JP6680098B2

JP6680098B2 - 示差屈折率検出器

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Publication number: JP6680098B2
Application number: JP2016118084A
Authority: JP
Inventors: 恭章中村
Original assignee: Shimadzu Corp
Current assignee: Shimadzu Corp
Priority date: 2016-06-14
Filing date: 2016-06-14
Publication date: 2020-04-15
Anticipated expiration: 2036-06-14
Also published as: JP2017223507A

Description

本発明は、液体クロマトグラフなどの分析装置において試料成分を検出する検出器として用いられる示差屈折率検出器に関するものである。

液体クロマトグラフ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、試料を含む溶液を流通させるための試料セルと参照液を流通させるための参照セルが透明な隔壁を隔てて配置されたフローセルを備えている。そのフローセルに対して光源からスリットを介して光が照射され、試料セルと参照セルの両セルを透過した光が少なくとも２つの受光領域に分割された受光素子へ導かれ、受光素子上にスリット像が結像される。

試料セルとフローセルを同じ液が流れているとき、すなわち、試料セル内とフローセル内の屈折率が同一であるときに、受光素子の２つの受光領域を跨ぐようにしてスリット像が結像し、分割された２つの受光領域に入射する光の光量が同じになるように、測定光の光路が調整される。試料セル内に試料成分が導入されて試料セル内の屈折率が変化すると、フローセルを通過する測定光の経路が変化して受光素子上に結像されるスリット像が変位し、それに伴って各受光領域に入射する光の光量が変化するため、各受光領域の検出信号の差分をとることによってスリット像の変位量を検出することができる。これにより、試料溶液の屈折率変化量、すなわち試料セルを通過する試料成分濃度を検出することができる（特許文献１参照。）。

特開２００８−３２５１２号公報

示差屈折率検出器では、一般的に、試料セルと参照セルの屈折率差を示す値ＲＩを以下の（１）式によって求める。ここで、Ｍ_Aは受光素子の一方の受光領域の検出信号値、Ｍ_Bは他方の受光領域の検出信号値、αは検出器固有の係数である。
ＲＩ＝（Ｍ_A−Ｍ_B）／（Ｍ_A＋Ｍ_B）×α （１）

しかし、受光素子の各受光領域には、例えばフローセルを収容するセル収容部の壁面等で反射した光が迷光として入射しており、上記（１）式の検出信号値Ｍ_A、Ｍ_Bにはその迷光に相当する信号値も含まれている。各受光領域に入射する測定光成分に相当する信号値（測定成分値）をそれぞれｍ_A、ｍ_B、各受光領域に入射する迷光に相当する信号値（迷光成分値）をそれぞれＳ_A、Ｓ_Bとすれば、
ＭＡ＝ｍ_A＋Ｓ_A、ＭＢ＝ｍ_B＋Ｓ_B
であるから、上記（１）式は次式（２）のように表される。
ＲＩ＝（（ｍ_A＋Ｓ_A）−（ｍ_B＋Ｓ_B））／（ｍ_A＋Ｓ_A＋ｍ_B＋Ｓ_B）×α （２）

ここで、各受光領域に入射する迷光の光量に大きな差はなくＳ_A≒Ｓ_Bと考えることができるため、上記（２）式はさらに、
ＲＩ＝（ｍ_A−ｍ_B）／（ｍ_A＋Ｓ_A＋ｍ_B＋Ｓ_B）×α
＝（ｍ_A−ｍ_B）／（ｍ_A＋ｍ_B＋Ｓ）×α （３）
ただし、Ｓ＝Ｓ_A＋Ｓ_B
と表すことができる。

上記（３）式からわかるように、迷光成分値ＳはＲＩを求める式中の分母に対してより大きな影響を与え、迷光成分値Ｓが大きいほど分母が大きくなってＲＩ値が小さくなる。これは、迷光Ｓが大きくなるほど検出器の検出感度が低下することを意味する。

さらに、迷光成分値Ｓの大きさには検出器ごとの個体差が存在する。そのため、すべての検出器で同じ式を用いてＲＩ値を求めた場合には、同じ試料を測定していても検出器ごとにＲＩ値が異なってしまうという問題が生じる。そこで、検出器の生産段階において、標準試料を用いてそれぞれの検出器のＲＩ値を測定し、それらのＲＩ値が等しくなるように係数αを決定することで、すべての検出器でＲＩ値を等しく表示させることは可能である。

