JPH04264236A - 光音響分析用プローブ - Google Patents
光音響分析用プローブInfo
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- JPH04264236A JPH04264236A JP3311279A JP31127991A JPH04264236A JP H04264236 A JPH04264236 A JP H04264236A JP 3311279 A JP3311279 A JP 3311279A JP 31127991 A JP31127991 A JP 31127991A JP H04264236 A JPH04264236 A JP H04264236A
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- G—PHYSICS
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- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
- G01N29/00—Investigating or analysing materials by the use of ultrasonic, sonic or infrasonic waves; Visualisation of the interior of objects by transmitting ultrasonic or sonic waves through the object
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- G01N29/24—Probes
- G01N29/2418—Probes using optoacoustic interaction with the material, e.g. laser radiation, photoacoustics
- G01N29/2425—Probes using optoacoustic interaction with the material, e.g. laser radiation, photoacoustics optoacoustic fluid cells therefor
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- G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
- G01N21/17—Systems in which incident light is modified in accordance with the properties of the material investigated
- G01N21/1702—Systems in which incident light is modified in accordance with the properties of the material investigated with opto-acoustic detection, e.g. for gases or analysing solids
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- G01N21/1702—Systems in which incident light is modified in accordance with the properties of the material investigated with opto-acoustic detection, e.g. for gases or analysing solids
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- G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
- G01N21/84—Systems specially adapted for particular applications
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- Y10—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC
- Y10T—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER US CLASSIFICATION
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- Y10T436/25—Chemistry: analytical and immunological testing including sample preparation
