JPH08247941A

JPH08247941A - 分析装置及び分析方法

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Publication number: JPH08247941A
Application number: JP4756895A
Authority: JP
Inventors: Kazuo Amaya; 和夫天谷
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1995-03-07
Filing date: 1995-03-07
Publication date: 1996-09-27

Abstract

(57)【要約】【目的】微少量の試料を用いて正確な定量が可能な分
析装置を提供する。【構成】少なくとも内面が第１の屈折率の材質で形成
される細い孔１１を有する所定の長さの管１０と、この
管１０の細い孔１１の一端部１１ａに配された光源１
と、管１０の細い孔１１の他端部１１ｂに配され、光源
１から細い孔１１を透過した光を受光する受光手段２と
を備え、管１０の細い孔１１内に、被検出物質が含まれ
た溶液１２を充填させると共に、溶液１２の屈折率を、
適当な溶媒または溶質を加えることによって、上記第１
の屈折率よりも高い第２の屈折率とし、受光手段２での
受光状態より、被検出物質の溶液１２中の含有量を検出
するようにした。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、微少量の試料を用いて
正確な定量が可能な分析装置及び分析方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、吸光光度法と称される分析方法が
ある。この分析方法は、試薬として水溶液を用意し、こ
の水溶液中の被測定物質の量により、水溶液の光の透過
量が変化するように設定する。そして、被測定物質が含
まれる水溶液中に光を透過させ、この光の透過率を測定
することで、水溶液中の被測定物質の濃度を分析する方
法である。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】この吸光光度法による
分析方法は、蛍光法と称される分析方法に比べて測定で
きる物質の種類が多く、多数の物質の濃度測定に適用す
ることができるが、その検出感度は蛍光法に比べて劣
り、感度などを上げるには長光路のセルを用いる必要が
あり、試薬類の使用量が増大する。長光路のセルを使用
して、試薬類の使用量を少なくするためには、セルの断
面積を小さくすることが考えられるが、断面積が小さく
光路が長いセルを使用すると、充分な透過光強度が得ら
れないと言う問題点があった。

【０００４】また、吸光光度法による分析方法で、分析
に多くの量の試薬などを使用した場合、分析を行った後
の試薬類の廃棄処理などに問題があった。

【０００５】また、このような吸光光度法による分析を
行う場合には、被測定物質が含まれる水溶液中に照射す
る入射光として、波長純度が高く単光色に近い光を使用
した場合には、透過光強度と水溶液を透過した透過光強
度との比の対数値が、水溶液中の被測定物質の濃度に比
例する。ところが、波長純度が高い光を得るためには、
分光器を使用する必要があり、光源の構成が複雑で高価
になる不都合があった。ここで、入射光として発光ダイ
オードの出射光のように波長純度が比較的低い光をその
まま使用した場合には、上述した透過光強度と水溶液を
透過した透過光強度との比の対数値が、水溶液中の被測
定物質の濃度には比例しなくなり、測定値に誤差が生じ
る問題点があった。

【０００６】本発明の第１の目的は、少ない量の水溶液
で吸光光度法による精度の高い分析ができる分析装置を
提供することにある。

【０００７】本発明の第２の目的は、比較的波長純度の
低い光源を使用して、吸光光度法による高い精度の分析
ができる分析方法を提供することにある。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明の分析装置は、例
えば図１に示すように、少なくとも内面が第１の屈折率
の材質で形成される細い孔１１を有する所定の長さの管
１０と、この管１０の細い孔１１の一端部１１ａに配さ
れた光源１と、管１０の細い孔１１の他端部１１ｂに配
され、光源１から細い孔１１を透過した光を受光する受
光素子２とを備え、管１０の細い孔１１内に、被検出物
質が含まれた溶液１２を充填させると共に、溶液１２の
屈折率を、適当な溶媒または溶質を加えることによっ
て、上記第１の屈折率よりも高い第２の屈折率とし、受
光素子２での受光状態より、被検出物質の溶液１２中の
含有量を測定するようにしたものである。

【０００９】また、この場合に管１０の細い孔１１の一
端部１１ａまたは他端部１１ｂから、この孔１１の中に
光ファイバーケーブル１５の一端１５ａを所定長挿入
し、この光ファイバーケーブル１５の他端１５ｂを光源
１または受光素子２と接続させ、光ファイバーケーブル
１５の管１０の細い孔１１の中への挿入長さを変化させ
ることにより、測定感度を変化させるようにしたもので
ある。

【００１０】また本発明の分析方法は、溶液に入射する
光の入射光強度と、溶液を透過した透過光強度との比に
基づいて、溶液の濃度を分析する分析方法において、透
過光強度から、予め求めた溶液の濃度が最も高い状態で
残存する透過光強度を減算し、入射光強度と減算値との
比に基づいて、溶液の濃度を分析するようにしたもので
ある。

