JP6750733B2

JP6750733B2 - 分光光度計

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Publication number: JP6750733B2
Application number: JP2019513155A
Authority: JP
Inventors: 渡邉　真人; 真人渡邉; 昌秀軍司
Original assignee: Shimadzu Corp
Current assignee: Shimadzu Corp
Priority date: 2017-04-20
Filing date: 2017-04-20
Publication date: 2020-09-02
Anticipated expiration: 2037-04-20
Also published as: JPWO2018193572A1; WO2018193572A1; CN110494721B; CN110494721A; US20200158571A1; US10866140B2

Description

本発明は、分光器を用いてフローセルからの光を波長成分ごとに分光し、フォトダイオードアレイ（以下、ＰＤＡ）を用いて分光された光を波長成分ごとに検出する分光光度計に関するものである。

液体クロマトグラフ用の検出器としてＰＤＡ分光光度計が知られている。ＰＤＡ分光光度計は、試料を含む溶液を流通させるフローセルに光源から光を照射し、フローセルを透過した光又はフローセルで反射(若しくは屈折)した光を回折格子やプリズムなどの分光器によって波長成分ごとに分光してＰＤＡに導く。ＰＤＡには、分光器によって分光された各波長成分の光を受光するための複数のフォトダイオード（以下、ＰＤ）が設けられており、波長成分ごとの光を各ＰＤによって同時に検出してフローセルを経た光の波長スペクトルを検出することができる（特許文献１参照。）。

特開２０１４−０４８１７６号公報

上記のような分光光度計においては、分光器で分光されてＰＤＡに入射した光の一部が反射し、その反射光の一部がＰＤＡの受光面を保護する保護板や分光器等で再反射してＰＤＡに迷光として再入射して検出されてしまうという問題があった。迷光とは、その光が本来検出されるべきＰＤとは異なるＰＤに入射した光を意味する。このような迷光は、検出感度の低下や直線性の悪化の原因となる。

本発明は、このような問題に鑑みてなされたものであり、ＰＤＡの受光面で反射した光の再反射による検出への影響を低減することを目的とするものである。

本発明に係る第１の分光光度計は、光源と、前記光源からの光の光路上に配置され、試料を流通させるフローセルと、前記フローセルを経た光を波長成分ごとに分光する分光器と、入射光の光量を検出する複数のＰＤが一方向へ配列され、前記各ＰＤの受光面のそれぞれに前記分光器により分光された波長成分ごとの光が入射するように配置されたＰＤＡと、前記ＰＤＡの受光面を保護する光透過性の保護板と、を備えた液体クロマトグラフ用検出器としての分光光度計である。当該分光光度計は、前記ＰＤＡを構成するＰＤのうち、少なくとも２００ｎｍから３００ｎｍまでの間の波長をもつ光を受光するＰＤの受光面で反射した光の反射位置と、その反射光が前記保護板で再び反射して当該ＰＤＡの前記受光面へ入射するときのその入射位置との間の距離が、当該ＰＤＡを構成する１つのＰＤの幅寸法以下又は当該分光光度計の最小スペクトル分解能以下となるように、前記分光器と前記ＰＤＡとの位置関係が設定されている。

すなわち、本発明の第１の分光光度計は、液体クロマトグラフで最もよく使用される２００ｎｍから３００ｎｍまでの間の波長範囲において迷光量が最も少なくなるように設計されたものである。ＰＤＡを用いる一般的な分光光度計では、幅広い波長範囲（例えば１９０ｎｍ〜８００ｎｍ）で精度よく検出することができるように設計されている。しかし、そのように設計された分光光度計では、液体クロマトグラフで最もよく使用される２００ｎｍから３００ｎｍの波長範囲内において、保護板で再反射した光による迷光の影響を十分に排除しきれていなかった。迷光量が多いと、例えば試料成分の吸光度が大きくなったときにＰＤＡに入射する迷光の割合が大きくなり、検出精度（直線性）が低下する。その結果、スペクトル形状が崩れ、場合によってはピーク波長も変化してしまうという問題があった。

