クロマトグラフ（ＬＣ）の検出器として、カラムから溶出した試料液の吸光度（又は透過率）を測定する光学測定装置がしばしば用いられる。図９は、吸光測定のための光学測定装置の一例の概略構成図である（例えば特許文献１など参照）。

光源であるＬＥＤ７１から出射した測定光は試料液が流通するフローセル７２に照射される。測定光はフローセル７２中の試料液を通過する際に、該試料液中の成分の種類や量に応じた吸収を受ける。そうした吸収を受けたあとの光が光検出器７３に入射し、光検出器７３はその光の光量に応じた検出信号を出力する。そして、図示しない信号処理部において、検出信号から試料液による吸光度を算出する。この構成では、フローセル７２の長さＬが試料液中の光路長となる。

こうした光学測定装置に用いられるフローセルにはいくつかの種類がある。例えばカラムで分離された成分を含む試料液をフラクションコレクタにより分取する分取ＬＣでは、一般に、通常の分析の場合よりも試料液の濃度が高いため、単位光路長当たりの吸光度が大きい。そのため、検出感度を高めるために、図９（ａ）に示すように、光路長が相対的に短いフローセルが使用される。一方、微量な、つまり低濃度の試料を分析する際には、検出感度を高めるために、図９（ｂ）に示すように、光路長が相対的に長いフローセルが使用される。このようにＬＣ用の光学測定装置では、分析目的等に応じて光路長が異なるフローセルが使い分けられる。

上述したように従来一般に、光学測定装置における試料液中の光路長の変更は、使用するフローセル自体を交換することで行われている。しかしながら、フローセルの交換は手間と時間が掛かる作業である。また、光路長を細かく複数段階に変更するためには、長さの相違するフローセルを複数用意しておく必要がある。

これに対し、光源から出射した測定光がフローセルに入射する入射角を変更することによって、フローセル内での光の反射回数を調整し、それによって実質的な光路長を変更するようにした光学測定装置が提案されている（特許文献２など参照）。しかしながら、測定光の入射角を調整する機構は大掛かりになるため、それだけ光学測定装置が大きくなってしまう。また、光源又は入射光学系の位置や姿勢を変更することで測定光の入射角を精度良く変更するためには、高精度な機構部品が必要になりコストも高くなる。

特開２０１１−２３７３８４号公報 特開２００１−３４３３２７号公報

「高屈折率のLED用低硬度エラストマー・ゲル封止材3製品3月上旬発売」、［online］、東レ・ダウコーニング株式会社、［２０１５年４月１６日検索］、インターネット＜URL: http://www.dowcorning.co.jp/ja_JP/content/japan/japancompany/nr080304.aspx＞

本発明は上記課題に鑑みて成されたものであり、その目的とするところは、試料液を収容するセルを交換することなく且つセルへの測定光の入射角を変更することなく、セル内の光路長を変更することによって、低濃度試料から高濃度試料まで幅広い濃度の試料に対する適切な測定を実施することができる光学測定装置を提供することにある。

上記課題を解決するためになされた本発明に係る光学測定装置は、
a)試料液が流通する又は試料液が収容される筒状の容器であって光学的に透明な試料セルと、
b)前記試料セルに対し、その軸方向に又は該試料セルの軸に斜交する方向に測定光を照射する測定光照射部と、
c)前記測定光照射部から前記試料セルに照射された測定光が該試料セル内を通過したあとの光又は該測定光に応じて試料液から放出された光を検出する検出部であって、光電変換を行う受光部と、その一部が前記試料セルの外面に接し、他の一部が前記受光部に接した状態で前記試料セルと前記受光部との間に配置され、光を透過可能であってその屈折率が前記試料セルの壁面の材料の屈折率よりも大きい材料からなる接合部と、を含む検出部と、
を備え、前記試料セルへの前記検出部の接触位置が変更可能であることを特徴とする光学測定装置。
を備え、前記試料セルへの前記検出部の接触位置が変更可能であることを特徴としている。

