JP7087696B2 - 光学分析システム及び光学分析方法 - Google Patents

Description

本開示は、光学分析システム及び光学分析方法に関する。

異なる原料を合成して生成物を得る化学反応系に関連する技術が従来から知られている。

例えば、特許文献１には、１つ以上の反応カラムからの溶出液中の反応生成物と未反応物及び副産物とを分離する分離手段を有する糖鎖合成装置が開示されている。例えば、特許文献２には、化合物合成の手段となりうるマイクロフルイディック・システムに関する装置及び方法が開示されている。

従来の化学反応系において、互いに光学異性体の関係を有する一対の化合物を生成物が含む場合がある。光学活性が異なるこのような一対の化合物を分析するためのいくつかの分析方法が知られている。一つの分析方法は、キラルカラムを用いた高速液体クロマトグラフィー（Ｈｉｇｈ Ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ Ｌｉｑｕｉｄ Ｃｈｒｏｍａｔｏｇｒａｐｈｙ（ＨＰＬＣ））法である。他の分析方法は、円二色性分散計を用いる方法である。

特許第４００５５５７号公報 特許第５８５９３９３号公報

光学異性体に関する従来の分析方法では、化学反応終了後、又は化学反応中に測定用のサンプルを抽出する必要がある。加えて、抽出されたサンプルは、光学異性体の分析用に処理され、分析後は破棄されていた。

本開示は、化学反応系において合成された生成物の光学異性に関する情報を、サンプルを抽出する必要なく、かつ非破壊的に分析できる光学分析システム及び光学分析方法を提供することを目的とする。

幾つかの実施形態に係る光学分析システムは、第１原料と第２原料とを合成して生成物を得る化学反応系において、合成開始前の前記第１原料及び前記第２原料それぞれに照射光を照射し、かつ前記第１原料、前記第２原料、及び前記生成物を含む合成開始後の混合物に照射光を照射する照射部と、前記照射部によって照射された前記照射光に基づく測定光であって、前記第１原料、前記第２原料、及び前記混合物それぞれの分光スペクトルに関する情報を含む前記測定光を検出する検出部と、前記第１原料、前記第２原料、及び前記混合物それぞれの分光スペクトルを算出し、各分光スペクトルに基づいて、前記生成物の分光スペクトルを算出する演算部と、を備え、前記生成物は、異性化していない化合物、及び互いに光学異性体の関係を有する一対の化合物のうちいずれかを含む。化学合成によって得られる生成物の光学異性に関する情報は、演算部によって算出された生成物の分光スペクトルに基づいて分析可能である。したがって、実施形態に係る光学分析システムによれば、化学反応系において合成された生成物の光学異性に関する情報を、サンプルを抽出する必要なく、かつ非破壊的に分析できる。

一実施形態において、前記演算部は、前記混合物の分光スペクトルから前記第１原料及び前記第２原料それぞれの分光スペクトルを差し引くことで、前記生成物の分光スペクトルを算出してもよい。これにより、混合物の分光スペクトルに埋没している生成物の分光スペクトルが抽出される。したがって、分光スペクトルに基づく、生成物の光学異性に関する情報の分析精度が向上する。

一実施形態において、前記化学反応系は、前記第１原料、前記第２原料、及び前記混合物それぞれが流路の内部を流れるフロー式の合成反応系を含んでもよい。これにより、測定用のサンプルを抽出することが困難であるフロー式の合成反応系においても、サンプルを抽出する必要なく光学的手法により非接触で光吸収スペクトルが測定される。したがって、生成物の光学異性に関する情報がリアルタイムに分析可能である。

一実施形態において、前記第１原料及び前記第２原料それぞれは、アミノ酸を含み、前記生成物は、ペプチド結合により形成された化合物を含んでもよい。これにより、複数のアミノ酸によって構成されるペプチドを対象とした分析が可能となる。

一実施形態において、前記測定光が有する波長帯域は、１８００ｎｍから２５００ｎｍまでの近赤外領域に含まれてもよい。これにより、光学分析システムは、当該近赤外領域に現れる、生成物の光学異性に起因する分光スペクトルを算出することができる。

一実施形態において、前記測定光は、前記第１原料、前記第２原料、及び前記混合物それぞれを透過した、前記照射光に基づく透過光を含み、前記分光スペクトルは、光吸収スペクトルを含んでもよい。例えば、蛍光分光法及びラマン分光法等の他の分光法では、蛍光及びラマン光等の測定光の強度は弱く、測定光の検出は容易でない。これに対して、吸収分光法を用いることで測定光の強度が増大し、測定光の検出が容易となる。したがって、光学分析システムは、分光スペクトルを容易に算出可能である。

幾つかの実施形態に係る光学分析方法は、第１原料と第２原料とを合成して生成物を得る化学反応系において、合成開始前の前記第１原料及び前記第２原料それぞれに照射光を照射し、かつ前記第１原料、前記第２原料、及び前記生成物を含む合成開始後の混合物に照射光を照射するステップと、照射された前記照射光に基づく測定光であって、前記第１原料、前記第２原料、及び前記混合物それぞれの分光スペクトルに関する情報を含む前記測定光を検出するステップと、前記第１原料、前記第２原料、及び前記混合物それぞれの分光スペクトルを算出し、各分光スペクトルに基づいて、前記生成物の分光スペクトルを算出するステップと、を含み、前記生成物は、異性化していない化合物、及び互いに光学異性体の関係を有する一対の化合物のうちいずれかを含む。化学合成によって得られる生成物の光学異性に関する情報は、算出された生成物の分光スペクトルに基づいて分析可能である。したがって、実施形態に係る光学分析システムによれば、化学反応系において合成された生成物の光学異性に関する情報を、サンプルを抽出する必要なく、かつ非破壊的に分析できる。