本発明の第１の分光光度計では、液体クロマトグラフで最もよく使用される２００ｎｍから３００ｎｍまでの間の波長範囲において、ＰＤＡの受光面における反射位置（１回目の入射位置）とその反射光の再入射位置（２回目の入射位置）との間のずれ幅が１つのＰＤの幅寸法以下又は当該分光光度計の最小スペクトル分解能以下となるように設計されているので、この波長範囲においてはＰＤＡに対する１回目と２回目の光の入射位置が同じ波長域の光を検出するためのＰＤの範囲内に納まりやすくなり、この波長範囲での迷光量が少なくなる。

ここで、ＰＤＡの受光面に入射する光の入射角が大きいほどＰＤＡの受光面での光の反射角も大きくなり、１回目の入射位置と２回目の入射位置とのずれ幅も大きくなる。そこで、本発明に係る第１の分光光度計の好ましい実施形態では、前記分光器により分光された光のうち２００ｎｍから３００ｎｍまでの間の所定の波長をもつ光が前記一方向（ＰＤの配列方向）に対して直交する（入射角が０°となる）ように、前記分光器と前記ＰＤＡとの位置関係が設定されている。これにより、２００ｎｍから３００ｎｍの間の光を検出するためのＰＤに入射する光の入射角が小さくなる。

上記の所定の波長とは、例えば約２５０ｎｍである。約２５０ｎｍとは、２５０ｎｍ付近という意味であり、２００ｎｍ〜３００ｎｍの波長範囲の中央付近の波長であることを意味する。

また、ＰＤＡの受光面で反射して分光器へ到達し、分光器で再反射してＰＤＡに再入射した光も迷光となるため、分光器での再反射を抑制することによっても、迷光の低減を図ることができる。そこで、本発明に係る第１の分光光度計では、上述の構成に加えて、ＰＤＡの受光面で反射した光が分光器から逸れるように、前記分光器で分光された光の光軸がＰＤＡの受光面の平面内における前記一方向（ＰＤの配列方向）と直交する方向に対して傾斜する（入射角が０°とならない）ように、前記分光器と前記ＰＤＡとの位置関係が設定されていることが好ましい。そうすれば、ＰＤＡの受光面で反射した光が分光器で再反射してＰＤＡに再入射することが抑制され、迷光を低減することができる。

本発明に係る第１の分光光度計のさらに好ましい実施形態では、ＰＤＡの受光面、保護板のＰＤＡ側表面、及び保護板のＰＤＡとは反対側表面のうち少なくとも１つの面に、反射率を低減する反射防止膜が設けられている。ＰＤＡの受光面に反射防止膜を設ければ、ＰＤＡの受光面で反射する光の量が低減されるので、ＰＤＡに再入射する光も低減され、迷光が低減される。保護板のＰＤＡ側表面やＰＤＡとは反対側表面に反射防止膜を設ければ、ＰＤＡで反射した光のうち保護板で再反射する光の割合が低減されるので、ＰＤＡに再入射する光も低減され、迷光が低減される。

本発明に係る第２の分光光度計は、上述した本発明に係る第１の分光光度計と同様の基本的構成を有する液体クロマトグラフ用検出器としての分光光度計であって、ＰＤＡの受光面で反射した光が分光器から逸れるように、分光器で分光された光の光軸がＰＤＡの受光面の平面内における前記一方向（ＰＤの配列方向）と直交する方向に対して傾斜する（入射角が０°とならない）ように、分光器とＰＤＡとの位置関係が設定されている。

また、分光器へ入射する光の光路上に入口スリットが設けられている場合、例えば分光器で発生した−１次光のような光が入口スリットで反射して分光器へ戻ると、その光が迷光としてＰＤＡに入射してしまうという問題がある。そこで、本発明の分光光度計では、入口スリットで反射された分光器からの光が当該分光器を逸れるように、入口スリットと分光器との位置関係が設定されていることが好ましい。