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- Investigating Or Analyzing Materials By The Use Of Ultrasonic Waves (AREA)
Abstract
(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。
め要約のデータは記録されません。
Description
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は試料を光学的に励起し、
次いで試料中の光吸収性分析成分(analyte)の
光音響応答を検知するためのプローブに関する。
次いで試料中の光吸収性分析成分(analyte)の
光音響応答を検知するためのプローブに関する。
【0002】
【従来の技術とその課題】多くの工業分野において、液
体、ガス又は固体の試料中の分析成分の濃度を検知する
ことが必要であり、その濃度は10億当りの部(ppb
)から100%の範囲に及ぶ。本発明は試料中の分析成
分の濃度を測定するに必要な遠隔検知と引きつつ続いて
の定量分析に関する。遠隔検知及び遠隔分析は、試料の
化学的性質や分析成分の実用上の理由で試料に直接触れ
る検知や分析が実用的でないとか危険を伴う場合に、必
要とされる場合が多い。
体、ガス又は固体の試料中の分析成分の濃度を検知する
ことが必要であり、その濃度は10億当りの部(ppb
)から100%の範囲に及ぶ。本発明は試料中の分析成
分の濃度を測定するに必要な遠隔検知と引きつつ続いて
の定量分析に関する。遠隔検知及び遠隔分析は、試料の
化学的性質や分析成分の実用上の理由で試料に直接触れ
る検知や分析が実用的でないとか危険を伴う場合に、必
要とされる場合が多い。
【0003】試料中の分析成分の濃度の検知方法の一つ
に光音響(photoacoustic)分析がある。 光音響分析では、既知の波長の被変調入射光によって励
起した後に試料の音響応答を測定することによって試料
中の分析成分の濃度を求める。音響応答の強さが試料中
の分析成分の濃度の函数である。試料中の分析成分の濃
度が増すと それに応じて強い音響応答が検知される
。 ある特定の試料中のある特定の分析成分の既知の濃度に
ついての基準の強さを決めることにより、同じ分析成分
及び試料の他の未知の濃度を求めることができる。
に光音響(photoacoustic)分析がある。 光音響分析では、既知の波長の被変調入射光によって励
起した後に試料の音響応答を測定することによって試料
中の分析成分の濃度を求める。音響応答の強さが試料中
の分析成分の濃度の函数である。試料中の分析成分の濃
度が増すと それに応じて強い音響応答が検知される
。 ある特定の試料中のある特定の分析成分の既知の濃度に
ついての基準の強さを決めることにより、同じ分析成分
及び試料の他の未知の濃度を求めることができる。
【0004】試料中の分析成分の光音響検知には、特に
試料が流動している液体やガスの場合、実用上多くの制
限がある。例えば流動している試料中に干渉のない光音
響的に検知できる信号又は応答を生ずるように被変調入
射光を入射させることは極めて困難である。干渉のない
信号をもたらす多くの試みは試料を遊離した室を通して
送り、この室で光学励起と光音響検知を行ってから試料
を通常の流路にもどすものである。これは液体試料が流
動状態にある間にその中のある成分濃度を検知すること
を可能にする。英国特許出願公開第2,089,041
A号はかかる装置を開示している。また米国特許第3,
938,365号も参照されたい。
試料が流動している液体やガスの場合、実用上多くの制
限がある。例えば流動している試料中に干渉のない光音
響的に検知できる信号又は応答を生ずるように被変調入
射光を入射させることは極めて困難である。干渉のない
信号をもたらす多くの試みは試料を遊離した室を通して
送り、この室で光学励起と光音響検知を行ってから試料
を通常の流路にもどすものである。これは液体試料が流
動状態にある間にその中のある成分濃度を検知すること
を可能にする。英国特許出願公開第2,089,041
A号はかかる装置を開示している。また米国特許第3,
938,365号も参照されたい。
【0005】多くの揮発性及び/又は危険な溶液にとっ
て、試料の流れる管にこのように取り出し口を設け試料
流を送りさらにもどすことは扱いが繁雑になったり不経
済である。しかし、試料をこのように遊離できない場合
は干渉のない光音響応答信号を生ずるように試料に変調
光の方向を調節することは困難である。
て、試料の流れる管にこのように取り出し口を設け試料
流を送りさらにもどすことは扱いが繁雑になったり不経
済である。しかし、試料をこのように遊離できない場合
は干渉のない光音響応答信号を生ずるように試料に変調
