JP2008116314A - 微少量液体測定装置 - Google Patents

Abstract

【課題】高濃度の液体試料の光学的分析を可能としつつ、従来よりも簡潔な構成で且つ製品歩留まりを良くすることができる微少量液体測定装置を提供する。
【解決手段】本発明の微少量液体測定装置は、液体試料を測定するための測定光を出射する光源と、光源から出射された光を導光する第１光ファイバと、第１光ファイバと同一光軸上に配置され、第１光ファイバの端面と対向するように配置される第２光ファイバと、第２光ファイバの他端に接続される光学処理手段とを少なくとも備え、第１光ファイバと第２光ファイバの間隔は測定すべき液体試料を滴下させたときにこの液体試料が表面張力により球状を保持する程度の間隔を有することを特徴とする。
【選択図】図２

Description

本発明は、微少量の液体試料の成分や濃度を測定するための微少量液体測定装置に関する。

従来より液体試料を光学的に分析、測定する液体試料測定装置として角型や円筒型の光学セルを用いた測定方法が一般的に知られている。この方法は、被測定試料（液体試料）を角型セルに注入して測定光をセルのある一の面から入射させて、この光が液体試料を通過して他のセル面から出力したところを受光素子で受光して、その光のスペクトルの変化や吸光度を測定することによって液体試料中の成分や濃度を測定するものである。

ところで、こうした液体試料の成分や濃度の分析において、近年は液滴程度の極微量の液体試料に含まれる成分や濃度についての分析の要求が高まっている。しかし従来の吸光光度分析器等に用いられる測定用のセルは一定量以上の試料を必要とするため、こうした液滴程度の極微量の試料を測定することが出来ないという問題がある。

本発明は、上記問題を鑑みてなされたもので、極微量の液体試料に含まれる成分や濃度の分析を簡便な方法で行うことのできる微少量の液体試料測定装置の提供を目的とするものである。

上記課題を解決するために、請求項１記載の本発明は、一対の光ファイバの端面を対向させて同軸上に固定配置するための一対のＶ溝と、一対のＶ溝間に微少量の液滴を保持するための円形の開口部とが設けられた液体試料ホルダと、一対のＶ溝間に設けられた円形の開口部を介して、端面を対向させて同軸上に固定配置された一対の光ファイバとを備え、光ファイバの一方の端面より前記円形の開口部に保持された液滴に測定光を入射させ、液滴を透過した光を光ファイバの他方の端面で受光して光学処理手段に送り、液滴の成分や濃度を測定することを要旨とする。
請求項２記載の本発明は、請求項１記載の微少量液体測定装置であって、一対のＶ溝間に設けられた円形の開口部が、貫通した円筒状の孔であることを要旨とする。

請求項３記載の本発明は、一対の光ファイバの光軸に対し、垂直方向から液滴の成分を励起するための励起光を出射する励起光出力手段を備え、励起光出力手段によって励起された光を一対の光ファイバで受光して光学処理手段に送り、液滴の成分や濃度を測定することを要旨する。

請求項４記載の本発明は、一対の光ファイバの端面を対向させて同軸上に固定配置するための一対のＶ溝と、一対のＶ溝間に液滴を保持することのできる程度の間隔を設けて、端面を対向させて同軸上に固定配置された一対の光ファイバとを備え、光ファイバの一方の端面より、一対のＶ溝間に端面を対向させて配置された一対の光ファイバの端面間に保持された液滴に測定光を入射させ、液滴を透過した光を光ファイバの他方の端面で受光して光学処理手段に送り、液滴の成分や濃度を測定することを要旨とする。

本発明によれば、極微量の液滴程度の液体試料であっても、その液体中に含まれる成分や濃度を測定することができるので、生体試料のように多量の試料を採取することが困難な場合でもその成分や濃度を測定することができる。

また、測定に必要な試料量が少なくてよいことから、測定後の試料の廃棄処理などにおいても問題を発生することが少ない。

以下、本発明を実施するための最良の形態を図面を参照して説明する。

図１は、本発明に係る微少量液体測定装置の全体構成図であり、図２は、微少量液体測定装置の測定経路に設けられる液体試料の測定部分を拡大した拡大透視図である。

図１に示すように、この微少量液体測定装置は、光源１３と、光源１３から出射された光を導光する第１光ファイバ１０と、第１光ファイバ１０と同一光軸上に設けられる第２光ファイバ１１と、第２光ファイバ１１の他端に接続される分光器１４で少なくとも構成されている。

ここで光源１３は、測定する液体試料の特性により適宜選択されるものであり、可視光又は近赤外を出力する光源を用いる。本実施の形態においては具体的に白色ＬＥＤを用いるが、ハロゲンランプ、広帯域レーザー、蛍光などの広帯域光源であれば適応できる。

第１及び第２光ファイバ１０及び１１としては、石英系光ファイバやプラスチップ光ファイバなどが挙げられるが、本実施の形態においては可搬性や曲げ耐久性の高いプラスチッククラッド石英コアファイバを用いる。

