JPS58172535A - 光学分析方法およびその装置 - Google Patents

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。

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は一般的には光吸収性、光散乱性および螢光性等
の流体のある光学的特性にもとづき流体中の溶質の存在
を検出する方法および装置に関する。より詳細には、本
発明は流体サンプルを隔離し、そのサンプルを光源にさ
らし、そしてサンフ゛ルからの光な収集するための新規
な検出セルに関する。

流体サンプル中の溶質はサンプルのある物理的特性を測
定することによりしばしば発見できる。

特に、溶質の存在はたとえば１つまたは複数の波長での
光吸収性、サンプル中の粒子物の存在に起因する光散乱
性、およびある波長の光を吸収しその光な同一のまたは
異なった波長で再放出するあるアナライトの能力により
もたらされる螢光性のような流体の光学特性に影響する
。厳密な検出方法は３つの現象に関し異なるであろうが
、それぞれ一般的には、流体サンプルを隔離すること、
光をす／プルに７４シ制御された方法で向けろことおよ
びす／プルを通過する光（またはす／プルからの螢光）
が収集されアナライザに伝達されて望ましい特性な測定
することが必要である。これら各々の機能は、流体な隔
離するためのチャンノ；と、光をチャンバへ伝達しおよ
びチャンバからの光な収集する手段とな備えた光学検出
セルの内部で達成されよう。

光学検出セルは１つまたは複数の溶質がクロマトグラフ
ィツクカラムの内部で分離されろクロマトグラフインク
用途にてしばしば使用される。特定の分離手法には液体
一固体、液体−液体、ガス−固体およびガスー液体クロ
マトグラフィがあり、これらの手法においては溶質な運
ぶ移動相が吸着および脱着をくり返しつつ固定相を通過
して流れる。この２つの相の間の分布比が十分に異なる
場合、各構成分子はカラムを貫通して異なった速さで移
動し、異なった時間（（カラムから放出される。

このような異なった移動はカラムから放出される移動相
（サンプル流体）な受け１組成に関係しうる１つまたは
複数の光学的特性の変化？継続的に監視する光学的検出
セルを使用して検出できる。

近年、非常に小さなサンプル量しか使用しない高性能液
体クロマトグラフィ（ＨＰＬＣ）マイクロカラムおよび
他の小型化されたクロマトグラフィツク手法の出現によ
り非常に低い流体流量な取り扱うことのできろ光学検出
器が必要となった。

通常のＨＰＬＣｋ有するカラムに対する代表的な流量は
毎分数−であるが、マイクロカラムでは毎分わずか数μ
ｌまたはそれ以下である。

このような小型化されたクロマトグラフィツク装置の小
さなカラム寸法およびそれに対応的に低い流量特性は非
常に小さな内部体積な有する光学検出器を必要とする。

マイクロカラムは非常に効率的でありかつ非常に小さな
全体積を頂点に個々の構成分子を分離できるが、大きな
検出セルの内部でバンドの分散が生じ全体の分析に悪影
響を与えうる。３０μｍ以下の内径を有するマイクロカ
ラムに対しては１ナノリツターＣｎ１）以下のオーダの
検出セルの体積が必要であることが推定されている。ヤ
ングＣＹａｎｇ’）の゛微小径カラムＨＰＬＣの理論的
および実際的範囲゛°１毛細管クロマトグラフィに関す
る第４回国際ンンポジウム。

於西ドイツ、ハイデルベルク。

伸長したフユーズドアす力クロマトグラフイノフカラム
からなる小体積検出器であって、光がカラムな横切って
通過して反対側で検出されろ検出器がヤング（Ｙａｎｇ
　）’＋　ＳｕｐγａＫ開示されている。

レーザからの光がレンズにより石英毛細管に集中されろ
同様な検出器は付随的な光線により誘発される螢光な検
出するための光学ウェーブガイドケ使用している。セパ
ニアツク（５ｅｐａｎｉａｋ　）およびヤング（Ｙｅｕ
ｎｇ　）、　　ｒレーザ螢光検出ＨＰＬＣによる尿中の
アドリアミンンおよびダウノルビシンの検出」、Ｊ、り
Ｏ？トガ（Ｃｈｒｏｒｒｖｘｔ、ｇｒ　）、１９０：３
７７−８３（１９８０”）。