迷光成分値Ｓによる影響をなくすように係数αを決めるということは、迷光成分値Ｓが大きくなるほど係数αも大きくなることを意味する。しかし、係数αが大きいと、ノイズドリフトも係数倍されてしまう。例えば、迷光量が多く迷光がゼロのときに比べて感度が０．８倍に下がっていたとすると、係数αを１．２５倍にしておく必要がある。この補正のおかげでＲＩ値は１．２５倍され、迷光がゼロのときと同じＲＩ値を表示するようになるが、同時に検出信号に含まれるノイズ成分も１．２５倍されてしまう。

示差屈折率検出器は、受光素子であるフォトダイオードの信号をオペアンプやＡＤコンバータを介して取得するため、あまりに光量が大きいと回路上の素子の出力信号が振り切れてしまう（飽和してしまう）。そのため、最適な光量というものがあり、迷光量の多い検出器も少ない検出器も同一の最適光量に調整されて出荷される。一方で、示差屈折率検出器はフォトダイオードに入射する光量が他の検出器に比べて比較的多い検出器であるため、ノイズ成分は電気回路等に起因したショットノイズが主であり、ノイズ成分の量は迷光量とほとんど関係がない。にもかかわらず、迷光Ｓの大きさに応じて係数αを大きくすると、その分だけノイズも大きくなってしまい、結果としてＳ／Ｎ比が低下し、感度が悪くなってしまう。

そこで、本発明は、示差屈折率検出器において受光素子に入射する迷光による感度の低下を防止することを目的とするものである。

本発明に係る示差屈折率検出器は、測定光を発する光源と、試料を含む溶液を流通させるための試料セル、及び前記測定光を透過させる隔壁を隔てて前記試料セルと隣接するように設けられた参照セルを有し、前記測定光が前記試料セルと前記参照セルの両方を通過するように前記測定光の光路上に配置されたフローセルと、前記試料セルと前記参照セルとの間の屈折率差が変化したときに前記フローセルを経た光による像が変位する方向に並んで隣接配置された２つの受光領域をもち、前記フローセルを経た前記測定光による像を前記受光領域上に結像させる受光素子と、前記受光素子への迷光の入射光量に由来する検出信号値を迷光成分値として記憶する迷光成分値記憶部と、前記各受光領域への入射光量に由来する検出信号を前記受光素子から取り込み、その検出信号値から前記迷光成分値記憶部に記憶された前記迷光成分値を差し引いて、前記試料セルと前記参照セルの屈折率差を示す値を求める演算部と、を備えている。

本発明に係る示差屈折率検出器において、前記演算部は、前記受光素子の一方の前記受光領域への入射光量に由来する検出信号値をＭ_A、前記受光素子の他方の前記受光領域への入射光量に由来する検出信号値をＭ_B、前記受光素子全体の迷光成分値をＳ、検出器固有係数をαとして、前記屈折率差を示す値ＲＩを、

により求めることができる。ＲＩを求める式の分母から迷光成分値Ｓが除算されるので、迷光量が大きくてもＲＩ値が低下することがなくなり、検出感度の低下が防止される。

また、上記式では、受光素子の各受光領域に入射する迷光の光量が同一であると仮定しているが、各受光領域に入射する迷光の光量が異なっている場合もある。そのため、検出感度及び検出精度をさらに向上せしめるためには、各受光領域に入射する迷光の光量を考慮してＲＩ値を求めることが望ましい。

そこで、本発明に係る示差屈折率検出器において、前記演算部は、前記受光素子の一方の受光領域への入射光量に由来する検出信号値をＭ_A、前記受光素子の他方の受光領域への入射光量に由来する検出信号値をＭ_B、前記一方の受光領域の迷光成分値をＳ_A、前記他方の受光領域の迷光成分値をＳ_B、検出器固有係数をαとして、前記屈折率差を示す値ＲＩを、

により求めることができる。上記式を用いることで、両受光領域のそれぞれに入射した純粋な測定光に由来する検出信号値（Ｍ_A−Ｓ_A）、（Ｍ_B−Ｓ_B）によってＲＩ値が算出されるため、迷光成分値Ｓ_A、Ｓ_Bによる影響をより確実に排除して、示差屈折率検出器の検出感度及び検出精度をより向上させることができる。

また、受光素子に入射する迷光の光量に由来する迷光成分値は、既述のように、検出器ごとに異なる値、すなわち各検出器固有の値であるが、光源や光学系の劣化等によって経時的に変化し得るものでもある。そこで、本発明に係る示差屈折率検出器においては、前記光源によって前記測定光を発光させながら前記測定光の像が前記受光素子の前記受光領域に結像しない状態にして得られた前記受光素子の検出信号値を測定し、その測定値を前記迷光成分値として前記迷光成分値記憶部に記憶させる迷光成分値測定動作を実行するように構成された迷光測定部をさらに備えていてもよい。かかる迷光測定部を備えていることにより、検出器の出荷前だけでなく検出器の出荷後も迷光成分値の測定を行なうことができ、迷光成分値の経時的な変化にも対応することができる。