一実施形態では、前記生成物の分光スペクトルを算出するステップにおいて、前記混合物の分光スペクトルから前記第１原料及び前記第２原料それぞれの分光スペクトルを差し引くことで、前記生成物の分光スペクトルを算出してもよい。これにより、混合物の分光スペクトルに埋没している生成物の分光スペクトルが抽出される。したがって、分光スペクトルに基づく、生成物の光学異性に関する情報の分析精度が向上する。

本開示によれば、化学反応系において合成された生成物の光学異性に関する情報を、サンプルを抽出する必要なく、かつ非破壊的に分析できる光学分析システム及び光学分析方法を提供可能である。

第１実施形態に係る光学分析システムの構成の一例を示す模式図である。 図１の光学分析システムのブロック図である。 第１原料の光吸収スペクトルの一例を示す模式図である。 第２原料の光吸収スペクトルの一例を示す模式図である。 混合物の光吸収スペクトルの一例を示す模式図である。 生成物の光吸収スペクトルの一例を示す模式図である。 位置Ｐ１における生成物の光吸収スペクトルの一例を示す模式図である。 位置Ｐ２における生成物の光吸収スペクトルの一例を示す模式図である。 位置Ｐ３における生成物の光吸収スペクトルの一例を示す模式図である。 位置Ｐ４における生成物の光吸収スペクトルの一例を示す模式図である。 位置Ｐ５における生成物の光吸収スペクトルの一例を示す模式図である。 図１の光学分析システムの動作の一例を示すフローチャートである。 第２実施形態に係る光学分析システムのブロック図である。

初めに、従来技術の問題点について説明する。

従来、例えば、生成物がペプチド結合により形成された化合物、すなわちペプチドを含む場合、上述したキラルカラムを用いたＨＰＬＣ法及び円二色性分散計を用いる方法等を含む分析方法に基づいて、ペプチドを構成するアミノ酸の光学異性に関する情報が分析される。光学異性に関する情報は、例えば、互いに光学異性体の関係を有する一対の化合物それぞれの生成の有無、一対の化合物の両方が生成されているときの互いの存在比率、及びそれぞれの量等の情報を含む。

ペプチドを構成するアミノ酸残基の光学異性に関する情報を分析するためには、初めに分析対象のペプチドのＮ末端側から加水分解によりアミノ酸を１残基ずつ切り出す作業が行われる。次に、切り出されたアミノ酸を、例えばキラルカラムを有するＨＰＬＣ分析装置にかける。キラルカラムにかけられた試料アミノ酸がＤ体及びＬ体のいずれを構成するかによって、キラルカラムと相互作用する時間が異なる。したがって、Ｄ体及びＬ体のいずれを構成するかによって溶出されてくる時間が異なる。この時間差を利用して光学異性に関する情報を分析する。

一方で、例えば、円二色性分散計を用いる方法においても、キラルカラムを用いたＨＰＬＣ法と同様に、アミノ酸を切り出す作業が行われる。その後、各アミノ酸溶液の円二色スペクトルを取得する。光学活性物質が有する旋光性に基づいて、右回り円偏光及び左回り円偏光に対する光吸収量がそれぞれ異なる。分析対象物が有する吸収遷移に対応する波長で右回り円偏光及び左回り円偏光を照射し、その吸収量の差に基づいて円二色スペクトルが測定される。円二色スペクトルの分析によって光学活性物質がＤ体及びＬ体のいずれであるかを識別することができる。

このような従来技術では、ペプチドを構成するアミノ酸の光学異性に関する情報を分析するに際し、測定用のサンプルを抽出して、ペプチドからアミノ酸を加水分解して切り出す必要がある。このため、分析作業が煩雑で、かつ作業時間が増大していた。さらに、抽出されたサンプルは光学異性体の分析用に処理され、分析後は破棄されていた。すなわち、従来技術では破壊的な分析が行われていた。分析対象物が希少である場合、このような破壊分析によってコストが増大していた。

本開示の実施形態に係る光学分析システム１は、これらの問題点を解決し、化学反応系３０において合成された生成物ＡＢの光学異性に関する情報を、サンプルを抽出する必要なく、かつ非破壊的に分析できる。以下、本開示の実施形態に係る光学分析システム１について、添付図面を参照しながら説明する。

（第１実施形態）
図１は、第１実施形態に係る光学分析システム１の構成の一例を示す模式図である。図２は、図１の光学分析システム１のブロック図である。図１及び図２を参照しながら、第１実施形態に係る光学分析システム１の構成及び機能について主に説明する。

光学分析システム１は、例えば、第１原料Ａと第２原料Ｂとを合成して生成物ＡＢを得る化学反応系３０に設置される。光学分析システム１は、化学反応系３０に対して、照射光Ｌ１ａ、Ｌ１ｂ、及びＬ１ｃを含む照射光Ｌ１を照射する。光学分析システム１は、合成開始前の第１原料Ａ、合成開始前の第２原料Ｂ、並びに第１原料Ａ、第２原料Ｂ、及び生成物ＡＢを含む合成開始後の混合物Ｃそれぞれの分光スペクトルを算出する。光学分析システム１は、各分光スペクトルに基づいて、生成物ＡＢの分光スペクトルを算出する。

化学反応系３０は、送液ポンプ３１と、フロー化学反応チューブ３２と、マイクロリアクター３３とを有する。化学反応系３０は、例えば、合成開始前の第１原料Ａ、合成開始前の第２原料Ｂ、並びに第１原料Ａ、第２原料Ｂ、及び生成物ＡＢを含む合成開始後の混合物Ｃそれぞれが、フロー化学反応チューブ３２の内部を流れる連続フロー式の合成反応系を含む。第１原料Ａ及び第２原料Ｂそれぞれは、異なる送液ポンプ３１により送り出され、異なるフロー化学反応チューブ３２を通過してマイクロリアクター３３に導入される。このとき、第１原料Ａと第２原料Ｂとが瞬間的に混合されて、化学合成が開始する。第１原料Ａ、第２原料Ｂ、及び生成物ＡＢを含む合成開始後の混合物Ｃは、マイクロリアクター３３よりも下流側のフロー化学反応チューブ３２の内部をさらに流れる。その後、化学合成が完結する。

