JP7075865B2 - 光学分析装置、光学分析方法、及び光学分析システム - Google Patents

光学分析装置、光学分析方法、及び光学分析システム Download PDF

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Description

本発明は、光学分析装置、光学分析方法、及び光学分析システムに関する。
細胞の培養や化学合成等の処理を行う反応槽における反応の進行状況を把握するために、反応槽中の液体サンプルに含まれる成分を光学分析する方法が知られている。
例えば、特許文献１には「試料の分離調節のために必要な情報を近赤外線分析装置で測定することで、迅速で効率的にキシレン異性質体分離及び異性化工程を調節及び最適化させる方法及びその装置」が記載されている。
光学分析によれば、液体サンプルを非破壊、非侵襲、即時的に分析可能であるため、分析後のサンプルが再利用可能であり、また分析に要する作業時間を短縮することができる。
ところで、細胞培養液等の液体サンプルは、液体サンプル中に溶解している溶液成分と、溶解していない散乱体成分からなる。例えば、細胞培養液では、溶解している糖類等が溶液成分に相当し、溶解していない細胞等が散乱体成分に相当する。溶液成分及び散乱体成分は、いずれも光学分析が可能であり、液体サンプルの反応の進行状態を表す指標となるため、溶液成分及び散乱体成分の両方を速やかに分析できることが望ましい。
そして従来、液体サンプルの溶液成分を分析するには、液体サンプルを通過した光を用いる方法が知られており、散乱体成分を分析するには、液体サンプル（に含まれる散乱体）にて散乱した光を用いる方法が知られている。
特開平１１－３１０５４１号公報
上述したように、液体サンプルの溶液成分及び散乱体成分のそれぞれを分析する方法は知られているが、１つの光学分析装置にて液体サンプルの溶液成分及び散乱体成分を速やかに分析することができなかった。
本発明は、このような状況に鑑みてなされたものであり、液体サンプルの溶液成分及び散乱体成分をより速やかに分析できるようにすることを目的とする。
本願は、上記課題の少なくとも一部を解決する手段を複数含んでいるが、その例を挙げるならば、以下のとおりである。上記課題を解決すべく、本発明の一態様に係る光学分析装置は、液体サンプルに対して光を照射する光源部と、前記光源部から照射され、前記液体サンプルを透過した透過光を受光する第１受光部と、前記光源部から照射され、前記液体サンプルの中の散乱体によって散乱された散乱光を受光する第２受光部と、前記液体サンプルに対して超音波を照射する超音波照射部と、前記超音波照射部から照射され、前記液体サンプルを伝搬した前記超音波を反射する反射板と、前記光源部、前記第１受光部、前記第２受光部、及び前記超音波照射部を制御する制御部と、を備えることを特徴とする。
本発明によれば、液体サンプルの溶液成分及び散乱体成分をより速やかに分析することができる。
上記した以外の課題、構成及び効果は、以下の実施形態の説明により明らかにされる。
本発明に係る第１の実施形態である光学分析装置１０の概要を説明するための図である。 光学分析装置１０の構成例を示す図である。 光学分析装置１０にて超音波が照射されていない場合を示す図である。 光学分析装置１０による分析処理の一例を説明するフローチャートである。 光学分析装置１０による分析処理の他の一例を説明するフローチャートである。 本発明に係る第２の実施形態である光学分析システム３０の概要を説明するための図である。 光学分析システム３０における光学分析装置４０の構成例を示す図である。 光学分析装置４０にて超音波が照射されていない場合を示す図である。 液体サンプルの流速と決定係数との関係を示す図である。 受光される光の波数と吸光度との関係を示す図である。 本発明に係る第３の実施形態である光学分析装置５０の構成例を示す図である。 光学分析装置５０による分析処理の一例を説明するフローチャートである。 光学分析装置５０による分析処理の他の一例を説明するフローチャートである。
以下に説明する各実施の形態においては便宜上その必要があるときは、複数のセクションまたは実施の形態に分割して説明するが、特に明示した場合を除き、それらはお互いに無関係なものではなく、一方は他方の一部または全部の変形例、詳細、補足説明等の関係にある。また、各実施の形態において、要素の数等（個数、数値、量、範囲等を含む）に言及する場合、特に明示した場合および原理的に明らかに特定の数に限定される場合等を除き、その特定の数に限定されるものではなく、特定の数以上でも以下でもよい。
さらに、各実施の形態において、その構成要素（要素ステップ等も含む）は、特に明示した場合および原理的に明らかに必須であると考えられる場合等を除き、必ずしも必須のものではないことは言うまでもない。同様に、各実施の形態において、構成要素等の形状、位置関係等に言及するときは特に明示した場合および原理的に明らかにそうではないと考えられる場合等を除き、実質的にその形状等に近似または類似するもの等を含むものとする。このことは、上記数値および範囲についても同様である。また、各実施の形態を説明するための全図において、同一の部材には原則として同一の符号を付し、その繰り返しの説明は省略する。