ところで、最近の示差屈折率検出器では、長寿命な発光ダイオード（ＬＥＤ）が光源として用いられている場合がある。ＬＥＤの発光スペクトルの波長範囲はレーザーを除く他の光源に比べて狭く、ＬＥＤから発せられる光は単一波長に近いものである。かかるＬＥＤを光源とした場合、ＬＥＤから発せられる光の波長と試料セルを流れる試料成分の吸収波長が一致してしまったときに、光源からの光の一部が試料成分に吸収されてしまい、受光素子の各受光領域に入射する測定光の光量が小さくなる。そうすると、受光素子からの検出信号値のうち上述した（３）式における測定光成分値ｍ_A、ｍ_Bは小さくなる一方で、迷光成分値Ｓ_A、Ｓ_Bは小さくならないため、（３）式の分母が相対的に分子よりも大きくなり、ＲＩ値が小さくなって検出感度が低下する。すなわち、光源としてＬＥＤを用い、そのＬＥＤの発光波長に吸収をもつ試料を測定する場合に、迷光による検出感度の低下が顕著になる。

上記の問題は特定の試料成分に対して生じる問題であり、係数αによって補正することはできない。本発明は、検出信号値から迷光成分値を差し引いてＲＩ値を求めるため、光源からの測定光の一部が試料成分によって吸収された場合でも、分母が分子よりも相対的に大きくなることがなく、上記のような問題に対して特に有効である。

本発明に係る示差屈折率検出器では、受光素子への迷光の入射光量に由来する検出信号値を迷光成分値として迷光成分値記憶部に記憶させておき、演算部は、各受光領域への入射光量に由来する検出信号を受光素子から取り込み、その検出信号値から迷光成分値記憶部に記憶された迷光成分値を差し引いて、試料セルと参照セルの屈折率差を示す値を求めるように構成されているので、試料セルと参照セルの屈折率差に対する迷光成分値の影響が小さくなる。これにより、迷光による検出感度の低下を防止することができる。

一実施例の示差屈折率検出器を示す概略構成図である。受光素子に入射する測定光と迷光による検出信号値を説明するための概念図である。迷光成分値の測定時の構成の一例を示す概略構成図である。同測定時における受光素子への入射光の状態を示す概念図である。迷光成分値の他の測定方法を説明するための概念図である。

以下、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は一実施例の示差屈折率検出器を示す概略構成図である。

一実施例の示差屈折率検出器は、フローセル２、光源４、スリット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。光源４は広い波長範囲の光を発するタングステンランプ等のランプであってもよいし、ＬＥＤのように狭い波長範囲の光を発するものであってもよい。フローセル２は、スリット８を介して入射する光源４からの測定光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を透過した光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を透過した測定光が受光素子１６上に結像されるようになっている。反射後の測定光の光路上のレンズ１０と受光素子１６との間に、受光素子１６上でのスリット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。

光源４から発せられた光はスリット８を通って測定光６となり、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からの反射光は再びフローセル２を透過してレンズ１０によって受光素子１６上にスリット像として結像される。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スリット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、スリット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、スリット像が受光領域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スリット像が変位する。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には、演算部２２、迷光成分値記憶部２４及び迷光成分値測定部２６が設けられている。演算部２２は、上述のように、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ものであるが、具体的な算出方法については後述する。迷光成分値記憶部２４は、受光素子１６に入射する迷光に由来する信号値を迷光成分値として記憶するものである。迷光成分値２６は、迷光成分値を測定する迷光成分値測定動作を実行するように構成されている。

演算部２２及び迷光成分値測定部２６は、演算処理装置２０に設けられた記憶装置に格納されたプログラムとそのプログラムを実行する演算素子によって実現される機能である。また、迷光成分値記憶部２４は、演算処理装置２０に設けられた記憶装置内の記憶領域によって実現される機能である。

図２に示されているように、受光素子１６の各受光領域１６Ａ、１６Ｂには、フローセル２を経てスリット像として結像する測定光のほかに、フローセル２を収容するセル収容部（図示は省略）の壁面等で反射した光等が迷光として入射している。受光領域１６Ａ、１６Ｂのそれぞれの検出信号値をＭ_A、Ｍ_Bとすると、検出信号値Ｍ_Aには、測定光に由来する検出信号値ｍ_Aと迷光に由来する検出信号値（迷光成分値）Ｓ_Aが含まれており、検出信号値Ｍ_Bには、測定光に由来する検出信号値ｍ_Bと迷光に由来する検出信号値（迷光成分値）Ｓ_Bが含まれている。演算処理装置２０の迷光成分値記憶部２４は、予め測定された迷光成分値Ｓ_A及びＳ_Bを記憶している。

