JPWO2020039478A1

JPWO2020039478A1 - クロマトグラフィー用検出器

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Publication number: JPWO2020039478A1
Application number: JP2020537910A
Authority: JP
Inventors: 悠佑長井
Original assignee: Shimadzu Corp
Current assignee: Shimadzu Corp
Priority date: 2018-08-20
Filing date: 2018-08-20
Publication date: 2021-08-10
Anticipated expiration: 2038-08-20
Also published as: WO2020039478A1; JP7136209B2

Abstract

クロマトグラフィー用検出器は、測定光を発する固体発光素子と、前記測定光の光路上に配置されたフローセルと、前記フローセルを経た前記測定光を検出するための検出部と、前記固体発光素子から前記検出部までの間に設けられ、前記固体発光素子から発せられる前記測定光の光束の周縁領域の光量変動の影響を低減する光量変動低減素子と、を備えている。

Description

本発明は、示差屈折率検出器や吸光度検出器といったクロマトグラフィー用の検出器に関するものである。

液体クロマトグラフィー用の検出器として示差屈折率検出器が知られている。示差屈折率検出器は、隔壁によって仕切られた試料セルと参照セルを有するフローセルに対してスリットを介して測定光を照射し、フローセルを経た測定光のスリット像を受光素子上に結像させてそのスリット像の変位量を測定することにより、試料セルを流れる試料溶液と参照セルを流れる参照溶液との屈折率差の変化を検出するものである（特許文献１参照。）。

近年、発光ダイオード（ＬＥＤ）やレーザーダイオード（ＬＤ）などの固体発光素子が検出器用の光源として使用される場合が多い。上記のように、示差屈折率検出器は受光素子上に結像されたスリット像の変位量によって屈折率変化を検出するものであるため、光源からの光量が一定でない場合には、スリット像の実際の位置が不変であっても、光源の光量変動がスリット像の変位として誤検出され、屈折率の変化として出力されてしまう。そのため、示差屈折率検出器では、本来屈折率変化として認識されるべき要素以外の要素の変化によって屈折率変化が誤検出されないよう、光学系の温調や光源の高精度な（低ノイズな）駆動電源の採用などの対策が採られている。

特開２０１７−２２３５０７号公報

上記のような対策が採られているにも拘わらず、屈折率変化の誤検知やノイズの増大、感度の悪化といった問題が起こることがわかった。その原因を検証すると、ＬＥＤ等の固体発光素子の発光面の中心領域は光量が安定している一方で、発光面の周縁領域の光量は中心領域よりも変動が大きく、その周縁領域の光量変動が屈折率変化の誤検知等の原因となっていることがわかった。これは、はんだ付けやＣＡＮパッケージ化、樹脂封止といった固体発光素子のチップ実装時のバラツキや、ウエハからチップを切り出す際にチップに蓄積される応力の違い、プロセスの変化点（洗浄の有無など）、母材の変化といった原因により発生していると考えられる。

このような固体発光素子の発光面内における光量のバラツキは、固体発光素子を示差屈折率検出器の光源として用いた場合だけでなく、吸光度検出器などの検出器の光源として用いた場合にも悪影響を与える。

そこで、本発明は、固体発光素子を光量の安定した検出器用の光源として用いることができるようにすることを目的とするものである。

本発明に係るクロマトグラフィー用検出器は、測定光を発する固体発光素子と、前記測定光の光路上に配置されたフローセルと、前記フローセルを経た前記測定光を検出するための検出部と、前記固体発光素子から前記検出部までの間に設けられ、前記固体発光素子から発せられる前記測定光の光束の周縁領域の光量変動の影響を低減する光量変動低減素子と、を備えている。

