KR100403440B1 - 분광분석장치 - Google Patents

Abstract

신뢰성의 향상을 도모할 수 있고, 저원가로 제작가능한 분광분석장치를 제공한다.

광원(1)과, 이 광원(1)으로부터의 빛을 집속하기 위한 집속수단(2)과, 다채널검출기(4)를 포함하고 상기 광원(1)으로부터의 빛을 분광분석하는 분광분석부(3)와 상기 집속수단(2)과 분광분석부(3) 사이에 배치되는 시료셀(5)을 구비하고, 상기 시료셀(5)이 시료광 측정을 행하기 위한 시료광 측정위치와, 참조광 측정을 행하기 위한 참조광 측정위치에 이동자유로우며, 또한, 상기 빛을 차단하여 암흑광 측정을 행하기 위한 차단부재(6)를 상기 빛의 광로 중에 진퇴자유로이 설치하고 있다.

Description

분광분석장치{SPECTRAL ANALYSIS APPARATUS}

본 발명은 분광분석장치에 관한 것이다.

종래의 분광분석장치로서 도 4에 도시하는 바와 같이 광원(1)과 분석부(13) 사이에 2개의 집속렌즈(14, 15)가 상기 광원(1)으로부터의 광반사방향으로 병렬로 설치되어 있고, 후방에 시료셀(試料cell)(16)이 설치된 한쪽의 집광렌즈(14)를 통과하는 광로는 측정광을 분석부(13)에 입사(入射)시키기 위한 측정계 광로로서 구성되어 있고, 다른 쪽 집광렌즈(15)를 통과하는 광로는 참조광을 분석부(13)에 입사시키기 위한 비교계 광로로서 구성되어 있는 것이 있다.

상기의 구성으로 이루어지는 분광분석장치에서는 상기 측정계 광로 및 비교계 광로에 각각, 광원(1)으로부터의 빛을 공통의 크로스 미러(cross mirror)(17)를 향해서 반사시키기 위한 오목면경(18, 18)과 광로를 차단하기 위한 셔터(19, 19)가 설치되어 있다. 그리고 측정계 광로 및 비교계 광로에 설치된 셔터(19, 19)는 한쪽이 열려있을 때에는 다른 쪽이 닫히도록 제어되고, 이것에 의해 측정광과 참조광은 택일적으로 분석부(13)에 입사하도록 구성되어 있었다.

그러나 상기의 구성으로 이루어지는 종래의 분광분석장치에서는 분석부(13)로의 광로가 2개(측정계 광로와 비교계 광로) 있었으므로, 광원(1)의 위치 어긋남, 오목면경(18, 18)의 흐림정도, 오염정도의 차이나 크로스 미러(17)를 구성하는 2매의 미러의 흐림정도, 오염정도의 차이 등이, 시료광량과 참조광량의 비교나 흡광도 등에 악영향을 미치고, 신뢰성을 저하시킨다는 문제가 있었다.

또한, 오목면경(18, 18), 집광렌즈(14, 15)나 셔터(19, 19)가 각각 2개씩 필요했으므로 그 분량만큼 제작원가가 상승하는 것으로 되어 있었다.

본 발명은 상술한 사항에 유의하여 이루어진 것으로 그 목적은 신뢰성의 향상을 도모할 수 있고, 저원가로 제작가능한 분광분석장치를 제공하는데 있다.

도 1은 본 발명의 제 1 실시예에 관한 분광분석장치의 구성을 개략적으로 도시하는 설명도,

도 2의 (A), (B) 및 (C)는 각각 시료셀이 시료광 측정위치에 있을 때, 암흑광 측정위치에 있을 때 및 참조광 측정위치에 있을 때의 상태를 개략적으로 도시하는 설명도,

도 3의 (A), (B) 및 (C)는 각각, 본 발명의 제 2 실시예에 관한 분광분석장치에 있어서 시료셀이 시료광 측정위치에 있을 때, 암흑광 측정위치에 있을 때, 및 참조광 측정위치에 있을 때의 상태를 개략적으로 도시하는 설명도, 및

도 4는 종래의 분광분석장치의 구성을 개략적으로 도시하는 설명도.

