JPS5847654B2 - ハンノウコンゴウブツノ キユウコウドオ ソクテイスルソツコウホウホウオヨビ ソウチ - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は測定装置、さらに詳細には分析装置において使
用するための改良された測光方法およびその方法を実施
する測光器に関する。

ある種の流体等における吸光度のような量を測定するた
めの測光装置は周知である。

この種装置の改良された形式のものは既に提案されてい
る。

この測光装置の場合、光ビームを通過させるフローセル
に反応血清試料が供給される。

同時に基準として用いられる別のビーム部分が付加的な
光学路を通過せしめられる。

反応混合物を通過した後ビームの光出力を該混合物にお
ける吸光度の測定に関連する値にするためには、光レベ
ルを検出しかつ検出したレベルを有用な電圧値に増幅す
る装置を設ける必要がある。

このような出力を発生する装置は現在種々開発されてい
る。

一般的にこれら装置はすべて光検出器および増幅段から
構成される。

また、適切な形の出力を得るため、増幅作用は吸光度に
比例する出力を発生するために対数入力ないし帰還を有
する増幅器により行なう必要がある。

この種の系は数多く開発されているが、それらはすべて
精度が充分でなかったりＳ／Ｎが低い等の欠点を有して
いる。

例えば、従来周知の技術の場合、試料吸光度の僅かな変
化を測定するため感度と安定度の高い測光器を設計する
際にとられる常套手段は、ダブルビーム方式と、光学変
調系、すなわち所定のスペクトルがフィルタされた光源
からの放射光線ビームないしビーム部分が、交互に、試
料を通過する光路および試料を通過しない光路に指向せ
しめる構威の光学変調系とを用いて感度および安定度を
定めることであった。

２つの光路を通るビームはただ１つの検出器で結合され
周期的に持続時間の変化する信号が発生される。

従来周知技術による系にあっては、周期信号は、次いで
、復調されて試料光路および基準光路における吸光度の
相異の測定基準を示す信号を発生する。

この周知技術による感度の高い測光を行なう場合におけ
る最も検出しがたい吸光度変化は最適例の場合でも約５
×１０’（吸光度単位）である。

以上の点に鑑みて、本発明の目的はＳ／Ｎ比を改善しか
つ精度を高めた、測光法および測光器を提供することで
ある。

本発明による測光器は極めて安定度が高く、しかも著し
く小さな量を測定する際非常に高い感度を示す。

本発明による測光器の構戊により問題とする特定波長に
おける流体試料の吸光度の極めて小さな変化に対する測
定感度が高められ、また、例えば酵素を触媒とする反応
の速度のダイナミック測定において所望されるような短
期間にわたる流体試料の吸光度の変化速度に対する測定
感度も改善される。

さらに、吸光度の小変化が測定できる吸光度のダイナミ
ックレンジが拡げられ、しかもそれはすべて１００ｐｌ
以下の範囲内の小量でもって行なわれる。

本発明による測光器は従来周知の技術において見られる
ような変調を必要とせずして、しかも従来周知技術によ
る測光器の場合よりもすぐれた感度を示す。

すなわち、５ＸＩＣＩ’−５（吸光度単位）のような小
さい流体試料の吸光度変化を規則的に測定することがで
きる。

このような結果を達成せしめる測光器の特徴的構或点と
して、非変調ダブルビーム構威における高安定度光学設
計および精密な電子回路構戊があげられる。

測光器出力側における検出器としてシリコンＰＩＮダイ
オード検出器が使用され、それら検出器の出力はバラメ
トリック増幅器の入力として供給される。

おどろくべきことに、この構戒により、個々の素子につ
いて予期される信号精度よりもはるかに高い信号精度が
得られる。

次いで、各パラメトリック増幅器の出力は、各出力の対
数をとる帰還路中に対数素子を有する演算増幅器に加え
られる。

このように形威された２つの対数は、次いで、別の演算
増幅器で減算され、試料セルにおける吸光度に比例する
最終出力が得られる。

精度は、少くとも両対数増幅器を所望の値に対して所定
範囲内の温度に保持する恒温外囲器内に封入することに
よってさらに保証される。

ＰＩＮ検出器は、それらの動作領域におけるレスポンス
が極めて一定であるのに特に好適である。

さらに、それら検出器のレスポンスは特に、罷明履歴に
依存することがなく、かつ該レスポンスは任意所与の温
度下で繰返しが可能である。

しかしながら、この種のＰＩＮダイオード検出器はこれ
らの感応領域上に光ビームを正確に位置ずけることので
きる上述したような光学系を必要とする極めて小さな動
作領域を有する。