前記光量変動低減素子として、前記固体発光素子から発せられる前記測定光の光束の中心領域のみを前記フローセルへ導く開口遮光板を用いることができる。

前記開口遮光板は、前記固体発光素子から発せられる測定光の光束のうち周縁側の５０％以上の光を遮光して中心領域のみを抽出するものであってもよい。

好ましい実施形態では、前記固体発光素子からの測定光を集光し、前記開口遮光板に照射する第１のレンズと、前記開口遮光板を通過した測定光を集光し、前記フローセルに照射する第２のレンズと、をさらに備えている。

また、前記光量変動低減素子として、前記固体発光素子の発光面の周縁領域を覆って当該周縁領域から発せられる光を遮光するマスクを用いることもできる。

また、前記光量変動低減素子として、前記固体発光素子から発せられる前記測定光の光束の中心領域とその周囲領域とを混合して前記フローセルへ導く光拡散板を用いることもできる。

本発明に係るクロマトグラフィー用検出器では、固体発光素子から発せられる測定光の光束の周縁領域の光量変動の影響を低減する光量変動低減素子を備えているので、固体発光素子の発光面の周縁領域から発せられる光の光量変動の影響が小さくなる。これにより、固体発光素子を光量の安定した検出器用の光源として用いることができる。

クロマトグラフィー用検出器の一実施例を示す概略構成図である。同実施例において光量変動低減素子により遮光される測定光の周縁領域を説明するための概念図である。光量変動低減素子の変形例を示す図である。光量変動低減素子のさらなる変形例を示す図である。光量変動低減素子の配置の有無と受光素子の検出信号の安定性との関係性についての検証結果を示すデータである。

以下、クロマトグラフィー用検出器の１つである示差屈折率検出器の一実施例について図面を用いて説明する。

図１に示されているように、示差屈折率検出器は、フローセル２、固体発光素子４、レンズ５、開口遮光板８、レンズ１０、ミラー１２、ゼログラス１４、受光素子１６及び演算制御装置２０を備えている。固体発光素子４はＬＥＤ又はＬＤである。フローセル２は、固体発光素子４から発せられる測定光６の光軸上に配置されている。フローセル２は試料セル２ａと参照セル２ｂをもち、それらのセル２ａ，２ｂが透明な隔壁によって仕切られている。

フローセル２の前方にはレンズ１０が配置され、後方にフローセル２を透過した測定光６を反射させるミラー１２が配置されている。ミラー１２により反射された測定光６ａの光路上にフォトダイオードなどの受光素子１６が設けられており、ミラー１２で反射してフローセル２を透過した測定光６ａが受光素子１６上に結像される。反射後の測定光６ａの光路上のレンズ１０と受光素子１６との間に、受光素子１６上に結像された測定光６ａの像を平行移動させるためのゼログラス１４が配置されている。受光素子１６には演算処理装置２０が接続されている。

固体発光素子４から発せられた測定光６はレンズ５で集光された後、開口遮光板８を通り、さらにレンズ１０を通ってフローセル２に照射され、フローセル２を透過してミラー１２で反射される。ミラー１２で反射した測定光６ａは再びフローセル２を透過してレンズ１０によって受光素子１６上に結像される。受光素子１６は２つの受光領域１６Ａと１６Ｂを備え、それぞれの受光領域への入射光量に基づく検出信号が演算処理装置２０に取り込まれるようになっている。

試料セル２ａ内と参照セル２ｂ内の屈折率差が変化すると、フローセル２を通過する測定光６の光路に変化が生じ、受光素子１６の受光面に結像する測定光６ａの像が一定方向へ変位する。受光素子１６の受光領域１６Ａと１６Ｂは、測定光６ａの像の変位方向に並んで隣接配置されている。

試料セル２ａ内と参照セル２ｂ内の屈折率差が０であるときに、測定光６ａの像が受光領域１６Ａ，１６Ｂの境界部分を跨ぐようにして受光素子１６の受光面上に結像されるように調整される。試料セル２ａ内に試料成分が導入されて試料セル２ａ内の屈折率が変化すると、試料セル２ａ内と参照セル２ｂ内の屈折率差が変化し、受光素子１６の受光面に結像する測定光６ａの像が変位する。その変位を受光領域１６Ａと１６Ｂの検出信号値の差分をとることにより検出し、試料セル２ａ内と参照セル２ｂ内の屈折率差を求める。