光の方向を調節することは困難である。
【0006】従って本発明の目的は試料中に遠隔的に変
調光を向けて試料内の低濃度分析成分を光音響的に検知
する改良された装置を提供することにある。
調光を向けて試料内の低濃度分析成分を光音響的に検知
する改良された装置を提供することにある。
【0007】本発明の更なる目的は揮発性及び/又は危
険な試料中の分析成分の濃度を別のルートに送ったり取
り出したりすることを要しない侵入や干渉のない光音響
検知装置を提供することにある。
険な試料中の分析成分の濃度を別のルートに送ったり取
り出したりすることを要しない侵入や干渉のない光音響
検知装置を提供することにある。
【0008】本発明の更なる目的は試料中の低濃度分析
成分を定量するための有効にして取り扱い易い光学的励
起と音響検知を行う経済的で改良された装置を提供する
ことにある。
成分を定量するための有効にして取り扱い易い光学的励
起と音響検知を行う経済的で改良された装置を提供する
ことにある。
【0009】
【課題を解決するための手段】特に、本発明は(1)中
空で且つ先端をもつ本体、(b)本体の先端近くで本体
に密封されている窓、(c)本体内に延び本体内の窓近
くに端部をもち、それにより変調光が光学繊維に沿い、
窓を通り、次いで窓から延びている光学軸に沿い、そし
て本体の先端を囲んでいる試料を通って向けられるよう
になっていると共に、(d)本体内に位置しそして光学
軸に隣接する変調光に対する試料の音響応答を検知する
ための光音響検知手段を有することを特徴とする光音響
分析プローブである。
空で且つ先端をもつ本体、(b)本体の先端近くで本体
に密封されている窓、(c)本体内に延び本体内の窓近
くに端部をもち、それにより変調光が光学繊維に沿い、
窓を通り、次いで窓から延びている光学軸に沿い、そし
て本体の先端を囲んでいる試料を通って向けられるよう
になっていると共に、(d)本体内に位置しそして光学
軸に隣接する変調光に対する試料の音響応答を検知する
ための光音響検知手段を有することを特徴とする光音響
分析プローブである。
【0010】図1は本発明の好ましい態様における光音
響分析系の構成を示す概略図である。
響分析系の構成を示す概略図である。
【0011】図2は図1の2−2線の断面図である。
【0012】図3は図1に斜線で示した単一端プローブ
の拡大図である。
の拡大図である。
【0013】図4は図3の4−4線の断面図である。
【0014】図1は本発明の好ましい態様を示し、たと
えば管11を通して流れる液体試料12中の分析成分の
濃度を測定するのに有効な光音響検知系10からなる。 プローブ15の一端は試料12と直接接触して配置され
る。プローブ15は長さが約30cmの長い中空本体1
4をもつ。分析を行わない時はプローブ15は引き抜く
ことができ、出口開口19に栓をする等の適当な手段を
施してもれを防ぐ。
えば管11を通して流れる液体試料12中の分析成分の
濃度を測定するのに有効な光音響検知系10からなる。 プローブ15の一端は試料12と直接接触して配置され
る。プローブ15は長さが約30cmの長い中空本体1
4をもつ。分析を行わない時はプローブ15は引き抜く
ことができ、出口開口19に栓をする等の適当な手段を
施してもれを防ぐ。
【0015】分析中は、フラッシュランプ23からの光
をまず、矢印方向にレンズ27上に向ける。レンズは2
5.0mmの光学シリカ凸レンズが好ましい。このレン
ズ27は広いバンドパスの225ナノメーターフィルタ
ー29上に集光させる。光は光学繊維ケーブル22を経
て、本体14の後端24、プローブ15の先端に位置す
る窓(図1では図示せず)を通り、光学軸25に沿って
試料12中に送られる。図2はケーブル22の断面図で
あり、3本の光学繊維22aを示す。図1にもどり、こ
うげん23からの光の一部は光学繊維又はケーブル32
によって、光ダイオード31にも送られる。光ダイオー
ドはオシロスコープ41の垂直チャネルの1つの入力部
(インプット)に接続している。好ましくは分岐ケーブ
ルが用いられる。これはフィルター29に接続したケー
ブルのトランク端をもちケーブル32は変調光を光ダイ
オード31に向けるための1つの1分岐として働き、ケ
ーブル22は変調光をプローブ15に向ける他の分岐と
して働く。フィルター29は個々の繊維又はケーブル2
2及び32がUVに長くさらされることにより分解する
のを防ぐ。繊維ケーブル22及び32の個々の繊維は異
なる直径をもっていてもよい。また任意の数の光学繊維
をもつケーブル類も用いうるが、単一絶縁管をもつ単一
光学繊維が最適の結果を示す。
をまず、矢印方向にレンズ27上に向ける。レンズは2
5.0mmの光学シリカ凸レンズが好ましい。このレン
ズ27は広いバンドパスの225ナノメーターフィルタ
ー29上に集光させる。光は光学繊維ケーブル22を経
て、本体14の後端24、プローブ15の先端に位置す
る窓(図1では図示せず)を通り、光学軸25に沿って