したがって系の光学的部分と電子的部分との組合せによ
り、従来の場合に比してすぐれた感度および繰返し精度
を示す極めて正確な測光器が得られる。

加うるに、試料セル自体はキャビテイ内で熱的に絶縁さ
れ所定温度に保持される。

この熱絶縁のため、測光器セルを通過する途中で予熱さ
れる試料およびセルは測定サイクル中ずつと一定温度に
保持される。

試料は、温度がサーミスタおよび熱ポンプを含む制御系
によって制御される恒温金属ブロックを通過せしめられ
ることによって加熱される。

次に、本発明の実施例につき、添付図面により詳細に説
明する。

本発明による測光器の光学、機械的構戒を示す第１図に
は、その光学素子とともに試料セルが示されている。

本発明による測光器は多くの手段・装置の使用により感
度および安定度の点で改良されている。

本発明による測光器は所定波長の光を放射する光源から
出発する。

第１図に示す実施例においては、約４０４ｎｍの光出力
を発生するように選定されたマンガンランプから或るホ
ローカソードランプ２７１ａおよび約３４０ｎｍの光出
力を発生するように選定されたコバ／’Ｌ／ｌ−ランプ
から威るホローカソードランプ２７ｌｂが設けられてい
る。

放射される波長はランプ陰極の原子の有する波長である
から、これらの波長は極めて安定しており、かつ繰返し
ないし再現可能な測光器の安定性が得られるようにする
。

光ビームを形或するために、それぞれランプ２７１ａお
よび２７１ｂの前方にレンズ２７２ａ，２７２ｂが設け
られている。

レンズ２７２ａの前方には４０４ｎｍのフィル？２７３
が配置されている。

２つの光路は点２７５で交差する。

この点に、軸２７９を中心に回転可能な鏡２７７が取付
けられている。

上記ランプのうちのどちらが使用されるかは実施する検
査によって決定される。

この選定に依存して、パラメータ記憶器ないし補助セッ
トパネルの出力により該鏡が４０４ｎｍの光を通すため
の実線位置かまたは３４０ｎｍの光を通すための点線位
置へ回転せしめられる。

これと関連して、選定波長を含む帯域のみを通過させる
ように可動フィルタ２８１が配置されている。

このようにして、選定波長の光は光学軸２８３に沿って
セ／′Ｉ／７１の方へ向う。

本発明による測光装置における次の重要なことはビーム
の拡がりを決定することである。

これは既知の制側』光束量を有するビームを得るために
不可欠であり、かつそうすることによってビームを分割
して、同様にそれぞれ既知の制御光束量を有する信号路
と基準路へ導くことが可能になる。

光源が実質的に均一な輝度の領域を有することおよびこ
の均一輝度領域の偉が結偉される第４の絞りから該像が
溢れてビームの全横断面が光源の小さな機械的な動きに
もかかわらず同じ均一輝度を有することが上述のように
拡がりを定めかつビームを発生する上で不可欠である。