本発明に係る第１の分光光度計では、液体クロマトグラフで最もよく使用される２００ｎｍから３００ｎｍまでの間の波長範囲において、ＰＤＡの受光面に対する１回目の入射位置とその再反射光による２回目の入射位置との間のずれ幅が１つのＰＤの幅寸法以下又は当該分光光度計の最小スペクトル分解能以下となるように設計されているので、この波長範囲において、ＰＤＡに対する１回目と２回目の光の入射位置が同じ波長域の光を検出するためのＰＤの範囲内に納まりやすくなり、迷光量が低減される。これにより、従来の分光光度計に比べて、液体クロマトグラフで最もよく使用される２００ｎｍから３００ｎｍの間の波長範囲における検出精度を向上させることができる。

本発明に係る第２の分光光度計では、ＰＤＡの受光面で反射した光が分光器から逸れるように、分光器で分光された光の光軸がＰＤＡの受光面の平面内におけるＰＤの配列方向と直交する方向に対して角度をもつように、分光器とＰＤＡとの位置関係が設定されているので、ＰＤＡの受光面で反射した光が分光器で再反射してＰＤＡに再入射することが抑制され、迷光が低減される。これにより、検出精度が向上する。

同様に、分光器へ入射する光の光路上に入口スリットが設けられている場合、スリットで反射した分光器からの光が、分光器を逸れるように入口スリットと分光器との位置関係が設定されているため、入口スリットでの反射光が分光器で再反射してＰＤＡに再入射することが抑制され、迷光が低減される。これにより、検出精度が向上する。

分光光度計の一実施例を示す構成図である。同実施例のＰＤ配列方向（Ｘ軸方向）における分光器とＰＤＡとの位置関係を示す図である。同実施例のＰＤＡに入射し受光面で反射した光の挙動の一例を示す概念図である。同実施例のＰＤＡの受光面に反射防止膜を設けた図である。同実施例のＰＤＡを保護する保護板の両面に反射防止膜を設けた図である。ＰＤ配列方向に直交する方向（Ｙ軸方向）における分光器とＰＤＡとの好ましい位置関係の一例を示す図である。ＰＤＡを基準としたＸ軸方向とＹ軸方向の定義を説明するための図である。分光器に対するスリットの好ましい配置方向の一例を示す図である。迷光を低減した実施例による直線性の改善効果の検証結果を示すグラフである。従来例の装置構成を用いて吸光度測定を行なったときの各吸光度でのピーク波形の一例である。実施例の装置構成を用いて吸光度測定を行なったときの各吸光度でのピーク波形の一例である。

以下に、本発明に係る液体クロマトグラフ用検出器としての分光光度計の一実施例について、図面を用いて説明する。

まず、分光光度計の一実施例の構成について図１の概略構成図を用いて説明する。

この実施例の分光光度計は、光源２、集光レンズ４、フローセル６、ミラー８、入口スリット１０、分光器１２及びフォトダイオードアレイ（以下、ＰＤＡ）１４を備えている。

光源２により発せられる光の光路上に、集光レンズ４及びフローセル６が配置されており、光源２からの光が集光レンズ４を介してフローセル６へ照射されるようになっている。フローセル６内を液体クロマトグラフの分離カラムを経た溶液が流れる。

ミラー８はフローセル６を透過した光を反射させて入口スリット１０側へ導くように配置されており、入口スリット１０を経た光が回折格子などの分光器１２に導かれるようになっている。分光器１２に導かれた光は各波長成分の光に分光され、複数のフォトダイオード（以下、ＰＤ）が配列されてなるＰＤＡ１４の各ＰＤに入射するようになっている。

ここで、本明細書中においては、図６に示されているように、ＰＤＡ１４の受光面と同一の平面内におけるＰＤ配列方向と平行な方向をＸ軸方向、同平面内におけるＸ軸方向と直交する方向をＹ軸方向と定義する。図６はＰＤＡ１４の受光面の平面図である。