試料12中に送られる。図2はケーブル22の断面図で
あり、3本の光学繊維22aを示す。図1にもどり、こ
うげん23からの光の一部は光学繊維又はケーブル32
によって、光ダイオード31にも送られる。光ダイオー
ドはオシロスコープ41の垂直チャネルの1つの入力部
(インプット)に接続している。好ましくは分岐ケーブ
ルが用いられる。これはフィルター29に接続したケー
ブルのトランク端をもちケーブル32は変調光を光ダイ
オード31に向けるための1つの1分岐として働き、ケ
ーブル22は変調光をプローブ15に向ける他の分岐と
して働く。フィルター29は個々の繊維又はケーブル2
2及び32がUVに長くさらされることにより分解する
のを防ぐ。繊維ケーブル22及び32の個々の繊維は異
なる直径をもっていてもよい。また任意の数の光学繊維
をもつケーブル類も用いうるが、単一絶縁管をもつ単一
光学繊維が最適の結果を示す。
【0016】フラッシュランプ23としては短いアーク
(3mm)のキセノンフラッシュランプが例示される。 950ボルトに充電した12マイクロファラッドの蓄電
器(図示せず)からのフラッシュランプ23の電球に5
.5ジュールのエネルギーを放電することにより10マ
イクロ秒のフラッシュ有効時間を得ることができる。 フラッシュランプ23にトリガパルスを送るために方形
波ゼネレータを用いうる。5.0ボルトの振幅、200
マイクロ秒の有効時間及び200ミリ秒の遅延時間をも
つトリガパルスを用いうる。3〜5ヘルツ(Hz)の典
型的なフラッシュ速度は方形波ゼネレータの周波数ダイ
アルを0.15〜0.25×104kHzに調節するこ
とによって達成しうる。
(3mm)のキセノンフラッシュランプが例示される。 950ボルトに充電した12マイクロファラッドの蓄電
器(図示せず)からのフラッシュランプ23の電球に5
.5ジュールのエネルギーを放電することにより10マ
イクロ秒のフラッシュ有効時間を得ることができる。 フラッシュランプ23にトリガパルスを送るために方形
波ゼネレータを用いうる。5.0ボルトの振幅、200
マイクロ秒の有効時間及び200ミリ秒の遅延時間をも
つトリガパルスを用いうる。3〜5ヘルツ(Hz)の典
型的なフラッシュ速度は方形波ゼネレータの周波数ダイ
アルを0.15〜0.25×104kHzに調節するこ
とによって達成しうる。
【0017】試料へ変調光を向けると試料中の光吸収性
分析成分中に音波又はパルスを生ずる。音波は変換器3
4、好ましくは圧電検知器によって検知される。これは
窓をこえて位置し、光学軸25からは離れている。
分析成分中に音波又はパルスを生ずる。音波は変換器3
4、好ましくは圧電検知器によって検知される。これは
窓をこえて位置し、光学軸25からは離れている。
【0018】音響検知に応答して、変換器(トランスデ
ューサ)34が電気信号を発生し、これは入力用リード
線38によって本体14を通りプレ増幅器40に送られ
る。次いで増幅した信号はオシロスコープ41の別の垂
直チャネルに入力される。音響的に検知された応答に対
応する電圧はオシロスコープ41上に表示され、測定さ
れ、次いで電気ケーブル43を介してコンピュータ44
に送られる。所望により、コンピュータ44により時間
変化電圧を記録又は蓄積し、コンピュータ44に接続し
たプリンタ46によって印刷する。
ューサ)34が電気信号を発生し、これは入力用リード
線38によって本体14を通りプレ増幅器40に送られ
る。次いで増幅した信号はオシロスコープ41の別の垂
直チャネルに入力される。音響的に検知された応答に対
応する電圧はオシロスコープ41上に表示され、測定さ
れ、次いで電気ケーブル43を介してコンピュータ44
に送られる。所望により、コンピュータ44により時間
変化電圧を記録又は蓄積し、コンピュータ44に接続し
たプリンタ46によって印刷する。
【0019】プローブ15から得られる音響的に検知し
た波形は典型的には、管11の寸法又は試料を保持する
セルの寸法に比例するいくつかの超多重(スーパーイン
ポーズド)周波数からなる。高周波数(150kHz)
の音響的に検知した波形の振幅は、これらの波形を光ダ
イオードで発生した電気信号の振幅に対して標準化する
ことにより濃度の測定に用いることができる。
た波形は典型的には、管11の寸法又は試料を保持する
セルの寸法に比例するいくつかの超多重(スーパーイン
ポーズド)周波数からなる。高周波数(150kHz)
の音響的に検知した波形の振幅は、これらの波形を光ダ
イオードで発生した電気信号の振幅に対して標準化する
ことにより濃度の測定に用いることができる。
【0020】図3はプローブ15の先端の好ましい態様
をより詳しく示すものである。キャップ35がプローブ
の先端に設けられる。キャップ35は本体14と一体成
形されていてもよいし、簡単に接続できるものでもよい
。好ましくはキャップ35と本体14は共にステンレス
スチール製で、キャップ35は本体14にネジで接続さ