拡がりは中間にレンズ２８５を配置した視野絞りＳ１お
よび開口絞りＳ２を使用することにより定められる。

光ビームは絞りＳ１およびＳ２に達する前にシャツタ２
８４を通過する。

このシャツタは通常閉鎖状態に保持され、所定期間、す
なわち下述の理由から測定が行なわれる期間にのみ開か
れる。

シャツタは適当なタイマー出力によって制御される。

定められた拡がりを有するビームは、次いで、両光路に
おいて均一照度を保持するコーティング型のビームスブ
リツタに向けられる。

ビームスプリツタ２８γはビームの約９０％を透過せし
め、残りの１０％を反射するようにコーティングされて
いる。

したがって、このようにして形戊された２つのビームは
もとのビームより輝度は低いが、各横断面にわたって照
度は均一になる。

ビームの透過部分、すなわちエネルキーの９０％を含む
部分、は先ずレンズ２８９を通過してセ＃７１に入る。

レンズ２８５はセル入口の近くに視野絞りＳの像を結偉
し、他方レンズ２８９はセル出口の近くに絞りＳ２の像
を結噛する。

これらのレンズ装置は単に例示的に示したにすぎ？、し
たがって上記の絞りの像を結像する他の任意の等価レン
ズ装置が用いられることは云うまでもない。

この結像の目的は、光路がセルの各側部から離されかつ
ビームの境界がはっきりと形威され、その結果光学部分
の小さな機械的運動が行なわれてもビームがセルの壁部
や各光学部材の縁部にあたることがないようにすること
である。

これにより、小さな機械的ないし光学的な妨害に対して
、ビームの光束量が安定にされる。

セル７１の出口端に別のレンズ２９１が設けられている
。

このレンズは集光レンズ装置３００に絞りＳの像を結像
ｆる。

２つのレンズの形で示されている集光レンズ装置は検出
器２９５上に絞りＳ２の偉を結ぶ。

これらのレンズは出来るだけ大きな入射角を有し、それ
により出来るだけ多量の散乱光を集光できるようにする
ことが重要である。

ビームは良好に形威されてセル７１を通過するがセル内
部の液体によりある程度散乱せしめられるにもかかわら
ず本発明の測光器により好結果が得られるのは少くとも
部分的にはこのような散乱光のほとんどすべてを捕捉す
る上記の作用によるものである。

さらに、レンズ３００が光を検出器２９５の活性領域の
境界内に申し分なく結偉し、それによりビームを動かす
光学部材の小さな機械的な動きにもかかわらずセル出力
のすべてが測定されることも重要である。

ビームスブリツク２８７からの反射路内の光はレンズ２
９７および１対の集光レンズ２９８を通過せしめられる
。

レンズ２９７は第１レンズに視野絞りＳ１を、また第２
レンズに絞りＳ２を結偉する。

第２レンズは第２検出器２９９上にＳ，の・鐵を結ぶ。

この場合ビームのすべてが検出器２９９の感応領域内に
結偉されることも注目すべき点である。

以下の説明から明らかなように、基準検出器である検出
器２９９の出力は信号検出器である検出器２９５の出力
、すなわち光源２７１ ａ ， ２７ｌ ｂの変動に基
因する出力変動を相殺するために使用される。

したがって、ビームスプリツタ２８７によるビーム分割
前に発生する如何なる変動も相殺される。

図示のように両検出器からの信号は各増幅器２９６，２
９４で増幅され、次いで下達のように処理される。

シャツク２８４は測定サイクル期間以外閉鎖状態に保持
されている。

すなわち、試料が搬送されている際には該シャツタは閉
鎖状態にある。

これにより、検出器２９５，２９９の応答時間効果に基
因する不正確ないし誤りが防止される。

すなわち、これら両検出器に同時に適切な光レベルが加
えられる。

仮りにシャツタが開放状態に保持されていると、光は常
に基準検出器２９９に達し検出器２９５のセルに搬送さ
れた試料による応答遅延が生ずることになる。

そのような場合には２つの検出器に対する照明の履歴の
相異によりエラーが生ずることがある これらの事項が忠実に守られる場合には、２つのビーム
において検出される信号の比に著しい影響を与える現象
のみが試料の吸光度の変化になる。