本発明に係る光学測定装置において、試料セルは例えばその全体が光学的に透明であって、且つ試料液の溶媒として一般に使用される有機溶媒及び試料セルの周囲の環境（例えば空気）よりも高い屈折率を有する材料から形成される。そうした材料としては例えば、合成石英、サファイア（酸化アルミニウム単結晶：Al₂O₃）、ダイヤモンドなどを利用することができる。

測定光照射部は試料セルに対し、その軸に平行か又は該軸とのなす角度θが０＜θ＜90°であるように斜めに測定光を照射する。試料セルに入射した測定光は該セル内に充ちている試料液中を通過し、試料セル壁面の外面（試料セル壁面と周囲の環境との界面）で反射（好ましくは全反射）を繰り返しながら試料セル中を伝搬してゆく。つまり、試料液が充ちた試料セルは一種の光導波路として機能する。一般に、光導波路ではその外面に埃などが付着すると、そこから光が漏出して光の伝搬効率が低下することが知られており、これを避けるために光導波路の外面に埃などが付着しないような対策が採られる。
本発明に係る光学測定装置では、この光の漏出現象を積極的に利用し、試料セルの任意の位置から測定光を外部に取り出して検出する。即ち、試料セルの外面に検出部の接合部が接触していると、この接合部の屈折率は試料セル壁面の屈折率よりも大きいため、接触部位に達した光は試料セル壁面の外面で反射せずに接合部に侵入する。そして、接合部中を透過して受光部に到達する。受光部は到達した光の光量に応じた検出信号を出力する。

例えば試料セルへの検出部の取付位置を測定光照射部から遠ざけるほど、試料セル壁面の外面における全反射の回数が相対的に多い測定光つまりは光路長が平均的に長い測定、又はそうした平均的に長い光路長を通った測定光に応じて試料液から放出される蛍光や散乱光が検出部に導入される。即ち、試料セルへの検出部の取付位置を試料セルの軸方向に変更することによって、試料液中の平均的な光路長を変更することができる。

例えば、吸光度測定においては、試料液の濃度が高い場合には単位光路長当たりの吸光度が大きいから、試料セルへの検出部の取付位置を測定光照射部の近くにすることで平均的な光路長を短くし、検出信号が小さくなりすぎることを防止できる。逆に、試料液の濃度が低い場合には単位光路長当たりの吸光度が小さいから、試料セルへの検出部の取付位置を測定光照射部から遠ざけることで平均的な光路長を長くし、吸光による検出信号の減少度合いを大きくして感度を高めることができる。

また例えば、蛍光測定やラマン散乱光測定においては、試料液の濃度が高い（分子数が多い）場合には単位光路長当たりの蛍光の放出や散乱が大きいから、試料セルへの検出部の取付位置を測定光照射部の近くにすることで平均的な光路長を短くし、検出信号が大きくなりすぎることを防止できる。逆に、試料液の濃度が低い（分子数が少ない）場合には単位光路長当たりの蛍光の放出や散乱が小さいから、試料セルへの検出部の取付位置を測定光照射部から遠ざけることで平均的な光路長を長くし、検出信号を大きくして感度を高めることができる。

本発明に係る光学測定装置において、検出部は試料セルの外面の周方向の一部にのみ設けられてもよいが、その周方向全周に亘り設けられる構成としてもよい。
例えば試料セルが円筒形状である場合、検出部はその中空部分に試料セルが挿通される円環形状体とすればよい。

この構成によれば、測定光照射部から或る程度の角度を以て広がりながら試料セルに照射された測定光が試料セル内で様々な方向に全反射しつつ進行する光や、そうした光によって試料液から様々な方向に放出される蛍光や散乱光を、検出部で効率良く捉えることができる。

また、本発明に係る光学測定装置において、接合部は、試料セルに接触する面から受光部に接触する面に向かって屈折率が増加するものであるとするとよい。これにより、試料セルと接合部との界面、及び、接合部と受光部との界面のいずれにおいても、界面を挟んだ両側の屈折率の差を小さくすることができ、光の通過効率を高めることができる。