他の小体積検出器はノボトニ（Ｎｏｖｏｔｎｙ　）、「
液体クロマトグラフィにおけるマイクロカラム」Ａｎａ
ｌ、Ｃｈｅｍ、、　　５３：１２９５−１３０８（１９
８１’）に開示されている。

本発明は非常に小量のサンプル流体が連続的に検出器を
通過し分析される特に小型のクロマトグラフおよび他の
オンライン用途用の小体積光学検出セルを提供する。特
にこのような用途向けとしたものではあるが、本発明の
検出セルは一定量のサンプルが非くり返し分析のために
検出器に引き入れられる静的サンプリングシステムと同
様、より大きな体積の検出システムにも使用できる。

一般に、光学検出セルは光源およびフォトセ／すな含ん
だ分析検出システムの一部として使用されろ。検出セル
はサンプル流体の軸方向流路を形成する出口および入口
手段を有する細長いサンプルチャンバを備えている。第
１の光学ウェーブガイドは少（とも光の一部が軸方向に
伝わってサンプルチャンバへと入るよう光源からの光を
サンプルチャンバの一端へ伝達するよう配置されている
。

第２の光学ウェーブガイドはサンプルチャンバの他端に
配置されており、サンプルチャンバからの光を収集しそ
の光なフォトセンサーへ伝達する。

このような配＃な使って、流体中に存在する１つまたは
複数の溶質な定量化するためサンプル流体の様々な光学
特性が測定されまた使用しうろ。

入射光な軸方向にサンプルチャンバへと導（ことにより
、多くの利点が得られる。第１に、検出されうる溶質の
限界レベルはす／プルチャンバの長さが増加するにつれ
て減少する。ビアー（Ｂｅｅｒ）の法則によると、サン
プル流体中の溶質の吸着容量は溶質の集中とともにサン
プルの濃度に比例する。本発明の方法は小型化されたク
ロマトグラフィツク／ステムに関し必要な検出器の体積
ケ最小にする一方、吸着の絶対値な増加させるため観察
下のサンプルの濃度な最大にする。

第２の利点は光学ウェーブガイドとサンプルチャンバの
内部コアとのインターフェイスの態様により得られる。

サンプルチャンバの内径と本質的に等しい径を有するウ
ェーブガイドを選択することにより、照明される体積が
増加しチャンバの全体積に近づく。照明されろ体積な最
大とすることにより効率が高まり、実質的にセルを通過
して流れる全てのサンプル流体が観察される。

好ましい実施例においては、セルのサンプルチャンバは
フユーズトンリカのような非晶質の材料から形成されて
おり、これら材料は非常に小さな内径を有する円筒に引
き抜くことができる。チャンバは両端にて光学ウェーブ
ガイドとイノターフェイスされており、通常第１すなわ
ち゛°ノース゛ウェーブガイドにより発散された光の一
部がチャンバの円筒壁を伝達する。この部分の光が第２
すなわち゛アウトプット１ウェーブガイドに到達し測定
を妨害するのを防止するため、吸収性材料がチャンバの
外側に被覆される。さらに、チャンバの内径孔を軸方向
に伝達される光の部分を増大させ、またこの光が円筒壁
に入りこむの？抑制するため通常反射性被覆がチャンバ
の内部壁土に堆積される。

第１図を参照すると、光学検出セル１ｏはサンプルチャ
ンバ１４を形成する。円筒状チューブ１２：：□１１： と、光を光源１８がらサップ”ルチャンパ１４へと伝達
する第１光学ウエーブガイド１６と、および光をサンプ
ルチャンバ１４からフォトセンサー２２へ伝達する第２
光学ウエーブガイド２０とからなる。通常、検出システ
ムはまたフォトセンサー２２から情報を受けてサンプル
流体中の溶質の量的判定計算なするアナライザ２４、代
表的にはマイクロプロセッサ、および判定結果を使用者
に伝えるグラフプロッタのような出力器２６、カソード
レイチューブ（ＣＲＴＩもしくは他の視覚的ディスプレ
イとを含んでいる。

