JPS59136628A

JPS59136628A - 分光測定装置

Info

Publication number: JPS59136628A
Application number: JP25250783A
Authority: JP
Inventors: ウイリアム・テイ−・ケイシイ・ジユニア−
Original assignee: Milton Roy LLC
Current assignee: Milton Roy LLC
Priority date: 1983-01-03
Filing date: 1983-12-29
Publication date: 1984-08-06
Also published as: EP0115902A2; CA1215853A; EP0115902A3

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、試験中の液体サンプルによるある波長の光の
吸収を測定するだめの装置に関する。更に、本発明は、
研究室における諸プロセスの最適化および色々な種類の
工業的却１模のプロセスの開発において有効なように特
に構成された試験中のサンプルによる選択されん波長の
光の吸収を測定する装置に関する。

ある特定の波長の光をガスまたは液体のサンプルに対し
て発射して吸収の状態を知るためサンプル中を透過する
前記光の量を測定する装置を用いて有意義な研究室にお
ける分析が可能であることが、ここ数年間に知られるよ
うになったっこの吸収は、試験中の液体中の不純物、溶
媒中の溶質、液体の色彩の存在、液体中に懸ン蜀する固
体の存在、等の表示かえられる。このような用途のため
の色々々装置が公知である。当技術では、特定の波長の
光の吸収が試験中のサンプル中のある特定の物質の存在
を示すように色々な物質により吸収される光の波長につ
いて充分な文献がちシ、もし入射光および透過光の量を
比較すれは、吸収性を有する物質量の指示を得ることが
できる。

従来技術において見出される多くの製油、は、基準サン
プルと比較される時、あるサンプル中を透過したある特
定の波長の光の絶対量を測定するととに関連している。

従って、従来技術における多くの装置は、ある１つの光
線を２つの同じ部分に分離させ、１つの光線を試験中の
サンプル中に透過させまた他の光線を基準サンプル中に
透過させ、透過した光量を比較して試験中のサンプル中
の光を吸収する物質量に比例する結果を生じる工程を壱
する。このような装置は、吸収の絶対量を得たい場合に
非常に有効である。しかし、これらの装置は、もし異な
る物質について使用される場合に試験サンプルが比較さ
れる基準試料を交換しなければならないため、ある特定
の元素または化合物の吸収状態の検出のためには非常に
特定化されたものになる傾向を有する。更に、試験され
た種々の物角が各々光の波長を吸収することはそれ程一
般的ではなく、そのためもし同じ装置を異なる物質の試
験のため使用されるならば、サンプル室を慎重に洗浄し
て新しい基準サンプルを供給しなければならない許りで
なく、光源を異なる波長を発射するように変更しなけれ
は々らないことになる。

従来技術においては、種々の波長の光を発射する手段を
示す装置が知られているが、これらの装置は望ましい程
度に構造が簡単でないかあるいは安価力ものではない。

例えば、本発明の譲受人により製造される５ｐｅｃｔｒ
ａ　Ｍｏｎ１ｔｏｒ　１１１は、広範囲の波長の光を発
射するシュウチリウム・ランプ即ち重水素ランプを使用
し、次いでサンプルに入射する光の特定の波長を選択す
るため回折格子を使用する。この装置は使用可能である
が、回折格子は高価であり、装置に複雑さを付加する高
精度の機械的装置により作動されなければならない。問
題の波長を選択するために、５ｐｅｃｔｒｏ　Ｍｏｎ１
ｔｏｒ　　ＩＩＩの能力を有するが更に安価な装置を製
造することが望ましい。更に、この５ｐｅｃｔｒｏ　Ｍ
ｏｎ１ｔｏｒ　ＩＴＩは上記の形式の装置、即ち光線が
既知の成分のサンプルおよび試験中のサンプルの照射の
ための等しい部分に分割される形式のものである。使用
された光線分離装置は、製造が高価につき従って装置の
コストを不当に高くする光ファイバである。従って、同
様にこの光学的装置を取除くことが望ましいことになる
。