第１光ファイバ１０と第２光ファイバ１１の間は、測定すべき液体試料を滴下させたときに当該液体試料が表面張力により球状を保持する程度の間隔が設けられている。

分光器１４は、光源１３から出力されて液体試料を透過した光の波長をスペクトル分析する機能を備えているものを用いる。この分光器１４は、分光機能の他にデータ蓄積機能、データ解析機能（プログラム）、解析結果表示機能（ディスプレイ）などを備えている。本実施の形態においては、透過光を検出する受光素子として測定波長範囲が３５０〜１０５０ｎｍのＣＣＤリニアセンサーと、このセンサーで検出した光を０．３〜１０．０ｎｍの波長分解能（この分解能は開口径に依存する）で処理することができる解析機能を備えたパーソナルコンピュータ（ＰＣ）を用いている。

このような構成を有する微少量液体測定装置で測定を行う場合は、まず第１光ファイバ１０と第２光ファイバ１１の間に液体試料をスポイト等で１滴分静かに滴下し、液体試料の表面張力により球状態で保持させる。この状態で光源１３から測定光の出力を開始する。この光は第１光ファイバ内を導光し、液滴試料に達すると一部が吸収されて残りの光が第２光ファイバ内に入射してファイバ内を導光することで分光器１４に到達する。分光器１４で受光された光はデータ解析プログラムにより成分分析や濃度検出等の処理が施される。

図３は上記微少量液体測定装置の変形例である。この微少量液体測定装置は、（１）特定波長を吸収すると蛍光を発する液体試料を予め第１光ファイバと第２光ファイバの間に滴下により保持させておくこと、（２）この液滴に照射する励起光出力手段を設ける（図示せず）こと、（３）第１及び第２光ファイバの出力端に分光器１４を接続することが、前述の図１及び２に示した微少量液体測定装置と構成が異なる。

この微少量液体測定装置で測定を行う場合は、第１光ファイバと第２光ファイバの間に液体試料を球形状で保持させた状態で、励起光出力手段から液体試料に対して励起光を照射し、この照射により発生した液体試料からの蛍光を第１及び第２光ファイバ１０及び１１内に導光させて分光器１４に導き、分光器１４で蛍光スペクトル解析を行うものである。

ここで、上述した微少量液体測定装置の第１及び第２光ファイバ１０及び１１の間は、図４に示すように固定板１２に固定するようにしても良い。この固定板１２は予め光ファイバの移動を防止するためのＶ溝１２ａが設けられていると共に、液体試料を滴下したときに球形状を保持するための液留め部が設けられている。この固定板１２に第１及び第２光ファイバ１０及び１１を固定させると図５に示すような構成となる。更に液体試料を滴下させると図６に示すような構成となる。このように固定板１２を設けることにより第１及び第２光ファイバ１０及び１１を固定できるので測定精度を安定させることができ、また液留め１２ｂを設けることで液体試料の球形状を維持させることができる。

次に図７に、対向配置された２本の光ファイバ間隔の変化に対する強度依存性を測定した結果を示す。この測定グラフにおいて横軸は距離（μｍ）を示し、縦軸は吸収強度を示している。なお、本測定においては、第１光ファイバ１０と第２光ファイバ１１として直径１ｍｍ（φ１ｍｍ）のプラスチップクラッド石英コアファイバを用いた。

本測定では、何も滴下しない状態、すなわち空気の測定をリファレンスとし（▲印）、水を測定した結果（◆印）と比較した。その結果、水を測定した場合の方が全体的に強度が高くなることが示された。また強度は離間距離にあまり依存しないことが示された。そこで以下の測定では装置製造の作業性を考慮して離間距離を５００μｍとして実験を行った。

図８に、液体試料としてローダミンを用い、光ファイバの離間距離に対する強度依存性を測定した結果を示す。本測定では、ローダミン０．０４ｍｍｏｌ（■印）、ローダミン０．１ｍｍｏｌ（◆印）、ローダミン１ｍｍｏｌ（▲印）、水（●印）を用いた。

その結果、離間間隔が大きくなるほど強度が低下することが示された。また図８の水の強度をリファレンスに取り上記各ローダミンの吸光度を測定したところ図９に示すような透過率が得られた。この結果から各溶液に相関関係があることが見出せる。

図１の微少量液体測定装置を用いてローダミン吸収測定を行った。その結果を図１０に示す。この測定グラフにおいて、横軸は波長（ｎｍ）を示し、縦軸は吸収強度を示している。光源として白色ＬＥＤを用い、液体試料としては、ローダミン１ｍｍｏｌを用いた。また、比較例として空気と水の場合と同条件で測定を行った。また第１光ファイバ１０と第２光ファイバ１１として直径０．５ｍｍ（φ０．５ｍｍ）のプラスチック光ファイバを用いて測定を行った。

同図において、グラフ（１）は空気、グラフ（２）は水、グラフ（３）はローダミン１ｍｍｏｌの場合の結果を示したものである。グラフから分かるように、５００〜６００ｎｍに大きな吸収があることが分かる。