以下、本発明に係る実施の形態について図面を用いて説明する。
＜本発明に係る第１の実施形態である光学分析装置＞
図１は、本発明に係る第１の実施形態である光学分析装置１０の概要を説明するための図である。
光学分析装置１０は、細胞の培養や化学合成等の処理を行っている反応槽１から採取した液体サンプルを分析対象とし、計測セル１４（図２）に収容された液体サンプルに対して所定波長の光を照射し、液体サンプルを透過した光や液体サンプルの中の散乱体によって散乱した光の光学分析（例えば、スペクトル解析）を行うことにより、液体サンプルの溶液成分や散乱体成分を計測するものである。なお、光学分析は、スペクトル解析に限らず、他の手法を採用してもよい。
液体サンプルは、例えば、細胞、微生物、菌類等の培養液や、化学合成等の処理を行う液体原料、油滴を含む乳濁液等を想定するが、これらに限定するものではなく、散乱体を含む溶液を液体サンプルとすることができる。
＜光学分析装置１０の構成例＞
次に、図２は、光学分析装置１０の構成例を示している。光学分析装置１０は、光源部１１、第１受光部１２、第２受光部１３、計測セル１４、超音波照射部１５、反射板１６、及び制御部２０を備える。なお、ＸＹＺ座標系については図示するとおりであり、以降の図面においても同様である。
光源部１１は、例えば、ビーム発生装置、レーザ発生装置、ＬＥＤ(light emitting diode)等からなる。ただし、所定波長の光を照射できるものであれば他の装置を採用してもよい。光源部１１は、制御部２０からの制御に従い、計測セル１４に収容された液体サンプルに対して所定波長の光（例えば、赤外光、近赤外光、可視光、紫外光、Ｘ線等）を照射する。
第１受光部１２及び第２受光部１３は、例えば、光電子増倍管、Ｓｉフォトダイオード、ＩｎＧａＡｓフォトダイオード、ＰｂＳ光導電素子等からなる。ただし、受光強度に応じた信号を出力できるものであれば、他の装置を採用してもよい。
第１受光部１２は、計測セル１４を挟んで光源部１１と対向する位置に配置されている。第１受光部１２は、制御部２０からの制御に従い、光源部１１から照射され、計測セル１４の中の液体サンプルを透過した光（以下、透過光と称する）を受光し、受光結果を制御部２０に出力する。
第２受光部１３は、計測セル１４が有する２面のＹＺ面のうち、光源部１１に近い方のＹＺ面よりも光源部１１側に設置されている。第２受光部１３は、制御部２０からの制御に従い、光源部１１から照射され、計測セル１４に収容された液体サンプルに含まれる散乱体によって散乱した光（以下、散乱光と称する）を受光し、受光結果を制御部２０に出力する。
計測セル１４は、液体サンプルを保持するための直方体の容器であり、光源部１１からの光を透過する材料、例えば、石英ガラスやアクリル等の物質から形成される。計測セル１４が有する２面のＸＹ面のうち、上側のＸＹ面には、液体サンプルを導入するための導入口１７が設けられている。なお、計測セル１４の全体を箱等に入れて外光を遮光し、光源部１１が光を照射する位置と、第１受光部１２が透過光を受光する位置と、第２受光部１３が反射光を受光する位置とにだけ光を通すための開口を当該箱に形成するようにしてもよい。
超音波照射部１５は、例えば、ＰＺＴ等の圧電セラミックス素子、P(VDF-TrFE)素子、ZnO素子等からなる。ただし、超音波を照射できるものであれば、他の素子を採用してもよい。超音波照射部１５は、計測セル１４が有する２面のＸＺ面のうちの一方の外側（内側でもよい）に接着されている。超音波照射部１５は、制御部２０からの制御に従い、計測セル１４に収容された液体サンプルに対してＹ軸方向に超音波を照射する。
反射板１６は、超音波を反射する金属板等からなる。反射板１６は、計測セル１４が有する２面のＸＺ面のうちの超音波照射部１５が接着されていない方のＸＺ面の外側（内側でもよい）に接着されている。反射板１６は、超音波照射部１５から照射された超音波をＹ軸方向に反射する。
制御部２０は、例えば、ＣＰＵ(Central Processing Unit)、メモリ、通信インターフェース、ハードディスク、ディスプレイ等を備えるコンピュータからなる。制御部２０は、光源部１１、第１受光部１２、第２受光部、及び超音波照射部１５を制御する。
また、制御部２０は、第１受光部１２から入力される透過光の受光結果に基づき、液体サンプルの溶液成分を分析する。また、制御部２０は、第２受光部１３から入力される散乱光の受光結果に基づき、液体サンプルの散乱体成分を分析する。さらに、制御部２０は、分析結果をハードディスク等の記憶装置に保存したり、ディスプレイに表示したり、外部の装置に出力したりする。なお、制御部２０にて、液体サンプルの溶液成分や散乱体成分を分析せず、第１受光部１２から入力される透過光の受光結果、及び第２受光部１３から入力される散乱光の受光結果を外部の装置（例えば、ネットワーク上のサーバ等）に送信して分析させるようにしてもよい。