"부호의 주요부분에 대한 부호의 설명"

1 : 광원 2 : 집속수단

3 : 분광분석부 4 : 다채널검출기

5 : 시료셀 6 : 차단부재

A : 분광분석장치.

상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 분광분석장치는 광원과, 이 광원으로부터의 빛을 집속하기 위한 집속수단과, 다채널검출기를 포함하고 상기 광원으로부터의 빛을 분광분석하는 분광분석부와 상기 집속수단과 분광분석부 사이에 배치되는 시료셀을 구비하고, 상기 시료셀이 시료광 측정을 행하기 위한 시료광 측정위치와 참조광 측정을 행하기 위한 참조광 측정위치에 이동자유로우며, 또 상기 빛을 차단하여 암흑광 측정을 행하기 위한 차단부재를 상기 빛의 광로 중에 진퇴자유로이 설치하고 있다(청구항 1).

상기 구성에 의해 신뢰성의 향상을 도모할 수 있고, 저원가로 제작가능한 분광분석장치를 제공할 수 있다.또 상기 암흑광 측정을 정기적으로 행해도 좋다(청구항 2).

또 상기 차단부재가 시료셀에 고정되어 있거나, 또는 시료셀과 일체적으로 형성되어 있다고 해도 좋다(청구항 3). 이 경우에는 차단부재와 시료셀을 동일한 구동수단으로 이동시킬 수 있고, 구성이 간이하게 됨과 동시에 보다 저원가로 제작할 수 있다.

더욱이 상기 시료셀이 참조광 측정위치에 있을 때에는 상기 빛의 광로중에 굴절율 보정부재가 배치된다고 해도 좋다(청구항 4). 이 경우에는 시료셀의 유무에 의한 굴절율의 차이에 근거한 오차를 없앨 수 있어, 신뢰성의 그 이상의 향상을 도모할 수 있다.

(발명의 실시형태)

이하 본 발명의 실시예를 도면을 참조하면서 설명한다.

도 1은 본 발명의 제 1 실시예에 관한 분광분석장치(A)의 구성을 개략적으로 도시하는 설명도이다.

분광분석장치(A)는 광원(1)과, 이 광원(1)으로부터의 빛을 집속하기 위한 집속수단(예를 들면 집광렌즈)(2)과, 다채널검출기(4)를 포함하고 상기 광원(1)으로부터의 빛을 분광분석하는 분광분석부(3)와 상기 집속수단(2)과 분광분석부(3) 사이에 배치되는 시료셀(5)을 구비하고 있으며, 상기 시료셀(5)이 시료광 측정을 행하기 위한 시료광 측정위치와 참조광 측정을 행하기 위한 참조광 측정위치에 이동자유로우며, 또한, 상기 빛을 차단하여 암흑광 측정을 행하기 위한 차단부재(6)가 상기 빛의 광로중에 진퇴자유로이 설치되어 있다.

상기 광원(1)은 예를 들면 할로겐 램프 등으로 이루어지는 연속 스펙트럼 광원이다.

상기 분광분석부(3)는 입사슬릿(入射slit)(7), 오목면경으로 이루어지는 콜리메이트경(collimate鏡)(8), 회절격자(9), 오목면경으로 이루어지는 카메라경 (10), 및 상기 다채널검출기(4)를 구비하고 있다.

상기 다채널검출기(4)는 분광된 각 파장의 빛을 검출하기 위한 것이다.

상기 시료셀(5)은 시료액이 수용되는 수용부(5a)를 가지고 있고, 이수용부(5a)의 전후에는 상기 광원(1)으로부터의 빛이 투과가능한 창(5b, 5c)이 설치되어 있다.