図２に示されているように、ＰＤＡ１４は開口面をもつＰＤＡケース１８内において受光面がＰＤＡケース１８の開口面側を向くように固定されている。ＰＤＡケース１８の開口面は透明な保護板１６によって閉じられており、ＰＤＡ１４の受光面が保護板１６によって保護されている。このようにＰＤＡ１４と保護板１６は１つのパッケージとして構成されている。このようなＰＤＡパッケージ構成は一般的なものである。

ＰＤＡ１４の受光面側に保護板１６が配置されているため、ＰＤＡ１４の受光面で反射した光の一部が保護板１６で再反射してＰＤＡ１４側へ戻り、その光の波長とは別の波長を検出するためのＰＤに再入射してしまうことで迷光になるという問題がある。

この実施例の分光光度計は、液体クロマトグラフにおいて最も頻繁に使用される２００ｎｍから３００ｎｍの間の波長範囲において保護板１６での再反射による迷光の影響が最も小さくなるように設計されている。具体的には、分光器１２で分光された各波長成分の光のうち２５０ｎｍ付近の波長成分の光の光軸がＸ軸方向（ＰＤ配列方向）に対して直交するように、分光器１２とＰＤＡ１４の位置関係が設定されている。すなわち、図２に示されているように、紙面の左右方向をＸ軸方向（ＰＤ配列方向）としたときに、２５０ｎｍ付近の波長成分の光が鉛直向きになってＰＤＡ１４に対して垂直に入射するように、分光器１２とＰＤＡ１４の位置関係が設定されている。

２５０ｎｍ付近の波長成分の光がＰＤＡ１４の受光面に対して垂直に入射するように設計することで、図３に示されているように、２００ｎｍ〜３００ｎｍの波長範囲の光を検出するためのＰＤに入射する光のＸ軸方向に対する入射角が小さくなる。その結果、２００ｎｍ〜３００ｎｍの波長範囲では、ＰＤＡ１４の受光面での光の反射角が非常に小さなものとなり、ＰＤＡ１４に対する１回目（反射前）の光の入射位置と保護板１６での再反射した後の２回目の入射位置の距離を、ＰＤＡ１４の分解能、すなわち１つのＰＤのＸ軸方向における幅寸法以下又は当該分光光度計の最小スペクトル分解能以下とすることができる。これにより、この図の矢印で示されているように、２００ｎｍ〜３００ｎｍの波長範囲において、ＰＤＡ１４の受光面で反射し保護板１６で再反射した光が、その光が本来入射すべきＰＤへ戻る確率が上がり、迷光が低減する。

従来構成では、この実施例のように２００ｎｍ〜３００ｎｍの波長範囲において迷光が最も小さくなるようには設計されておらず、より長波長側の光を受光するＰＤに対して光が垂直に入射するようになっていた。このため、２００ｎｍ〜３００ｎｍの波長の光を受光するＰＤに対する光の入射角が大きくなり、反射角も大きくなり、保護板１６で再反射した光が本来入射すべきＰＤとは別のＰＤに入射して迷光となっていた。

例えば、８００ｎｍの波長に対応するＰＤに対して光が垂直に入射するようになっていた場合、２５０ｎｍの波長に対応するＰＤには約１６度の入射角で光が入射する。その結果、２５０ｎｍの波長に対応するＰＤの受光面で反射した光が保護板１６で再反射すると、１回目の入射位置から約０．５６ｍｍもの距離だけずれた位置にある短波長側のＰＤに再入射することになる。

これに対し、２５０ｎｍの波長に対応するＰＤに対して光が垂直に入射するように設計すると、２００ｎｍと３００ｎｍのそれぞれの波長に対応するＰＤに対する光の入射角は約１度となり、それらのＰＤの受光面で反射した光が保護板１６で再反射しＰＤＡ１４へ再入射しても、１回目の入射位置と２回目の再入射位置との距離は約１ｎｍとなる。これは、ＰＤＡ１４の１つのＰＤ素子の幅寸法又は当該分光光度計の最小スペクトル分解能（例えば、約１．４ｎｍ）よりも小さい値となり、１回目の入射位置と２回目の入射位置が同一のバンド幅に納まることを意味する。