なお、図２は、光学分析装置１０にて超音波照射部１５から超音波が照射されている場合を示している。この場合、計測セル１４に収容された液体サンプルには、超音波照射部１５からの超音波と、それが反射板１６にて反射した超音波とが互いに干渉して定在波が生じ、Ｙ軸に垂直な等間隔で複数のＸＺ面にはその節が出現する。そして、定在波の節には音響放射力によって液体サンプルの中の散乱体１８が凝集した状態となる。
超音波の定在波の節の間隔は、超音波の周波数や液体サンプル中の音速等に依存する。例えば、液体サンプル中の音速が１５００ｍ／ｓ、超音波の周波数が１ＭＨｚである場合、節の間隔は超音波の半波長である０．７５ｍｍとなり、超音波照射部１５と反射板１６の間隔はその整数倍である必要がある。ただし、定在波が形成される条件は、計測セル１４、超音波照射部１５、反射板１６等の物性値や、制御部２０と超音波照射部１５とを繋ぐ信号ケーブルのインピーダンス等にも依存する。そのため、光学分析を行い前に予め実験を行い、照射する超音波の周波数の微調整等を行い、目視等によって定在波の形成を確認し、超音波の照射条件を決定することが望ましい。超音波の照射により散乱体１８が凝集すると、液体サンプルの中に散乱体１８の数が少ない透明領域が形成され、光源部１１から照射された光の多くが、液体サンプルをＸ軸方向に透過し、第１受光部１２に到達できるようになる。
次に、図３は、光学分析装置１０にて超音波照射部１５から超音波が照射されていない場合を示している。この場合、計測セル１４の中の液体サンプルには定在波が生じないので、液体サンプル内の散乱体１８は凝集せずに分散している状態となる。したがって、光源部１１からの光の多くは、分散した散乱体１８にて散乱（反射）し、その散乱光は第２受光部１３に到達することができる。
＜光学分析装置１０による分析処理＞
次に、図４は、光学分析装置１０による分析処理の一例（以下、第１の分析処理と称する）を説明するフローチャートである。この第１の分析処理は、例えばユーザからの所定の操作に応じて開始される。
はじめに、ユーザが反応槽１から液体サンプルを採取し、液体サンプルを導入口１７から計測セル１４に導入する（ステップＳ１）。なお、反応槽１から採取した液体サンプルには散乱体が含まれており、散乱体は時間の経過に伴って溶液サンプル中に均等に分散するものとする。
次に、光源部１１が、制御部２０からの制御に従い、計測セル１４に収容された液体サンプルに対して所定波長の光の照射を開始する。そして、第２受光部１３が、制御部２０からの制御に従い、光源部１１から照射され、計測セル１４の中の液体サンプルにて反射した散乱光の受光を開始し、受光結果を制御部２０に出力する（ステップＳ２）。
次に、制御部２０が、第２受光部１３からの受光結果に基づき、第２受光部１３における散乱光の受光量が、予め行った実験に基づいて定めた所定の第２閾値以上であるか否かを判定する（ステップＳ３）。ここで、制御部２０が、散乱光の受光量が所定の第２閾値未満であると判定した場合（ステップＳ３でＮＯ）、液体サンプルの中の散乱体が十分に分散していない状態であるので、散乱光の受光量が所定の第２閾値以上であると判定できるまで第２受光部１３からの受光結果の監視を継続する。その後、制御部２０が、散乱光の受光量が所定の第２閾値以上であると判定した場合（ステップＳ３でＹＥＳ）、処理はステップＳ４に進められる。
次に、制御部２０が、第２受光部１３からの散乱光の受光結果に基づき、液体サンプルの散乱体成分を分析し、分析結果をハードディスク等に保存したり、ディスプレイに表示したり、外部の装置に出力したりする（ステップＳ４）。なお、制御部２０が、受光結果を外部の装置に出力するようにしてもよい。
次に、超音波照射部１５が、制御部２０からの制御に従い、計測セル１４の中の液体サンプルに対して超音波の照射を開始する（ステップＳ５）。これにより、計測セル１４の中の液体サンプルには、超音波の定在波が発生し、その節には散乱体１８が凝集し始める。
次に、第１受光部１２が、制御部２０からの制御に従い、光源部１１から照射され、計測セル１４に収容された液体サンプルを透過した透過光の受光を開始し、受光結果を制御部２０に出力する。そして、制御部２０が、第１受光部１２からの受光結果に基づき、第１受光部１２における透過光の受光量が、予め行った実験に基づいて定めた所定の第１閾値以上であるか否かを判定する（ステップＳ６）。
ここで、制御部２０が、透過光の受光量が所定の第１閾値未満であると判定した場合（ステップＳ６でＮＯ）、液体サンプルの中の散乱体は十分に凝集していない状態であるので、液体サンプルの中の散乱体がより凝集し易くなるように、超音波照射部１５が、制御部２０からの制御に従い、超音波の照射条件（例えば、出力強度や周波数等）を変更する（ステップＳ７）。この後、処理はステップＳ６に戻り、制御部２０が透過光の受光量が所定の第１閾値以上であると判定するまで、ステップＳ６，Ｓ７が繰り返される。そして、制御部２０が、透過光の受光量が所定の第１閾値以上であると判定した場合（ステップＳ６でＹＥＳ）、処理はステップＳ８に進められる。
