JPH0141934B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、広範囲の種類の互に異る流体試料の
分光分析を行うための新規な流体試料室に関する
ものである。

流体試料を分析して放射線エネルギーを吸収す
る試料の成分の濃度を測定するための従来の透過
分光学的方法を従う試料室としては種々のものが
知られている。このような分析は、試料の吸収特
性と、試料の放射線エネルギーを吸収する成分の
濃度と、試料を通る放射線エネルギー透過径路の
長さとに従つて、試料を通過する互に異る所定波
長の放射線エネルギーの選択的減衰に基づいてい
る。或る種の流体試料たとえば液体は、この液体
を透過する放射線エネルギーを拡散的散乱によつ
て各別に減衰させる微粒子の懸濁物を含んでい
る。流体媒体中の粒度分布と粒子濃度とに従つ
て、入射光ビームの一部は、この媒体を通つて直
接には伝わらず、可変の幾何学的分布状態にある
前後方向散乱成分中に拡散状態で散乱していく。
従来の透過分光学的方法では後方散乱成分は、前
方の散乱成分の一部もこれと同様、放射線センサ
により検知されない。信号の結果的損失は減衰測
定の一部として現われる。従つて濁り度の変化
は、流体中の問題成分の純粋に吸収的な性質の変
化とは異つて、拡散状態で散乱する成分の損失の
変化によつて、測定に可変のパラメータを伴う。

さらに真の溶液のスペクトルエネルギー減衰特
性は分子濃度の対数関数であるが、懸濁した微細
粒子による光の拡散散乱は粒度及び濃度と共に波
長の非線形関数である。従つてこのような懸濁液
は、拡散状態で散乱する放射線エネルギー成分に
対し時間のかかる複雑な（そして不正確なことの
多い）補正を行わなければ分析成績に誤差を伴
う。さらに広範囲の種類の流体試料たとえば重い
処理飲料シロツプ、アイスクリーム又は類似物
は、従来の透過分光法に従つて適当に処理するの
に十分な放射線エネルギーを透過しないので、希
釈などのような特別な試料処理を必要とし、これ
に伴いさらに誤差のおそれを招く。

又従来の反射分光学的方法により一般に固体の
試料の分析を行うのに使われる種々の試料室が知
られている。このような方法により一般に粉末状
の又は微細に摩砕したコンシステンシーを持つよ
うにした固体試料をスペクトル放射線源により照
射し、これ等の試料の表面のスペクトル反射性に
対して分析をする。試料の表面に打当たりこれを
貫く光は、各試料成分の濃度とそのスペクトル吸
光度特性とに従つて部分的に吸収される。又この
ような光は濁つた液体試料の場合と同様に前後方
向散乱成分内に拡散状態で散乱する。反射機器で
測定され成分濃度の決定に使われるのは、試料ス
ペクトル吸光度特性により選択的減衰の行われる
後方散乱成分である。しかし前方散乱成分は、試
料内における吸収によつて失われ、従つて、この
ような成分は貫重な情報は含んではいるが成分濃
度の決定に利用することはできない。このような
試料室は、試料のスペクトル反射面の性質自体が
たとえば特定の試料成分の濃度を示していないよ
うな流体試料の分析における使用には、一般に適
していない。

さらにそして透過分光学及び反射分光学間の光
学的要求に基本的違いがあるために、現用の分光
学機器は一般に１種類の測定方式だけに限定さ
れ、又は１種類の測定から他の種類の測定に変換
するのに複雑高価な付属装置を必要とする。又前
記した制限があるために、広範囲の種類の既存の
半液体又は半固体は、既存の透過分光学的又は反
射分光学的の機器により適当な精度で適宜に分析
することは簡単にはできない。

本発明の目的は、試料の問題成分に対し、又は
試料のその他のこのような物理的、化学的、又は
光学的性質に対し、反射法により流体試料の精密
分析をすることのできる新規な流体試料室を提供
しようとするにある。