化学反応系３０における第１原料Ａ及び第２原料Ｂそれぞれは、任意の化合物を含む。第１原料Ａ及び第２原料Ｂそれぞれは、例えばアミノ酸を含んでもよい。同様に、生成物ＡＢは、ポリマー又はオリゴマー等の任意の化合物を含む。生成物ＡＢは、例えばアミド結合により形成された化合物を含んでもよいし、複数のアミノ酸に基づくペプチド結合により形成された化合物を含んでもよい。

光学分析システム１は、上記のような化学反応系３０に設置される。光学分析システム１は、光学測定装置１０と、光学分析装置２０とを有する。

光学測定装置１０は、例えば、後述する測定光Ｌ２ａ、Ｌ２ｂ、及びＬ２ｃを含む測定光Ｌ２の波長ごとの光吸収量を測定可能な任意の測定機器を含む。図２に一例として示すように、光学測定装置１０は、照射部１１と、検出部１２と、制御部１３と、通信部１４と、記憶部１５と、を有する。光学測定装置１０は、フロー化学反応チューブ３２の内部に向けて照射部１１から照射される照射光Ｌ１に基づき、例えば１８００ｎｍから２５００ｎｍまでの近赤外領域に含まれる波長帯域を有する測定光Ｌ２の波長ごとの光吸収量を測定する。測定光Ｌ２は、第１原料Ａ、第２原料Ｂ、及び混合物Ｃそれぞれを透過した、照射光Ｌ１に基づく透過光を含む。すなわち、照射部１１から照射された照射光Ｌ１は、第１原料Ａ、第２原料Ｂ、及び混合物Ｃそれぞれを透過して、測定光Ｌ２として検出部１２により検出される。

照射部１１は、例えば半導体レーザー等の任意の光源と、当該光源から照射された照射光Ｌ１をフロー化学反応チューブ３２の内部に導く光ファイバ等の任意の導光部品とを有する。照射部１１は、化学反応系３０のフロー化学反応チューブ３２の内部に、例えば１８００ｎｍから２５００ｎｍまでの近赤外領域に含まれる波長帯域を有する照射光Ｌ１を照射する。

より具体的には、照射部１１は、合成開始前の第１原料Ａ及び第２原料Ｂに照射光Ｌ１ａ及びＬ１ｂをそれぞれ照射する。照射部１１は、合成開始後の混合物Ｃに照射光Ｌ１ｃを照射する。一例として、照射部１１は、マイクロリアクター３３よりも下流側のフロー化学反応チューブ３２における５つの位置Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３、Ｐ４、及びＰ５それぞれにおいて照射光Ｌ１ｃを照射する。フロー化学反応チューブ３２における５つの位置Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３、Ｐ４、及びＰ５は、マイクロリアクター３３から順に離れている。すなわち、位置Ｐ１からＰ５に向かうにつれて、混合物Ｃにおける第１原料Ａ及び第２原料Ｂの割合が減少し、混合物Ｃにおける生成物ＡＢの割合が増大する。

検出部１２は、例えばフォトダイオード等の任意の光検出器と、フロー化学反応チューブ３２の内部を透過した測定光Ｌ２を光検出器まで導く光ファイバ等の任意の導光部品とを有する。検出部１２は、フロー化学反応チューブ３２の内部を透過した、例えば１８００ｎｍから２５００ｎｍまでの近赤外領域に含まれる波長帯域を有する測定光Ｌ２を検出する。

より具体的には、検出部１２は、合成開始前の第１原料Ａ及び第２原料Ｂを透過した測定光Ｌ２ａ及びＬ２ｂをそれぞれ検出する。検出部１２は、合成開始後の混合物Ｃを透過した測定光Ｌ２ｃを検出する。一例として、検出部１２は、フロー化学反応チューブ３２における５つの位置Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３、Ｐ４、及びＰ５それぞれにおいて測定光Ｌ２ｃを検出する。このように、検出部１２は、照射部１１によって照射された照射光Ｌ１に基づく測定光Ｌ２であって、第１原料Ａ、第２原料Ｂ、及び混合物Ｃそれぞれの分光スペクトルに関する情報を含む測定光Ｌ２を検出する。

制御部１３は、１つ以上のプロセッサを含む。例えば、制御部１３は、光学測定装置１０に関する処理を可能にするプロセッサを含む。制御部１３は、光学測定装置１０を構成する各構成部に接続され、各構成部をはじめとして光学測定装置１０全体を制御及び管理する。制御部１３は、検出部１２によって検出された測定光Ｌ２の検出情報を検出部１２から取得する。制御部１３は、検出部１２から取得した検出情報に基づき、測定光Ｌ２の波長ごとの光吸収量を測定する。制御部１３は、取得された波長ごとの光吸収量データを通信部１４に出力し、光学分析装置２０に送信させる。制御部１３は、取得された波長ごとの光吸収量データを必要に応じて記憶部１５に記憶させる。

通信部１４は、有線又は無線を介する任意の通信規格に対応した通信インタフェースを含む。通信部１４は、例えば、データ通信ケーブル４０を介して光学分析装置２０と通信接続可能である。通信部１４は、例えば、制御部１３から取得した波長ごとの光吸収量データを、データ通信ケーブル４０を介して光学分析装置２０に送信する。通信部１４は、例えば、光学分析装置２０を用いて作業者により設定された、測定光Ｌ２の波長ごとの光吸収量の測定に関する設定情報を光学分析装置２０から受信する。