【００１１】

【作用】本発明の分析装置によると、管を構成する部材
の屈折率よりも高い屈折率の溶液を、管の細い孔に充填
させるようにしたことで、この細い孔の一端部から細い
孔内の溶液に入射した光は、細い孔の壁で全反射し、こ
の細い孔内で発散して減衰することが非常に少なくな
り、充分な透過光強度が得られ、被検出物質の溶液中の
含有量を正確に測定できる。

【００１２】この場合、光ファイバーケーブルを管の中
に挿入させ、その挿入長さを変化させることで、測定感
度を変化させることができ、最も良い精度で測定を行う
ように調節することが可能である。

【００１３】また本発明の分析方法によると、透過光強
度から、予め求めた水溶液の濃度が最も高い状態で残存
する透過光強度を減算し、入射光強度と減算値との比に
基づいて水溶液の濃度を求めることで、求めた比の対数
値が濃度と比例するようになる。

【００１４】

【実施例】以下、本発明の一実施例を、添付図面を参照
して説明する。

【００１５】図１は本例の分析装置による分析状態の概
要を示す図である。本例においては、分析に管１０を使
用する。この管１０は、長さ数ｃｍ〜数１０ｃｍ程度
で、なるべく屈折率の低い合成樹脂（例えばフッ素樹脂
など）より形成され、内部に直径数ｍｍ以下（例えば３
ｍｍ程度〜０．５ｍｍ程度）の細い径の透孔１１を有す
る。そして、この透孔１１内に被測定物質が含まれた水
溶液１２を充填させ、一端部１１ａ及び他端部１１ｂを
ガラス１３などの透明な部材で蓋をする。この場合、管
１０を構成する材質の光の屈折率をｎ₁とし、水溶液１
２の屈折率をｎ₂とするとき、次式の条件を満たすよう
にする。

【００１６】

【数１】ｎ₁＜ｎ₂

【００１７】この条件を満たす例について説明すると、
例えばテフロン（商品名）と称されるフッ素樹脂で構成
される管１０を使用した場合、この管１０の屈折率は
１．３５である。一方、水の屈折率は1.33であり、水を
そのまま水溶液１２として使用した場合には、管１０の
屈折率よりも小さな値となってしまう。このため、本例
の場合には屈折率１．４７のグリセリンを水に１４％以
上加えて、屈折率が１．３５を越える値となったものを
水溶液１２として使用し、上述した条件を満たすように
する。

【００１８】このように管１０の透孔１１に充填した水
溶液１２の屈折率を、管１０の材質の屈折率よりも高く
設定することで、透孔１１の一端部１１ａから入射した
光は管の内面で全反射され、透孔１１内での発散が少な
くなり、他端部１１ｂから出射する光量が非常に多くな
る。このような特性は、光ファイバーケーブルと称され
る光信号伝送用ケーブルと同様の原理によるものであ
る。なお、管１０は、少なくとも透孔１１を構成する内
面の屈折率が上述した条件を満たせばよい。

【００１９】従って、水溶液１２に、光を吸収する被測
定物質を含有させた場合には、その被測定物質の水溶液
１２中の濃度に比例して、透孔１１内の水溶液１２を透
過する光の強度が変化するようになり、透孔１１内の水
溶液１２の光の透過率を測定することで、水溶液１２中
の被測定物質の濃度が判る。

【００２０】この光の透過率の測定を行うために本例の
場合には、この管１０の透孔１１の一端部１１ａと近接
した位置に発光ダイオード１を配置し、他端部１１ｂと
近接した位置に受光素子２を配置する。そして、発光ダ
イオード１からは、予め決められた輝度で発光するよう
に設定する。そして、受光素子２が受光して出力する信
号をマイクロコンピュータなどで構成される演算手段３
に供給し、演算処理で水溶液１２の濃度を算出し、算出
された濃度の値を表示手段４に表示させる。

【００２１】ここで、演算手段３で行われる演算処理に
ついて説明すると、光の透過率による吸光光度法による
濃度測定の場合には、ランバート・ベールの法則と称さ
れる次式に基づいて測定する。

【００２２】

【数２】ｌｏｇ（Ｉ₀／Ｉ）＝ε・ｄ・Ｃここで、Ｉ₀は入射光強度、Ｉは透過光強度、ｄはセル
（本例の管１０に相当）の光路長、εは測定物質に特有
の吸光係数、Ｃは被測定物質の濃度である。