なお、測定光照射部から照射される測定光は所定波長の単色光でも波長範囲の広い光でもよいが、後者が用いられる場合には、検出部において接合部と受光部との間に分光器を設け、該分光器で波長分散した光を受光部で波長毎に検出するか、又は該分光器で取り出した特定波長の光を受光部で検出するとよい。

本発明に係る光学測定装置によれば、測定対象である試料液の濃度や分析目的などに応じて、試料セルへの検出部の取付位置を変更するだけで、試料液中の光路長を変更することが可能となる。検出部の取付位置の変更は測定者が容易に行うことができ、従来のフローセル交換のような面倒な作業が不要になるので、測定者の手間を軽減するとともに測定の効率化を図ることができる。また、様々な光路長の試料セルを用意しておく必要もなくなる。また、試料セルへの検出部の取付位置を変更するために、測定光の入射角を調整する機構のような大掛かりな機構は不要であるので、装置の小形化にも適している。さらにまた、検出部の取付位置を変更しても、測定光を試料セルに入射するための光路や試料セル内の光路自体は何ら変化しないので、面倒な光学系の再調整が必要になることもない。

本発明に係る光学測定装置の一実施例である吸光測定装置の概略構成図であり、（ａ）及び（ｂ）はフローセルの中心軸を含む平面での断面図、（ｃ）は該中心軸に直交する平面での断面図。 図１に示した吸光測定装置におけるフローセル内の光路の説明図。 検出部の構成例を示す図。 本発明の他の実施例である吸光測定装置の概略構成図。 本発明の他の実施例である吸光測定装置の概略構成図。 本発明の他の実施例である吸光測定装置の概略構成図。 本発明の他の実施例である吸光測定装置の概略構成図。 本発明の他の実施例である吸光測定装置の概略構成図。 従来の吸光測定装置の概略構成図。

以下、本発明に係る光学測定装置の実施例について、添付図面を参照して説明する。
図１は第１実施例の吸光測定装置の概略構成図であり、（ａ）及び（ｂ）はフローセルの中心軸を含む平面での断面図、（ｃ）は該中心軸に直交する平面での断面図である。図２は本実施例の吸光測定装置におけるフローセル内の光路の説明図である。
本実施例の吸光測定装置は、円筒直管状の流路を有するフローセル２と、該フローセルに対し測定光を照射する光照射部１と、フローセル２の外面に接触するように設けられる検出部３と、を備える。ここでは、フローセル２は空気中に置かれているものとする。

光照射部１は例えば単一のＬＥＤを光源とするものであり、図示しないＬＥＤ駆動部から供給される駆動電流により駆動され、単色光とみなし得る狭い波長範囲の光を発する。光照射部１から発せられる光は所定の立体角を以て広がるが、その光軸はフローセル２の中心軸に対し０＜θ＜90°の範囲の所定の角度θとなるように、光照射部１とフローセル２との位置関係が定められている。

フローセル２は、空気（周囲環境）の屈折率ｎ₁及び流路を流れる試料液の溶媒の屈折率ｎ₃よりも大きい屈折率ｎ₂を有する透明な材料から成る。本装置がＬＣ用の検出器である場合には、試料液の溶媒としては、ＬＣの移動相として一般に使用される様々な有機溶媒を想定すればよい。サファイア、合成石英、ダイアモンドなどが、フローセル２に好適な材料である。

検出部３は、典型的にはフォトダイオードなどの半導体受光素子である受光部３１と、フローセル２の外面に一面が接触され対向する面が受光部３１の受光面に接触される接合部３２と、を含み、フローセル２の外面の任意の位置に取り付け可能である。
接合部３２は、光学的に透明又は半透明であり、屈折率ｎ₄がフローセル２の材料の屈折率ｎ₂以上で且つ受光部３１の受光面の材料の屈折率ｎ₅以下（ただしｎ₂≦ｎ₅）である材料から成る。したがって、ｎ₂＜ｎ₄＜ｎ₅でもよいし、ｎ₂＜ｎ₄＝ｎ₅でもよいし、ｎ₂＝ｎ₄＜ｎ₅でもよいし、さらにｎ₂＝ｎ₄＝ｎ₅でもよい。接合部３２は、特にフローセル２の外面との密着性が高いことが望ましい。好ましい材料として例えば、樹脂製光ファイバ等に利用されている屈折率分散型ポリマー、ＬＥＤ用低硬度エラストマー・ゲル封止材（非特許文献１など参照）などのゲル状部材、シリコーンなどが挙げられる。また、プリズムを用いた光学測定などの際に使用されるマッチングオイルを利用することもできるし、ゼラチンなどを用いてもよい。