記憶部１５は、例えば、ＨＤＤ（Ｈａｒｄ Ｄｉｓｋ Ｄｒｉｖｅ）、ＳＳＤ（Ｓｏｌｉｄ Ｓｔａｔｅ Ｄｒｉｖｅ）、ＥＥＰＲＯＭ（Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌｌｙ Ｅｒａｓａｂｌｅ Ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ Ｒｅａｄ-Ｏｎｌｙ Ｍｅｍｏｒｙ）、ＲＯＭ（Ｒｅａｄ-Ｏｎｌｙ Ｍｅｍｏｒｙ）、及びＲＡＭ（Ｒａｎｄｏｍ Ａｃｃｅｓｓ Ｍｅｍｏｒｙ）等の任意の記憶装置を含む。記憶部１５は、光学測定装置１０が処理する各種データ及びプログラム等を記憶する。記憶部１５は、例えば主記憶装置、補助記憶装置、又はキャッシュメモリとして機能してもよい。記憶部１５は、光学測定装置１０に内蔵されるものに限定されず、ＵＳＢ等のデジタル入出力ポート等によって接続された外付け型の記憶装置であってもよい。記憶部１５は、波長ごとの光吸収量データを必要に応じて制御部１３から取得し、これらのデータを記憶する。

光学分析装置２０は、例えば、携帯電話、スマートフォン、タブレットＰＣ、デスクトップコンピュータ、及びモバイルコンピュータ等の任意の汎用電子機器、並びに光学測定装置１０によって取得された測定データの処理に特化した専用の情報処理機器を含む。光学分析装置２０は、通信部２１と、演算部２２と、表示部２３と、操作部２４と、記憶部２５とを有する。光学分析装置２０は、光学測定装置１０によって取得された測定データを分析する。

通信部２１は、有線又は無線を介する任意の通信規格に対応した通信インタフェースを含む。通信部２１は、例えば、データ通信ケーブル４０を介して光学測定装置１０と通信接続可能である。通信部２１は、例えば、光学測定装置１０において取得された波長ごとの光吸収量データを、データ通信ケーブル４０を介して光学測定装置１０から受信する。通信部２１は、例えば、操作部２４を用いて作業者により設定された、測定光Ｌ２の波長ごとの光吸収量の測定に関する設定情報を光学測定装置１０に送信する。

演算部２２は、１つ以上のプロセッサを含む。より具体的には、演算部２２は、汎用のプロセッサ及び特定の処理に特化した専用のプロセッサ等の任意のプロセッサを含む。演算部２２は、例えば、携帯電話、スマートフォン、タブレットＰＣ、デスクトップコンピュータ、及びモバイルコンピュータ等の任意の汎用電子機器に搭載されたプロセッサ、並びに光学測定装置１０によって取得された測定データの処理に特化した専用の情報処理機器に搭載されたプロセッサを含んでもよい。演算部２２は、光学分析装置２０を構成する各構成部に接続され、各構成部をはじめとして光学分析装置２０全体を制御及び管理する。

演算部２２は、通信部２１を介して取得した、光学測定装置１０による測定データに対して様々な処理を行う。例えば、演算部２２は、合成開始前の第１原料Ａ、合成開始前の第２原料Ｂ、及び合成開始後の混合物Ｃそれぞれの分光スペクトルを算出する。演算部２２は、各分光スペクトルに基づいて、生成物ＡＢの分光スペクトルを算出する。分光スペクトルは、例えば光吸収スペクトルを含む。演算部２２は、例えば、光学測定装置１０において取得された波長ごとの光吸収量データに基づいてそれぞれの光吸収スペクトルを算出する。

演算部２２は、算出された光吸収スペクトルに基づいて、生成物ＡＢが得られているか否かを判定してもよい。例えば、演算部２２は、作業者により設定された所定の波長における光吸収スペクトルピークの高さが所定値を超えたか否かを判定することで、生成物ＡＢが得られているか否かを判定してもよい。演算部２２は、生成物ＡＢが得られていると判定した場合、生成物ＡＢの収率をさらに算出してもよい。ここで説明した、生成物ＡＢが得られているか否かの判定及び生成物ＡＢの収率の算出は、光学分析装置２０によって実行されなくてもよい。この場合、生成物ＡＢが得られているか否かの判定及び生成物ＡＢの収率の算出は、作業者自身によって実行されてもよい。

演算部２２は、算出された各光吸収スペクトルに関する情報を表示部２３に出力し、各光吸収スペクトルを必要に応じて表示させる。演算部２２は、例えば、表示部２３に表示された光吸収スペクトルに対する作業者からの任意の操作を、操作部２４を介して受け付ける。演算部２２は、算出された各光吸収スペクトルに関する情報を必要に応じて記憶部２５に記憶させる。

表示部２３は、作業者の視覚に作用する任意の出力インタフェースを含む。表示部２３を構成する出力インタフェースは、例えば、液晶ディスプレイ等の任意の表示機器を含む。表示部２３は、例えば、モバイルコンピュータに一体的に備わっている液晶ディスプレイを含んでもよい。表示部２３は、演算部２２によって算出された各光吸収スペクトルを必要に応じて表示する。

操作部２４は、キーボード、マウス、タッチパッド、及び音声により各種の指示が入力されるマイクロホン等の任意の入力インタフェースを含む。操作部２４は、例えば、タッチパネルとして、表示部２３を構成する液晶ディスプレイと一体に構成されてもよい。操作部２４は、例えば、表示部２３に表示された光吸収スペクトルに対する作業者からの任意の操作を受け付ける。その他にも、操作部２４は、例えば、光学測定装置１０を用いた測定に関する設定情報の入力操作を作業者から受け付ける。

記憶部２５は、例えば、ＨＤＤ、ＳＳＤ、ＥＥＰＲＯＭ、ＲＯＭ、及びＲＡＭ等の任意の記憶装置を含む。記憶部２５は、光学分析装置２０が処理する各種情報及びプログラム等を記憶する。記憶部２５は、例えば主記憶装置、補助記憶装置、又はキャッシュメモリとして機能してもよい。記憶部２５は、光学分析装置２０に内蔵されるものに限定されず、ＵＳＢ等のデジタル入出力ポート等によって接続された外付け型の記憶装置であってもよい。記憶部２５は、算出された各光吸収スペクトルに関する情報を必要に応じて演算部２２から取得し、これらの情報を記憶する。