光学検出セル１０の最大の用途は非常に少量のサンプル
流体なたとえば可視性、紫外線吸着作用、光散乱性もし
くは螢光性等の１つまたは複数の特性を測定するごとに
より分析しなげればならない小型化されたクロマトグラ
フィおよび小型分光器用途である。しかしながら、検出
セル１ｏはこのような動的用途のみに限定されろもので
なくサンプルチャンバ１４の内部に静的て保持される小
さな個々の体積のサンプル流体中のアナライトの存在を
検出することにも同様に良好に機能する。

サンプル流体は円筒状チューブ１２の一端近くで円筒状
チューブの管壁を貫通する入口チューブ３０を通じてサ
ンプルチャンバ１４へ導入される。

出口チューブ３２は円筒状チューブ１２の他端近くで管
壁な貫通し、入口チューブ３０と出口チューブ３２とは
サンプルチャンバ１４を通過するサンプル流体のための
通路な形成する。図示されたように、入口チューブ３０
および出口チューブ３２は円筒状チューブ１２の軸線に
対し横断方向に配置されている。ある場合には、サンプ
ル流体がサンプルチャンバ１４に出入りする際の混乱を
低減させるためチューブ３０．３２が円筒状チューブ１
２の軸線に対し傾いていることが好ましい場合もあろう
。

円筒状チューブ１２は代表的には１μ、ｊ以上１通常は
１０μ乃至１市の内径を有している。流れチューブ１２
の長さは特定の種類のものを検出するために必要とされ
ろ光学通路の望ましい長さに応じて変化する。溶質の予
想当初濃度が低い場合、より長い光学通路を必要とする
。長さは代表的には０．１乃至１０鍜であり、通常は１
がら５ｃｍの範囲でＩＣｒｎが標準である。

円筒状チューブ１２の内径は光がその中を伝わる際の損
失な制限するため軸方向に本質的に真直であることが望
ましい。後述するように、このような損失を減少させる
ため円筒状穴の内側は通常反射性被覆がなされている。

しかしこのような被覆は十分に効果的ではない。

サンプルチューブ１２はテフロン（登録商標）、ボロ／
リケードガラス、ノータライムガラス、フユーズトノリ
カガラスおよびステンレススチールまでも含め種々の材
質から構成することができろ。

５０μもしくはそれ以下の内径を有する小体積室の場合
、非常に小さい内径を有するチューブに加工できろフユ
ーズトンリカのような非晶質ガラスからチューブな成形
することが特に望ましい。しかし、より大きな径の室の
場合には広範な種類の材質が適切となる。

出入口チューブ３０．３２は代表的には円筒状であり、
サンプルチューブ１２に対応した内径な有している。や
はり、出入口チューブ３０　、３２な形成する材質は大
部分その望ましい径に依存する。出入口チューブ３０．
３２の材質がチューブ１２の材質と機械的に適合すると
いうこと、特に非常に適合した熱膨張係数を有すること
も重要である。一般的にはチューブ３０．３２はサンプ
ルチューブ１２と同じ材質から形成されろ。

第１図に示されたように、第１光学ウエーブガイド１６
はサンプルチューブ１２の開口端部にはいり込みそこに
融合される。融合方法は包含されている特定の材質に依
存する。代表的にはウェーブガイド１６およびチューブ
１２はガラスであり熱的に互いに融合される。同様に、
第２の光学ウェーブガイド２０はサンプルチューブ１２
の他端に融合され、その結果ウニニブガイド１６．２０
はサンプルチャンバ１４の両端に配置されサンプルチャ
ンバ１４を貫通する光学的通路を形成する。

第１図に示すように、第１の光学ウェーブガイド１６は
光源１８に接続され１．他方第２の光学ウェーブガイド
２０はフォトセンサー２２に接続されているが、この配
置は装置の性能に影響を与えることなく逆にすることが
できる。

第１および第２光学ウェーブガイド１６，２０両者は代
表的には約２００から１２００　ｎｍの可視および紫外
線スペクトルの光を選択通路に沿って伝達できる在来型
の光学ファイバである。比較的大きな内径を有するサン
プルチューブ１２に対してはファイバの束を使用するこ
とができるが。