上記の如く、従来技術の装置は、基準サンプルと試験さ
れるサンプルとの間の量的な差異に対する客観値を生じ
るように構成される傾向がある。

このような装置は、あるサンプルの分析が行なわれる研
究室においては有効である。しかし、との形式の装置に
よっては適さない分光測定装置の別の種類の用途がある
。この主の用途には、工業的プロセスの開発が含まれる
。このような開発は、一般に、種々のパラメータを変更
しであるプロセスに対する最適の操作条件を選定する研
究室規模の操作において行なわれる。例えば、二酸化炭
素のような無害もしくは発癌性を持たない溶剤を用いて
コーヒーからカフェインを除去するカフェインレス・コ
ーヒーの一般的な需要が現在存在する。

気体か液体として挙動するように臨界超過二酸化炭素即
ちその臨界点以上に温度および圧力を上けた二酸化炭素
を用いてコーヒー豆からのカフェインの除去のためのプ
ロセスが世界中において開発中である。臨界超過溶剤抽
出法には種々の変数があり、これらを多少とも連続的に
変化させて如何力る時もプロセスの効果の連続的左表示
を行なうことができることが望ましい。従って、装置力
１ら出てくる臨界超過ＣＣｈ中のカフェイン量の略々瞬
間的な表示を行ない、これにより実験者がプロセスのパ
ラメータに調整を行々い抽出の効果が改善されたかどう
かを即座に調べることができるようにした装置を提供す
ることが望せしい。当業者には、このような装置は臨界
超過ＣＯ２中のカフェイン量の絶対を提供する必要はな
く、プロセスのパラメータが変更されるためその量が増
加したか減少したかの正確な表示を行なうに過ぎないこ
とが認識されよう。

前述の如く、分光測定装置の従来技術の装置のほとんど
のものは、ある光の入射光線を２つの部分に分離して試
験されるサンプルおよび基準サンプルを均等に照射する
ものである。これは、試験されるサンプルを透過する光
線に対して露出されたフォトセルによって行なわれる客
観的力測定精度を確保するために行なわれる０しかし、
光線を２つの部分に分離することは、ランプにより出力
されるエネルギもまた同様に分割されることを滴味し、
このことけ比較的低いフォトセル出力を有意義な出力信
号に変換するためより多くの増幅が必要となるため、比
較的暗い吸収性の大きなサンプルの場合には望ましく々
い。当業者には、フォトセルの出力信号が低下すると、
これが如何なる電気的装置においても特有のノイズに対
して振幅が更に緊密に関連することになることが判るで
あろう。従って、あるランプにおいては、比較的大きな
出力信号を生じるようにサンプルに対してその光線をで
きるだけ多く指向させて装置の有効ＳｌＮ比を高めるこ
とが望ましい。

従来技術の分光測定の別の短所は、コーヒー豆からのカ
フェインの臨界超過ＣＯ２の抽出の如き今日開発されつ
つある、近代的なプロセスに用いる時、これらのプロセ
スか一般に非常に高い圧力、例えは約７０３Ｋｇ／ｃ４
　（１０，０００ｐｓｉ　）において行なわれることで
ある。もし装置内で「オン・ライン」に装置されるなら
ば、このような圧力に耐えることができるに違いない０
このような装作を満たす装置は本発明者には未知である
。その代り、とれまでの分光測定装置は、サンプルを比
較的低い圧力において装置に対して配置して供給するこ
とを必要とするが、これはプロセスを大幅に複雑化しか
つオン・ライン機器の使用を不可能にすることに々る。

これは、更にあるパラメータの有効な変化の瞬間的な読
取りを行なうことによりプロセスのパラメータの容易な
最適化を不用能にするものである。

従って、本発明の目的は、プロセスの流れのオン・ライ
ン試験の利用およびコストの両方の観点から改善された
分光測定装置を提供することにある。

本発明の別の目的は、ある判°定のサンプルに入射する
光の波長を変化させる能力を有する分光測定装置の提供
にある。

本発明の更に別の目的は、非常に高い圧力に耐えること
かできる分光測定装置の提供にある。

本発明の他の目的は、サンプルを照射する電球によシ発
射される光の大部分がサンプルに当り、基準サンプルに
は当らず、これによシ出力信号のＳｌＮ比が強化される
分光測定装置の提供にある。