図３Ａは、第１原料Ａの光吸収スペクトルの一例を示す模式図である。図３Ｂは、第２原料Ｂの光吸収スペクトルの一例を示す模式図である。図３Ｃは、混合物Ｃの光吸収スペクトルの一例を示す模式図である。図３Ｄは、生成物ＡＢの光吸収スペクトルの一例を示す模式図である。図３Ｃ及び図３Ｄは、一例として、フロー化学反応チューブ３２における５つの位置Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３、Ｐ４、及びＰ５のうち、中央の位置Ｐ３における混合物Ｃ及び生成物ＡＢの光吸収スペクトルをそれぞれ示す。

第１原料Ａ、第２原料Ｂ、及び生成物ＡＢそれぞれを構成する化合物は、電子準位、振動準位、及び回転準位を含む複雑なエネルギー準位構造に基づいて、複数の光吸収スペクトルピークを示すのが一般的である。しかしながら、図３Ａ、図３Ｂ、及び図３Ｄでは、説明の簡便のために、それぞれ１つの光吸収スペクトルのみが例示されている。図３Ａ乃至図３Ｄでは、光学分析システム１による基本的な処理を説明するために、生成物ＡＢを構成する化合物の異性化については考慮していない。生成物ＡＢを構成する化合物の異性化については後述する。

光学測定装置１０によって取得された測定光Ｌ２の波長ごとの光吸収量データに基づくグラフは、測定光Ｌ２が透過した化合物が有するエネルギー準位構造の特定の吸収遷移波長においてディップを示す。光学分析装置２０は、光学測定装置１０によるこのような測定データを処理して、図３Ａ乃至図３Ｄに示すような光吸収スペクトルを算出する。

得られた光吸収スペクトルは、化合物の所定構造の量を反映する。化合物の所定構造は、例えば、アミド結合及びペプチド結合等を含む。すなわち、化合物の所定構造の量が多い程、光吸収スペクトルピークは高くなる。加えて、化合物の所定構造に起因するエネルギー準位は、その構造の左右を構成する分子の重さに依存して変化する。したがって、第１原料Ａ、第２原料Ｂ、及び生成物ＡＢに起因する光吸収スペクトルピークの波長位置は、互いに異なるのが一般的である。

例えば、１８００ｎｍから２５００ｎｍまでの近赤外領域において、アミド結合又はペプチド結合を示す光吸収スペクトルピークが存在する。当該波長領域の近赤外光吸収スペクトルの帯域における測定光Ｌ２の光吸収量を測定することで、測定地点における生成物ＡＢ中のアミド結合又はペプチド結合の量が定量的に算出可能である。アミド結合又はペプチド結合の量を算出することにより、光学分析システム１は、化学反応系３０における生成物ＡＢの収率をリアルタイムに算出可能である。

例えば、図３Ａを参照すると、第１原料Ａの光吸収スペクトルピークは、１８００ｎｍから２５００ｎｍまでの近赤外領域において、より短波長側に現れる。例えば、図３Ｂを参照すると、第２原料Ｂの光吸収スペクトルピークは、１８００ｎｍから２５００ｎｍまでの近赤外領域において、より長波長側に現れる。

例えば、位置Ｐ３では化学合成が未完結であるため、混合物Ｃの中に第１原料Ａ及び第２原料Ｂが多く残存している。したがって、図３Ｃに示すように、混合物Ｃの光吸収スペクトル測定において、第１原料Ａ及び第２原料Ｂそれぞれの光吸収スペクトルピークに対応する複数のピークが現れる。これに加えて、位置Ｐ３では混合物Ｃにおける生成物ＡＢの割合が増大している。したがって、図３Ｃに示す光吸収スペクトル中に、生成物ＡＢに起因する光吸収スペクトルピークが存在する。

第１原料Ａ及び第２原料Ｂの光吸収スペクトルピークに対して生成物ＡＢの光吸収スペクトルピークが十分に高い場合、混合物Ｃの光吸収スペクトルにおいても生成物ＡＢの光吸収スペクトルが明瞭に突出し、その測定は容易である。しかしながら、第１原料Ａ及び第２原料Ｂの光吸収スペクトルピークに対して生成物ＡＢの光吸収スペクトルピークの高さが同程度以下である場合、生成物ＡＢの光吸収スペクトルが混合物Ｃの光吸収スペクトルに埋没し、その測定は困難である。

生成物ＡＢの光吸収スペクトルが混合物Ｃの光吸収スペクトルに埋没するような場合においても生成物ＡＢの光吸収スペクトルの測定を容易にするために、演算部２２は、混合物Ｃの光吸収スペクトルから第１原料Ａ及び第２原料Ｂそれぞれの光吸収スペクトルを差し引く。これにより、演算部２２は、図３Ｄに示すような生成物ＡＢの光吸収スペクトルを算出する。例えば、演算部２２は、図３Ａ及び図３Ｂにそれぞれ示す第１原料Ａ及び第２原料Ｂの光吸収スペクトルのピークに所定の比率を掛け合わせて、これらの高さを、混合物Ｃの対応する光吸収スペクトルピークの高さと略一致させる。その後、演算部２２は、混合物Ｃの光吸収スペクトルから第１原料Ａ及び第２原料Ｂそれぞれの光吸収スペクトルを差し引く。

このように、光学分析システム１では、生成物ＡＢの光吸収スペクトルピークの高さに基づいて例えば演算部２２が生成物ＡＢの収率を算出する。生成物ＡＢの収率の算出方法はこれに限定されず、任意の方法を含んでもよい。例えば、演算部２２は、光吸収スペクトルピークの高さに加えて、光吸収スペクトルの幅も考慮して生成物ＡＢの収率を算出してもよい。