この実施例によって迷光を低減したことによる検出精度への影響の検証結果を図８、図９Ａ及び図９Ｂに示す。図８の縦軸は吸光度の実測値（ＡＵ）、横軸は吸光度の理論値（ＡＵ）である。図８のグラフでは、吸光度の実測値が理論値に近いほどグラフ形状が直線に近くなって測定精度が高いといえる。

図８に示されているように、保護板１６での再反射による迷光の影響を考慮しない従来例では、吸光度が高くなるほど迷光の影響が大きくなるため、実測値が理論値から離れていき、直線性が悪化している。これに対し、保護板１６での再反射による迷光の影響を低減した実施例では、吸光度が高くなっても実測値が理論値に近い値を示しており、従来例に比べて直線性が維持されている。

また、図９Ａに示されているように、保護板１６での再反射による迷光の影響を考慮しない従来例では、吸光度が高くなるほどピーク波形が乱れていくが、図９Ｂに示されているように、実施例の構成によって迷光の低減を図ることで、吸光度が高くなってもピーク波形の乱れが見られない。

このことから、上記実施例の構成によって２００ｎｍ〜３００ｎｍの波長範囲における迷光成分の低減を図ることで、この波長範囲での検出精度の向上を図ることができ、分光光度計を液体クロマトグラフ用検出器により適したものとすることができる。

また、さらなる迷光の低減を図るために、図４に示されているように、ＰＤＡ１４の受光面に反射率を低減する、例えばＡＲコーティング等の反射防止膜２０を設けることができる。これにより、ＰＤＡ１４の受光面で反射する光量が低減されるので、保護板１６で再反射してＰＤＡ１４へ再入射する光量が低減され、迷光が低減される。また、図４Ｂに示されているように、保護板１６のＰＤＡ１４側の表面とＰＤＡ１４とは反対側の面に、例えばＡＲコーティング等の反射防止膜２２、２４を設けてもよい。これにより、保護板１６で再反射する光量が低減されるので、迷光が低減される。

なお、図４Ｂでは保護板１６の両面に反射防止膜２２、２４が設けられているが、いずれか一方の表面のみに設けられていてもよい。また、ＰＤＡ１４の受光面に反射防止膜２０が設けられていると同時に、保護板１６の両面又はいずれか一方の表面に反射防止膜２２及び／又は２４が設けられていてもよい。

以上において説明した構成は、ＰＤＡ１４を保護する保護板１６での再反射による迷光の低減を図るための構成であるが、ＰＤＡ１４に入射する迷光の原因となるのは保護板１６だけではない。本発明者は、ＰＤＡ１４の受光面や保護板１６の表面で分光器１２側へ反射し、分光器１２で分光されてＰＤＡ１４に再入射して迷光となるという知見を得ている。

従来の分光光度計では、ＰＤＡ１４の受光面のＹ軸方向（ＰＤ配列方向）と分光器１２からの光の光軸が直交するように配置されていることが一般的であるが、そのような構造では、ＰＤＡ１４や保護板１６の表面で反射した光が分光器１２側へ戻ってしまい、迷光の原因となる。

そこで、図５に示されているように、ＰＤＡ１４のＹ軸方向を分光器１２からの光の光軸に対して傾斜させ、ＰＤＡ１４の受光面や保護板１６で反射した光が分光器１２を逸れるようにする。この構成により、ＰＤＡ１４に入射する迷光の光量を低減することができる。

さらに、本発明者は、分光器１２で発生する−１次光のような光が分光器１０側へ戻って反射され、再び分光１２に入射すると、分光されてＰＤＡ１４に入射し迷光となるという知見も得ている。そこで、図７に示されているように、分光器１２から入口スリット１０へ戻って入口スリット１０で反射した光が再び分光器１２へ戻らないように、入口スリット１０と分光器１２との位置関係を調整する。これにより、ＰＤＡ１４に入射する迷光の光量を低減することができる。