れる。窓又はレンズ40aはキャップ35の中央に光学
軸25に沿って配される。レンズ40aは好ましくは平
凸形で、サファイア製で、厚さ約5mm、焦点長さ約9
mmをもつ、レンズ40aは試料にそれを向けるとき光
線の拡がりを小さくする即ち光を平行にする。キャップ
35はレンズ40aをこえて延び変換器34をつつむ長
い中空の環状部分47も有する。環状部分47は長く延
びる内壁48と外壁49をもつ。好ましくは環状部分4
7は約15mmの長さ寸法をもち壁48と49の間の半
径は約8mmである。これは光学軸25から約5mmの
半径距離に内壁48があることに相当する。
をより詳しく示すものである。キャップ35がプローブ
の先端に設けられる。キャップ35は本体14と一体成
形されていてもよいし、簡単に接続できるものでもよい
。好ましくはキャップ35と本体14は共にステンレス
スチール製で、キャップ35は本体14にネジで接続さ
れる。窓又はレンズ40aはキャップ35の中央に光学
軸25に沿って配される。レンズ40aは好ましくは平
凸形で、サファイア製で、厚さ約5mm、焦点長さ約9
mmをもつ、レンズ40aは試料にそれを向けるとき光
線の拡がりを小さくする即ち光を平行にする。キャップ
35はレンズ40aをこえて延び変換器34をつつむ長
い中空の環状部分47も有する。環状部分47は長く延
びる内壁48と外壁49をもつ。好ましくは環状部分4
7は約15mmの長さ寸法をもち壁48と49の間の半
径は約8mmである。これは光学軸25から約5mmの
半径距離に内壁48があることに相当する。
【0021】図4により詳しく示すように、圧電変換器
34が内壁48の裏面50と接する形で、光学軸25に
垂直に配され、それにより音響感度を最適化する。変換
器34は好ましくは裏面50に対し重ね板ばね65で保
持される。変換器34はまたプローブ本体14の長さ方
向に沿って後端24の外に延びる電気リード38に接続
しているリード裏当て(バッキング)に配される。電圧
又はグランド部に関する電位差を測定するため、第2リ
ード(図示せず)がグランド対照として働きプローブ本
体14の外面52に分離して接続される。
34が内壁48の裏面50と接する形で、光学軸25に
垂直に配され、それにより音響感度を最適化する。変換
器34は好ましくは裏面50に対し重ね板ばね65で保
持される。変換器34はまたプローブ本体14の長さ方
向に沿って後端24の外に延びる電気リード38に接続
しているリード裏当て(バッキング)に配される。電圧
又はグランド部に関する電位差を測定するため、第2リ
ード(図示せず)がグランド対照として働きプローブ本
体14の外面52に分離して接続される。
【0022】光学繊維ケーブル22は本体14を通り、
キャップ35の芯部58内にねじで接続しているリング
56で外表面が摩擦的に保持されている中空マウンティ
ングリング55中に延びている。サファイアレンズ40
aは芯58の先端で円形フランジ49によりまた2つの
O−リング60と61により固定される。この全体構造
においてレンズはケーブル22の端から約9mm、即ち
焦点距離、のところにあり、これはまたプローブ本体1
4からの試料のもれを防ぐ。またO−リング60と61
は光移送系を音響的に分け逆効果を実質的に低下させる
。そうでない場合は繊維束22を通して移送される望ま
しくない散乱光の光音響的検知により逆効果が生じうる
。
キャップ35の芯部58内にねじで接続しているリング
56で外表面が摩擦的に保持されている中空マウンティ
ングリング55中に延びている。サファイアレンズ40
aは芯58の先端で円形フランジ49によりまた2つの
O−リング60と61により固定される。この全体構造
においてレンズはケーブル22の端から約9mm、即ち
焦点距離、のところにあり、これはまたプローブ本体1
4からの試料のもれを防ぐ。またO−リング60と61
は光移送系を音響的に分け逆効果を実質的に低下させる
。そうでない場合は繊維束22を通して移送される望ま
しくない散乱光の光音響的検知により逆効果が生じうる
。
【0023】図1に示したプローブ15は管11を通っ
て流れる液体試料のインラインの光音響的分析用に適し
たものだがプローブ先端は流動していない液体試料浴中
に直接置くこと、即ちプローブ14を包囲した試料保持
セル等の装置内に置くこと等もできる。またプローブ先
端を固体試料又は気体試料のいずれかと接触して配する
こともできる。気体試料を分析する場合、たとえば煙突
放出気体をモニターする場合にはマイクロフォンが圧電
センサーよりも好ましい圧力変換器といえる。
て流れる液体試料のインラインの光音響的分析用に適し
たものだがプローブ先端は流動していない液体試料浴中
に直接置くこと、即ちプローブ14を包囲した試料保持
セル等の装置内に置くこと等もできる。またプローブ先
端を固体試料又は気体試料のいずれかと接触して配する
こともできる。気体試料を分析する場合、たとえば煙突