図４Ａは、位置Ｐ１における生成物ＡＢの光吸収スペクトルの一例を示す模式図である。図４Ｂは、位置Ｐ２における生成物ＡＢの光吸収スペクトルの一例を示す模式図である。図４Ｃは、位置Ｐ３における生成物ＡＢの光吸収スペクトルの一例を示す模式図である。図４Ｄは、位置Ｐ４における生成物ＡＢの光吸収スペクトルの一例を示す模式図である。図４Ｅは、位置Ｐ５における生成物ＡＢの光吸収スペクトルの一例を示す模式図である。

化学反応系３０における化学反応条件によっては、生成物ＡＢを構成する化合物が異性化して、互いに光学異性体の関係を有する一対の化合物を生成物ＡＢが含む。以下では、図４Ａ乃至図４Ｅを参照しながら、互いに光学異性体の関係を有する一対の化合物を生成物ＡＢが含む場合について考える。

このとき、例えば、図４Ｃに示すとおり、生成物ＡＢの光吸収スペクトルにおいて、異性化が起こっていない場合に現れる図３Ｄに示すようなピークに加えて、異なる波長で新たなピークが現れる。すなわち、図３Ｄに示すようなピークに対応する、生成物ＡＢ１に起因する光吸収スペクトルピークと、生成物ＡＢ１を構成する化合物ｃ１の光学異性体ｃ２から構成される生成物ＡＢ２に起因する光吸収スペクトルピークとが現れる。このとき、生成物ＡＢは、生成物ＡＢ１と生成物ＡＢ２とを含む。

このように、本開示は、生成物ＡＢにおいて異性化が起こったときに、周囲に存在する溶媒等の他の化学物質との相互作用が化合物ｃ１と光学異性体ｃ２との間で異なり、吸収遷移波長が互いに異なるという新たな知見に基づく。相互作用は、例えば分子の振動状態に影響を与える任意の相互作用を含み、引力又は斥力の作用、結合の形成、及び結合の強さの程度の変化を意味する。相互作用は、例えば、ファンデルワールス力の作用、水素結合、及びイオン結合等を含む。

例えば、化合物ｃ１及び光学異性体ｃ２それぞれの周囲に他の化学物質が存在せず、各々が単体で存在する場合、化合物ｃ１の光吸収スペクトルと光学異性体ｃ２の光吸収スペクトルとは、互いに一致する。化合物ｃ１と他の化学物質とによる相互作用と、光学異性体ｃ２と他の化学物質とによる相互作用とが互いに異なることで、それぞれのエネルギー準位構造の変化に差が生じる。この差に起因して、化合物ｃ１の光吸収スペクトルと光学異性体ｃ２の光吸収スペクトルとにおいて互いに異なる波長位置でピークが現れる。

例えば、ペプチドの化学合成においてアミノ酸を連続的に連結させる反応の際に異性化が発生した場合、上述したような周辺分子との相互作用の差が発生する。このような相互作用の差に起因して、波長１８００ｎｍから２５００ｎｍまでの近赤外領域で光吸収スペクトル形状の差が生じる。したがって、波長１８００ｎｍから２５００ｎｍまでの近赤外光吸収スペクトルの帯域における測定光Ｌ２の光吸収量を測定することで、合成されたペプチドの光学異性体ｃ２の量が定量的に算出可能である。

例えば、図１に示すとおり、フロー化学反応チューブ３２における複数の位置Ｐ１乃至Ｐ５で測定を実施することで、複数設置された検出部１２を用いて反応時間の経過ごとに生成物ＡＢ１及び生成物ＡＢ２の光吸収スペクトルが得られる。これにより、各地点において、化学反応系３０により合成された生成物ＡＢの光学異性に関する情報が定量的に分析可能である。したがって、生成物ＡＢの光学異性に関する情報の経時変化が把握可能である。例えば、化合物ｃ１及び光学異性体ｃ２の量の経時変化が定量的に算出可能である。

例えば、図４Ａから図４Ｅまでを順に参照すると、位置Ｐ１から位置Ｐ５に向かうにつれて混合物Ｃにおける生成物ＡＢ１及び生成物ＡＢ２の割合が次第に増大することに伴い、各々の光吸収スペクトルピークが次第に高くなっている。このとき、混合物Ｃにおける第１原料Ａ及び第２原料Ｂの割合は次第に減少するので、第１原料Ａ及び第２原料Ｂそれぞれの光吸収スペクトルピークは次第に小さくなる。

仮に、フロー化学反応チューブ３２の内部における溶液の流速が速く、第１原料Ａ及び第２原料Ｂの混合直後から化学合成が完結するまでの時間が例えば０．１ｓから０．５ｓのように非常に短いような場合に測定用のサンプルを抽出すると、反応時間の規定が困難である。一方で、第１実施形態に係る光学分析システム１ではサンプルを抽出することなく光学的に分析可能であるので、混合してから何秒後の状態を分析しているのかということが正確に把握可能である。

図５は、図１の光学分析システム１の動作の一例を示すフローチャートである。図５を参照しながら、光学分析システム１を用いた光学分析方法の主なフローについて説明する。

ステップＳ１０１では、光学分析システム１は、光学測定装置１０の照射部１１を用いて、合成開始前の第１原料Ａ及び第２原料Ｂそれぞれに照射光Ｌ１を照射し、かつ合成開始後の混合物Ｃに照射光Ｌ１を照射する。

ステップＳ１０２では、光学分析システム１は、光学測定装置１０の検出部１２を用いて、第１原料Ａ、第２原料Ｂ、及び混合物Ｃそれぞれの分光スペクトルに関する情報を含む測定光Ｌ２を検出する。