どんなに予防しても、小さな機械的および光学的な妨害
は生ずる。

それら妨害のあるものは各検出器の感応領域で像を動か
したり、その大きさを変化させたりする。

したがって、両検出器の各活性領域が光に対し均一の応
答度ないしレスポンスを有する利点がある。

さらに、光に対する両検出器のレスポンスはそれらの温
度に依存するので、検出器が同一温度を有し、かつ測定
中この温度が変化しないことが大切である。

第２図にはセル７１が詳細に示してある。

セル自体は銀で構威され、測定期間中試料を保持する部
分９０１（図には切欠いて示す）を備えている。

セルはほぼ円筒状をなし、以下に説明するプラスチック
のブロックに定置させるための切欠き部分９０３を有す
る。

セルには試料を出し入れするための２つの開口９０４，
９０５が設けられている。

開口９０４，９０５にはそれぞれステンレス製ニツプル
９０６が挿入されている。

セルが銀製である理由は銀が高い熱伝導性を有するから
である。

測定期間中試料を特定温度に保持することは欠くことの
できない要件である。

しかしながら、測定期間中温度が変化しないように保持
することの方が一層重要である。

セルにおける試料温度が所要の温度３０’Ｃから±０．
２℃の範囲内にあれば充分である。

しかしながら、測定期間中の温度は０．０１℃より大き
く変化してはならない。

第３図には試料を所要の温度にしかつ温度に保持するた
めの恒温装置を示す。

アルミニューム製のベースブロック９０７が設けられて
いる。

このベースブロックは内部にステンレス管９１１を挿入
した円筒状通路９０９を備えている。

ステンレス管９１１の上端はセル７１に接続するニツプ
ル９０６につながる可撓性のプラスチック管と接続され
ている。

セル自体はベースブロ゛ンク９０７の頂部に取付けたＶ
字状プラスチックブロック９１３上に載置されている。

ベースブロック９０７上には、同じくアルミニューム製
でかつブロック９１３、セルＴ１および配管部材を収容
するための切欠き部９１７を有するカバー９１５が配置
されボルトで定置せしめられている。

ベースブロック９０７には切欠き９１９が設けられ、そ
の内部にサーミスタ９２１が挿入されている。

このサーミスタの下方のベースブロック側部に熱ポンブ
９２３が取付けられている。

この熱ポンプとしてはボーグワーナー社製の部品第９３
０１７号のようなペルチェ装置を利用すると有利である
。

この熱ポンプはサーミスタ９２１を介して周知のように
該熱ポンブ９２３を作動せ・しめるための出力を発生す
る制御装置９２５に接続されている。

熱ポンブ９２３の他方の側には、伶却モードの動作時熱
ポンプから熱を奪うための水を通す通路９２９を有する
金属ブロック９２７が設けられている。

この装置の全体が例えば発泡樹脂絶縁材から戒る絶縁体
９３１で囲繞されている。

熱ポンプ９２３はアルミニュームブロック９０７の温度
を所要の値に制御する。

その結果切欠き空間９１７がほぼ所要の値に保持される
、すなわち正確な結果を得るのに充分な程度所要値に接
近した温度値に保持される。

しかしながら、以上に説明したように、試料は測定期間
中その温度が変化してはならない。

これは銀製のセルを使用しかつ■字形プラスチックブロ
ック９１３を介しての隔離により保証される。

銀の熱導伝性の高いことによりセルは極めて迅速に試料
に対し平衡温度状態に達する。

熱ポンプはアルミニュームブロックの温度を僅かに比例
変化せしめる、すなわち該ブロックの温度が僅かに低下
すると熱ポンプはその熱の流れを増大して該ブ冶ツクの
温度を高める。

この温度はあまり大きくは変化しないが、このような僅
かな変動がセルにおいて感知できれば、測定を行なうに
はそれで充分である。

良好な絶縁体である■字形プラスチックブロック９１３
の配置によりブロック９０７におけるこのような小さな
（温度）変動が試料セル７１に達しないように防止され
る、すなわち該プラスチックブロック９１３は熱フィル
タの作用を行なう。