次に図３の微少量液体測定装置を用いて液体試料を励起光を用いて励起させ、発生した蛍光スペクトルを測定する実験を行った。励起光源としてピーク波長が５２５ｎｍの緑色ＬＥＤを用いて測定を行った。その結果を図１１に示す。これによれば、５２５ｎｍ帯に小さなスペクトルの出現が確認できたが、それ以上に励起により発生した６００ｎｍ帯のスペクトルが明確に確認できた。これにより図３に示した微少量液体測定装置を用いて蛍光スペクトルの測定が可能であることが示された。

次に、直径１．０ｍｍ（φ１．０ｍｍ）のプラスチック光ファイバを用いて、２本の光ファイバの離間距離を変化させた場合の強度依存性を測定した。図１２は、測定に用いたローダミンの蛍光スペクトルを示したグラフであり、濃度１ｍｍｏｌ、離間距離０．５ｍｍで測定した場合の結果である。このローダミンを用いて離間距離を段階的に変化した実験結果を図１３に示す。同図に示すように、離間距離が０．３ｍｍ以下では間隔が狭すぎるために励起光が液体試料全体に照射されず十分な蛍光強度が得られなかったが、離間距離が広くなるに従い強い蛍光が検出された。特に０．３ｍｍから０．４ｍｍに変化する位置で強度が急激に変化しており、０．４ｍｍ以降で励起光がほとんど検出されなくなっており、０．４ｍｍ以降で励起光は殆ど外部に放射され、蛍光のみが検出していることが示された。

以上の結果から、本発明によれば、図１及び図３に示したような非常に簡単な構成で微少量の液体試料を測定することができることが示された。この構成によれば特に濃度の高い液体試料を測定する場合に有効である。

また、上記の通り簡単な構成で且つ特殊加工を必要としないことから部品コスト及び製造コストを抑制することができるので、その結果、歩留まりを良くすることができる。

本発明の実施の形態に係る微少量液体測定装置の全体構成図である。 微少量液体測定装置の測定経路に設けられる液体試料の測定部分を拡大した拡大透視図である。 本発明の微少量液体測定装置の変形例を示す図である。 第１及び第２光ファイバを固定させる固定板１２の構成を示す図である。 固定板１２に第１及び第２光ファイバを配置させた状態を示す図である。 第１及び第２光ファイバ間に液体試料を滴下させた状態を示す図である。 第１及び第２光ファイバ間の離間距離を変化させた場合の強度変化を測定した結果を示すグラフである。 異なる濃度の液体試料（ローダミン）を用いて、第１及び第２光ファイバ間の離間距離を変化させた場合の強度変化を測定した結果を示すグラフである。 図８の結果に基づいて算出した透過率の結果を示すグラフである。 液体試料として水、空気、液体試料（ローダミン）を用い、波長に対する強度依存性を測定した結果を示すグラフである。 プラスチック光ファイバ（直径０．５ｍｍ）を用い、波長に対する強度依存性を測定した結果を示すグラフである。 対向する光ファイバの離間距離を０．５ｍｍと設定し、波長に対する強度依存性を測定した結果を示すグラフである。 励起光として緑色ＬＥＤを用い、離間距離に対する強度依存性を測定した結果を示すグラフである。

符号の説明

１０…第１光ファイバ
１１…第２光ファイバ
１２…固定板
１２ａ…Ｖ溝
１２ｂ…液留め
１３…光源
１４…分光器

Claims (4)

1. 一対の光ファイバの端面を対向させて同軸上に固定配置するための一対のＶ溝と、前記一対のＶ溝間に微少量の液滴を保持するための円形の開口部とが設けられた液体試料ホルダと、
   前記一対のＶ溝間に設けられた前記円形の開口部を介して、端面を対向させて同軸上に固定配置された前記一対の光ファイバとを備え、
   前記光ファイバの一方の端面より前記円形の開口部に保持された前記液滴に測定光を入射させ、前記液滴を透過した光を前記光ファイバの他方の端面で受光して光学処理手段に送り、前記液滴の成分や濃度を測定することを特徴とする微少量液体測定装置。
2. 前記一対のＶ溝間に設けられた前記円形の開口部が、貫通した円筒状の孔であることを特徴とする請求項１記載の微少量液体測定装置。
3. 前記一対の光ファイバの光軸に対し、垂直方向から前記液滴の成分を励起するための励起光を出射する励起光出力手段を備え、
   前記励起光出力手段によって励起された光を前記一対の光ファイバで受光して光学処理手段に送り、前記液滴の成分や濃度を測定することを特徴する微少量液体測定装置。
4. 一対の光ファイバの端面を対向させて同軸上に固定配置するための一対のＶ溝と、
   前記一対のＶ溝間に液滴を保持することのできる程度の間隔を設けて、端面を対向させて同軸上に固定配置された前記一対の光ファイバとを備え、
   前記光ファイバの一方の端面より、前記一対のＶ溝間に端面を対向させて配置された前記一対の光ファイバの端面間に保持された前記液滴に測定光を入射させ、前記液滴を透過した光を前記光ファイバの他方の端面で受光して光学処理手段に送り、前記液滴の成分や濃度を測定することを特徴とする微少量液体測定装置。

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