또한, 상기 시료셀(5)의 일부는 상기 차단부재(6)에 겸용되어 있고, 더욱이 시료셀(5)에는 동력전달수단(5d)이 설치되어 있다.

그리고 상기 차단부재(6)를 갖는 시료셀(5)은 구동수단(11)의 구동이 상기 동력전달수단(5d)을 통하여 전달됨으로써, 광원(1)으로부터의 빛의 광로에 대하여 진퇴하는 방향으로 이동하도록 구성되어 있고, 시료셀(5)은 시료광 측정을 행하기 위한 시료광 측정위치, 참조광 측정을 행하기 위한 참조광 측정위치, 및 차단부재(6)에 의해 빛을 차단하여 암흑광(暗黑光) 측정을 행하기 위한 암흑위치로 이동한다.

또한 상기 분광분석장치(A)에는 장치 전체를 제어하거나, 다채널검출기(4)로부터의 출력에 근거하여 농도계산 등을 행하는 연산제어부로서의 컴퓨터(도시생략)가 설치되어 있다.

도 2 (A), (B) 및 (C)는 각각, 상기 시료셀(5)이 시료광 측정위치, 암흑위치및 참조광 측정위치에 있을 때의 상태를 개략적으로 도시하는 설명도이다.

도 2(A)에 도시하는 바와 같이, 시료셀(5)이 시료광 측정위치에 있을 때, 광원(1)으로부터의 빛은 집속수단(2)을 거쳐 시료셀(5)의 창(5b), 수용부(5a) 및 창(5c)을 투과하여 측정광(S)으로 된 후, 입사슬릿(7) 상에 결상된다.

그리고, 입사슬릿(7) 상에서 결상된 측정광(S)은 콜리메이트경(8)에서 평행광 속으로 되고, 회절격자(9)에 어떤 각도로 입사하고, 파장(λ)과 회절차수에 맞는 회절각으로 회절되며, 카메라경(10)으로 향한다. 이 카메라경(10)에서 반사된 빛은 다채널검출기(4)에서 결상되고, 이것에 의해 측정광(S)에 근거한 참조 스펙트럼(I_R)(λ)이 얻어지고, 컴퓨터에 입력된다. 여기서 시료 스펙트럼(I)(λ)은 시료셀(5) 내의 시료의 광흡수에 근거한 것이다.

도 2(B)에 도시하는 바와 같이 시료셀(5)이 암흑광 측정위치에 있을 때, 광원(1)으로부터의 빛은 집속수단(2)을 거친 후, 차단부재(6)에 의해 차단되고, 분광분석부(3) 측으로 이송되는 일은 없으나, 다채널검출기(4) 및 앰프로부터 나오는 잡음에 의해 광학계와는 무관계인 암흑 스펙트럼(I_D)(λ)이 얻어지고 컴퓨터에 입력된다.

도 2(C)에 도시하는 바와 같이 시료셀(5)이 참조광 측정위치에 있을 때, 광원(1)으로부터의 빛은 집속수단(2)을 거쳐, 그대로 참조광(R)으로 되어 입사슬릿(7) 상에 결상된다.

그리고 입사슬릿(7) 상에서 결상된 참조광(R)은 콜리메이트경(8)에서 평행광속으로 되고, 회절격자(9)에 있는 각도로 입사하고, 파장(λ)과 회절차수에 맞는 회절각으로 회절되고, 카메라경(10)으로 향한다. 이 카메라경(10)에서 반사된 빛은 다채널검출기(4)에서 결상되고, 이것에 의해 참조광(R)에 근거하는 참조 스펙트럼(I_R)(λ)이 얻어져서 컴퓨터에 입력된다.