次に、制御部２０が、第１受光部１２からの透過光の受光結果に基づき、液体サンプルの溶液成分を分析し、分析結果をハードディスク等に保存したり、ディスプレイに表示したり、外部の装置に出力したりする（ステップＳ８）。なお、制御部２０が、受光結果を外部の装置に出力するようにしてもよい。
以上で、光学分析装置１０による第１の分析処理は終了される。第１の分析処理によれば、液体サンプルの散乱体成分及び溶液成分を連続的に速やかに分析することができる。また、散乱光や透過光の受光量が所定の閾値以上となってから分析を行うので、より精度の高い光学分析ができる。さらに、１台の光学分析装置１０によって液体サンプルの散乱体成分及び溶液成分の両方を分析できるので、２台の光学分析装置を用いる場合に比べて、装置の規模や、各構成要素の必要数を半分に減らすことができる。
次に、図５は、光学分析装置１０による分析処理の他の一例（以下、第２の分析処理と称する）を説明するフローチャートである。この第２の分析処理は、例えばユーザからの所定の操作に応じて開始される。
はじめに、ユーザが反応槽１から液体サンプルを採取し、液体サンプルを導入口１７から計測セル１４に導入する（ステップＳ１１）。なお、反応槽１から採取した液体サンプルには散乱体が含まれており、散乱体は時間の経過に伴って溶液サンプル中に均等に分散するものとする。
次に、超音波照射部１５が、制御部２０からの制御に従い、計測セル１４に収容された液体サンプルに対して超音波の照射を開始する。これにより、計測セル１４の中の液体サンプルには、超音波の定在波が発生し、その節には散乱体１８が凝集し始める。これと同時に、光源部１１が、制御部２０からの制御に従い、計測セル１４に収容された液体サンプルに対して所定波長の光の照射を開始する。そして、第１受光部１２が、制御部２０からの制御に従い、光源部１１から照射され、計測セル１４の中の液体サンプルを透過した透過光の受光を開始し、受光結果を制御部２０に出力する（ステップＳ１２）。
次に、制御部２０が、第１受光部１２からの受光結果に基づき、第１受光部１２における透過光の受光量が、予め行った実験に基づいて定めた所定の第１閾値以上であるか否かを判定する（ステップＳ１３）。
ここで、制御部２０が、透過光の受光量が所定の第１閾値未満であると判定した場合（ステップＳ１３でＮＯ）、液体サンプルの中の散乱体は十分に凝集していない状態であるので、液体サンプルの中の散乱体がより凝集し易くなるように、超音波照射部１５が、制御部２０からの制御に従い、超音波の照射条件（例えば、出力強度や周波数等）を変更する（ステップＳ１４）。この後、処理はステップＳ１３に戻り、制御部２０が、透過光の受光量が所定の第１閾値以上であると判定するまで、ステップＳ１３，Ｓ１４が繰り返される。そして、制御部２０が、透過光の受光量が所定の第１閾値以上であると判定した場合（ステップＳ１３でＹＥＳ）、処理はステップＳ１５に進められる。
次に、制御部２０が、第１受光部１２からの透過光の受光結果に基づき、液体サンプルの溶液成分を分析し、分析結果をハードディスク等に保存したり、ディスプレイに表示したり、外部の装置に出力したりする（ステップＳ１５）。なお、制御部２０が、受光結果を外部の装置に出力するようにしてもよい。
次に、超音波照射部１５が、制御部２０からの制御に従い、超音波の照射を停止する（ステップＳ１６）。これにより、計測セル１４に収容された液体サンプルにおける超音波の定在波が消えて、液体サンプルの中で散乱体１８が分散し始める。
次に、第２受光部１３が、制御部２０からの制御に従い、光源部１１から照射され、計測セル１４の中の液体サンプルの散乱体によって散乱した散乱光の受光を開始し、受光結果を制御部２０に出力する。そして、制御部２０が、第２受光部１３からの受光結果に基づき、第２受光部１３における散乱光の受光量が、予め行った実験に基づいて定めた所定の第２閾値以上であるか否かを判定する（ステップＳ１７）。
ここで、制御部２０が、散乱光の受光量が所定の第２閾値未満であると判定した場合（ステップＳ１７でＮＯ）、液体サンプルの中の散乱体は十分に分散していない状態であるので、散乱光の受光量が所定の第２閾値以上であると判定できるまで第２受光部１３からの受光結果の監視を継続する。その後、制御部２０が散乱光の受光量が所定の第２閾値以上であると判定した場合（ステップＳ１７でＹＥＳ）、処理はステップＳ１８に進められる。
次に、制御部２０が、第２受光部１３からの散乱光の受光結果に基づき、液体サンプルの散乱体成分を分析し、分析結果をハードディスク等に保存したり、ディスプレイに表示したり、外部の装置に出力したりする（ステップＳ１８）。なお、制御部２０が、受光結果を外部の装置に出力するようにしてもよい。
以上で、光学分析装置１０による第２の分析処理は終了される。第２の分析処理によれば、液体サンプルの散乱体成分及び溶液成分を連続的に速やかに分析することができる。また、１台の光学分析装置１０によって液体サンプルの散乱体成分及び溶液成分の両方を分析できるので、２台の光学分析装置を用いる場合に比べて、装置の規模や、各構成要素の必要数を半分に減らすことができる。