各ウェーブガイド１６．２０に対しては単一のファイバ
が使用される。

効果的に光な伝達するため、ファイバは滑らかで反射性
表面な有し高度に透明でなければならな（・０代表的に
は、そのような高度に反射性のある表面は総合的内部反
射によりもたらされる、そしてこの総合的内部反射はフ
ァイバな低い反射指数を有する材料、これは空気でも良
い、で覆うことによりもたらされる。ファイバに内部反
射を損なうような指紋または他のマークが付くのを防ぐ
ため、ファイバを第２の柔軟なプラスチック材料３６で
包うことが望ましい。

ｌＯμおよびそれ以下の径のファイバは一般的である。

このようなファイバは非常に柔軟でありウェーブガイド
１６．２０の光源１８およびフォトセンサス２への回り
道した配線を可能とする。

さらに、このようなファイバは高い伝達効率を有するた
め隔離した器械部分を検出セル１０から遠く離れて配置
することができる。Ｌｏｏｍまたはそれ以上σオーダの
距離も十分可能である。

作動の際、光源１８からの光は光学ウェーブガイド１６
を経てサンプルチューブ１２の第一端へ伝達されろ。ウ
ェーブガイ１゛１６は光源１８から配線される際曲げろ
ことができ任意の適宜な角度でサンプルチューブ１２へ
入ることができる。ウェーブガイド１６の最終部分はサ
ンプルチャンバ１４と軸方向に整列して示されているが
、ウェーブガイドから出ろ光は発散性であるためそのｌ
要はない。

このような発散性は光を３つの要素へと分割させる。光
の第１の部分は入口チューブ３０の内部へと入りこむ。

（チューブが透明材料で形成されているものとみなす。

）同様に、光の第２の部分はサンプルチューブ１２の透
明壁へと入りこみ、チューブを軸方向に活って伝わるこ
とができろ。

最後に、光の第３の部分はサンプルチューブ１２の内部
穴を伝わり最終的に第２の光学ウェーブガイド２０にふ
りかろ。

サンプルチューブ１２０円筒壁な伝わる光が最終的に第
２の光学ウェーブガイド２０に入るのな禁するため、チ
ューブ１２の外側のまわりに吸収被覆が配置され光が第
２の光学ウェーブガイド２０に達する前に非常に高いパ
ーセントの光を吸収する。この被覆は可視光線および／
または紫外線な吸収するどのような材質？使用しても良
い。

エポキ／樹脂のランププラックから形成した被覆が適切
であることが知られている。

さらに、サンプルチャンバ１４に入った光がサンプルチ
ューブ１２の壁（で入りこむのな禁するためサンプルチ
ューブ１２の内部円筒壁を反射材料４０で被覆すること
が望ましい。被覆４ｏは反射材料から形成することがで
き、壁に適宜堆積させることができる。代表的には、ア
ルコールを非酸化状態で加熱してピロリティックカーボ
ンを壁に堆積させる。

第２図および第２Ａ図な参照すると、光学検出セル１０
の別の実施例が示されている。適用できる場合には、第
１図に使用されたと同様筒２および第２Ａ図における対
応要素に対し同じ参照番号が使用される。

第２図の実施例における主要な相違はサンプルチューブ
１２および出入口チューブ３０．３２が連続的にのびた
チューブから形成されている点である。このような構成
はサンプルのサンプルチャンバ１４への流入および流出
の際に滑らかな遷移を可能とさせる利点な有する。一方
、流れの乱れを最小にすることによりサンプルチャンバ
１４内部の無効体積が最小となり、検出の正確さな向上
させる。第１および第２光学ウエーブガイド１６および
２２は出入口チューブ３０．３２とサンプ・：。