本発明の更に他の目的は、光線経路における回折格子の
位置の高精度の調整の如き複雑な機械的／光学的構造を
避けながら、単一のランプを用いて複数の波長によりサ
ンプルを照射するだめの装置を含む分光測定装置の提供
にある。

本発明の更に他の目的は、光線の分離のための光フアイ
バ装置の使用を避ける分光測定装置の提供にある。

本発明は、シュウチリウム・ランプがサンプルに対して
入射するように構成された光の波長を選択するだめのフ
ィルタに列して問題となる複数の。

周波数を発射する分光測定装置の提供によって、本発明
の上記の目的および技術の必要を満たすものである。次
いで、光線分離板が光線の比較的小さな部分を第１の基
準フォトセルに対して発散させる。光線の残りの部分は
、直接サンプル・チューブに対して入射する。このサン
プル・チューブは、その透明な壁面が試験されるべきサ
ンプルに対して光線を集束するレンズを形成するように
構成することができる。次に、光線はサンプル・チュー
ブの更に別の壁面を透過し、２番目の試験フォトセルに
より検出され、その出力は基準フォトセルの出力と比較
されて試験光線の相対的振幅を表示する信号を生じるこ
とができる。この基準フォトセルは、較正の目的のため
基準サンプルを使用することなく後に行なわれる測定と
比）咬することかでさるように、光線分離板に入射する
光線の強さがある時間にわたって一定の状態を維持する
ことを保証するため使用することができる。本発明の装
置を高圧の装置におけるオン・ライン用途で使用するこ
とを可能にするサンプル・セルが提供される。シュウチ
リウム・ランプを取付ける特に望ましい方法もまた本発
明の装置の一特徴である。

本発明については、図面を照合すれば更によく理解され
よう。

前述の如く、第１図は、本発明の装置が開発中の臨界超
過ＣＯ２によるカフェイン除去プラントの如キプロセス
・プラントにおいて使用できる方法を示す櫃略図である
。プロセス観察装ｆｌｏｆｄ、一般に出力流１２を有し
、例えば脱カフェイン・プロセスにおいては、この出力
流、はその内にある量のカフェインを含む臨界超過Ｃ０
２溶液である。

この出力流１２の一部は本発明の試験装置１４を流過さ
せられて出力管路に戻される。ある場合には、こめプロ
セスは図示の如き連管的なものとなる。この場合、例え
ば、カフェインは１６において抽出され、ＣＯ２は抽出
プロセス装置１０の入力側に戻される。本発明の装置を
サンプルが取出されである時間後に分析される従来技術
の方法とは対照的にオン・ラインに設けることにより、
プロセスのパラメータにおける変化の効果は直ちに知る
ことができる。これは、多くのプロセス変数を有するプ
ロセスを最適化する場合に特に有利である。

第２図は、本発明の分光測定装置の主な構成要素を斜視
図により示している。例えば、モデル番号Ｌ１６２６で
Ｉｉａｍａｒｎａ　ｔ　ｓｒｂ社にょシ製造されるシュ
ウチリウム・ランプ２０は、出力ポート２２において複
数の周波数からなる光線３２を出力する。明らかなよう
に、光は種々の物質により波長の関数として選択的に吸
収される。従って、もし装置がこのような複数の物質に
よる吸収の測定のため使用される々らば、ランプにより
出力される光線は問題となる全ての周波数成分を含むも
ので々ければ々らず、あるいはリン等の如き光の周波数
を変える複雑々装置を設けなければならない。

前述のシュウチリウム・ランプ２０はこのような広範囲
の周波数を有する。光線３２は、試験される試料におい
て問題の物質により吸収される周波数を除いて全ての周
波数を吸収するフィルタ３４を透過させられる。フィル
タ通しされた光線２４は、次にＣＶＩ　Ｌａ５ｅｒ社に
より製造されたモデルＣｏｒｎｉｎｇ　　７９４０の如
き光線分離器２６において分離させられ、光線の比較的
小さな部分が２８において第１のフォトセル３０に向け
て送られる。

次にフィルタ通しされた光線３２の残りの部分は、４０
で示されるようにサンプル液体中を透過するように接続
されたガラス管５４を含むサンプル室内に送られる。サ
ンプルを透過した光線は第２のフォトセル４２によって
検出されるのである。