なお、第１及び第２の分析処理を比較した場合、第１の分析処理の方が、サンプル液体における散乱体が十分に分散するまでの待機時間（図４のステップＳ３、図５のステップＳ１７）が短くなる。よって、第１の分析処理は、第２の分析処理よりも、短時間で一連の分析処理を終了することができる。
＜本発明に係る第２の実施形態である光学分析システム＞
次に、図６は、本発明に係る第２の実施形態である光学分析システム３０の概要を説明するための図である。
光学分析システム３０は、細胞の培養や化学合成等の処理を行う反応槽３１と光学分析装置４０とが配管３３及びポンプ３４を介して接続されている。よって、光学分析装置１０（図２）が停まっている状態の液体サンプルを分析対象としていたのに対し、光学分析システム３０は、ポンプ３４によって循環されている状態の液体サンプルを分析対象とする。
そして、光学分析装置４０は光学分析装置１０（図２）と同様に、液体サンプルの溶液成分や散乱体成分を計測する。したがって、光学分析システム３０は、流速を止めることが望ましくない液体サンプルを分析する場合に用いて好適である。ただし、光学分析装置４０にて分析処理を行う間、ポンプ３４を停止して液体サンプルの循環を停止するようにしてもよい。また、光学分析装置４０にて分析処理を行った後、ポンプ３４を停止して液体サンプルの循環を停止するようにしてもよい。
＜光学分析装置４０の構成例＞
次に、図７は、光学分析装置４０の構成例を示している。光学分析装置４０は、光学分析装置１０（図２）から導入口１７をなくし、導入口４１及び排出口４２を追加したものである。なお、光学分析装置４０の構成要素のうち、光学分析装置１０の構成要素と共通するものについては同一の符号を付し、その説明を適宜省略する。
光学分析装置４０は、導入口４１及び配管３３を介して反応槽３１の流出口３２（図６）に接続されている。また、光学分析装置４０は、排出口４２、配管３３、及びポンプ３４を介して反応槽３１の流入口３５（図６）に接続されている。よって、ポンプ３４が駆動されることにより、光学分析装置４０には、所定の流速を有する液体サンプルが導入口４１から導入され、排出口４２から排出される。
配管３３の材料は、耐熱性、耐圧性、機械的な強度が高く、洗浄、滅菌等が容易であり、反応槽３１の中の物質に対して非侵襲であるものが望ましい。
なお、図７は、光学分析装置４０にて超音波照射部１５から超音波が照射されている場合を示しており、計測セル１４に収容された液体サンプルには定在波が発生し、その節には散乱体１８が凝集した状態となる。
次に、図８は、光学分析装置４０にて超音波照射部１５から超音波が照射されていない場合を示しており、計測セル１４に収容された液体サンプルは散乱体１８が分散した状態となる。
＜光学分析システム３０による分析処理＞
光学分析システム３０による分析処理については、ポンプ３４によって液体サンプルを循環させること以外、上述した第１の分析処理（図４）、または第２の分析処理（図５）と同様に実行することができる。
よって、光学分析システム３０による分析処理によれば、液体サンプルの散乱体成分及び溶液成分を連続的に速やかに分析することができる。また、１台の光学分析装置１０によって液体サンプルの散乱体成分及び溶液成分の両方を分析できるので、２台の光学分析装置を用いる場合に比べて、装置の規模や、各構成要素の必要数を半分に減らすことができる。
また、光学分析システム３０の場合、液体サンプルを採取する手間を省くことができるともに、採取の際に発生し得るコンタミネーション（異物混入等）を抑止することができる。
ただし、液体サンプルを循環させる流速が速過ぎると散乱体が凝集できず液体サンプルに透明領域が形成されないので、溶液成分の正確な分析を行うことができない。よって、適切な流速となるようにポンプ３４の駆動を調整する必要がある。
次に、図９は、液体サンプルの流速と、第１受光部１２による受光結果に基づく溶液成分の分析精度との関係の一例を表す図である。同図の横軸は液体サンプルの流速を表し、縦軸は決定係数Ｒ２(validation)を表している。
決定係数Ｒ２は、分析精度を表す指標値の一種として予測値と真値との相関係数を０以上1以下の値として表している。一般的に、決定係数Ｒ２が０．８５以上である場合には分析精度が高いと判断することができる。
同図の例は、液体サンプルの溶媒を純水、溶質をグルコース（濃度：０～１００［ｍｍ／Ｌ］とし、散乱体に直径３［μｍ］のポリスチレン粒子（濃度は１．７×１０９［個／ｍｌ］）を採用した。また、光源部１１からの照射光は近赤外光、照射光が液体サンプルを透過する距離（光路長）は１［ｍｍ］、超音波の周波数は２．０２［ＭＨｚ］とし、液体サンプルの流速を０～３［ｍｍ／ｓ］の範囲で変化させている。
同図に白丸で示すように、超音波を照射していない場合は流速に拘わらず、液体サンプルの中で散乱体が分散しており、照射光を透過させ難くしているため、決定係数Ｒ２が０．８５未満（０．３以下）となり、精度の高い溶液成分の分析が不可能であることが分かる。また、同図に黒丸で示すように、超音波を照射している場合、流速０～２．５［ｍｍ／ｓ］の範囲では散乱体が凝集して液体サンプルの中に透明領域を形成し、照射光を透過させ易くしているため、決定係数Ｒ２が０．８５以上となり、流速２．５［ｍｍ／ｓ］までは精度の高い溶液成分の分析が可能であることが分かる。