ルチューブ１２との遷移部分な形成するエルボ部分の内
部に融合される。

第２図の実施例はまた出入口３０．３２の中間の点でサ
ンダルチューブに接合された第３のつ工−ブガイド５０
を備えている。図示のように、第３のウェーブガイド５
０はサンプルチューブ１２を包囲してサンプルチューブ
に対し融合されたり／グ５２に終端する。サンプルチュ
ーブ１２の内側壁上に堆積された反射性被覆４０はサン
プルチャンバ１４からの光がサンプルチューブ１２の壁
を通ってリング５２へと伝達されるようリング５２が配
置されている点でとぎれている。リング５２はウェーブ
ガイドとして作用し、光は第３のウェーブガイド５０の
内部へと導びかれ、さらにフォトセンサー２２へと伝達
されて処理されろ。

光検出装置なサンプルチューブの長さに沼って２ケ所に
設けることによりビアーの法則（Ｂｅｅｒ１８ＬｃＬＷ
）に従わない溶質（すなわち、サンプルの濃度にリニア
ーに相関しない吸収な示すもの）な周知の計算手法によ
り解析することができろ。

次に第３図な参照すると、サンプルの光吸収性および螢
光性を同時に測定することができる本発明の実施例が示
されている。検出セル６ｏが前述されたように光学ウェ
ーブガイド１６および２゜の各端部に溶接されている。

入口チューブ３０および出口チューブ３２がサンプル流
体のための検出セル６０な通過する流路を形成する。

サンプルチューブ６２が設けられており、これは仮定的
原点Ａからの発散光線に適合するよう拡張されている。

サンプルチューブ６２は原点Ａからの発散光線の通路を
形成する拡開円錐部分６４と、原点Ａおよび原点Ａ以降
の点から発散する光な吸収する収束円錐部分６５とな含
む。円錐６４および６５の接合部で壁はさらに拡張され
てガードル６６を形成しており、これはサンプルチュー
ブ６２の円錐部分６５により形成される発散光線通路よ
りも外側である。

上述のようなサンプルチューブ６０の形状は。

螢光なノースウェーブガイド１６からチューブ６０に入
る光から本質的に分離させることができ°ろ。チューブ
に清って伝達してくる光は原点Ａがら発するとみなすこ
とができる。原点Ａがらの光の通路は円錐部分６４（吸
収材料３８により被覆されている）により制限されるの
で、ソースウェーブガイド１６からの光はガルドル６６
に入ることができない。しかしながら、螢光は原点Ａ以
降の点から等方性的に発するので、このような螢光の一
部分はガードル領域６６に入ることができろ。

第３のウェーブガイド６７がガードルに当たった光を収
集するために設けられている。ウェーブガイド６７はガ
ードル６６の外側表面に融接されて示されているが、ウ
ェーブガイド６７はガードルの壁を貫通しても良いしあ
るいはウェーブガイドが光を収集できるようどのような
形で取り付けても良い。

第４のオブノヨナルなウェーブガイド６８をサンダルチ
ューブ６０の収束円錐部分６５にあたる光？収集するた
め設けることができる。このような位置は前方に拡散す
る光を収集するのに特に有効である。吸収被覆（図示せ
ず）な収束部分６５の外側表面に配置し、ウェーブガイ
ド６８な一定半径位置に配置することによりある一定角
度で拡散された光は優先的に検出される。

吸収、螢光および前方向光拡散に加え１分析される液の
性質によっては後方向光拡散を検出するのが望ましいこ
とがある。後方向光拡散（すなわちソースウェーブガイ
ド１６に向けて後方向に反射された光）の検出はンース
ビーム１６の内部にてウェーブガイド１６を通り後方向
に移動する一部の光をフォトセンサー（図示せず）に導
く継手（図示せず）を設けろことにより達成されろ。