フォトセル３０と４２の出力は、多くの方法で使用する
ことができろう例えば、サンプルを透過することなく入
射する光量を表わす信号を出力するフォトセル３０は、
長い期間にわたってランプ２０の出力を一定の状態に維
持するため使用することができ、その結果第２の１オド
セル４２により行なわれる測定を他の測定結果と比較す
ることができる。あるいはまた、他の時点において行な
われる同様な測定の結果と直接比較するため、ディスプ
レイ４１を作動させるため使用することができるある比
例出力を生じる別のフォトセルに１つのフォトセルの出
力を分割することができる。

このように、ランプ２０の強さのある期間にわたる変化
が装置に対して影響を及ぼすことがない。

フォトセルの特性が経年変化、温度等によって等しく変
化するように、フォトセルは同じものであることが明ら
かに望ましい。望ましい実施態様においては、使用され
たフォトセルは、フォトダイオード・チップ自体に増幅
器を内蔵して必要々回路を更に簡素化するＥＧ　＆　Ｇ
　Ｅｌｅｃｔｒｏ−Ｏｐｔｉｃｓ社によシ販売されるモ
デルｌｌＵＶ−１０００Ｂ−”Ｃある。

光業者には、前述の光線分離器２６が特に、光線を等し
い割合に分離するファイバ形式のものと比較して比較的
安価である第１のフォトセル３０に対して指向するため
光線の比較的小さな部分を分離するに過ぎ々い形式のも
のであることが明らかであろう。光線の残部は、次にサ
ンプル・チューブ３８内に保有されたサンプルに入射さ
せられる。このような大部分の入射光が測定に使用−さ
れることは非常に望ましいか、これはこれが行なわれる
吸収測定の信号対ノイズ比を有効に増大するためである
。

前述の如く、本発明の装置は、その多くが異々る波長を
吸収する種々の物質の吸収測定のため使用用能であるこ
とが望ましい。本装置がこのよう々人々る物質に使用す
ることができるようにするため、フィルタ３４の交換の
みを必要とする。例えば、前述の臨界超過ＣＯ２の脱カ
フェイン・プロセスにおいて問題となるカフェインは２
５４ナノメーク（ｎｍ）の範、回内の波長を有する紫外
線の強力な吸収性を示す。２５４？Ｚｍの光線を除く略
々全ての光出力のシュウチリウム・ランプによる吸収に
適当なフィルタは、モデルＰ６−．２５４−２５Ｄの下
にＣｏｒｉｏｎ社から入手可能である。従って、カフェ
インによる紫外線の吸収量の測定のためのものから別の
物質の測定に装置を変更するためには、溶剤等を流過さ
せ、サンプル・チューブ３８を洗浄し、また分析される
新たな物質により吸収される周波数のみを透過させるに
必要なようにフィルタ３４を交換することを確実にする
だけでよい。

このことは、明らかに、基準サンプル２よび分析中のサ
ンプルに対して入射させるための分離に先立って回折格
子が選択された唯一の波長を光線分離器に対して反射さ
せるため使用される前に述べた従来技術の方法とは対照
的である。高価な回折格子のみならず、その適正な位置
合せを確保するため必要な機械的なリンクは非常に複雑
であり、破壊に弱く、熱膨張等にょシ悪影響を受ける。

また、光線分離器に先立つフィルタの設置によって、両
方のフォトセルが同じ相対周波数成分の光を感知し、従
ってこれにより正確な測定に対する更に別の障害を排除
することを確実にする６とに注目されたい。

シュウチリウム・ランプを取付ける際の当技術の今日の
慣例は、ランプを垂直位置に保持するためのばねおよび
固定ねじ装置を使用することである。このような構成は
不肖に棲雑となり、不正確になる。第３図は、これらの
問題を避けるための望ましい方法を示している。シュウ
チリウム・ランプ２０は、電球の周囲に取付けられた切
込みを入れたテフロン・リング４６により基板４４の開
口にを付けられる。リング４６は、次に基板４４のねじ
リング４８とねじの共働作用によって電球上に緊締され
る。電球の配線はリング４８の開口を通し、それから第
２図に略示するように電源５゜に接続される。