したがって、ポンプ３４による液体サンプルの循環は流速２．５［ｍｍ／ｓ］程度までに留めることが望ましい。
次に、図１０は、第１受光部１２及び第２受光部１３にて受光される光のスペクトルの一例を表す図である。同図の横軸は液体サンプルの波数を表し、縦軸は吸収度を表している。
同図の例は、図９と同様の液体サンプルを用いて、液体サンプルの流速が０［ｍｍ／ｓ］である場合を示している。
同図に示す破線は、超音波照射部１５が超音波を照射しており、超音波の定在波によって散乱体が凝集して照射光が透過し易いときの第１受光部１２によって受光される透過光のスペクトルを表している。同図に示す実線は、超音波照射部１５が超音波の照射を停止しており、超音波の定在波が存在せず、散乱体が分散して照射光が反射され易いときの第２受光部１３によって受光される散乱光のスペクトルを表している。
破線と実線を比較して明らかなように、透過光のスペクトルと散乱光のスペクトルとは明確に形状が異なるので、それぞれから異なる成分の情報、すなわち、溶液成分の情報と散乱体成分の情報とを得られることが分かる。
＜本発明に係る第３の実施形態である光学分析装置＞
次に、図１１は、本発明に係る第３の実施形態である光学分析装置５０の構成例を示している。
光学分析装置５０は、光学分析装置１０（図２）の第１受光部１２及び第２受光部１３の一方（同図の場合、第１受光部１２）が他方（同図の場合、第２受光部１３）を兼ねるように可動式とし、その一方を移動させるための移動部５１を追加し、他方を省略したものである。移動部５１は、例えば、モータ、レール、ベルト、ギア等の機械構造により実現できる。移動部５１は、制御部２０からの制御に従い、第１受光部１２及び第２受光部１３の一方を、元の位置から、他方があった位置まで移動させ、また元の位置まで戻すことができる。
なお、光学分析装置５０の構成要素のうち、光学分析装置１０の構成要素と共通するものについては同一の符号を付し、その説明を適宜省略する。
＜光学分析装置５０による分析処理＞
次に、図１２は、光学分析装置５０による分析処理の一例（以下、第１の分析処理と称する）を説明するフローチャートである。光学分析装置５０による第１の分析処理は、光学分析装置１０（図２）による第１の分析処理（図４）におけるステップＳ１とステップＳ２との間にステップＳ２１を追加するとともに、ステップＳ４とステップＳ５との間にステップＳ２２を追加したものである。よって、光学分析装置５０による第１の分析処理におけるステップＳ２１，Ｓ２２以外の各ステップについては、光学分析装置１０（図２）による第１の分析処理（図４）と同様なのでその説明は適宜省略する。
はじめに、ユーザによってステップＳ１が行われた後、移動部５１が、制御部２０からの制御に従い、第１受光部１２を、散乱光を受光できる位置（光学分析装置１０（図２）にて第２受光部１３があった位置）に移動させる（ステップＳ２１）。なお、既に第１受光部１２を、散乱光を受光できる位置に移動されている場合、ステップＳ２１は省略することができる。
次に、ステップＳ２～Ｓ４が行われて、液体サンプルの散乱体成分が分析され、分析結果が保存されたり、ディスプレイに表示されたり、外部の装置に出力されたりする。
次に、移動部５１が、制御部２０からの制御に従い、第１受光部１２を、透過光を受光できる元の位置（光学分析装置１０（図２）にて第１受光部１２があった位置）に移動させる（ステップＳ２２）。
次に、ステップＳ５～Ｓ８が行われて、液体サンプルの溶液成分が分析され、分析結果が保存されたり、ディスプレイに表示されたり、外部の装置に出力されたりする。
以上で、光学分析装置５０による第１の分析処理は終了される。第１の分析処理によれば、液体サンプルの散乱体成分及び溶液成分を連続的に速やかに分析することができる。また、散乱光や透過光の受光量が所定の閾値以上となってから分析を行うので、より精度の高い光学分析ができる。さらに、光学分析装置１０に比べて、受光部の数を１台に減らすことができる。
次に、図１３は、光学分析装置５０による分析処理の一例（以下、第２の分析処理と称する）を説明するフローチャートである。光学分析装置５０による第２の分析処理は、光学分析装置１０（図２）による第２の分析処理（図５）におけるステップＳ１１とステップＳ１２との間にステップＳ３１を追加し、ステップＳ１６とステップＳ１７との間にステップＳ３２を追加したものである。よって、光学分析装置５０による第２の分析処理におけるステップＳ３１以外の各ステップについては、光学分析装置１０（図２）による第２の分析処理（図５）と同様なのでその説明は適宜省略する。
はじめに、ユーザによってステップＳ１１が行われた後、移動部５１が、制御部２０からの制御に従い、第１受光部１２を、透過光を受光できる位置（光学分析装置１０（図２）にて第１受光部１２があった位置）に移動させる（ステップＳ３１）。なお、既に第１受光部１２を、透過光を受光できる位置に移動されている場合、ステップＳ３１は省略することができる。