本発明の他の目的は、互に著しく異る濁り度を
持つ広範囲の種類の流体試料を精密な分光定量分
析をすることのできる流体試料室を提供しようと
するにある。

本発明の他の目的は、流体試料が不透明である
ために従来の透過分光法では正確に測定すること
ができず、また流体試料が非固体状態にあるため
に従来の反射分光法によつては正確に測定するこ
とのできない広い範囲の流体試料の精確な分光定
量分析をすることのできる流体試料室を提供しよ
うとするにある。

本発明の他の目的は、試料吸収に基づく透過減
衰した放射線の測定と、試料の濁り度に基づく前
後方向の拡散状態で散乱した放射線の測定との両
測定により透明な流体試料及び濁つた流体試料の
両試料の精密な定量分析ができ、しかも試料内の
粒状物のスペクトル吸収効果を除いて測定が濁り
度の変化に無関係になるようにした新規な流体試
料室を提供しようとするにある。

本発明の他の目的は、試料中に若干量の気泡が
存在していても正確な流体試料の分析が確実に行
われる試料室を提供しようとするにある。

さらに本発明の目的は、比較的簡単で安価な構
造を持ち、周期的清掃のために容易かつ適宜に分
解することのできる試料室を提供しようとするに
ある。

さらに本発明の目的は、自動式の連続流れ試料
分析装置に使うのにとくに適した前記のような試
料室を提供しようとするにある。

前記したような本発明による新規な流体試料室
は、透明な窓とたとえば拡散鏡などのようなあま
りスペクトル吸収性を持たない拡散反射装置との
互に対向する表面により囲んだ精密に定めた深さ
を持つ試料区画を備えている。この試料区画に対
し流体試料を流入流出させることができるように
出入口を形成してある。鏡面は、流体試料中に存
在する気泡を観測区域外に保つような形状にして
ある。操作時には試料区画の観測区域内の試料部
分は、選定された波長を持つ放射線エネルギーで
照射する。試料を透過した拡散鏡から拡散反射し
てもどる放射線と、試料中の粒子により前方向に
散乱し拡散鏡から拡散反射してもどる放射線と、
拡散鏡から反射しないで試料により後方向に拡散
的に散乱される放射線とから成る試料からの全拡
散反射放射線エネルギーについて測定を行う。こ
れ等の各放射線は、各試料成分のスペクトル吸収
特性と、各試料成分の濃度と、試料を横切る実際
の経路長さと従つて、流体試料による減衰を受け
て、試料の精密な定量分析を行うことができる。

以下本発明による分光分析法と分光分析装置及
びその流体試料室との実施例を添付図面について
詳細に説明する。

図示のように本発明による流体試料室１０は、
大体コツプ状の本体１２と環状のカバー１４とを
備えている。本体１２及びカバー１４は第３図に
示すように互に補形的なねじ１６を切つてある。
カバー１４には円形の観測穴１８を形成してあ
る。又図示のように本体１２の中央にはその底壁
に円形のアクセス用の穴２０を形成してある。

本体円形の拡散反射部材すなわち鏡２２は、鏡
２２によるスペクトル吸収があるにしてもわずか
しかない適当な光分散特性を持つセラミツク材又
はその他の適当な材料から作つてある。拡散鏡２
２はたとえば米国特許第4047032号明細書に記載
してあるセラミツク材スペクトル反射標準の光学
的物理的特性を示す。この場合拡散鏡２２は、第
３図に示すように鏡２２の上部反射面２５から延
びる突出した環状の取付け隆起部２４を備えてい
る。さらに拡散鏡２２は、第３図に示すように密
封Ｏ字環３８すなわちガスケツトを取付ける環状
みそ２６と、直径に沿い互に対向させた段付きの
出入口３０，３２と第２図に示すように各出入口
３０，３２を互に連結する環状の出入みぞ３４と
を備えている。大体円形の透明な窓３６は第３図
に示すように拡散鏡２２の上側に位置させてあ
る。