演算処理装置２０は、この示差屈折率検出器内に設けられたコンピュータや、この示差屈折率検出器に接続された専用の又は汎用のコンピュータによって実現されるものである。演算処理装置２０は、受光素子１６の各受光領域１６Ａ、１６Ｂの検出信号値に基づいてフローセル２における試料セル２ａと参照セル２ｂとの屈折率差を求める機能を有する。

この実施例では、フローセル２と固体発光素子４との間に開口遮光板８が設けられている。開口遮光板８は、図２に示されているように、固体発光素子４から発せられてレンズ５を通過した測定光６の光束の周縁領域を遮光して中心領域のみを抽出するためのものである。すなわち、開口遮光板８は、固体発光素子４から発せられた光束のうち光量変動の大きい周縁領域を遮光することによって光量変動の影響を低減する光量変動低減素子を構成する。

開口遮光板８は、固体発光素子４から発せられる測定光６の光束のうち周縁側の５０％以上の光を遮光して中心領域のみを抽出する。本来的に、示差屈折率検出器の光源とフローセルとの間にはスリットが設けられるが、このスリットは平行光を取り出すためのものであって光量の安定している光束の中心領域のみを抽出するためのものではない。

固体発光素子４の発光面の周縁領域から発せられた光の光量が不安定であるという知見は本発明者によって初めて得られたものである。さらに、示差屈折率検出器等の検出器では、フローセルを通過して受光部に到達する光の光量が小さいと検出感度の低下やＳ／Ｎの増大といった問題があるため、光源から発せられた光の大部分を遮光するということはこれまでは考えられないことである。

固体発光素子４の発光面の周縁領域から発せられた光を遮光するという観点からすれば、図３に示されているように、固体発光素子４の発光面の周縁領域上に、アルミニウムなどの金属や、酸化物、誘電体からなる等からなるマスク８’を光量変動低減素子として配置してもよい。マスク８’により、固体発光素子４から発せられた測定光６の光束の中心領域のみを抽出することができる。

また、図４に示されているように、固体発光素子４から発せられる測定光６の光軸上に、測定光６の中心領域の光と周縁領域の光とを混合する、すなわち、光量の不安定性を光束内において均一化させるための光拡散板９を配置してもよい。光拡散板９としては、光拡散機能をもつマイクロレンズアレイ（例えば、ＬＳＤ（レンズ拡散板：株式会社オプティカルソリューションズの製品））などを用いることができる。このような光拡散板９により、固体発光素子４から発せられる測定光６の光束内で光が混合されて光量の不安定性が光束内において均一化し、光束の周縁領域の光量変動の影響が低減される。

図５は、開口遮光板や光拡散板といった光量変動低減素子の配置の有無と受光素子１６の検出信号の安定性との関係性についての検証結果を示すデータである。

図５の検証では、試料セル２ａと参照セル２ｂとの屈折率差が変化しない条件下で、固体発光素子４（ＬＥＤ）からの測定光６の光軸上に、開口遮光板８を設置した場合、光拡散板９（ＬＳＤ）を配置した場合、及び光量変動低減素子を配置しなかった場合、のそれぞれについて検出信号の変動を監視した。この検証で使用した開口遮光板８は、測定光６の光束の周縁側を７０％程度遮光するように設計されたものである。

試料セル２ａと参照セル２ｂとの間の屈折率差が変化しない場合、理論上は、受光素子１６の信号強度が一定となるはずである。しかしながら、図５のように、光量変動低減素子を配置しない場合には、信号強度に大きなノイズが含まれているとともに、信号強度が約１００〜１１００の間で変動している。このように信号強度が変動すると、受光素子１６に結像される測定光６ａの像の変位として誤検出され、試料セル２ａと参照セル２ｂとの屈折率差の変化として誤検知されてしまう。一方で、測定光６の光軸上に開口遮光板８や光拡散板９を配置した場合には、信号強度に含まれるノイズが小さく、受光素子１６の信号強度が安定している。このため、試料セル２ａと参照セル２ｂとの屈折率差の変化が誤検知されることはない。

