JP7226561B2 - 液体クロマトグラフ用検出器 - Google Patents

Description

本発明は、液体クロマトグラフ用検出器に関する。

液体クロマトグラフでは、希少試料を高感度でかつ高速で分析するために、システム容量の小容量化と低拡散化を図ることが重要である。そのため、検出器においても、試料の流れる流路の内径をできる限り小さくすることが好ましい。吸光光度検出器などの検出器に用いられている一般的なフローセルは、ＳＵＳ３１６など耐薬品性を有する材料で構成されたブロック内に試料が流れる流路が設けられたものである。このようなブロック型のフローセルでは、セル内部の流路の内径を小さくすると、光が通過する流路の断面積が小さくなり、さらには、セルの壁面で光が散乱する頻度も増加する。その結果、Ｓ／Ｎが悪化する。

そこで、小容量化及び低拡散化を実現するために、試料が流れる流路を直線状の細いキャピラリによって構成したフローセル（ライトガイドセルともいう）を使用することができる（特許文献１参照）。特許文献１に開示されているライトガイドセルでは、キャピラリの一端に入射した光が、キャピラリの外周壁面とその周囲の空気層との界面で全反射してキャピラリの他端へ伝搬する。

特開２０１４－０４１０２４号公報 米国特許明細書第８０８６０８３号

上記のようなライトガイドセルでは、キャピラリの両端部をフェルール等の保持部材によって保持している。ライトガイドセルへの入射光は、キャピラリと保持部材との界面にも入射する。キャピラリとその内部を流れる試料からなるライトガイドの反射率は、キャピラリ内を流れる試料と、キャピラリに接する保持部材との屈折率差によって変化する。試料の屈折率が一定であれば問題ないが、移動相の組成を経時的に変化させるグラジエント分析では、キャピラリを流れる試料の屈折率が経時的に変化するため、キャピラリから出射される光量が経時的に変化し、検出器信号のベースラインが変動する。このような現象は屈折率効果と称される。

本発明は、屈折率効果によるベースラインの変動を抑制することを目的とするものである。

本発明に係る液体クロマトグラフ用検出器は、光源と、試料液を流すための流路を画する直線状のキャピラリ、前記キャピラリの一端部を保持する保持部材、前記キャピラリの一端へ光を入射させるための入射口及び前記キャピラリの他端から光を出射させるための出射口を有するフローセルと、前記光源からの光を前記フローセルの前記入射口へ導くための集光ミラーと、前記フローセルの前記出射口から出射した光を検出するための受光器と、を備え、前記フローセルの前記キャピラリの前記一端と前記集光ミラーとの間にレンズが設けられており、前記レンズは、前記集光ミラーから前記キャピラリの前記一端へ向かう光のうち光軸付近の中心領域の光を平行化し、前記中心領域の光の第１反射位置を前記一端から遠ざけるように配置されている。

ここで、「平行化」するとは、光を屈折させて光軸に対する傾斜角度を小さくすることを意味する。また、「キャピラリ内に入射した光の第１反射位置」とは、キャピラリ内に入射した光がキャピラリの外周面と空気層との界面に最初に入射して反射する位置である。本発明では、集光ミラーから前記キャピラリの前記一端へ向かう光のうち光軸付近の中心領域の光の第１反射位置をキャピラリの一端から遠ざけることにより、キャピラリの外周面と保持部材との界面に入射する光量を低減する。

本発明の液体クロマトグラフ用検出器によれば、フローセルのキャピラリの一端と集光ミラーとの間にレンズが設けられており、前記レンズは、前記集光ミラーから前記キャピラリの前記一端へ向かう光のうち光軸付近の中心領域の光の第１反射位置を前記キャピラリの前記一端から遠ざけるように配置されているので、前記キャピラリの外周面と保持部材との界面に入射する光量が低減され、グラジエント分析の際の検出器信号のベースラインの変動が抑制される。

液体クロマトグラフ用検出器の一実施例を示す概略構成図である。 同実施例のフローセルの構造を示す概略断面図である。 同実施例のフローセルのレンズ取付け部分の構造を説明するための部分分解断面図である。 同実施例のフローセルのレンズによる効果を説明するための概念図である。 同実施例のレンズが光の透過効率に与える影響の検証データである。 同実施例のレンズが屈折率効果に与える影響の第１の検証データである。 同実施例のレンズが屈折率効果に与える影響の第２の検証データである。