拡散鏡２２、Ｏ字環２８及び窓３６は第３図に
示すように本体１２内に配置してある。カバー１
４は本体１２に緊密にねじ込まれ窓３６の下部環
状面部分を突出した環状の取付け隆起部２４の上
面に緊密に押付ける。これに伴うＯ字環２８の圧
縮により流体密の流れ試料区画３８を形成する。
突出した環状隆起部２４は第３図に示すように試
料区画３８を通る光径路の長さｌを精密に定め
る。径路長さｌは、室１０の動作特性が放射線エ
ネルギー検出処理装置のSN比の限度内に確実に
入りそして室１０の拡散鏡２２から反射してもど
る放射線エネルギーが内部散乱効果を受けてつね
に確実に一定の径路長さを横切るようにできるだ
け短くする。

流体の流入導管３１及び流出導管３３は第３図
に示すように拡散鏡２２の底部のそれぞれ出入口
３０，３２に連結され次々の流体試料を試料区画
３８に対し流入流出させる。表面張力により流体
試料中に存在する気泡はこれを防ぐように所定の
努力を行つても抵抗の最低の径路に沿い試料区画
３８への試料流入時に出入みぞ３４内に又これに
沿つて流れるということはとくに重要である。す
なわち出入みぞ３４を第１図及び第３図に示すよ
うにカバー１４の穴１８により形成する観察区域
外に置いてあるので、流体試料中の気泡は分析の
精度に害を与えない。

操作の説明を十分にするために適当な波長たと
えば近赤外線領域の波長を持つ放射線源４０を設
けてある。又光学的積分球４２と放射線検出器４
４，４６とは、試料室１０が放射線源４０により
照射されたときこの試料室１０からもどし返され
る拡散放射線を受けるように配置してある。信号
処理装置５７は各放射線検出器４４，４６の信号
出力を反射率値に変換する。この反射率値は、成
分の濃度又は大きさ或は試料の性質を計算するの
に使う。そして表示装置５８はこの出力情報を通
報する。

試料室１０の利用例はたとえば、ジエイ・エ
フ・エツクス・ジヤツジ（J.F.X.Judge）等を発
明者とする1979年２月26日付米国特許願第15017
号明細書に記載してある赤外線自動試料分析装置
に作動的に使用することができる。

操作時には試料室１０の流体試料区画３８は、
特定の成分に関して分光定量分析しようとする流
体試料５０、たとえば一般に水性溶液中の微小球
状の含有脂肪に対して分析しようとするアイスク
リームを出入口３０に沿つて満たす。適当な波長
たとえば1.4ないし2.5μの範囲内の狭い帯域の波
長を持つ放射線を、放射線源４０から積分球４２
の穴４３及び観測穴１８を経て鏡２２の表面に直
角に差向ける。試料室１０は、源４０からの入射
線の強さに比例する拡散放射線源の特性と、流体
試料５０の拡散反射率特性と、流体試料５０のス
ペクトル吸収特性とを示す。スペクトル吸収特性
は、試料５０が、放射線が鏡２２から積分球４２
に反射してもどされるのを許すだけ充分な放射線
透過性を持つときだけ生ずる。とくにそして流体
試料５０の光学的透過又は拡散反射或はこれ等の
両方の特性に従つて、ビーム５１により示すよう
にカバー１４の観測穴１８を経て試料室１０に入
射する源４０からの放射線はそれぞれ部分的に、 (a) 第３図のビーム５２により示すように透明窓
３６からほぼ正反射する。このような反射した
放射線は積分球４２内に反射されず、放射線検
出器４４，４６に入射しない。この反射した放
射性は問題の試料成分の分析に関連する情報は
含まない。