또한 상기와 같이 해서 행해지는 시료광 측정은, 예를 들면 수초에 1회의 빈도로 정기적으로 행해지고, 암흑광 측정(암흑광량의 모니터)은, 예를 들면 1시간에1회의 빈도로 정기적으로 행해지고, 참조광 측정은, 예를 들면 10분에 1회의 빈도로 정기적으로 행해진다.

이하에 본 발명의 분광분석장치(A)를 사용해서 시료에 의한 흡광도를 구하는 방법에 대하여 기술한다.

시료의 흡광도(Abs)(λ)는 일반적으로 하기식으로 표시된다.

(수학식 1)Abs(λ)=log₁₀[I₀(λ)/I_s(λ)]

여기서 I₀(λ)는 시료에의 입사량(스펙트럼), I_s(λ)는 시료로부터의 투과광량(스펙트럼)을 표시하고 있다.

그리고 본 발명의 경우 참조스펙트럼(I_R)(λ)은 도 2(C)에 도시하는 바와 같이 광로로부터 시료셀(5)을 완전히 제거하여 측정되기 때문에,

(수학식 2)I_R(λ)=I₀(λ)

로 되고, 상기의 수식(1) 및 (2)로부터

(수학식 3)Abs(λ)=log₁₀[I_R(λ)/I_s(λ)]

라는 수식이 얻어진다.

또 본 발명과 같이 다채널검출기(4)를 사용할 경우, 일반적으로 암전류치는채널마다 상이하다. 또 채널마다 별도의 앰프를 접속할 경우, 앰프마다 오프셋전압이 상이하다. 따라서 이들을 보정하는 것과 상기 암흑광량에 의한 오차를 없애는 것을 고려한 흡광도의 수식은,

(수학식 4)Abs(i)=log₁₀[{I_R(i)-I_D(i)}/{I_s(i)-I_D(i)}]

로 된다. 여기서 i는, 상기 다채널검출기(4)의 채널로서, 파장에 대응하는 것이다. 또 I_D(i)는 암흑광량(스펙트럼)이다.

상기 수식(4)으로 표시되는 흡광도는 시료셀(5)에 의한 흡광까지도 포함한 것으로, 시료만에 의한 흡광도를 구하는 수식은,

(수학식 5)Abs(i,t)=log₁₀[{I_R(i,t)-I_D(i,t)}/{I_s(i,t)-I_D(i,t)}]-log₁₀[{I_R(i)-I_D(i)}/{I_Air(i)-I_D(i)}]

로 된다. 여기서 우변 제 1 항은 시료 농도변화에 따라 경시변화하는 것이므로, 시간(t)의 파라미터로서 된다. 또 우변 제 2 항은 시료셀(5)에 의한 흡광을 보정하기 위한 항이고, 고정치이다. I_Air(i)는 시료셀(5)의 수용부(5a)내에 공기를 도입했을 때의 샘플광량이다.

상기와 같이 해서 얻어지는 흡광도(Abs)(i, t)를 적당한 데이터 처리수법에 의해 처리함으로써 시료의 농도를 얻을 수 있다.

상기 구성으로 이루어지는 분광분석장치(A)에서는 광원(1)으로부터 방사된 빛이 분광분석부(3)로 향하는 광로는 하나뿐이므로, 복수의 광로를 설치할 경우에 비하여 광원의 위치 어긋남이나 집광렌즈의 흐림이 미치는 영향이 각별히 적게 된다. 즉 이들의 영향은 상기 수식(1)∼(5)에 있어서 시료로의 입사광량 (스펙트럼)(I₀)(λ), 시료로부터의 투과광량(스펙트럼)(I_s)(λ), 참조 스펙트럼 (I_R)(λ), 암흑광량(스펙트럼)(I_D)(i) 및 샘플광량(I_Air)(i)에 균등하게 미치므로, 결과로서 거의 없어지게 되어 분광분석장치(A)는 신뢰성이 우수한 것으로 된다.