ステップＳ１０３では、光学分析システム１は、光学分析装置２０の演算部２２を用いて、第１原料Ａ、第２原料Ｂ、及び混合物Ｃそれぞれの分光スペクトルを算出する。

ステップＳ１０４では、光学分析システム１は、光学分析装置２０の演算部２２を用いて、生成物ＡＢの分光スペクトルを算出する。このとき、演算部２２は、混合物Ｃの分光スペクトルから第１原料Ａ及び第２原料Ｂそれぞれの分光スペクトルを差し引くことで、生成物ＡＢの分光スペクトルを算出する。生成物ＡＢは、上述したとおり、異性化していない化合物、及び互いに光学異性体の関係を有する一対の化合物のうちいずれかを含む。

以上のような第１実施形態に係る光学分析システム１によれば、化学反応系３０において合成された生成物ＡＢの光学異性に関する情報を、サンプルを抽出する必要なく、かつ非破壊的に分析できる。例えば、光学分析システム１によれば、化合物ｃ１の光吸収スペクトルピークから分離したピークに基づいて、ペプチドの化学反応系３０における光学異性体ｃ２の量が定量的に算出可能である。

光学分析システム１によれば、光学測定装置１０を用いて光学的手法により非接触で光吸収スペクトルが測定されるので、生成物ＡＢの収率がリアルタイムに算出可能である。光学分析システム１によれば、生成物ＡＢの量を測定するために混合物Ｃから生成物ＡＢを分離する必要はなく、光学的に分離された光吸収スペクトルに基づいて、生成物ＡＢの収率が迅速かつ容易に算出される。

光学分析システム１によれば、化学反応系３０に影響を与えず非破壊的な分析が可能であるので、分析対象となる試料の廃棄コストが抑制される。光学分析システム１によれば、高額な分析装置を用いる必要がなく、またメンテナンスコストも抑制される。すなわち、光学測定装置１０及び光学分析装置２０を含むシンプルかつ低コストな分析システムが実現可能である。

光学分析システム１によれば、化学反応条件を最適化するための作業工程が簡素化され、最適化のための作業効率が向上する。より具体的には、光学分析システム１は、化合物の所定構造の量をモニタリングする際に、これらの所定構造を示す光吸収スペクトルピークが変化していないにも関わらず光吸収スペクトルの他のピークにおける変化を検知することで、主反応とは別の所望しない副反応が進行していると判定することができる。したがって、光学分析システム１によれば、反応異常の迅速な検知が可能となる。これにより、作業者は、化学反応条件を最適化するための情報を迅速に獲得できる。作業者は、このような情報を用いて、生成物ＡＢの収率を向上させたり、異性化の発生率を抑制したりすることができる。

光学分析システム１によれば、得られた生成物ＡＢの光吸収スペクトルは、周囲に存在する溶媒等の他の化学物質との相互作用を反映する。例えば、生成物ＡＢの光吸収スペクトルは、このような相互作用を反映した波長位置にピークを有する。したがって、例えば、ペプチド等の生体分子と周辺分子との水素結合等による相互作用の変化が測定可能である。これにより、光学分析システム１は、例えば水素結合状態の変化を測定する必要がある場合にも使用可能であり、このような変化をリアルタイムに測定することができる。

上記実施形態では、演算部２２は、混合物Ｃの光吸収スペクトルから第１原料Ａ及び第２原料Ｂそれぞれの光吸収スペクトルを差し引くことで生成物ＡＢの分光スペクトルを算出するとして説明したが、算出方法はこれに限定されない。演算部２２は、混合物Ｃの光吸収スペクトルにおいても生成物ＡＢの光吸収スペクトルが明瞭に測定可能であれば、光吸収スペクトルを差し引く処理を実行しなくてもよい。このとき、演算部２２は、混合物Ｃの光吸収スペクトルにおいて、第１原料Ａ及び第２原料Ｂの光吸収スペクトルピークと異なる所定のピークを生成物ＡＢの光吸収スペクトルピークとして判定してもよい。

演算部２２は、光吸収スペクトルを差し引く処理に代えて、又は加えて、任意の表示方法を用いて生成物ＡＢの光吸収スペクトルを強調表示してもよい。表示方法は、例えば、光吸収スペクトルピークに合わせてカーソル及び縦線等を表示する方法、光吸収スペクトル全体の表示色を変化させる方法、並びに光吸収スペクトル全体を点滅させる方法等の方法を含む。

上記実施形態では、化学反応系３０は、フロー化学反応チューブ３２の内部を流れるフロー式の合成反応系を含むとして説明したが、これに限定されない。化学反応系３０は、バッチ式の合成反応系を含んでもよい。

上記実施形態では、測定光Ｌ２が有する波長帯域は、１８００ｎｍから２５００ｎｍまでの近赤外領域に含まれるとして説明したが、これに限定されない。測定光Ｌ２は、光学分析システム１が生成物ＡＢの光吸収スペクトルを分析可能な任意の波長帯域を有してもよい。例えば、測定光Ｌ２が有する波長帯域は、紫外、可視、中赤外、及び遠赤外領域を含む任意の波長領域に含まれていてもよい。

上記実施形態では、測定光Ｌ２は照射光Ｌ１に基づく透過光を含み、分光スペクトルは光吸収スペクトルを含むとして説明したが、これに限定されない。光学分析システム１は、このような吸収分光法以外にも任意の分光法を用いて生成物ＡＢの分光スペクトルを算出してもよい。分光法は、例えば、蛍光分光法及びラマン分光法等を含んでもよい。例えば、蛍光分光法では、測定光Ｌ２は照射光Ｌ１に基づく蛍光を含み、分光スペクトルは蛍光スペクトルを含む。例えば、ラマン分光法では、測定光Ｌ２は照射光Ｌ１に基づくラマン光を含み、分光スペクトルはラマンスペクトルを含む。

（第２実施形態）
図６は、第２実施形態に係る光学分析システム１のブロック図である。第１実施形態では、光学分析システム１は、光学測定装置１０及び光学分析装置２０に基づいて、各構成部の機能が分離した異なる複数の装置によって構成されるとして説明した。光学分析システム１の構成は、これに限定されない。例えば、図６に示すとおり、第２実施形態に係る光学分析システム１は、各構成部の機能が集約された１つの装置によって構成される。