(b) 第３図のビーム５４に示すように放射線検出
器４４により検出するために試料５０から光学
的積分球４２に拡散反射してもどる。

(c) 第３図のビーム５６により示すように試料５
０を透過し放射線検出器４４，４６による検出
のために拡散鏡２２の反射面２５から光学的積
分球４２に反射してもどる。

さらに説明のために試料５０が比較的透明なこ
れ等の例では照射した試料室１０から放出する放
射線エネルギーの主要部分はビーム５６により例
示したように鏡２２により拡散し反射した放射線
エネルギーにより主として構成される。これに反
して試料５０が比較的濁つているこれ等の例では
照射した試料室１０から放出する放射線エネルギ
ーの主要部分はビーム５４により例示したように
試料５０内から拡散し散乱する放射線エネルギー
により主として構成される。試料が単に幾分濁つ
ている例では照射した室から放射する放射線エネ
ルギーは鏡２２により拡散し反射し試料５０内で
散乱する拡散放射線エネルギーから成る。

所定数の互に異る所定の波長の放射線による流
体試料の前記のような逐次の照射は、試料と問題
の特定の種類の試料又は成分上のスペクトル吸収
特性に従つて行われる。各放射線波長は、分析し
ようとする特定の成分に関する試料のスペクトル
吸収特性に従つて試料の吸収又は拡散或はこれ等
の両方の最適の測定が行わわるように選定する。
次で放射線検出器４４，４６により検出する反射
放射線のレベルは、たとえば前記米国特許願第
15017号明細書に記載してあるように問題の特定
試料成分の濃度を計算するのに利用する。

前記のような分光定量試料分析によれば、分析
しようとする１連の流体試料の次の試料は、図示
していないが矢印５９により示した適当なポンプ
装置により流入導管３１及び出入口３０を経て試
料区画３８に流入させ分析済み試料を試料３８か
ら出入口３２及び流出導管３３を経て押しのけ
る。前記したような試料分析手順を新らたに導入
した試料について繰返す。たとえば米国特許第
3134263号明細書に記載してあるような従来の連
続流れ分析装置によつて、次の試料の装入に先だ
つて適当な量の洗浄液体を試料区画３８を透過さ
せ試料間の汚染を防ぐようにするのがよい。

光学的積分球４２及び放射線検出器４４，４６
により前記したようにもどし検出する入射放射線
は、従来の透過機器内で起るように試料のスペク
トル吸収特性に精密に比例して減衰する純粋に透
過した成分と、試料のスペクトル吸収特性に同様
に精密に比例して減衰するが従来の透過機器では
どのような精度でも通常測定できない前方及び後
方散乱の成分とから成つていることは、とくに重
要なことである。又前記散乱成分は従来の反射機
器では通常測定することができない。

試料のスペクトル吸収特性の結果の測定は、問
題の流体試料が光学的に透過性であるか、光学的
に拡散性であるか又はこれ等の光学的特性の考え
られる組合わせを示すかどうかにほぼ関係なく行
われる。同じ試料室内の試料の光学的反射特性及
び光学的透過特性の精密な測定を行うことによ
り、流体試料の精密な定量分析は、試料濁り度の
変化に関係なく実質的に行われ、著しく異る濁り
度を持つとくに広い範囲の流体試料を同じ試料室
内で精密に定量分析することができる。この説明
における『流体試料』という用語の使用は自由に
流れる液体又はガス状の試料に限定するものでは
なく極めて粘性の高いシロツプの性質を持ちこの
ような試料を流体試料室１０の試料区画３８に対
し流入流出させることのできるものに限つた半固
体を含む広範囲の試料にわたることはいうまでも
ない。

試料室１０の前記したような構造及び組合わせ
により、必要に応じその周期的清掃が著しく容易
になり、試料区画３８から残留物を除くことがで
きる。とくにカバー１４は本体１２からねじをは
ずすことにより取りのぞき十分な室清掃のために
試料区画３８及び拡散鏡２２を十分に操作するこ
とができる。