第４のオプショナルウェーブガイド６８はサンプルチュ
ーブ６２の収束部分のまわりに巻かれており、吸収媒体
により弱められていない光を収集する。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明による検出セルの好ましい実施例の断面
図であって検出装置の他の部分は図表的に示されている
。 第２図は本発明による検出セルの変形例の断面図。 第２Ａ図は第２図の線２Ａ−２Ａに清った断面図。 第３図は本発明による検出セルの第２変形例の立面図。 １０・・・光学検出セル １４・・・サンフルチャンバ １６・・・第１光学ウエーブガイド １８・・・光源 ２０・・・第２光学ウエーブガイド ２２・・・フォトセンサ　　　２４・・・ｆナライー＋
Ｊ特許出；願人　　　ジエイ・アント・タブリュー・サ
イエンティフィック・ インコーポレーデソト （外１名） ＦＩＧ　　２Ａ。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、溶質が保持されていることを検出するためサンプル
   流体の連続的流れを観察し分析する方法であって、該方
   法は細長いサンプルチャンバと該サンプルチャンバの両
   端に配置された第１および第２光学ウエーブガイドとな
   有する光学検出セルな使用し、かつ該方法は： 該すンプル流体を該サンプルチャンバな貫通して軸方向
   に通過させ。 少なくとも光の一部が軸方向に該チャンバの内部へ伝わ
   るように光な該第１光学ウエーブガイドにより伝達させ
   。 該サンプルチャンバからの光な該第２光学ウエーブガイ
   ドにより収集し、および 溶質の存在を判定するため収集された光な分析してなる
   光学分析方法。 ２　該収集された光が少な（とも部分的に該サンプル流
   体中の１つまたは複数の溶質の螢光によりもたらされて
   なる特許請求の範囲第１項の方法。 ３　該収集された光が該第１光学ウエーブガイドから該
   サンプルチャンバｌを貫通して伝達する光によりもたら
   され、該伝達光が該サンプル流体中の１つまたは複数の
   溶質の存在に比例して吸収されてなる特許請求の範囲第
   １項の方法。 ４　流体サンダル中の溶質の存在を判定する光学検出セ
   ルであって、 細長いサンプルチャンバな貫通する軸方向流路な形成す
   る流体入口および出口手段を有する細長いす／グルチャ
   ツバと、 少なくとも光の一部分が軸方向に該チャンバの内部へ移
   動するように光源から該チャンバの一端へ光を伝達させ
   る第１の光学ウェーブガイドと、および 該チャンバからの光を収集し該光を遠く離れたアナライ
   ザに伝達するため該チャンバの他端に配置された第２の
   光学ウェーブガイドとがら構成されてなる光学検出セル
   。 ５　光を光源からサンプルを貫通して通過させ。 サンプルからの光をフォトセンサで分析することにより
   流体サンプル中の溶質の存在を判定する分析検出装置に
   おいて検出セルが： 細長いサンプルチャンノクナ貫通する軸方向流路を形成
   する入口および出口手段な有する細長いサンプルチャン
   バと、 少なくとも該光の一部が軸方向に該チャン・くの内部へ
   移動するように該光源からの光な該サンプルチャンバの
   一端へ伝達させろ第１の光学ウェーブガイドと、および 該チャンバからの光を収集し該光をフォトセンサーに伝
   達するため該サンプルチャンＣの他端に配置された第２
   の光学ウェーブガイドとから構成されてなる分析検出装
   置。 １・′：・： ６　該サンプルチャンバが円筒状チューブで形成されか
   つ該第１および第２ウエーブガイドが円筒状ロンドで形
   成されてなる特許請求の範囲第４項および第５項の検出
   セル。 ７　該円筒状チューブの内径が概ね該円筒状ロンドの径
   に等しい特許請求の範囲第６項の検出セル。 ８　壁な軸方向に伝わる光を抑制すべく該円筒状チュー
   ブの外壁が光吸収材で被覆されてなる特許請求の範囲第
   ６項の検出セル。 ９　該チューブの壁による該サンプルチャツバからの光
   の吸収を抑制するため該円筒状チューブの内側壁が光反
   射材で被覆されてなる特許請求の範囲第６項の検出セル
   。 １０　　該サンプルチャツバと該流体入口および出口手
   段とがサンプルの流路な形成するため８字形に曲げられ
   た共通の円筒状チューブにより形成されてなる特許請求
   の範囲第４項および第５項の光学検出セル。 １１　　該サンプルチャンバが拡開および収束部分の間
   の拡張されたガードル部分なともなって拡開円錐部分と
   あとにつづく収束円錐部分とにより形成され、かくして
   該ガードル部分に入りこむ光が該拡開円錐部分の頂点以
   降の点から発する等方性の光に制限されてなる特許請求
   の範囲第４項および第５項の光学検出セル。