第２実施形態に係る光学分析システム１は、第１実施形態における制御部１３及び演算部２２の機能を集約した演算部１６と、第１実施形態における記憶部１５及び記憶部２５の機能を集約した記憶部１７と、照射部１１と、検出部１２と、表示部２３と、操作部２４とを有する。第２実施形態に係る光学分析システム１の各構成部の機能については、第１実施形態の対応する構成部と同様の説明が適用される。

以上のような第２実施形態に係る光学分析システム１によれば、第１実施形態と同様の効果を奏する。加えて、測定光Ｌ２の波長ごとの光吸収量の測定、及び分光スペクトルの算出等の処理が１つの装置で実行されるので、光学分析システム１の構成がよりシンプルになる。

本開示は、その精神又はその本質的な特徴から離れることなく、上述した実施形態以外の他の所定の形態で実現できることは当業者にとって明白である。したがって、先の記述は例示的であり、これに限定されない。開示の範囲は、先の記述によってではなく、付加した請求項によって定義される。あらゆる変更のうちその均等の範囲内にあるいくつかの変更は、その中に包含されるとする。

例えば、上述した各構成部の形状、配置、向き、及び個数等は、上記の説明及び図面における図示の内容に限定されない。各構成部の形状、配置、向き、及び個数等は、その機能を実現できるのであれば、任意に構成されてもよい。

例えば、上述した光学分析方法の各ステップに含まれる機能等は、論理的に矛盾しないように再配置可能であり、複数のステップを１つに組み合わせたり、又は分割したりすることが可能である。

上記では、光学分析システム１及び光学分析方法について主に説明したが、本開示は、制御部１３、演算部２２、及び演算部１６それぞれが有するプロセッサにより実行されるプログラム又はプログラムを記録した記憶媒体としても実現し得るものである。本開示の範囲には、これらも包含されると理解されたい。

１ 光学分析システム
１０ 光学測定装置
１１ 照射部
１２ 検出部
１３ 制御部
１４ 通信部
１５ 記憶部
１６ 演算部
１７ 記憶部
２０ 光学分析装置
２１ 通信部
２２ 演算部
２３ 表示部
２４ 操作部
２５ 記憶部
３０ 化学反応系
３１ 送液ポンプ
３２ フロー化学反応チューブ（流路）
３３ マイクロリアクター
４０ データ通信ケーブル
Ａ 第１原料
Ｂ 第２原料
ＡＢ、ＡＢ１、ＡＢ２ 生成物
Ｃ 混合物
ｃ１ 化合物
ｃ２ 光学異性体
Ｌ１、Ｌ１ａ、Ｌ１ｂ、Ｌ１ｃ 照射光
Ｌ２、Ｌ２ａ、Ｌ２ｂ、Ｌ２ｃ 測定光
Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３、Ｐ４、Ｐ５ 位置

Claims (8)

1. 第１原料と第２原料とを合成して生成物を得る化学反応系において、合成開始前の前記第１原料及び前記第２原料それぞれに照射光を照射し、かつ前記第１原料、前記第２原料、及び前記生成物を含む合成開始後の混合物に照射光を照射する照射部と、
   前記照射部によって照射された前記照射光に基づく測定光であって、前記第１原料、前記第２原料、及び前記混合物それぞれの分光スペクトルに関する情報を含む前記測定光を検出する検出部と、
   前記第１原料、前記第２原料、及び前記混合物それぞれの分光スペクトルを算出し、各分光スペクトルに基づいて、前記生成物の分光スペクトルを算出する演算部と、
   を備え、
   前記生成物は、異性化していない化合物、及び互いに光学異性体の関係を有する一対の化合物のうちいずれかを含む、
   光学分析システム。
2. 前記演算部は、前記混合物の分光スペクトルから前記第１原料及び前記第２原料それぞれの分光スペクトルを差し引くことで、前記生成物の分光スペクトルを算出する、
   請求項１に記載の光学分析システム。
3. 前記化学反応系は、前記第１原料、前記第２原料、及び前記混合物それぞれが流路の内部を流れるフロー式の合成反応系を含む、
   請求項１又は２に記載の光学分析システム。
4. 前記第１原料及び前記第２原料それぞれは、アミノ酸を含み、
   前記生成物は、ペプチド結合により形成された化合物を含む、
   請求項１乃至３のいずれか１項に記載の光学分析システム。
5. 前記測定光が有する波長帯域は、１８００ｎｍから２５００ｎｍまでの近赤外領域に含まれる、
   請求項１乃至４のいずれか１項に記載の光学分析システム。
6. 前記測定光は、前記第１原料、前記第２原料、及び前記混合物それぞれを透過した、前記照射光に基づく透過光を含み、
   前記分光スペクトルは、光吸収スペクトルを含む、
   請求項１乃至５のいずれか１項に記載の光学分析システム。
7. 第１原料と第２原料とを合成して生成物を得る化学反応系において、合成開始前の前記第１原料及び前記第２原料それぞれに照射光を照射し、かつ前記第１原料、前記第２原料、及び前記生成物を含む合成開始後の混合物に照射光を照射するステップと、
   照射された前記照射光に基づく測定光であって、前記第１原料、前記第２原料、及び前記混合物それぞれの分光スペクトルに関する情報を含む前記測定光を検出するステップと、
   前記第１原料、前記第２原料、及び前記混合物それぞれの分光スペクトルを算出し、各分光スペクトルに基づいて、前記生成物の分光スペクトルを算出するステップと、
   を含み、
   前記生成物は、異性化していない化合物、及び互いに光学異性体の関係を有する一対の化合物のうちいずれかを含む、
   光学分析方法。
8. 前記生成物の分光スペクトルを算出するステップにおいて、前記混合物の分光スペクトルから前記第１原料及び前記第２原料それぞれの分光スペクトルを差し引くことで、前記生成物の分光スペクトルを算出する、
   請求項７に記載の光学分析方法。

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