いま、フローセル２の外面の図１（ａ）に示すような位置に検出部３が取り付けられている場合における測定動作を説明する。
光照射部１から発せられた光（測定光）はフローセル２に斜めに入射し、フローセル２内の流路を流れる試料液中を通過する。フローセル２の管路の材料の屈折率ｎ₂は空気の屈折率ｎ₁よりも大きいため、フローセル２の管路と空気との界面（フローセル２の外面）で測定光は全反射し、再び試料液中を通過する。図１（ａ）の構成では、この１回だけ全反射した測定光が試料液中を通過し、先の界面とはちょうど反対側のフローセル２の管路と空気との界面に達する位置付近に検出部３が取り付けられている。上述したように、フローセル２の外面に接している接合部３２の屈折率ｎ₄はフローセル２の管路の材料の屈折率ｎ₂以上であるため、測定光はこの界面では全反射することなく該界面を通り抜け、接合部３２中を通過して受光部３１に到達する。つまり、接合部３２はフローセル２内から光を効率良く漏出させる機能を有する。

測定光は主として試料液中を通過する際に、該試料液中に存在する成分によって吸収を受ける。図１（ａ）の構成では、試料液中を斜め方向に通過する光路長Ｐの約２倍の長さの経路（２×Ｐ）を経て測定光は受光部３１に達する。したがって、受光部３１は、この長さ２×Ｐの経路で吸収を受けた測定光の光量に応じた信号を出力する。

測定者が検出部３の取付位置を図１（ｂ）に示すように変更した場合の測定動作は次のようになる。なお、図１（ｂ）中に点線で示したのは、図１（ａ）中における検出部３の位置である。
光照射部１から発せられた測定光がフローセル２に斜めに入射し、試料液中を通過して、フローセル２の管路と空気との界面で全反射する点は図１（ａ）の場合と同じである。ここでは、検出部３が光照射部１から遠い位置に設けられているため、試料液中を再び通過した測定光はフローセル２の管路と空気との界面で再度全反射される。こうした全反射を複数回繰り返し、検出部３が取り付けられている位置に測定光が達したときに、測定光は該界面で全反射せずにそこを通り抜け、接合部３２中を通過して受光部３１に到達する。図１（ｂ）の構成では、試料液中を斜め方向に通過する光路長Ｐの約６倍の長さの経路（６×Ｐ）を経て測定光は受光部３１に達する。したがって、受光部３１は、この長さ６×Ｐの経路で吸収を受けた測定光の光量に応じた信号を出力する。

図１の例では、光照射部１から発せられる光の光軸に沿った測定光のみを考えたが、上述したように、実際には、光照射部１から発せられる光は所定の立体角の範囲に広がる。そのため、図２に示すように、フローセル２の外面の或る位置に取り付けられた検出部３には、或る１種類の回数だけ全反射した光ではなく、様々な回数、全反射した測定光が到達し得る。しかしながら、どのような経路を経つつ全反射する光でも、フローセル２の中心軸方向に所定の範囲で検出部３を光照射部１に近付けるほど、検出部３に到達するまでの光路長は全体的に短くなる。即ち、フローセル２の中心軸方向に検出部３の取付位置を変更する（移動させる）ことによって、全反射を繰り返して検出部３に到達する測定光の平均的な光路長を調整することができる。したがって、例えば試料液の濃度が低く単位光路長当たりの吸光度が小さい場合には、測定者は、検出部３を光照射部１から離した位置に取り付けるようにして平均的な光路長を長くすることで、検出感度を高くすることができる。