前述の如く、臨界超過ｃｏ２を使用する脱カフェイン・
プロセスは、非常に高い圧力で加圧された二酸化炭素を
必要とする。前に述べたように、本発明の装置は、作動
パラメータの１つの修正と同時に二酸化炭素の溶液によ
り除去されるカフェイン量における変化の表示を略々瞬
間的に出力することができるオン・ライン装置であるこ
とが望ましい。このことは、もし液体セル即ち液体がシ
ュウチリウム・ランプ２ｏにより出力される紫外線に露
出されるようにその内部に保有される室がこのような非
常に高い圧力に耐えることができるだけで実施可能であ
る。第４図および第５図は、非常に有効な改善されたサ
ンプル・セルを示す。これは、ねじ６ｏにょシー緒に保
持されるアルミニウム等から作ることができる金属製の
ブロック５６．５８にょシ圧縮されるケイ酸塩ガラスか
ら形成することができるサンプル・チューブ５４がらな
っている。ねじ６ｏを緊締すると同時に、前記チューブ
の端部はｏリングまたは類似の静止シール６２によって
封止される。本装置の残部に対して接続するチューブ６
４は熱論同様に封止され、望ましい実施態様においては
、ステンレス鋼のチューブ６４が使用され、これらはア
ルミニウム・ブロック５６．５８に対してろう付けされ
る。ブロック５６の両側にはシュウチリウム・ランプの
光線３２が透過する光の開口６６が設けられている。第
２図において略示されるように、チューブ５４は光線に
対して集束効果を生じる。本発明の良好な試験結果にお
いては、チューブ５４がＷｕｍａｄ　Ｇｌａｓｓ社によ
って販売される石英ガラスから形成された。チューブは
、内径が約３．２．５ｍｍ（０，１，２８インチ）であ
り外径が約７．９２ｍｍ（０，３１２インチ）であった
。チューブが支持されない唯一の領域は光線が透過する
覗きポート６６の領域であり、コノホートハ約７０３　
Ｋｇｌ　ｃｒ＆　（１０，０ＯＯｐｓｉ）壕で使用する
ためには直径が約２．３９＋ｎ＋ｎ　（０，０９４イン
チ）よシ大きくてはならない。

当業者は、問題となるある特定の成分による入射光線の
吸収の絶対量の測定は要求されない、そして試験中の試
料および基準サンプルの入射光線による同時の照射を必
要としない装置において使用される分光測定装置につい
て記載したことが認識されよう。その代り、本発明の装
置は、吸収の変化が調べられる装置、特に開発中のある
プロセスにおける多くの変数の容易々最適化を可能にす
るようにこのような表示がオン・ライン装置において要
求される装置において有効である。

尚業者は寸だ、サンプル室が非常に簡単に洗浄されるた
め、また更に、このようなプロセスにおいて一般に問題
とされる全ての周波数をシュウチリウム・ランプが供給
するところから、入射光線の波形を変更するためになす
べき全てのことが一枚のフィルタを交換することだけで
よいため、本発明のへ置が広範囲の成分の吸収状態の測
定のため容易に適用可能であることが認識されよう。

また、版型の光線分離器の使用によシはとんどの入射光
線がサンプル上に当るようにでき、非常に僅かな量が基
準フォトセルに送られ、その結果試験の信号対ノイズ比
が実質的に改善されることが明らかであろう。相対的な
電球の強さの調整のだめの２番目のフォトセルを使用す
ることは装置に対して僅かに複雑さを加えることに々る
が、長期にわたって測定を反復することが可能に々るの
である。

最後に、本文に示した一実施例以外の本発明の多くの実
施態様が可能であること、１だ従って本文の記述は本発
明の範囲の限定と考えるべきものではなくその例示に過
ぎないものであることも壕だ明らかであろう。本発明の
範囲は頭書の特許請求の範囲によって然るべく包含され
ている。