次に、ステップＳ１２～Ｓ１６が実行されて、液体サンプルの溶液成分が分析され、分析結果が保存されたり、ディスプレイに表示されたり、外部の装置に出力されたりする。そして、超音波の照射が停止される。
次に、移動部５１が、制御部２０からの制御に従い、第１受光部１２を、散乱光を受光できる位置（光学分析装置１０（図２）にて第２受光部１３があった位置）に移動させる（ステップＳ３１）。
次に、ステップＳ１７，Ｓ１８が行われて、液体サンプルの散乱体成分が分析され、分析結果が保存されたり、ディスプレイに表示されたり、外部の装置に出力されたりする。
以上で、光学分析装置５０による第２の分析処理は終了される。第２の分析処理によれば、液体サンプルの散乱体成分及び溶液成分を連続的に速やかに分析することができる。また、散乱光や透過光の受光量が所定の閾値以上となってから分析を行うので、より精度の高い光学分析ができる。さらに、光学分析装置１０に比べて、受光部の数を半減させることができる。
なお、光学分析装置５０においても、光学分析装置１０と同様に、第１の分析処理の方が第２の分析処理よりも、短時間で一連の処理を終了することができる。
また、光学分析装置１０による第１の分析処理と光学分析装置５０による第１の分析処理とを比較した場合、光学分析装置１０の方が第１受光部１２の移動時間が必要ない分だけ、光学分析装置５０よりも短時間で一連の処理を終了することができる。
＜変形例＞
光学分析装置４０（図７）において、光学分析装置５０（図１１）と同様に、第１受光部１２を移動させるための移動部５１を追加し、第２受光部１３を省略してもよい。
なお、本発明は、上述した各実施の形態に限定されるものではなく、様々な変形が可能である。例えば、上述した各実施の形態は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、ある実施の形態の構成の一部を他の実施の形態の構成に置き換えたり、追加したりすることが可能である。
また、上記の各構成、機能、処理部、処理手段等は、それらの一部又は全部を、例えば集積回路で設計する等によりハードウェアで実現してもよい。また、上記の各構成、機能等は、プロセッサがそれぞれの機能を実現するプログラムを解釈し、実行することによりソフトウェアで実現してもよい。各機能を実現するプログラム、テーブル、ファイル等の情報は、メモリや、ハードディスク、ＳＳＤ（Ｓｏｌｉｄ Ｓｔａｔｅ Ｄｒｉｖｅ）等の記録装置、または、ＩＣカード、ＳＤカード、ＤＶＤ等の記録媒体に置くことができる。
また、制御線や情報線は説明上必要と考えられるものを示しており、製品上必ずしも全ての制御線や情報線を示しているとは限らない。実際には殆ど全ての構成が相互に接続されていると考えてもよい。
１０・・・光学分析装置、１１・・・光源部、１２・・・第１受光部、１３・・・第２受光部、１４・・・計測セル、１５・・・超音波照射部、１６・・・反射板、１７・・・導入口、１８・・・散乱体、２０・・・制御部、３０・・・光学分析システム、３１・・・反応槽、３２・・・流出口、３３・・・配管、３４・・・ポンプ、３５・・・流入口、４０・・・光学分析装置、４１・・・導入口、４２・・・排出口、５０・・・光学分析装置、５１・・・移動部

Claims (12)

  1. 液体サンプルに対して光を照射する光源部と、
    前記光源部から照射され、前記液体サンプルを透過した透過光を受光する第１受光部と、
    前記光源部から照射され、前記液体サンプルの中の散乱体によって散乱された散乱光を受光する第２受光部と、
    前記液体サンプルに対して超音波を照射する超音波照射部と、
    前記超音波照射部から照射され、前記液体サンプルを伝搬した前記超音波を反射する反射板と、
    前記光源部、前記第１受光部、前記第２受光部、及び前記超音波照射部を制御する制御部と、を備え、
    前記光源部による前記光の照射方向と、前記超音波照射部による前記超音波の照射方向とは直交し、
    前記制御部は、
    前記超音波照射部から前記超音波を照射させていない状態で前記第２受光部から前記散乱光の受光結果を取得し、
    前記超音波照射部から前記超音波を照射させている状態で前記第１受光部から前記透過光の受光結果を取得する
    ことを特徴とする光学分析装置。
  2. 請求項１に記載の光学分析装置であって、
    前記制御部は、前記超音波照射部から前記超音波を照射させていない状態で前記第２受光部から取得した前記散乱光の受光結果が表す受光強度が所定の第２閾値未満である場合、前記散乱光の受光結果が表す受光強度が前記所定の第２閾値以上となるまで待機する
    ことを特徴とする光学分析装置。
  3. 請求項２に記載の光学分析装置であって、
    前記制御部は、前記超音波照射部から前記超音波を照射させていない状態で前記第２受光部から取得した前記散乱光の受光結果が表す受光強度が所定の第２閾値未満である場合、前記散乱光の受光結果が表す受光強度が前記所定の第２閾値以上となるまで待機し、前記散乱光の受光結果が表す受光強度が前記所定の第２閾値以上となった状態の受光結果に基づいて、前記液体サンプルの散乱体成分を分析する