このように、光量変動低減素子を用いて測定光６の光束の中心領域のみを抽出したり光束の中心領域と周縁領域とを混合したりすることによって、固体発光素子４の発光面の周縁領域から発せられる光の光量変動が検出信号に与える影響を低減することができ、固体発光素子４を光量の安定した検出器用の光源として使用することが可能となる。

また、本発明者は、開口遮光板８の開口の幅寸法と受光素子１６の信号強度との関係性についても検証を実施した。その検証結果は以下の通りである。
開口幅寸法（ｍｍ）ノイズ量（ＡＳＴＭ）
１．９２６７．４２
１．３７５９．８４
０．７０４３．５３
０．５０２２．２１
０．４２１８．６４

上記の検証結果から、開口遮光板８の開口幅寸法が小さいほどノイズ量も小さくなることがわかる。これは、測定光６の光束の中心側へ近づくほど光量が安定しており、逆に、測定光６の光束の周縁側へ近づくほど光量変動が大きいことを示している。

以上において説明した実施例では、開口遮光板８、光拡散板９といった光量変動低減素子を固体発光素子４とフローセル２との間の測定光６の光軸上に配置しているが、本発明はこれに限定されるものではなく、フローセル２と受光素子１６との間の測定光６ａの光軸上に光量変動低減素子を配置してもよい。

また、上記実施例では、クロマトグラフィー用検出器として示差屈折率検出器を例に挙げて説明したが、固体発光素子を光源として使用する吸光度検出器などの検出器に対しても同様に本発明を適用することができる。

２フローセル
２ａ試料セル
２ｂ参照セル
４固体発光素子
５，１０レンズ
６，６ａ測定光
１２ミラー
１４ゼログラス
１６受光素子
２０演算処理装置

Claims

測定光を発する固体発光素子と、
前記測定光の光路上に配置されたフローセルと、
前記フローセルを経た前記測定光を検出するための検出部と、
前記固体発光素子から前記検出部までの間における前記測定光の光路上に設けられ、前記固体発光素子から発せられる前記測定光の光束の周縁領域の光量変動の影響を低減する光量変動低減素子と、を備えたクロマトグラフィー用検出器。
前記光量変動低減素子は、前記固体発光素子から発せられる前記測定光の光束の中心領域のみを前記フローセルへ導く開口遮光板である、請求項１に記載のクロマトグラフィー用検出器。
前記開口遮光板は、前記固体発光素子から発せられる測定光の光束のうち周縁側の５０％以上の光を遮光して中心領域のみを抽出するものである、請求項２に記載のクロマトグラフィー用検出器。
前記固体発光素子からの測定光を集光し、前記開口遮光板に照射する第１のレンズと、
前記開口遮光板を通過した測定光を集光し、前記フローセルに照射する第２のレンズと、をさらに備えている、請求項２又は３に記載のクロマトグラフィー用検出器。
前記光量変動低減素子は、前記固体発光素子の発光面の周縁領域を覆って当該周縁領域から発せられる光を遮光するマスクである、請求項１に記載のクロマトグラフィー用検出器。
前記光量変動低減素子は、前記固体発光素子から発せられる前記測定光の光束の中心領域とその周囲領域とを混合して前記フローセルへ導く光拡散板である、請求項１に記載のクロマトグラフィー用検出器。
前記固体発光素子からの測定光を集光し、前記光拡散板に照射する第１のレンズと、
前記光拡散板を通過した測定光を集光し、前記フローセルに照射する第２のレンズと、をさらに備えている、請求項５又は６に記載のクロマトグラフィー用検出器。