또 분광분석장치(A)는 상기 집속수단(2)을 하나만 준비하면 좋은 것과 광원(1)으로부터의 빛을 분광분석부(3)에 까지 유도하기 위한 구조가 비교적 간단한 것이므로, 저원가로 제작하는 것이 가능하다.

또한 분광분석장치(A)에는 광원(1)으로부터의 빛을 분광분석부(3)로 유도하기 위한 입사광학계에, 일반적으로 흐리기 쉬운 미러를 사용하고 있지 않은 것이므로, 미러반사율 저하에 의한 흡광도 어긋남이 문제로 되지 않는다.

또한, 상기 분광분석장치(A)에서는 암흑광량을 정기적으로 모니터하고 있으므로, 암흑광량의 검출기 채널 사이의 오차, 암흑광량의 경시변화, 앰프계의 검출기 채널 사이의 오차(검출기채널 개별로 앰프가 부착된 경우), 앰프계의 경시변화를 없앨 수 있다.

또한, 시료광 측정을 행할 경우에는, 광원(1)으로부터의 빛이 시료셀(5)의 창(5b, 5c)을 통과하도록 시료셀(5)을 배치하면 좋고, 참조광 측정을 행할 경우에는 시료셀(5) 및 차단부재(6)를 상기 광로로부터 퇴피시키면 좋고, 암흑광 측정을 행할 경우에는 차단부재(6)를 상기 광로 중에 배치하면 좋으므로, 상기 시료셀(5) 및 차단부재(6)를 정지시키는 위치에 적당한 폭을 갖게 할 수 있어, 그 제어에 높은 정밀도가 필요치 않다. 상기와 같으므로, 분광분석장치(A)는 보다 염가한 것으로 되고, 또한 보다 신뢰성이 우수한 것으로 된다.

또한 상기의 구성으로 이루어지는 분광분석장치(A)에서는 시료셀(5)의 일부를 차단부재(6)로서 겸용하는 등하여, 차단부재(6)가 시료셀(6)과 일체적으로 형성되어 있는 예를 표시했는데, 예를 들면 상기 시료셀(5)과 별체로 설치된 차단부재(6)가 시료셀(5)에 고정되어 있다고 해도 좋다. 이 경우, 차단부재(6)는 예를 들면 철 등의 금속제의 판 등으로 할 수 있다.

도 3은 본 발명의 제 2 실시예에 관한 분광분석장치(A₂)의 구성을 개략적으로 도시하는 설명도이다. 또한 상기 제 1 실시예에 표시한 것과 동일구조의 부재에 대해서는 동일부호를 붙이고, 그 설명을 생략한다.

분광분석장치(A₂)는 제 1 실시예의 분광분석장치(A)에 비하여 상기 시료셀(5)에 굴절율 보정부재(12)가 고정되어 있는 점에서 상이하다.

즉 상기 굴절율 보정부재(12)는 예를 들면 유리판이고, 도 3에 도시하는 바와 같이 상기 시료셀(5)의 측방에 고정된다. 그리고 시료셀(5)을 참조광 측정위치로 이동시키면, 광원(1)으로부터의 빛의 광로중에 상기 굴절율 보정부재(12)가 배치되도록 구성되어 있다. 또한 상기 굴절율 보정부재(12)의 시료셀(5)에 대한 고정위치는, 예를 들면 차단부재(6)가 시료셀(5)의 측방에 고정되어 있는 경우에는 차단부재(6)가 고정되어 있는 측과 반대측으로 하면 좋다. 물론 상기 시료셀(5), 차단부재(6) 및 굴절율 보정부재(12)의 늘어서기 방법에는 제한이 없고, 어떠한 늘어서기 방법으로 해도 좋다.

도 3(A) 및 (B)에 도시하는 바와 같이 시료셀(5)이 시료광 측정위치 및 암흑광 측정위치에 있는 경우에는, 상기 굴절율 보정부재(12)는 상기 광로 중으로부터 퇴피한 위치에 있고, 시료광 측정 및 암흑광 측정에 영향을 주지 않는다.