    ことを特徴とする光学分析装置。
  4. 請求項１に記載の光学分析装置であって、
    前記制御部は、前記超音波照射部から前記超音波を照射させている状態で前記第１受光部から取得した前記透過光の受光結果が表す受光強度が所定の第１閾値未満である場合、前記透過光の受光結果が表す受光強度が前記所定の第１閾値以上となるように、前記超音波照射部による前記超音波の照射条件を変更する
    ことを特徴とする光学分析装置。
  5. 請求項４に記載の光学分析装置であって、
    前記制御部は、前記超音波照射部から前記超音波を照射させている状態で前記第１受光部から取得した前記透過光の受光結果が表す受光強度が所定の第１閾値未満である場合、前記透過光の受光結果が表す受光強度が前記所定の第１閾値以上となるように、前記超音波照射部による前記超音波の照射条件を変更し、前記透過光の受光結果が表す受光強度が前記所定の第１閾値以上となった状態の受光結果に基づいて、前記液体サンプルの溶液成分を分析する
    ことを特徴とする光学分析装置。
  6. 請求項１に記載の光学分析装置であって、
    前記制御部は、
    前記超音波照射部から前記超音波を照射させていない状態で前記第２受光部から前記散乱光の受光結果を取得した後、
    前記超音波照射部から前記超音波の照射を開始させた状態で前記第１受光部から前記透過光の受光結果を取得する
    ことを特徴とする光学分析装置。
  7. 請求項１に記載の光学分析装置であって、
    前記制御部は、
    前記超音波照射部から前記超音波を照射させた状態で前記第１受光部から前記透過光の受光結果を取得した後、
    前記超音波照射部から前記超音波の照射を停止させた状態で前記第２受光部から前記散乱光の受光結果を取得する
    ことを特徴とする光学分析装置。
  8. 請求項１に記載の光学分析装置であって、
    前記第１受光部及び前記第２受光部の一方は他方を兼ね、
    前記一方の位置を移動させる移動部を、備える
    ことを特徴とする光学分析装置。
  9. 請求項１に記載の光学分析装置であって、
    前記液体サンプルが収容される計測セルを、備え、
    前記計測セルは、
    前記液体サンプルを導入する導入口と、
    前記液体サンプルを排出する排出口と、を有する
    ことを特徴とする光学分析装置。
  10. 光学分析方法であって、
    液体サンプルに対して光を照射する光照射ステップと、
    前記液体サンプルに対して超音波を照射する超音波照射ステップと、
    前記超音波が照射されている状態で照射された前記光が前記液体サンプルを透過した透過光を受光する第１受光ステップと、
    前記超音波が照射されていない状態で照射された前記光が前記液体サンプルの中の散乱体によって散乱された散乱光を受光する第２受光ステップと、
    含み、
    前記光照射ステップにおける前記光の照射方向と、前記超音波照射ステップにおける前記超音波の照射方向とは直交する
    ことを特徴とする光学分析方法。
  11. 請求項１０に記載の光学分析方法であって、
    前記液体サンプルが蓄積される反応槽と、前記液体サンプルが収容される計測セルとの間で前記液体サンプルを循環させる循環ステップを、
    含むことを特徴とする光学分析方法。
  12. 液体サンプルが蓄積される反応槽と、
    配管を介して前記液体サンプルが循環可能に前記反応槽と接続された光学分析装置と、
    を備え、
    前記光学分析装置は、
    液体サンプルに対して光を照射する光源部と、
    前記光源部から照射され、前記液体サンプルを透過した透過光を受光する第１受光部と、
    前記光源部から照射され、前記液体サンプルの中の散乱体によって散乱された散乱光を受光する第２受光部と、
    前記液体サンプルに対して超音波を照射する超音波照射部と、
    前記超音波照射部から照射され、前記液体サンプルを伝搬した前記超音波を反射する反射板と、
    前記光源部、前記第１受光部、前記第２受光部、及び前記超音波照射部を制御する制御部と、を有し、
    前記光源部による前記光の照射方向と、前記超音波照射部による前記超音波の照射方向とは直交し、
    前記制御部は、
    前記超音波照射部から前記超音波を照射させていない状態で前記第２受光部から前記散乱光の受光結果を取得し、
    前記超音波照射部から前記超音波を照射させている状態で前記第１受光部から前記透過光の受光結果を取得し、
    前記反応槽は、
    前記液体サンプルを前記配管を介して前記光学分析装置に供給する流出口と、
    前記光学分析装置から排出される前記液体サンプルが前記配管を介して流入される流入口と、を有する
    ことを特徴とする光学分析システム。
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