上述したように、検出部３における接合部３２の材料は、その屈折率ｎ₄がフローセル２の材料の屈折率ｎ₂以上で受光部３１の受光面の材料の屈折率ｎ₅と同じか或いはそれよりも小さければよい。その屈折率ｎ₄は一定（図３（ｂ）参照）であってもよいが、フローセル２と接合部３２との界面での光の損失をできるだけ抑え、より効率良くフローセル２から光を取り出すには、図３（ｃ）に示すように、フローセル２との接触面３２ａから受光部３１との接触面３１ａに向かうに従って屈折率ｎ₄が徐々に大きくなる、例えばｎ₄がｎ₂からｎ₅まで緩やかに増加するようにするとよい。例えば接合部３２を多層膜構造とすることで、こうした屈折率の勾配を容易に実現することができる。また、反射防止膜などに利用されるモスアイ構造を採用することで屈折率を徐々に変化させることもできる。なお、図３（ｃ）では、屈折率の変化は直線的であるが、この変化は曲線的でも或いは階段状でもよい。

上記実施例の吸光測定装置では、光照射部１からの光をフローセル２に対し斜めに入射するようにしていたが、こうした構成の利点の一つは、試料液をフローセル２に導入したり試料液をフローセル２から取り出したりするための流路を、フローセル２に対し直線的に接続することができる点である。こうした直線的な流路の接続によって、その接続部位における光の拡散を軽減することができ、光の利用効率が向上する。

もちろん、図４に一例を示すように、光照射部１からの光をフローセル２の中心軸に平行な方向にフローセル２に入射するようにしてもよい。即ち、フローセル２の管路の外面で測定光が全反射するように、測定光をフローセル２に入射可能でありさえすれば、測定光の入射方向は特に問わない。

また、図１、図４の例では、フローセル２は直管状であるが、フローセル２は直管状である必要はなく、湾曲形状や屈曲形状などでもよい。

また、上記実施例では、光源として発光の波長範囲が狭いＬＥＤを用いていたが、図５に一例を示すように、例えば重水素ランプやそれ以外の発光波長の広い光源を使用した光照射部１を用い、そうした光を分光器４に導入して取り出した特定波長の単色光をフローセル２に照射するようにしてもよい。

また、図６に一例を示すように、発光波長の広い光源を使用した光照射部１から出射した光をそのまま（つまり単色光化せずに）フローセル２に照射し、試料液中で吸収を受けた測定光をフローセル２から取り出したあとに分光器４に導入し、特定波長の光のみを取り出して受光部３１に導入するようにしてもよい。また、この場合、受光部３１としてフォトダイオードアレイを用い、分光器４で波長分散した光をフォトダイオードアレイの各受光素子で一斉に検出してもよい。これによって、特定の波長における吸光度だけでなく、吸光スペクトルを測定することができる。さらには、図７に一例を示すように、光照射側と光検出側との両方に分光器４Ａ、４Ｂを設けてもよい。

また、上記実施例では、検出部３はフローセル２の外面の周方向の一箇所にのみ設けられていたが、図８に一例を示すように、フローセル２の外面の周方向の全体に、つまりフローセル２を取り囲むような円環形状の検出部３を設ける構成としてもよい。この構成により、効率よくフローセル２から光を取り出して検出することができる。

本発明に係る光学測定装置は吸光測定のみならず、蛍光測定やラマン散乱光測定にも有効である。何故なら、蛍光測定やラマン散乱光測定においても、検出信号は光路長依存性を有するからである。ただし、蛍光測定やラマン散乱光測定では、測定対象の光の波長は試料液に照射される光（上記各例における測定光）とは異なる波長であり、照射される光は不要光又は一種のノイズ光である。したがって、蛍光測定やラマン散乱光測定では、図６又は図７に示したような、検出側に分光器４、４Ｂを設けた構成として、測定対象である波長の光のみを取り出したり、所定波長範囲のスペクトルを測定したりするとよい。また、蛍光やラマン散乱光はあらゆる方向に放出されるから、特に図８に示すような構成を採ると、測定対象の光を効率良く集めることができる。