好ましい実施形態は、演算部２２が、試料セル２ａと参照セル２ｂの屈折率差を表わす値ＲＩを、次式を用いて算出するように構成されている。なお、αは検出器固有の係数であり、ＳはＳ_A＋Ｓ_Bの合計値である。

上記の式は、受光領域１６Ａと１６Ｂに入射する迷光の光量が同一であると仮定したものである。この式では、受光素子１６全体に入射した迷光の光量に由来する検出信号値Ｓが分母から除算されるため、迷光の多い検出器であってもＲＩ値が低下することがなく、安定した検出感度が得られる。

さらに好ましい実施形態では、演算部２２が、試料セル２ａと参照セル２ｂの屈折率差を表わす値ＲＩを、次式を用いて算出するように構成されている。なお、αは検出器固有の係数である。

上記の式は、受光領域１６Ａと１６Ｂのそれぞれに入射する迷光の光量を考慮したものである。この式では、受光素子１６全体に入射した迷光の光量に由来する検出信号値Ｓが分母から除算されるだけでなく、分子の検出信号値Ｓ_A、Ｓ_Bからもそれぞれ迷光成分値Ｓ_A、Ｓ_Bが除算されるので、受光領域１６Ａと１６Ｂで迷光の入射光量が異なっている場合にも、その影響を受けることなく安定した検出感度を実現することができる。

迷光成分値測定部２６は、受光素子１６の各受光領域１６Ａ、１６Ｂに迷光のみが入射する状態にしたときの各受光領域１６Ａ、１６Ｂの検出信号値を迷光成分値として迷光成分値記憶部２４に記憶させるように構成されている。

迷光成分値の測定方法として種々の方法があるが、その一例として、図３に示されているように、フローセル２とミラー１２との間に、フローセル２を経て受光素子１６へ向かう光を遮蔽する例えば黒色アルマイトなどの遮蔽板２８を角度をつけて挿入し、図４に示されているように、受光領域１６Ａ、１６Ｂに測定光が入射しない状態にする方法が挙げられる。この状態で受光領域１６Ａ、１６Ｂの検出信号値を測定することにより、迷光成分値Ｓ_A、Ｓ_Bが得られる。

この迷光成分値測定動作を実現するための検出器の構成として、遮蔽板２８を測定光６の光路上に自動的に配置するシャッタ機構が設けられていてもよい。また、迷光成分値を測定する際に、ユーザが手動で遮蔽板２８を測定光６の光路上に導入するようになっていてもよい。

また、他の方法として、受光素子１６上の像の位置を決定するゼログラス１４を駆動し、図５（Ａ）、（Ｂ）に示されているように、各受光領域１６Ａ、１６Ｂに測定光が入射しない状態を作り、迷光成分値Ｓ_A、Ｓ_Bを順次測定する方法が挙げられる。一般的に、ゼログラス１４は自動的に駆動されるようになっているため、この方法を採用することで、検出器を起動した際のイニシャル動作の一環として、又は他の調整動作の一環として、迷光成分値測定動作を自動的に実行するように構成することができる。

また、ミラー１２を駆動できるようにし、ミラーの反射角度を変えることで、受光素子１６に像がまったく入らない状態にして迷光成分値Ｓ_A、Ｓ_Bを測定しても良い。

なお、迷光成分値測定部２６は演算処理装置２０に必ずしも設けられている必要はない。演算処理装置２０に迷光成分値測定部２６が設けられていない場合、迷光成分値Ｓ_A、Ｓ_Bは検出器の出荷時から装置固有の値として保持されることとなる。一方で、迷光成分値測定部２６が設けられていれば、必要に応じて迷光成分値Ｓ_A、Ｓ_Bの更新を行なうことができる。

以上において説明した実施例では、受光素子１６が２つの受光領域１６Ａ、１６Ｂに分割されたものについて説明したが、受光領域１６Ａ、１６Ｂのそれぞれがさらに複数の受光領域に分割された示差屈折率検出器も存在する。そのような示差屈折率検出器においても、スリット像の変位方向へ並んで隣接配置された２つの受光領域の検出信号値から２つのセル２ａ、２ｂの屈折率差を求めるという原理は同じであり、本発明はそのような示差屈折率検出器に対しても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光源
６測定光
８スリット
１０レンズ
１２ミラー
１４ゼログラス
１６受光素子
１６Ａ，１６Ｂ受光領域
２０演算処理装置
２２演算部
２４迷光成分値記憶部
２６迷光成分値測定部
２８遮蔽板