【図面の簡単な説明】

第１図は開発中のプロセスにおける本発明の装置の使用
状態を示す概略図、第２図は本発明の装置、を示す側視
図、第３図は使用されるシュウチリウム・ランプを取付
けるための望ましい方法を示す断面図、第４図は液体サ
ンプル試験セルを示す斜視図、および第５１スは液体サ
ンプル試験セルを示す断面図である。１０・・・プロセス観察装置、１２・・・出力流、１４
・・・試験装置、２０・・・シュウチリウム・ランプ、
２２・・・出力ポート、２４・・・濾波された光線、２
６・・・光線分離器、３０・・・フォトセル、３２・・
・光線、３４・・・フィルタ、３８・・・サンプル・チ
ューブ、４０・・・サンプル液体、４１・・・ディスプ
レイ、４２・・・フォトセル、４４・・・基板、４６・
・・テフロン・リング、４８・・・ねじリング、５０・
・・電源、５４・・・ガラス管、　５６・・ブロック、
　５８・・ブロック、　６゜・・ねじ、６２・・・シー
ル、６４・・・チューブ、６６・・・開口。特許出願人　　ミルトン・ロイ　カンパニー（外　４名
）

Claims

【特許請求の範囲】

（１）試験中のサンプルによる入射光の吸収状態を測定
するための分光測定装置において、複数の波長の光線を
発射する装置と、一方が比較的太き々強さを有し、他、方が比較的小さな
強さを有する２つの成分に前記光線を分離する装置と、前記の比較的小さな強さの光線の成分の強さを測定する
装置と、前記の複数の波長の１つを選択するフィルタ装置と、前記の選定された波長の光の吸収のため試験をされるサ
ンプルを含むサンプル・チューブ装置と、前記複数の波
長の全ての光に感応し、前記サンプルにより吸収された
光景を表わす信号を出力するフォトダイオードを設ける
ことを特徴とする装置。
（２）前記ランプがシュウチリウム・ランプであること
を特徴とする特許請求の範囲第１項記載の装置０
（３）前記サンプル・セル装置が、入射光線を前記サン
プル・チューブを横切って透過させるための封止部材間
に画成される略々円筒状のガラス管であり、以て前記チ
ューブの壁面が前記サンプル中で前記入射光線を集束さ
せるためのレンズとして作用することを特徴とする特許
請求の範囲第１項記載の装置。
（４）複数の波長の光線が１つのランプから発射されて
、該ランプと前記複数の波長の全てに感応する光学的検
知装置との間の光学的経路内に挿入されたサンプルに対
して集束されて、前記サンプルにより吸収される光の量
に反比例する信号を提供する分光測定装置において、測定されるべき前記サンプルに対して入射する前記波長
の１つを選択するため設けられる吸収フィルタ装置を設
けることを特徴とする装置。
（５）前記光線の時間に関する相対的強さを制御するた
め、前記ランプにより出力される光線の一部を第２の光
学的検知装置に指向させる光線分離装置を更に設けるこ
とを特徴とする特許請求の範囲第４項記載の装置。
（６）試験中のサンプルによる光線の殴収状態の測定装
置において、光線を発射するための装置と、前記光線の比較的大きな成分と比較的小さ力成分への分
離を行なう装置と、前記光線の前記の比較的小さ力成分量の測定のだめの装
置と、前記光線の別の予め選択された周波数部分の透過を許容
するが、前記光線の第１の予め選択された周波数部分の
完全な吸収を行なう装置と、前記光線の比較的大きな成
分の光学的柚路に測定されるべきサンプルを定置する装
置と、前記サンプルによっては吸収されない前記光線の
前記の比較的大きな成分量の測定を行なう装置とを設け
ることを特徴とする装置。
（７）光線を発射する前記装置が広範囲の波長にわたる
光線を発射するシュウチリウム・ランプであることを特
徴とする特許請求の範囲第６項記載の装置。
（８）前記光を光線に分離する前記装置が光線分離板で
あることを特徴とする特約請求の範囲第６項記載の装置
。
（９）前記光線の残りの周波数部分の透過は許容するが
、前記光線のある周波数部分は晒収する前記装置が光学
的フィルタ装置、であることを特徴とする特許請求の範
囲第６項記載の装置。
（１０）前記光線の前記の比較的小さい成分の量の測定
のだめの前記装置がフ第１・セルであり、その出力が前
記光線の発射装置により発射される光線の強さを調整す
るため使用されることを特徴とする特許請求の範囲第６
項記載の装置。