また、上記実施例では、フローセル２に検出部３を一つのみ設けたが、複数の検出部３を一つのフローセル２に設け、その複数の検出部３で同時に検出を行うようにしてもよい。これにより、複数の異なる光路長に対応する感度の相違する測定を行うことができる。

また、上記実施例はいずれも本発明の一例にすぎず、本発明の趣旨に沿った範囲でさらに適宜変形や修正、追加を行っても本願特許請求の範囲に包含されることは明らかである。例えば、上記実施例では試料セルはフローセルであるが、試料液が収容された、つまり試料液が流通せずに貯留される試料セルでも本発明を適用可能であることは明らかである。

１…光照射部
２…フローセル
３…検出部
３１…受光部
３１ａ、３２ａ…接触面
３２…接合部
４、４Ａ、４Ｂ…分光器

Claims (7)

1. a)試料液が流通する又は試料液が収容される筒状の容器であって光学的に透明な試料セルと、
   b)前記試料セルに対し、その軸方向に又は該試料セルの軸に斜交する方向に測定光を照射する測定光照射部と、
   c)前記測定光照射部から前記試料セルに照射された測定光が該試料セル内を通過したあとの光又は該測定光に応じて試料液から放出された光を検出する検出部であって、光電変換を行う受光部と、その一部が前記試料セルの外面に接し、他の一部が前記受光部に接した状態で前記試料セルと前記受光部との間に配置され、光を透過可能であってその屈折率が前記試料セルの壁面の材料の屈折率よりも大きい材料からなる接合部と、を含む検出部と、
   を備え、前記試料セルへの前記検出部の接触位置が変更可能であることを特徴とする光学測定装置。
2. 請求項１に記載の光学測定装置であって、
   前記検出部は前記試料セルの外面の周方向全周に亘り設けられることを特徴とする光学測定装置。
3. 請求項１に記載の光学測定装置であって、
   前記接合部は、前記試料セルに接触する面から前記受光部に接触する面に向かって屈折率が増加するものであることを特徴とする光学測定装置。
4. 請求項１に記載の光学測定装置であって、
   前記接合部は、その屈折率が前記試料セルの壁面の材料の屈折率以上であり且つ前記受光部の受光面の材料の屈折率以下である材料からなることを特徴とする光学測定装置。
5. 請求項１に記載の光学測定装置であって、
   前記接合部は、屈折率分散型ポリマー、ゲル状部材、又は、シリコーンのいずれかからなることを特徴とする光学測定装置。
6. 請求項１に記載の光学測定装置であって、
   試料液の濃度が高い場合に、前記試料セルへの前記検出部の接触位置を前記測定光照射部の近くにすることで平均的な光路長を短くし、試料液の濃度が低い場合には、前記試料セルへの前記検出部の接触位置を前記測定光照射部から遠ざけることで平均的な光路長を長くするように、前記試料セルへの前記検出部の接触位置を変更可能であることを特徴とする光学測定装置。
7. a)試料液が流通する又は試料液が収容される筒状の容器であって光学的に透明な試料セルと、
   b)前記試料セルに対し、その軸方向に又は該試料セルの軸に斜交する方向に測定光を照射する測定光照射部と、
   c)前記測定光照射部から前記試料セルに照射された測定光が該試料セル内を通過したあとの光又は該測定光に応じて試料液から放出された光を検出する検出部であって、光電変換を行う受光部と、特定波長の光のみを取り出して前記受光部に導入する分光器と、その一部が前記試料セルの外面に接し、他の一部が前記分光器に接した状態で前記試料セルと前記分光器との間に配置され、光を透過可能であってその屈折率が前記試料セルの壁面の材料の屈折率よりも大きい材料からなる接合部と、を含む検出部と、
   を備え、前記試料セルへの前記検出部の接触位置が変更可能であることを特徴とする光学測定装置。

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