Claims

測定光を発する光源と、
試料を含む溶液を流通させるための試料セル、及び前記測定光を透過させる隔壁を隔てて前記試料セルと隣接するように設けられた参照セルを有し、前記測定光が前記試料セルと前記参照セルの両方を通過するように前記測定光の光路上に配置されたフローセルと、
前記試料セルと前記参照セルとの間の屈折率差が変化したときに前記フローセルを経た光による像が変位する方向に並んで隣接配置された２つの受光領域をもち、前記フローセルを経た前記測定光による像を前記受光領域上に結像させる受光素子と、
前記受光素子への迷光の入射光量に由来する検出信号値を迷光成分値として記憶する迷光成分値記憶部と、
前記各受光領域への入射光量に由来する検出信号を前記受光素子から取り込み、その検出信号値から前記迷光成分値記憶部に記憶された前記迷光成分値を差し引いて、前記試料セルと前記参照セルの屈折率差を示す値を求める演算部と、を備え、
前記演算部は、前記受光素子の一方の前記受光領域への入射光量に由来する検出信号値をＭ _Ａ、前記受光素子の他方の前記受光領域への入射光量に由来する検出信号値をＭ _Ｂ、前記受光素子全体の迷光成分値をＳ、検出器固有係数をαとして、前記屈折率差を示す値ＲＩを、

により求めるように構成されている、示差屈折率検出器。
測定光を発する光源と、
試料を含む溶液を流通させるための試料セル、及び前記測定光を透過させる隔壁を隔てて前記試料セルと隣接するように設けられた参照セルを有し、前記測定光が前記試料セルと前記参照セルの両方を通過するように前記測定光の光路上に配置されたフローセルと、
前記試料セルと前記参照セルとの間の屈折率差が変化したときに前記フローセルを経た光による像が変位する方向に並んで隣接配置された２つの受光領域をもち、前記フローセルを経た前記測定光による像を前記受光領域上に結像させる受光素子と、
前記受光素子への迷光の入射光量に由来する検出信号値を迷光成分値として記憶する迷光成分値記憶部と、
前記各受光領域への入射光量に由来する検出信号を前記受光素子から取り込み、その検出信号値から前記迷光成分値記憶部に記憶された前記迷光成分値を差し引いて、前記試料セルと前記参照セルの屈折率差を示す値を求める演算部と、を備え、
前記演算部は、前記受光素子の一方の受光領域への入射光量に由来する検出信号値をＭ_Ａ、前記受光素子の他方の受光領域への入射光量に由来する検出信号値をＭ_Ｂ、前記一方の受光領域の迷光成分値をＳ_Ａ、前記他方の受光領域の迷光成分値をＳ_Ｂ、検出器固有係数をαとして、前記屈折率差を示す値ＲＩを、

により求めるように構成されている、示差屈折率検出器。
測定光を発する光源と、
試料を含む溶液を流通させるための試料セル、及び前記測定光を透過させる隔壁を隔てて前記試料セルと隣接するように設けられた参照セルを有し、前記測定光が前記試料セルと前記参照セルの両方を通過するように前記測定光の光路上に配置されたフローセルと、
前記試料セルと前記参照セルとの間の屈折率差が変化したときに前記フローセルを経た光による像が変位する方向に並んで隣接配置された２つの受光領域をもち、前記フローセルを経た前記測定光による像を前記受光領域上に結像させる受光素子と、
前記受光素子への迷光の入射光量に由来する検出信号値を迷光成分値として記憶する迷光成分値記憶部と、
前記各受光領域への入射光量に由来する検出信号を前記受光素子から取り込み、その検出信号値から前記迷光成分値記憶部に記憶された前記迷光成分値を差し引いて、前記試料セルと前記参照セルの屈折率差を示す値を求める演算部と、
前記光源によって前記測定光を発光させながら前記測定光の像が前記受光素子の前記受光領域に結像しない状態にして得られた前記受光素子の検出信号値を測定し、その測定値を前記迷光成分値として前記迷光成分値記憶部に記憶させる迷光成分値測定動作を実行するように構成された迷光測定部と、を備えている、示差屈折率検出器。
前記光源は発光ダイオードである請求項１から３のいずれか一項に記載の示差屈折率検出器。