JP2008522171A - 分光光度計 - Google Patents

Abstract

【課題】分光光度計を提供する。
【解決手段】分光光度計（２）は、サンプルホルダー（４）内のサンプルに向けて複数の波長の放射を発するように配置された、放射の好ましくは光放射の源（６）と、サンプルとのその相互作用後に放射を検出するための検出配置８とを備えている。サンプルホルダー（４）は、サンプルを通る発せられた放射のために複数の異なる経路長を提供するのに合している。演算ユニット（１０；１０ｂ）は、検出装置（８）からの出力に左右される強度を受け取るように操作可能に連結されており、二つの経路長のおのおのにおいて複数の異なる経路長の二以上の経路長においてその波長にインデックスが付けられた、検出された発せられた放射の強度値を格納し、かつインデックスが付けられた強度値の比に依存する値を計算し、それによって、関心のある物質の存在の反応に適合している
【選択図】

Description

本発明は分光光度計に関する。

試験サンプル物質、特に溶液中の関心のある物質の定量的および／または定性的な測定のために分光光度計を提供することは周知である。そのような分光光度計は、電気磁気エネルギーを、典型的には光学エネルギーを、一以上の規定波長において、セルやキュベットなどのサンプルホルダー中に保持された試験サンプルとの相互作用の後に検出する。この分光光度計デバイスは、周知な透過か反射か透過反射モードの一以上で作動するように構成されてよく、たとえば、分散要素モノクロメーターを備えていてよく、たとえば、フーリエ変換干渉計などの干渉計として構成されてよい。

サンプルホルダーが可変内部光路長を有する光学分光光度計を提供することもまた、たとえば米国特許第５，６０２，６４７号から周知である。その内容は参照によってここに組み込まれる。この分光光度計では、経路長は、検出された特定の波長の強度を最適化するために変えられる。分光光度計は、ピーク強度位置における透過した光学的放射の強度と光路長の値とに基づいて定量的および／または定性的な測定を行なうように構成されている。
米国特許第５，６０２，６４７号

既知の分光光度計では、ランダムな一時的な強度ドリフトが問題である。これは、たとえば、サンプルや機器の温度の変動や、環境の相対湿度の変動、検出器感度の変動などの不安定な運転条件によって引き起こされうる。この問題の解決策として、一定の運転時間間隔で分光光度計のいわゆる「ゼロ設定」を行なうことが周知である。ゼロ設定のあいだ、試水などの較正サンプルが試験サンプルの代わりに用いられる。較正サンプルとの相互作用後に検出器に達する光の強さ（Ｉ_Ｗλ）が、関心のあるスペクトル領域にわたってモニターされる。次に、この強度はそのスペクトル領域にわたって波長依存ゼロレベルを提供するために使用される。次に、試験サンプルとの相互作用後の受光強度（Ｉ_Ｓλ）が、同じ波長（λ）における較正サンプル光強度（Ｉ_Ｗλ）で割られる。このように、システム影響がすべて除去され、それらの影響が較正サンプルと試験サンプルの両方に本質的に同じであると見なされる強度関連透過値（Ｔ_λ）が取得されうる。この動作は、分光光度計に付随する演算ユニット内において回答されるべき次の方程式によって表現されうる。

Ｔ_λは、試験サンプルからの光の強さの較正サンプルからのそれからの偏差の大きさと見なすことができることがわかるであろう。

これは、試験サンプル内の関心のある物質が、較正サンプルが強い吸収性を示す領域に吸収帯を有し、物質のあらゆる測定の精度が悪影響を受けるという問題を提起する。

さらなる問題は、より正確に測定を行なうために、放射に対する経路長が、較正サンプルと試験サンプルの両方にとって、十分の数マイクロメートル以内で、同じでなければならないということである。これは、特にサンプルを保持しているキュベットやセルがサンプリング間の洗浄のために開けられるように構成されている場合や、較正サンプルと試験サンプルに対して異なるホルダーが使用される場合には、達成することが難しい。