【００２３】従って、入射光強度Ｉ₀に相当する発光ダ
イオード１の発光強度と、管１０の長さと、水溶液１２
の吸光係数とを、演算手段３が予めデータとして持って
いれば、被測定物質の濃度Ｃを算出することができる。
このようにして内径の細い管１０を使用して被測定物質
の濃度測定が正確にできることで、試薬として使用され
る水溶液の量が非常に少ない量で、吸光光度法による濃
度分析を正確に行うことができる。また、微少量の試料
しか得られない場合でも、正確な定量が可能となる。そ
して、このように試薬として使用される水溶液の量が非
常に少ないことで、分析後に廃棄する水溶液が少なく済
み、廃液による環境汚染を最小限に抑えることができ
る。

【００２４】ここで、直径３ｍｍの透孔１１を有するフ
ッ素樹脂よりなる管１０として、長さ５ｃｍ，１０ｃ
ｍ，１５ｃｍ，２０ｃｍ，３０ｃｍのものを用意して、
それぞれの透孔１１に水だけを充填させた場合の入射光
強度と透過光強度との比と、水に５０％のグリセリンを
加えたものを充填させた場合の入射光強度と透過光強度
との比とを示すと、次の〔表１〕に示すようになる。な
お、この〔表１〕の最上段に示すように、管の入口での
（光路長＝０のときの）入射光強度を１とする。

【００２５】

【表１】

【００２６】この〔表１〕より判るように、例えば管１
０の長さが３０ｃｍの場合、水だけを水溶液１２として
使用した場合には透過率が０．５％であるのに対し、グ
リセリンを添加して〔数１〕式の条件を満たすようにし
た場合には、透過率が１７．７％で、濃度測定に使用し
た場合に十分な精度が確保できる透過光強度が得られ
る。

【００２７】ところで、上述した〔数２〕式に示すよう
に、透過率（Ｉ₀／Ｉ）の対数値が濃度Ｃに比例するの
は、入射光の波長純度が良い場合に限られ、波長純度が
十分ではない発光ダイオード１を入射光として使用した
場合には、透過率（Ｉ₀／Ｉ）の対数値が濃度Ｃに比例
しない。即ち、図１の構成で透過率（Ｉ₀／Ｉ）と濃度
Ｃとの関係を測定すると、本来完全な比例関係にある場
合には、破線で示す特性（透過率を対数値とすることで
この破線の特性は濃度に対して直線になる）になるが、
実際には図２に実線で示す特性となり、最も濃度が高い
状態で一定の透過率Ｉｒが残存してしまう。

【００２８】そこで、本例においては、最も濃度が高い
状態で残存する透過率Ｉｒを予め検出して、その検出値
を演算手段３に記憶させておく。そして、〔数２〕式の
演算を行う際に、この記憶された透過率Ｉｒを使用して
補正し、透過率（Ｉ₀／Ｉ）の対数値が濃度Ｃに比例す
るようにする。この透過率Ｉｒを使用して補正する演算
処理を、次式に示す。

【００２９】

【数３】ｌｏｇ（Ｉ₀／Ｉ−Ｉｒ）＝ε・ｄ・Ｃ

【００３０】この〔数３〕式の演算を行うことで、波長
純度が十分ではない発光ダイオード１を入射光として使
用しても、透過率（Ｉ₀／Ｉ）の対数値が濃度Ｃに比例
するようになり、透過率（Ｉ₀／Ｉ）より正確な濃度Ｃ
を検出することが可能になる。従って、本例の吸光光度
法による濃度分析処理によると、光源として発光ダイオ
ードのような比較的波長純度の低いものを使用すること
が可能になり、分光器のような波長純度を高くするため
の装置が必要なくなり、簡単安価な構成で正確な測定が
可能になる。

【００３１】ここで、この残存透過率Ｉｒを使用した補
正で、正確な測定ができることを測定値で示すと、０．
１ｐｐｍ，０．２ｐｐｍ，０．５ｐｐｍの３種類の濃度
の二酸化窒素ＮＯ₂をザルツマン法で発色させた水溶液
を用意して、光路長４ｃｍの管１０と緑色発光ダイオー
ド１を使用して、〔数２〕式で吸光度εを求めた場合
（即ち補正なしの場合）と、〔数３〕式で補正された吸
光度εを求めた場合（即ち補正ありの場合）とを、表２
に示す。

【００３２】

【表２】

【００３３】この表２より判るように、本例の補正処理
を行った〔吸光度／濃度〕はほぼ一定の値となる。従っ
て、非常に正確な測定値を得ることが可能になる。

【００３４】次に、本発明の他の実施例を、図３を参照
して説明する。この例では、濃度測定のための光路長を
可変としたもので、管１０に設けられた細い透孔１１の
一端部１１ａは、ガラス１３で蓋をする。そして、透孔
１１の他端部１１ｂには、光ファイバーケーブル１５が
挿入された部材１４を取付けて蓋をし、この光ファイバ
ーケーブル１５の一端１５ａ側を透孔１１内に挿入させ
る。この場合、光ファイバーケーブル１５の挿入長さが
自由に調整できるように、部材１４で光ファイバーケー
ブル１５を保持させる。