以下、図面を参照して、液体クロマトグラフ用検出器の一実施例について説明する。

図１に示されているように、この実施例の液体クロマトグラフ用検出器は、光源２、集光ミラー４、フローセル６、ミラー８、グレーティング１０及び受光器１２を備えている。

光源２から発せられる光は集光ミラー４で反射しフローセル６の入射口２０（図２参照）に集光される。フローセル６は、試料液が流れる流路を直線状のキャピラリ１４（図２参照）によって構成したライトガイドセルである。集光ミラー４で反射した光の光軸とフローセル６のキャピラリ１４の中心軸とが一致するように、集光ミラー４とフローセル６との位置関係が設定されている。

フローセル６の入射口に入射した光はキャピラリ１４内を通過し、出射口２４（図２参照）から出射する。フローセル６から出射した光はミラー８で反射し、スリット９を通過し、グレーティング１０に導かれて各波長成分に分解される。グレーティング１０で分解された各波長成分の光は、例えばフォトダイオードアレイによって構成される受光器１２に入射し、各波長領域の光の強度が測定される。

フローセル６の構造について、図２を用いて説明する。

フローセル６は、キャピラリ１４、筐体１６、保持部材１８、レンズ２８及び窓板３０を備えている。キャピラリ１４は、石英ガラスなどで構成されており、外径は例えば０．５ｍｍである。キャピラリ１４の両端部はフェルールなどの保持部材１８によって保持され、筐体１６に取り付けられている。キャピラリ１４の外周面は、保持部材１８と接している両端部を除いて空気層と接している。キャピラリ１４の一端（図において左端）からキャピラリ１４内に入射した光は、キャピラリ１４の外周面とその周囲の空気層との界面で全反射を繰り返しながらキャピラリ１４内を他端（図において右端）側へ進行する。

筐体１６には、入射口２０、導入流路２２、出射口２４及び導出流路２６が設けられている。入射口２０は、キャピラリ１４の一端へ光を入射させるための開口であり、出射口２４は、キャピラリ１４の他端から出射した光を取り出すための開口である。導入流路２２は、試料水をキャピラリ１４の一端へ導入するための流路であり、導出流路２４は、キャピラリ１４を経た試料水を外部へ導出するための流路である。入射口２０はレンズ２８によって封止され、出射口２４は平板状の窓板３０によって封止されている。なお、出射口２４には光ファイバを挿入して、光ファイバを介して他端からの光を出射するようにしてもよい。

入射口２０を封止するレンズ２８は、図３に示されているように、筐体１６の入射口２０の縁に設けられた窪み３２に嵌め込まれて取り付けられている。窪み３２はキャピラリ１４と中心軸を共有するように設けられている。レンズ２８の外径と窪み３２の内径は実質的に同一、すなわち、両者の差がレンズ２８の外径の１．１３％以下である。したがって、窪み３２に嵌め込まされたレンズ２８の中心はキャピラリ１４の中心軸上に位置している。

この実施例では、レンズ２８は、凸面が集光ミラー４側を向く凸レンズである。レンズ２８の寸法の一例は、外径が６ｍｍ、レンズ径が４ｍｍ、厚みが２．３ｍｍである。レンズ２８は、凸面とは反対側の面が平坦面になっており、その平坦面に対して垂直な側面を有する。このような側面を有することで、レンズ２８が窪み３２に嵌め込まれたときに窪み３２によって安定的に保持される。

レンズ２８は、集光ミラー４とキャピラリ１４の一端との間に位置して、集光ミラー４からキャピラリ１４の一端へ向かう光のうち光軸付近の中心領域の光を平行化するためのものである。ここでの平行化とは、光軸に対する傾斜角度を小さくすることを意味する。中心領域とは、集光ミラー４で反射した光の光束の中心側の、例えば２０％の領域である。

図４に示されているように、集光ミラー４からの光の光軸上に中心をもつレンズ２８を配置すると、中心領域の光はレンズ２８で屈折させられて平行化されるため、レンズ２８がない場合と比較して、キャピラリ１４内で最初に反射する位置（第１反射位置）がキャピラリ１４の一端から遠い位置へ遷移する。このため、集光ミラー４からの光のうち中心領域の光は、キャピラリ１４の外周面と保持部材１８との界面に入射しにくくなり、キャピラリ１４内における全反射効率が向上する。