さらに、ゼロ設定は強度ドリフトが無視できる期間のあいだ有効なだけである。したがって、時間の浪費ではあるが、ゼロ設定較正を頻繁に実行しなければならないか、分光光度計内の温度と湿度の一方または両方をコントロールするために、高価ではあるが、環境安定化素子を設けなければならない。

上述の問題と不具合の少なくともいくつかを緩和することが本発明のねらいである。

したがって、本発明の第一の観点は、本請求項１に記述されそれによって特徴づけられるような分光光度計を提供する。同一波長の検出された光の強度を、それらが同一サンプルを通る二つの異なる経路を通過した後に分割することによって、強度に関連する不安定さが除去される。したがって較正サンプルを使用するゼロ設定を簡単かつ効果的に回避することができる。

好都合なことに、試験サンプルと較正サンプルは、それらの不安定さを除去するために、交換する必要がないので、計算ユニットは、ユーザーに一般に受け入れられるよりも多くの一定間隔をおいて、好ましくは各試験サンプルについて、そのような比計算を実施するように構成されてよい。このように、有効なゼロ設定間の時間は、可能な環境変動に一般に関連する時定数よりもはるかに少なく、高価な安定化素子は分光計装置から省略されてもよい。

さらに、新しいサンプルがサンプルホルダーに導入されるごとに、計算ユニットが前記比計算を行なうように準備することにより、サンプルを交換するためのキュベットの開閉とともに、またはホルダーの内部に入り込むほこりやほかの残さによって生じるかもしれないなど、サンプルを通る光路長中に任意の計画されていない変化が調節される。

本発明の第二の観点によれば、本発明の第一の観点による分光光度計によって試験サンプル内の関心のある物質の定量的および定性的な反応の一方または両方を決定する方法が提供される。分光光度計に関連する利点は、したがって現在の方法に本質的である。

いま本発明の実施形態について、添付の図面を参照しつつ説明する。

いま図１に示された分光光度計２の第一の代表的な実施形態を考える。分光光度計２はサンプルホルダー４と多色光源６と検出装置８と演算ユニット１０とアクチュエーター１２とを備えている。本例では、源６とセル４と検出装置８は、使用される源６からの光が光軸１４に沿って進行し、検出装置８によって検出される前にセル４の対向面４ａ，４ｂを透過するように相対的に配置されている。焦点光学素子１６は、ここでは一対のレンズとして示されるが、源６からサンプルホルダー４を通って検出装置８に所望の光ビーム形状を形成するように既知の手法によって設けられ使用されてよい。

本実施形態のサンプルホルダー４は、互いに相対移動可能な全体または一部が透光物質で形成された光軸１４に沿った方向の対向面４ａ，４ｂを有するように構成されている。アクチュエーター１２は、対向面４ａ，４ｂの一方または両方に、（図中に双頭矢印によって示されるように）それらの相対的な分離つまりサンプルセル４を通る光路長を変更するようにそれに力を働かせるために操作可能に連結されている。ここで多色光源６は、関心のある特定の波長をすべて同時に生成し発するように構成されている。これを補足するため、ここで検出装置８は、分光計８ａと関連した光検出器８ｂとで構成されている。これらの素子８ａ，８ｂは互いに、サンプルセル４内のサンプル物質の波長依存透過スペクトルを生成できるように既知の手法によって構成されている。

演算ユニット１０は、光検出器８ｂの出力と、本例ではまたアクチュエーター１２に、操作可能に連結されている。演算ユニット１０は、二つの面４ａ，４ｂの複数の好ましくは最小の二つの異なる分離において、そのように生成された透過スペクトルを受け取り好ましくは格納するように構成されている。ユニット１０は、アクチュエーター１２からの出力によって示されるような対応する分離はもちろん両方のスペクトルも格納するように構成されていてよく、本実施形態で示した単一機能ユニット１０ではなく、複数の分離しているが相互に連結しているユニットを備えていてもよい。