上記図５や図７のような構成は、保護板１６での再反射による迷光の低減を狙った図２から図４Ｂまでの構成を実施した上で付加的に実施することもできるが、図２から図４までの構成を実施することなく単独で実施することもできる。本発明者は、図５及び図７の構成を単独で実施することによって、ＰＤＡ１４に入射する迷光が０．２３％から０．０４％に低減され、それによって測定結果の直線性が向上することを確認している。

２光源
４集光レンズ
６フローセル
８ミラー
１０入口スリット
１２分光器
１４フォトダイオードアレイ（ＰＤＡ）
１６保護板
１８ＰＤＡケース
２０，２２，２４反射保護膜

Claims

光源と、
前記光源からの光の光路上に配置され、試料を流通させるフローセルと、
前記フローセルを経た光を波長成分ごとに分光する分光器と、
入射光の光量を検出する複数のフォトダイオードが一方向へ配列され、前記各フォトダイオードの受光面のそれぞれに前記分光器により分光された波長成分ごとの光が入射するように配置されたフォトダイオードアレイと、
前記フォトダイオードアレイの受光面を保護する光透過性の保護板と、を備えた液体クロマトグラフ用検出器としての分光光度計であって、
前記フォトダイオードアレイを構成する前記フォトダイオードのうち、少なくとも２００ｎｍから３００ｎｍまでの間の波長をもつ光を受光する前記フォトダイオードの受光面で反射した光の反射位置と、その反射光が前記保護板で再び反射して当該フォトダイオードアレイの前記受光面へ入射するときのその入射位置との間の距離が、当該フォトダイオードアレイを構成する１つのフォトダイオードの幅寸法以下又は当該分光光度計の最小スペクトル分解能以下となるように、前記分光器と前記フォトダイオードアレイとの位置関係が設定されている分光光度計。
前記分光器により分光された光のうち２００ｎｍから３００ｎｍまでの間の所定の波長をもつ光の光軸が前記一方向に対して直交するように、前記分光器と前記フォトダイオードアレイとの位置関係が設定されている請求項１に記載の分光光度計。
前記所定の波長は約２５０ｎｍである請求項２に記載の分光光度計。
前記フォトダイオードアレイの前記受光面で反射した光が前記分光器から逸れるように、前記分光器で分光された光の光軸が前記フォトダイオードアレイの受光面の平面内における前記一方向と直交する方向に対して傾斜するように、前記分光器と前記フォトダイオードアレイとの位置関係が設定されている請求項１から３のいずれか一項に記載の分光光度計。
前記フォトダイオードの前記受光面、前記保護板の前記フォトダイオード側表面、及び前記保護板の前記フォトダイオードとは反対側表面のうち少なくとも１つの面に、反射率を低減する反射防止膜が設けられている請求項１から４のいずれか一項に記載の分光光度計。
光源と、
前記光源からの光の光路上に配置され、試料を流通させるフローセルと、
前記フローセルを経た光を波長成分ごとに分光する分光器と、
入射光の光量を検出する複数のフォトダイオードが一方向へ配列され、前記各フォトダイオードの受光面のそれぞれに前記分光器により分光された波長成分ごとの光が入射するように配置されたフォトダイオードアレイと、
前記フォトダイオードアレイの受光面を保護する光透過性の保護板と、を備えた液体クロマトグラフ用検出器としての分光光度計であって、
前記分光器により分光された光のうち２００ｎｍから３００ｎｍまでの間の所定の波長をもつ光の光軸が前記一方向に対して直交するように、前記分光器と前記フォトダイオードアレイとの位置関係が設定されていることにより、２００ｎｍから３００ｎｍまでの間の波長範囲において前記保護板での再反射による迷光の影響が最も小さくなるように設計されている、分光光度計。