一方で、集光ミラー４からの光のうち中心から離れた外側領域の光は、レンズ２８で屈折させられて光軸に対する傾斜角度が大きくなり、キャピラリ１４の外周面と保持部材１８との界面に入射しやすくなり、全反射効率が悪化することも考えられる。しかし、光源２からの光は、中心領域ほど光量の多い分布をもつため、光束の外側領域の光のキャピラリ１４内での全反射効率の悪化が与える影響は、光束の中心領域の光のキャピラリ１４内での全反射効率の向上が与える影響に比べて小さい。

この実施例では、レンズ２８が筐体１６に取り付けられて入射口２０を封止する窓板としての機能も果たしているが、本発明はこれに限定されるものではない。レンズ２８は、集光ミラー４からの光の中心領域の光を平行化して第１反射位置をキャピラリ１４の一端から遠ざけるように設けられていればよく、フローセル６とは別に設けることもできる。

図５は、レンズ２８がフローセル６の光の透過効率に与える影響についての検証結果を示す測定データである。

この検証では、フローセル６のキャピラリ１４内で水を流しながら、受光器１２で検出される各波長領域の光量を測定した。図５において実施例（実線）は、上述のフローセル６を用いて得られた測定データであり、比較例（破線）は、レンズ２８に代えて平板状の窓板が入射口２０に取り付けられているフローセルを用いて得られた測定データである。

この検証から、比較例（破線）よりも実施例（実線）の方が、受光器１２で検出される各波長領域の光量が大きいことがわかる。すなわち、集光ミラー４とキャピラリ１４との間にレンズ２８を設けてキャピラリ１４へ入射する光の中心領域の光を平行化することで、キャピラリ１４内での全反射効率が向上し、フローセル６を透過する光の量が増加することが示された。

図６及び図７はそれぞれ、レンズ２８が屈折率効果に与える影響についての検証結果を示す測定データである。図５と同様に、実施例は、レンズ２８を備えるフローセル６を用いて得られた測定データであり、比較例は、レンズ２８に代えて平板状の窓板が入射口２０に取り付けられているフローセルを用いて得られた測定データである。

図６の検証では、フローセル６のキャピラリ１４（内径０．３６ｍｍ）内で移動相を０．８ｍＬ／ｍｉｎの流量で流し、移動相の組成を、Ａ液（水）：Ｂ液（アセトニトリル）＝１００：０、Ａ液：Ｂ液＝９５：５、Ａ液：Ｂ液＝０：１００、Ａ液：Ｂ液＝１００：０に順に変化させて、波長２５０ｎｍの光の吸光度を測定した。

図７の検証では、フローセル６のキャピラリ１４（内径０．３６ｍｍ）内で移動相を０．８ｍＬ／ｍｉｎの流量で流し、移動相の組成を、Ａ液（水：アセトニトリル：ＴＦＡ＝９５：５：０．０５）：Ｂ液（水：アセトニトリル：ＴＦＡ＝５：９５：０．０５）＝９８：２、Ａ液：Ｂ液＝０：１００、９８：２へ順に変化させて、波長２５０ｎｍの光の吸光度を測定した。

図６及び図７のいずれの検証結果においても、比較例に比べて実施例の方が測定データのベースラインが安定していることがわかる。すなわち、集光ミラー４とキャピラリ１４との間にレンズ２８を設けてキャピラリ１４へ入射する光の中心領域の光を平行化することで、屈折率効果が抑制されることが示された。

なお、以上において説明した実施例は、本発明に係る液体クロマトグラフ用検出器の実施形態の一例に過ぎない。本発明に係る液体クロマトグラフ用検出器の実施形態は、以下のとおりである。

本発明に係る液体クロマトグラフ用検出器の実施形態は、光源と、試料液を流すための流路を画する直線状のキャピラリ、前記キャピラリの一端部を保持する保持部材、前記キャピラリの一端へ光を入射させるための入射口及び前記キャピラリの他端から光を出射させるための出射口を有するフローセルと、前記光源からの光を前記フローセルの前記入射口へ導くための集光ミラーと、前記フローセルの前記出射口から出射した光を検出するための受光器と、を備え、前記フローセルの前記キャピラリの前記一端と前記集光ミラーとの間にレンズが設けられており、前記レンズは、前記集光ミラーから前記キャピラリの前記一端へ向かう光のうち光軸付近の中心領域の光を平行化し、前記中心領域の光の第１反射位置を前記一端から遠ざけるように配置されている。