動作では、本実施形態の演算ユニット１０は、セル壁４ａ，４ｂの第一の分離に対応する検出装置８からのスペクトルのデータを記録する。次に、アクチュエーター１２はセル壁４ａ，４ｂ間の分離を変更するように操作され、演算ユニット１０は、セル壁４ａ，４ｂ間の第二の異なる分離に対応する検出装置８からのスペクトルのデータを記録する。このように、波長にインデックスが付けられた、サンプル物質を透過する多色源６からの光の強度値が、サンプル物質を通る少なくとも二つの異なる光路について演算ユニット１０に利用可能である。演算ユニット１０は、二つの異なる経路長のおのおのに対する同一波長におけるこのような取得強度値の比の計算に基づいてサンプル物質内の関心のある物質の存在の定量的または定性的な測定を行なうように構成されている。ユニット１０はさらに、そのように行なわれた測定の反応を次に出力するように構成されている。これは、たとえば、関心のある物質のｑｕａｎｔａｔｉｖｅな測定の形態であってもよく、または、たとえば、サンプル内の関心のある物質の存在の定性的な反応であってもよい。

より明確に、計算ユニット１０は測定を実行する際に次の方程式によって要約される方法を使用するように構成されている。

吸収係数ａ_λ（サンプルとホルダーの両方の吸収係数を含んでいる）を有し、関心のある物質の濃度Ｃを含んでいるサンプルを通る経路長ｂ_１を通過した後の波長λの光の強度（Ｉ_１λ）は既知の方程式によって表現されうる。

ここでＩ_０λは、ホルダー４の面４ａに入射する波長λの光の強度である。

同様に、より短い経路長ｂ_２については、同一波長λにおいて検出器８ｂによって受け取られる強度は次のように表現されうる。

方程式（１）を思い起こせば、サンプルの（いま空気に対して有効な）ゼロ設定は次のように表現されうる。

または、波長依存吸収度Ａ_λは次のように表現されうる。

したがって、ほとんどの単純な構成では、演算ユニット１０は、方程式（５）から、二つの経路長ｂ_１とｂ_２（少なくともそれらの差）についての情報と、関連する検出強度Ｉ_１λとＩ_２λと、関心のある波長λにおける吸収係数ａ_λの値とからの濃度Ｃを決定するように構成されてよい。

しかしながら、より一般的には、計量化学の科学は、一般に既知の手法でその問題に適用されてよく、それによって、吸収度Ａ_λの相関を確立する較正アルゴリズムを生成するために、関心のある物質の濃度Ｃに多変量統計解析が使用される。よく知られているように、これは濃度と関心のありそうな物質の全種類を測るために好ましくは選択される１セットの「トレーニング」または較正サンプルの使用を含んでいる。本発明は新しく、各較正サンプルについてスペクトルが順番に取得され、もっともらしい光路差（ｂ_１−ｂ_２）も測定される。これらのスペクトルから、波長によって分光データに依存する光路長と関心のある物質の数量化された存在とをリンクする較正方程式またはアルゴリズムが確立される。この手法では、演算ユニット１０が特定の一以上の関心のある物質に関する予測を得るために、実際の光路や路程差を知っている必要がないことがわかるであろう。

図２は、本発明による分光光度計１８の第二の実施形態を示している。ここで、多色光源２０は、光軸１４に沿ってサンプルホルダー２２に向けて関心のある特定の波長の光を連続的に発するように既知の手法で調整可能である。光源２０は、たとえば、既知の波長を出力するように調整可能である既知のレーザーダイオード装置から構成されてよいし、発光のために多色入射光ビームから既知の波長を選択するように調整可能であるフィルター素子や（格子モノクロメーター中などに）分散素子を有していてよい。

検出装置２４は、サンプルホルダー２２内のサンプル物質の透過後に源２０からの光を集めるために配置されている。検出装置２４は、集めた光の強度を示す演算ユニット１０に出力を提供するように構成されている。