切欠き９１７の内部に配置された両検出器も実質的に一
定の温度に保持される。

測光器のための検出器および前置増幅器構戊体の回路図
を第４図にブロックダイヤグラムで示す。

増幅段２９４および２９６にシリコンＰＩＮダイオード
検出器２９９および２９５が接続されている。

これら増幅役にはそれぞれ回路点出力側Ｅｒｅｆおよび
Ｅｓｉｇが接続されている。

これらの出力側は、また、それぞれ対数回．ｉ３０１お
よび３０３にも接続されている。

回路３０１は基準の対数をとり回路３０３は信号の対数
をとる。

これら２つの対数信号は回路点Ｌ ｒｅ ｆおよびＬｓ
ｉｇに対する出力として供給される。

これらの２つの｛直から、すなわちアナログ減算器３０
５で信号エネルギーの対数から基準信号の対数を減算す
ることによって吸光度が計算される。

それにより生ずる出力は線路３０６に送出される。

上述の第４図の回路装置が第５図に詳細に示してある。

第５図では上記の両信号を発生せしめる検出器２９５，
２９９はそれぞれ増幅器２９４，２９６に入力を供給す
るように接続されている。

両検出器としてはシリコンＰＩＮホトダイオード、例え
ばモトローラ社の製品、ＭＤＲ５１０、のような素子を
用いる。

これら検出詣はレスポンスの均一な感応領域面を有して
おり、最新の解明履歴に依存せず、かつ所与の温度で反
覆ないし繰返し可能である。

増幅器２９４，２９６は各々帰還抵抗４０３を介して負
帰還を行なったパラメトリック増幅器４０１から戊る。

この帰還抵抗と並列に帰還コンデンサ４０５が設けられ
ている。

抵抗４０３の典型的な値は増幅器２９６に設けられたも
のが１，ＯＯＯＭΩ、増幅器４０１に設けられたものが
３，ＯＯＯＭΩである。

コンデンサ４０５はいずれも５ ｐＦである。

これら増幅器のいずれにも正負の電源電圧、典型的には
±１５Ｖが供給される。

これら正負の電圧電源とアースとの間には減結合コンデ
ンサ４０７がそれぞれ周知のように設けられている。

これら減結合コンデンサの値は典型的には６，８μＦで
ある。

さらに各増幅器と関連してトリマポテンショメータ４０
９が接続サれており、そのスライダは当該増幅器の適切
な入力側に周知のように接続されている。

図示のように、両トリマポテンショメータは正負電圧電
源間に接続されている。

両増幅器としてはアナログデバイス社製の３０ｌＪ型の
ものが使用される。

増幅器２９４，２９６の出力はそれぞれ抵抗４１１を介
して関連する回路点に供給される。

上記出力は、また、それぞれ抵抗４１２を介して対数回
路３０１ ，３０３にも加えられる。

これら対数回路はおのおの、非反転入力側がアースされ
かつ入力信号が反転入力側に供給される演算増幅器４１
３を含んでいる。

これら増幅器としては典型的にはナショナルセミコンダ
クタ社製のＬＭ３０８ＡＨＷ増幅器が使用される。

増幅器２９４，２９６と対数段との間 抵抗、すなわち
抵抗４１２はそれぞれＩＯＯＫΩにされる。

対数関数はそれぞれ該当する帰還回路を介して得られる
。

したかつて、各増幅器の出力は、先ず、コンデンサ４１
５を介してその反転入力側に帰還される。

その出力は、また抵抗４１７を介して送出され、ベース
を接地したトランジスタ４１９とこのトランジスタに並
列なダイオード４２１とを介して帰還される。

上記コンデンサは典型的には７５ｐＦのものが使用され
、上記トランジスタは各々２Ｎ４ ０ ２ ３型トラン
ジスタから戊る。

抵抗４１７は５Ｋ，Ｑにされる。

各対数回路の出力側に発生される信号は周知のように抵
抗４２３を介して回路点へ取出される。

これら両出力は整合した１対の抵抗４２５を介して加算
増幅器３０５にも供給される。

対数回路の３０３の信号出力は加算増幅器３０５の非反
転入力側に加えられ、対数回路３０１の出力すなわち基
準信号は反転入力側に加えられる。

増幅器３０５としてはプレシジョンモノリシック社製の
γ２５Ｃ型増幅器が使用される。

増幅語３０５は適切なスケールに設定するためその帰還
路に抵抗４２７を有している。

抵抗４２９、コンデンサ４３１、コンデンサ４３２、お
よび抵抗４３゛３から成る適当な補償回路が周知のよう
に配置されている。

減算回路の出力は線路３０６に既述の出力を送出する抵
抗４３５を介して取出される。

所望により計器において使用するため第２の抵抗４３５
を介して第２の出力が取出される。