그리고 도 3(C)에 도시하는 바와 같이 시료셀(5)이 참조광 측정위치에 있을 때, 광원(1)으로부터의 빛은 집속수단(2)을 거친 후 굴절율 보정부재(12)를 투과하여 참조광(R)으로 되어 입사슬릿(7) 상에 결상되고, 그 후 분광분석부(3)에서 분광분석된다. 또한 상기 분광분석부(3)에 도달한 후의 처리의 상세에 대하여는 제 1 실시예와 동일하므로 그 설명을 생략한다.

상기 제 1 실시예의 분광분석장치(A)에서는 시료셀(5)이 참조광 측정위치에 있을 때에 얻어지는 참조 스펙트럼에, 시료셀(5)의 유무에 의한 굴절율의 차이에 근거한 약간의 오차가 생길 우려가 있는데, 상기 제 2 실시예의 분광분석장치(A₂)에서는 상기 시료셀(5)이 참조광 측정위치에 있을 때에는, 광원(1)으로부터의 빛의 광로 중에 굴절율 보정부재(12)가 배치되도록 구성되어 있어, 이것에 의해 시료셀(5)의 유무에 의한 굴절율의 차이에 근거하는 오차가 없어지게 되므로, 신뢰성의 그 이상의 향상을 도모하는 것이 가능하게 되어 있다.

상기 제 1 및 제 2 실시예의 분광분석장치에서는 시료셀(5)이 시료광 측정위치, 참조광 측정위치, 및 암흑광 측정위치 3개의 위치로 이동하도록 구성되어 있는데, 이와 같은 구성을 대신하여 상기 차단부재(6)를 시료셀(5)과는 별도로 설치하고, 또한 시료셀(5)을 시료광 측정위치 및 참조광 측정위치의 2개의 위치에게만 이동하도록 하여서, 시료광 측정 및 참조광 측정을 행할 경우에는 상기 차단부재(6)를 상기 광로로부터 퇴피시킨 상태로 유지하면서 시료셀(5)을 시료광 측정위치 및 참조광 측정위치로 이동시켜, 암흑광 측정을 행할 경우에는 상기 차단부재(6)를 상기 광로 중에 배치하도록 해도 좋다.

또한, 상기한 바와 같이, 상기 차단부재(6)를 시료셀(5)과 별도로 설치해도 좋은 것은 물론이고, 상기 굴절율 보정부재(12)를 시료셀(5)과 별도로 설치해도 좋다.

이상 설명한 바와 같이, 상기 구성으로 이루어지는 본 발명에 의하면, 신뢰성의 향상을 도모할 수 있고, 저원가로 제작가능한 분광분석장치를 제공하는 것이 가능하다.

Claims (4)

1. 광원과, 이 광원으로부터의 빛을 집속하기 위한 집속수단과, 다채널검출기를 포함하고 상기 광원으로부터의 빛을 분광분석하는 분광분석부와, 상기 집속수단과 분광분석부 사이에 배치되는 시료셀을 구비하고, 상기 시료셀이 시료광 측정을 행하기 위한 시료광 측정위치와, 참조광 측정을 행하기 위한 참조광 측정위치로 이동자유로우며, 또한 상기 빛을 차단하여 암흑광 측정을 행하기 위한 차단부재를 상기 빛의 광로중에 진퇴자유로이 설치하고 있는 것을 특징으로 하는 분광분석장치.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 암흑광 측정을 정기적으로 행하는 것을 특징으로 하는 분광분석장치.
3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 차단부재가, 시료셀에 고정되어 있거나 또는 시료셀과 일체적으로 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 분광분석장치.
4. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 시료셀이 참조광 측정위치에 있을 때에는 상기 빛의 광로중에 굴절율 보정부재가 배치되는 것을 특징으로 하는 분광분석장치.