放出気体をモニターする場合にはマイクロフォンが圧電
センサーよりも好ましい圧力変換器といえる。
【0024】また本発明は種々の他の音響構造及びセン
サー構造をも包含する。図1,3及び4に示した本発明
の好ましい態様の1つの利点は音響センサーのジオメト
リーが光学的に発生させた音響波のジオメトリーと実質
的に付合しているという事実にある。即ち、該センサー
の半円形がすべての点を、光線が横切る光学軸から実質
上等距離の表面上に置き、それにより感度が最大になる
。しかし光学軸に関し音響センサーの他の多くのジオメ
トリー配向も有効であり、本発明に包含される。
サー構造をも包含する。図1,3及び4に示した本発明
の好ましい態様の1つの利点は音響センサーのジオメト
リーが光学的に発生させた音響波のジオメトリーと実質
的に付合しているという事実にある。即ち、該センサー
の半円形がすべての点を、光線が横切る光学軸から実質
上等距離の表面上に置き、それにより感度が最大になる
。しかし光学軸に関し音響センサーの他の多くのジオメ
トリー配向も有効であり、本発明に包含される。
【0025】本発明の好ましい態様について記載したが
、本発明の範囲内で当業者は容易にその変形や効果を確
認することができ、それらは本発明に包含される。
、本発明の範囲内で当業者は容易にその変形や効果を確
認することができ、それらは本発明に包含される。
【図1】本発明の好ましい態様における光音響分析系の
構成を示す概略図である。
構成を示す概略図である。
【図2】図1の2−2線の断面図である。
【図3】図1に斜線で示した単一端プローブの拡大図で
ある。
ある。
【図4】図3の4−4線の断面図である。
Claims (4)
- 【請求項1】 (a)中空で且つ先端をもつ本体(1
4)、(b)本体(14)の先端近くで本体(14)に
密封している窓(40a)、(c)本体(14)中に延
び本体(14)内で窓(40a)近くで終わっている光
学繊維(22a)をもちそれにより変調光(26)が光
学繊維(22a)に沿い、窓(40a)を通り、次いで
窓(40a)から延びている光学軸(25)に沿い、そ
して本体(14)の先端を囲んでいる試料(12)を通
って向けられるようになっていると共に、(d)本体(
14)内に位置しそして光学軸(25)に隣接する変調
光に対する試料の音響応答を検知するための光音響検知
手段(34)を有することを特徴とする光音響分析プロ
ーブ(15)。 - 【請求項2】 光音響検知手段(34)が光学軸(2
5)と平行な長軸をもつ請求項1記載のプローブ(15
)。 - 【請求項3】光音響検知手段(34)が圧力変換器であ
る請求項2記載のプローブ(15)。 - 【請求項4】 光音響検知手段(34)がマイクロフ
ォンである請求項2記載のプローブ(15)。
Applications Claiming Priority (2)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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US586668 | 1990-09-24 | ||
US07/586,668 US5125749A (en) | 1990-09-24 | 1990-09-24 | Probe for photoacoustic analysis |
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Publication Number | Publication Date |
---|---|
JPH04264236A true JPH04264236A (ja) | 1992-09-21 |
Family
ID=24346678
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Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
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EP (1) | EP0478410B1 (ja) |
JP (1) | JPH04264236A (ja) |
CA (1) | CA2051713A1 (ja) |
DE (1) | DE69111544T2 (ja) |
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- 1991-09-18 CA CA002051713A patent/CA2051713A1/en not_active Abandoned
- 1991-09-19 JP JP3311279A patent/JPH04264236A/ja active Pending
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