上記実施形態の第１態様では、前記フローセルは筐体を有し、前記筐体に前記入射口が設けられており、前記筐体の前記入射口の縁に前記キャピラリと中心軸を共有する円形の窪みが設けられており、前記レンズの外径と前記窪みの内径は実質的に同一であり、前記レンズが前記窪みに嵌め込まれることによって前記レンズの中心が前記キャピラリの中心軸上に位置している。前記レンズによる屈折率効果の抑制を効果的に実現するためには、前記集光ミラー、前記キャピラリ及び前記レンズの互いの位置関係を設計された位置関係に近づけることが重要である。この第１態様のように、前記フローセルとの位置関係がほぼ一定である前記筐体に前記窪みを設け、その前記窪みに前記レンズを嵌め込むようにすれば、前記キャピラリに対する前記レンズの位置決めが正確かつ容易になされ、前記レンズによる屈折率効果の抑制を効果的に実現することができる。

上記第１態様において、前記フローセルは、前記集光ミラーで反射した光の光軸と前記キャピラリの中心軸とが一致するように配置することができる。このような位置関係にすることで、屈折率効果を抑制するための前記レンズの寸法、形状、位置などの設計が容易になる。

上記実施形態の第２態様では、前記レンズは凸面が前記集光ミラー側を向く凸レンズである。

２ 光源
４ 集光ミラー
６ フローセル
８ ミラー
１０ グレーティング
１２ 受光器
１４ キャピラリ
１６ 筐体
１８ 保持部材
２０ 入射口
２２ 導入流路
２４ 出射口
２６ 導出流路
２８ レンズ
３０ 窓板
３２ 窪み

Claims (6)

1. 光源と、
   試料液を流すための流路を画する直線状のキャピラリ、前記キャピラリの一端部を保持する保持部材、前記キャピラリの一端へ光を入射させるための入射口及び前記キャピラリの他端から光を出射させるための出射口を有するフローセルと、
   前記光源からの光を前記フローセルの前記入射口へ導くための集光ミラーと、
   前記フローセルの前記出射口から出射した光を検出するための受光器と、を備え、
   前記フローセルの前記キャピラリの前記一端と前記集光ミラーとの間にレンズが設けられており、前記レンズは、前記集光ミラーから前記キャピラリの前記一端へ向かう光のうち光軸付近の中心領域の光を平行化し、前記中心領域の光の前記キャピラリ内で最初に反射する第１反射位置を前記一端から前記保持部材により保持される部分よりも遠ざけるように配置されている、液体クロマトグラフ用検出器。
2. 光源と、
   試料液を流すための流路を画する直線状のキャピラリ、前記キャピラリの一端部を保持する保持部材、前記キャピラリの一端へ光を入射させるための入射口及び前記キャピラリの他端から光を出射させるための出射口を有するフローセルと、
   前記光源からの光を前記フローセルの前記入射口へ導くための集光ミラーと、
   前記フローセルの前記出射口から出射した光を検出するための受光器と、を備え、
   前記フローセルの前記キャピラリの前記一端と前記集光ミラーとの間にレンズが設けられており、前記レンズは、前記集光ミラーから前記キャピラリの前記一端へ向かう光のうち光軸付近の中心領域の光を平行化し、前記レンズがない場合と比較して前記中心領域の光の前記キャピラリ内で最初に反射する第１反射位置を前記一端から遠ざけ、前記集光ミラーからの光のうち中心領域の光は、前記キャピラリの外周面と前記保持部材との界面に入射しにくくなり、前記キャピラリ内における全反射効率が向上するように配置されている、液体クロマトグラフ用検出器。
3. 前記フローセルは筐体を有し、前記筐体に前記入射口が設けられており、前記筐体の前記入射口の縁に前記キャピラリと中心軸を共有する円形の窪みが設けられており、前記レンズの外径と前記窪みの内径は実質的に同一であり、前記レンズが前記窪みに嵌め込まれることによって前記レンズの中心が前記キャピラリの中心軸上に位置している、請求項１または２に記載の液体クロマトグラフ用検出器。
4. 前記フローセルは、前記集光ミラーで反射した光の光軸と前記キャピラリの中心軸とが一致するように配置されている、請求項３に記載の液体クロマトグラフ用検出器。
5. 前記レンズは凸面が前記集光ミラー側を向く凸レンズである、請求項１または２に記載の液体クロマトグラフ用検出器。
6. 前記流路には、前記複数種類の液の組み合わせを経時的に変化させた移動相が流されることを特徴とする、請求項１～５のいずれかに記載の液体クロマトグラフ用検出器。

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