抵抗４２７は４９．９１＜，Ｑ、また抵抗４３５はそれ
ぞれ４７Ωにされる。

以上においては、本発明による改良された測光器の検出
器および増幅装置の特定実施例について説明したが、発
明の根本精神および特許請求の範囲を逸脱しない限りに
おいて種々変形、変更できることは云うまでもない。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明による測光器の光学・機械的構或を示す
略線図、第２図は第１図の試料セルを詳細に示す横断面
図、弟３図は試料温度の制御に使用される装置の横断面
図、第４図は検出器および増幅器回路のブロックダイヤ
グラム、第５図は第４図の回路を詳細に示す略線図であ
る。 ７１・・・・・・試料セ＃、２７１ａ，２７ｌｂ・・・
・・・ホローカソードランプ、２７３・・・・・・フィ
ルタ、２７７・・・・・・鏡、２８１・・・・・・可動
フィルタ、２８４・・・・・・シャツタ、Ｓ１・・・・
・・視野絞り、Ｓ２・・・・・・開口絞り、２８７・・
・・・・ビームスブリツタ、２９４，２９６・・・・・
・増幅器、２９５，２９９・・・・・・検出器、３０１
・・・・・・基準対数回路．、３０３・・・・・・信号
対数回路、Ｉ，ｒｅｆ，Ｌｓｉｇ・・・・・・回路点、
３０５・・・・・・アナログ減算器。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １（ａ）反応混合物を試料セル内に配置し、（ｂ）所定
   の波長を含む光ビームを形或し、（ｃ）視野絞りおよび
   開口絞りで前記ビームの拡がりを定め、（ｄ）前記ビー
   ムを第１および第２ビームに分割し、その際該第１およ
   び第２ビームの両ビームにおける煕度の均一性を保持し
   、（ｅ）前記第１ビームが前記試料セルを通過して前記
   セルの入口近傍に前記視野絞りの偉を形或し、かつ前記
   セルの出口近傍に前記開口絞りの像を形成するようにし
   、その際前記両偉は前記ビームが前記セルの壁部に接触
   しないように位置せしめられ、（ｆ）広角光学装置を使
   用する第１の検出器の感応領域内に前記開口絞りの偉全
   体を形威して前記セルの内容物によって散乱される光の
   大部分を捕捉するようにし、（ｇ）前記第２のビームに
   おいて前記視野絞りおよび開口絞りのうち１方の保全体
   を第２の検出器の感応領域内に形或し、（ｈ）前記第１
   の検出器の出力に含まれる所定の波長を有する前記光ビ
   ームの輝度変化に基因する変動を打消すために前記第２
   の検出器の出力を使用することを特徴とする反応混合物
   の吸光度を測定する測光方法。 ２ ２つの光路のうちの１万において試料セルを通過す
   る際の吸光度が、所定波長の光源からの両光路に沿って
   同時に入射する直射光によって検出される、反応混合物
   の吸光度を測定する測光装置において、試料セルを通過
   する光路の終点に設けられていて、この終点におけるビ
   ームの強さを検出する第１のＰＩＮダイオードと、他方
   の光路の終点に設けられていて、その終点におけるビー
   ムの強さを検出する第２のＰＩＮダイオードと、１つの
   軸線に沿って順次配列されていて、光源からの光を受け
   且つ横断面に関し均一な強さのビームを通過させる視野
   絞りおよびレンズおよび開口絞りとから或り、さらに前
   記ビームを各光路に分けるないし分割する手段と、前記
   のビーム分割手段からの光を集光して、試料セルの入口
   と出口付近に夫々前記視野絞りと開口絞りの傷を対称に
   結偉する装置と、前記開口絞りの偉を第１のＰＩＮダイ
   オードの感応領域上に全体的に対称に結像するために、
   試料セルを通過した光を集光する装置と、前記視野絞り
   の偉および開口絞りの偉のうちの少なくとも１万を全体
   的に前記第２のＰＩＮダイオードの感応領域に対称に結
   伶するために前記ビーム分割手段からの光を集光する装
   置とから成り、さらに前記第１および第２のＰＩＮダイ
   オードからの出力を各々に受信するように別個に設けら
   れた第１および第２のバラメトリック増幅器と、前記パ
   ラメｌ− ＩＪツク増幅器の各々の出力信号を対数化し
   て導出し、該両対数信号間の差を求める回路装置とから
   或ることを特徴とする、反応混合物の吸光度を測定する
   測光装置。