さらにまたは代わりに、出力は、たとえば遠隔中央設備において、たとえばインターネットやほかの通信ネットワークを通じて、分光光度計１８の外に配置された演算ユニット１０ｂへの前方への通信のための送信機ユニット２６に提供されてよく、また、複数の連結された同様の分光光度計からの情報を処理可能であってよい。演算ユニット１０ｂは単純に分光光度計１８のすぐ近くに配置された標準パーソナルコンピュータの素子であってよく、また通信はワイヤーリンクを介してもよいことがわかるであろう。

サンプルホルダー２２は、本例では、直角三角形断面の透明なセルで構成され、源２０から発せられた光がセル２２の第一の面２２ａに入射する位置に依存する複数の異なる光路を提供するように配置されている。光学素子２８は、本実施形態では、源２０によって初めに発せられたビームよりもはるかに大きい横断面積を有するセル２２の第一の面２２ａにコリメート光ビームを生成するために設けられている。

検出装置２４は、セル２２内に保持されたサンプル物質との相互作用の後に光が透過するセル２２の斜辺である第二の面２２ｂと平行に配置された検出面３０を有している。この装置では、セル２２の外側において光が通る光路は、検出面３０上のどこで検出されるかに関係なく同じである。検出面３０は、本実施形態では、強度信号に敏感な微分可能位置を生成するのに適合しており、たとえば二以上の分離した検出素子２４ａ，２４ｂのリニアアレイから構成されている。この構成では、検出装置２４からの出力は、好都合なことに演算ユニット１０（またことによると１０ｂ）に複数（ここでは二つ）の光路長からの光の強度の値を同時に微分可能な手法で提供することができる。

演算ユニット１０（またことによると１０ｂ）は検出装置２４から出力と、本実施形態では、発光波長λを示している源２０から出力とを受け取り、この手法で少なくとも二つの異なる光路長に同時に波長インデックスを付けた強度値へのアクセスが提供されている。これらの値は後の処理のために格納されてよいし、上記の方程式にしたがって、セル２２中のサンプル内の関心のある物質の存在を示す出力を提供するために図１の演算ユニット１０の動作に関する上記の手法で実時間で処理されてよい。

二つを超える検出素子２４ａ，ｂ，…が設けられた実施形態では、次に、演算ユニット１０，１０ｂは、好都合なことに、上記の方程式（５）を使用して、（異なる対の検出素子２４ａ，ｂ，…に対応する）異なる対の経路長において得られる強度値から、同じサンプル中の関心のある物質を示す複数の値を引き出すように構成されてよい。これらのそのように引き出された複数の値は、単純に組み合わされて、関心のある物質の存在を定量的に示す平均値を提供してもよいし、そのような定量的反応を提供するために各値に適当な重み付けをするなどによって組み合わされてもよい。

図１による実施形態は、単純にアクチュエーター１２を、スペクトルが演算ユニット１０によって記録され格納されるべきである二つの面４ａ，４ｂの三以上の異なる分離を提供するように動作させるように構成することによって、そのような多数の反応を提供するように構成されてもよいことがわかるであろう。

図２の分光光度計１８の代替構成では、セル２２が、入射光ビームの進行方向に垂直な平面内での（すなわち光軸１４に沿った）移動のための支持体３２に取り付けられる。この移動は図中に双頭の矢印によって示されている。スクリューアクチュエーターなどのアクチュエーター３４（破線作図）は、セル２２を移動させるように操作可能に連結されている。この構成は、光源２０によって発せられたビームに対するセル２２の移動が、セル２２を通る異なる光路長に入射ビームに同一点に連続的に示させるものである。コリメーティングレンズ２８は省略されてよく、検出装置２４は微分可能位置敏感強度信号を供給するように構成する必要はない。もちろん、類似の効果は、セル２２の移動と関連してまたは代わりとして、光源２０と検出装置２４の一方または両方の適当な移動によって達成されてもよい。

サンプルホルダー４；２２は、請求する本発明から逸脱することなく、既知のフーリエ変換赤外（ＦＴＩＲ）分光光度計装置のアームの光路中など、ほかの分光光度計装置に組み込まれてもよいことが当業者にはわかるであろう。