【００３５】そして、管１０の外側に突出した光ファイ
バーケーブル１５の他端１５ａに受光素子２を取付け、
この光ファイバーケーブル１５の一端１５ａから入射し
た光を、光ファイバーケーブル１５の他端１５ｂに取付
けられた受光素子２に導かせる。その他の部分は、図１
に示した分析装置と同様に構成する。

【００３６】この図３に示す構成の分析装置の場合に
は、光ファイバーケーブル１５の管１０の内部への挿入
長さを調整することで、水溶液１２の濃度の測定感度を
調整することができる。即ち、この図３に示す構成の場
合には、測定に使用する水溶液１２の透過光としては、
管１０の透孔１１の一端部１１ａから光ファイバーケー
ブル１５の一端１５ａまでの間の距離Ｌ₁の透過光であ
る。従って、光ファイバーケーブル１５の管１０の内部
への挿入長さを変化させることで、検出する透過光の光
路長を自由に変化させることができ、被検出物質の水溶
液中の濃度によって、適当な光路長を設定することがで
る。例えば濃度が高く透過光強度が低くすぎる場合に
は、光ファイバーケーブル１５を管１０の内部に長く挿
入させて、距離Ｌ₁を短くし、測定に適した透過光強度
が得られる状態に設定すれば良い。また逆に、濃度が低
く透過光強度が低すぎる場合には、距離Ｌ₁を長くし
て、測定に適した透過光強度が得られる状態に設定すれ
ば良い。

【００３７】なお、この図３の例では管１０の他端部１
１ｂ側と受光素子２との間に、光ファイバーケーブル１
５を介在させるようにしたが、管１０の一端部１１ａ側
と発光ダイオード１との間に光ファイバーケーブル１５
を介在させるようにしても良い。

【００３８】また、上述したそれぞれの実施例において
は、二酸化窒素の濃度を分析する分析装置とその分析方
法に適用したが、他の物質の濃度（或いは含有量）の分
析装置や分析方法にも適用できることは勿論である。

【００３９】さらに、上述したそれぞれの実施例では管
の内部に充填させる溶液として水溶液を使用したが、他
の溶液を使用しても良いことは勿論である。

【００４０】

【発明の効果】本発明の分析装置によると、微少断面積
の長光路セルを用いても充分な透過光強度が得られ、極
めて少ない量の試料を使用して精度の高い検出が可能に
なる。

【００４１】また、この場合に光ファイバーケーブルを
管の中に挿入させ、その挿入長さを変化させることで、
測定感度を変化させることができ、精度の良い測定条件
を簡単に設定できる。

【００４２】また本発明の分析方法によると、透過光強
度から、予め求めた溶液の濃度が最も高い状態で残存す
る透過光強度を減算し、入射光強度と減算値との比に基
づいて溶液の濃度を分析することで、光源として発光ダ
イオードのような比較的波長純度の低いものを使用して
も、求めた比の対数値が濃度と比例するようになり、簡
単な構成の光源を使用して、正確な濃度の測定が可能に
なる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の分析装置の一実施例を示す構成図であ
る。

【図２】一実施例の分析装置による分析状態を示す特性
図である。

【図３】本発明の分析装置の他の実施例を示す構成図で
ある。

【符号の説明】

１発光ダイオード２受光素子３演算手段４表示手段１０管１１透孔１２水溶液１３ガラス１５光ファイバーケーブル

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】少なくとも内面が第１の屈折率の材質で
形成される細い孔を有する所定の長さの管と、上記管の細い孔の一端部に配された光源と、上記管の細い孔の他端部に配され、上記光源から上記細
い孔を透過した光を受光する受光手段とを備え、上記管の細い孔内に、被検出物質が含まれた溶液を充填
させると共に、上記溶液の屈折率を、適当な溶媒または溶質を加えるこ
とによって、上記第１の屈折率よりも高い第２の屈折率
とし、上記受光手段での受光状態より、上記被検出物質の上記
溶液中の含有量を測定するようにした分析装置。
【請求項２】上記管の細い孔の一端部または他端部か
ら、この孔の中に光ファイバーケーブルの一端を所定長
挿入し、この光ファイバーケーブルの他端を上記光源ま
たは上記受光手段と接続させ、上記光ファイバーケーブルの上記管の細い孔の中への挿
入長さを変化させることにより、測定感度を変化させる
ようにした請求項１記載の分析装置。
【請求項３】溶液に入射する光の入射光強度と、上記
溶液を透過した透過光強度との比に基づいて、上記溶液
の濃度を分析する分析方法において、上記透過光強度から、予め求めた上記溶液中の被検体濃
度が最も高い状態で残存する透過光強度を減算し、上記入射光強度と上記減算値との比に基づいて、上記溶
液中の被検体濃度を分析するようにした分析方法。