以上本発明とその実施例について詳細に説明し
たが本実施例は本発明の精神を逸脱することなく
種々の変化変型を行い得ることは云うまでもな
い。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明流体試料室の１実施例の平面
図、第２図は第１図の流体試料室をカバーをはず
して示す平面図、第３図は第１図の３−３線に沿
う拡大断面図である。 １０……流体試料室、１２……室本体、１４…
…カバー、１８……観測穴、２０……アクセス用
の穴、２２……拡散反射鏡、３６……窓、３８…
…試料区画、４０……放射線源、４２……積分
球、４４，４６……検出器、５１，５２，５４，
５６……ビーム（放射線）、５７……信号処理装
置、５８……表示装置。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ (イ) 流体試料をそれぞれ間隔を隔てて支えた
   放射エネルギー透過窓及び拡散反射部材間に位
   置させて、この流体試料を選定された波長を持
   つ放射エネルギーで照射し、 (ロ) 前記試料の後方に散乱した放射線と、前記試
   料の前方に散乱した放射線及び前記試料を透過
   した放射線の少なくとも一部分を拡散反射部材
   で反射させ前記試料を通つて後方に戻した放射
   線とを積分し、 (ハ) 積分した放射線のエネルギーを測定すること
   によつて前記流体試料の性質を表示する信号を
   発生させる 各段階から成る、流体試料の性質の分光分析法。 ２ 流体試料の分光分析用流体試料室において、
   流体試料を入れるように該室の内部に互いに対向
   する表面が平面である放射線エネルギー透過窓と
   この窓から間隔を隔てた拡散反射部材とにより形
   成して成る試料区画と、前記窓と拡散反射部材と
   の互いに対向する表面を互いに平行に間隔を隔て
   て支持することによつて、これ等の互いに対向す
   る表面と直交する方向に、試料を通るほぼ一定の
   試料径路長さを定めるようにした支持装置と、
   次々に来る流体試料を試料区画に対しそれぞれ流
   入流出させる入口及び出口とを持たせた流体試料
   室。 ３ 窓を貫いて観測区域を形成する仕切り部材を
   備え、入口及び出口を前記観測区域の外側に配置
   し試料室内に延ばし、前記の入口及び出口の間に
   延び前記観測区域の外側に配置した出入みぞを設
   けた特許請求の範囲２に記載の流体試料室。 ４ 放射線透過窓とこの窓から間隔を隔てた拡散
   反射部材とにより形成された区画であつて、これ
   らの両者の互いに対向する表面部分を平面にし互
   いに平行に間隔を隔てて支えることによつて、前
   記の互いに対向する表面と直交する方向に一定の
   試料径路長さを定めるようにした、分析しようと
   する流体試料を入れるための試料区画を持つ流体
   試料室と、前記窓を経て前記試料区画内にエネル
   ギーを差向ける放射線エネルギー源と、前方又は
   後方に散乱した放射線と前記区画内に入れた試料
   を透過する放射線とを集める装置とを備え、前記
   の前方に散乱し及び透過した放射線の少なくとも
   一部分を前記試料を通り前記拡散反射部材から反
   射し戻すようにした分光分析装置。 ５ 放射線を集める装置に、放射線積分装置と、
   この積分装置により積分した放射線に応答する検
   出器とを持たせるようにした特許請求の範囲４に
   記載の分光分析装置。 ６ 検出器に応答する処号処理装置と、この処理
   装置に応答する表示装置とを備えた特許請求の範
   囲５に記載の分光分析装置。 ７ 窓上に配置され試料区画を経て観測区域を形
   成する部材を備え、前記観測区域の外側の前記窓
   及び拡散反射部材の互いに対向する表面が少なく
   とも試料径路長さを越える間隔だけ隔てられるよ
   うにした特許請求の範囲４に記載の分光分析装
   置。