さらに、試験サンプルとの相互作用が上記の方程式（１）〜（５）によって記述される限りにおいて、光学波長領域（紫外部ないし赤外線）以外の波長領域の放射が使用されてよいことがわかるであろう。

本発明による分光光度計の第一の実施形態を概略的に示している。 本発明による分光光度計の第二の実施形態を概略的に示している。

Claims (8)

1. 源から発せられた一以上の波長の放射に複数の異なる経路長を内部に提供するのに適合したサンプルホルダー（４；２２）と、発せられた放射の波長依存強度をそれが複数の経路長の一つを通過した後に検出するとともにそれを示す出力を提供するための検出装置（８；２４）と、出力を受け取るとともにそこからサンプル内の関心のある物質の定量的および定性的な反応の一方または両方を生成するように操作可能に連結された演算ユニット（１０；１０ｂ）とを備えている分光光度計（２；１８）において、前記演算ユニット（１０；１０ｂ）は、前記一以上の発せられた波長の同一物に対して前記複数の異なる経路長の二つの経路長において受け取られる出力の比に依存する値を計算するとともにそれから前記定量的および前記定性的な反応の一方または両方を生成することに適合していることを特徴とする。
2. 請求項１で請求されるような分光光度計（２）において、前記サンプルホルダー（４）が前記複数の経路長を提供するように相対的に移動可能な二つの対向面（４ａ，４ｂ）が設けられたセルを備えており、また、前記二つの対向面（４ａ，４ｂ）の相対的な移動を達成するためにそれに力を前記セル（４）と協働して働かせるうるアクチュエーター（１２）がさらに設けられていることを特徴とする。
3. 請求項１で請求されるような分光光度計（１８）において、前記サンプルホルダー（２２）には、その少なくとも一つが発せられた放射の進行の方向と平行な軸（１４）に対して傾斜角を形成する二つの対向面（２２ａ，２２ｂ）が設けられていることを特徴とする。
4. 請求項３で請求されるような分光光度計（１８）において、サンプルホルダー（２２）に操作可能に接続されていて前記軸（１４）に垂直な方向にその並進運動を達成するアクチュエーター（３４）がさらに設けられていることを特徴とする。
5. 上記請求項のいずれかで請求されるような分光光度計（２；１８）において、サンプルホルダー（４；２２）と検出装置（８；２４）が相互に透過型分光光度装置に構成されていることを特徴とする。
6. 分光光度計（２；１８）によって試験サンプル内の関心のある物質の定量的および定性的な反応の一方または両方を決定する方法であり、
   ａ）一以上の波長（λ_１；λ_２）のおのおのにおいて分光光度計を使用して、前記サンプル内の第一の経路長（ｂ_１）を通過した放射の強度値（Ｉ_１λ）を記録する工程と、
   ｂ）前記サンプル内のさらに異なる経路長を通過した前記一以上の波長（λ_１；λ_２）のおのおのにおける放射に対して前記工程ａ）を少なくとも一度は繰り返す工程とを有する方法において、
   ｃ）一以上の波長（λ_１；λ_２）のおのおのの同一物に対して二つの経路長（ｂ_１；ｂ_２）のおのおのにおいて記録された強度値（Ｉ_１λ；Ｉ_２λ）の比に依存する値（Ｔ_λ；Ａ_λ）を演算ユニット（１０；１０ｂ）内において計算する工程と、
   ｄ）工程ｃ）において計算された前記一以上の値に基づいて物質の反応（Ｃ）を演算ユニット（１０；１０ｂ）内において決定する工程とを有していることを特徴とする。
7. 請求項６に記載の方法において、
   工程ｂ）を複数回繰り返し、そのおのおのはサンプル内のさらに異なる光路長においてなされ、
   工程ｃ）を複数回繰り返し、各回において工程ｂ）で使用された前記複数の経路長の異なる二つを使用して値を計算することを特徴とする。
8. 請求項６または請求項７に記載の方法において、反応（Ｃ）の測定が、多変量解析によって定められた較正パラメーターの適用によって関心のある物質の濃度を計算する工程を有することを特徴とする。

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