JP2000516342A - ラマン分光法による化学組成物のオンライン定量分析 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 化学組成物の１種又はそれ以上の選択された構成成分を、ラマン分光法によりその場で定量的に監視するための方法は、実質的に単色の放射線源で、参照物質と１種又はそれ以上の構成成分を含有する化学組成物とを同時に照射すること、この放射線は、この線源を、組成物と連結している光学プローブに接続する励起導管によって、この線源から化学組成物に送られる、１つより多い波長で、収集導管によって光学プローブに接続された分光写真器の手段によって、参照物質及び化学組成物のコンボリューションされたラマンスペトルを同時に獲得すること、参照物質の標準ラマンスペクトルを選択すること、参照物質のコンボリューションされたラマンスペクトル及び標準ラマンスペクトルから、コンボリューションされたスペクトルのコンボリューション関数を決定すること、化学組成物のコンボリューションされたラマンスペクトルを調節するためにこのコンボリューション関数を適用して、組成物の標準ラマンスペクトルを作ること並びに前決定された較正手段を化学組成物の標準ラマンスペクトルに適用することからなり、それによって、コンボリューションラマンスペクトルの獲得の時点での組成物の化学構成成分を確認することができる。

Description

【発明の詳細な説明】 ラマン分光法による化学組成物のオンライン定量分析 発明の分野 本発明は、ラマン分光法分析、更に詳しくは、ラマン分光法によりその場(in situ)で化学組成物の構成成分を定量的に監視する方法に関する。 発明の背景 物質の物理的及び分析的特性を測定するめに、分析研究所に於いて分光法を使 用することは、十分に確立された技術である。ラマン分析法は、化学物質の組成 及び／又は分子構造についての定性的及び定量的情報を与えることができる一つ の技術である。入射放射線が物質と相互作用するとき、散乱と称するプロセスを 受ける。散乱された放射線は、入射波長が散乱放射線内で変化しない弾性であっ っても又は散乱放射線が入射放射線とは異なる波長を有する非弾性であってもよ い。ラマン散乱と呼ばれる、非弾性放射線散乱の一つの形態に於いて、入射光子 はエネルギーの獲得又は損失の何れかと共に散乱される。散乱放射線と入射放射 線との間のエネルギー差は、普通ラマンシフトと呼ばれている。得られたラマン シフトスペクトルは、種々の分子振動運動のエネルギーを与え、調査する物質に 関する化学的及び分子的情報を伝達する。このラマン散乱効果は極めて弱く、典 型的に、何百万個の弾性的に散乱した光子の中に、僅かにラマン散乱した光子が 存在する。 化学組成物の構成を決定すること又は化学反応の進行を監視することはしばし ば過酷な（inhospitable）環境に置かれた物質で実施 される。高温及び／又は高圧の条件下での又は腐食性物質若しくは強力な溶媒の 存在下でのプロセス流の分析がしばしば必要である。例えば、高温の連続式又は 回分式プロセスに於いて低分子量反応剤からポリマーを生成する反応の進行を追 跡することが必要な場合がある。同様に、回分式反応の組成又は蒸留ヘッドでの 揮発性物質を、時間の関数として監視することが望ましい可能性もある。分光写 真器及び放射線源のような分光光度装置は、その場で分析すべきポリマー生成性 組成物及び蒸留混合物のような物質から離れた位置に置くことができ、サンプリ ング部位は、光ファイバーからなる放射線導管によってこの装置に接続すること ができる。 勿論、本発明の方法は、例えば高温度によって特徴付けられる過酷な環境内で のみ使用することに限定されない。本発明による定量的な、その場でのラマン分 光法測定は、生きている生物を含む多様な環境内で、適当な光学プローブの利用 を想定して実施することができる。 ポリエステルはポリマー主鎖内にエステル結合を含有する合成樹脂である。衣 類繊維、容器包装等に有用な商業的に価値のあるポリエステルは、種々の反応剤 から製造されている。例えば、これらは、ジカルボン酸とジオールとのエステル 化反応、ジカルボン酸エステルとジオールとのエステル交換反応又はヒドロキシ カルボン酸の自己縮合によって製造することができる。 ポリエステルの具体的な最終用途の性質を得ることは、製造の間に反応容器の 中の物質の成分比又は組成を強力に制御することを必要とする。初期組成物中の 小さい変化は、最終ポリエステル生成物の有用性に劇的に影響を及ぼされる。ジ エステル又は二酸の使用に依って、反応性ヒドロキシ末端基に対するエステル又 は酸末端基の転化の制御も、信頼できる最終ポリエステル生成物の特性を確実に するために必要とされる。第一段反応の間の低い転化は、重縮合反応の間の反応 性を制限し、ポリエステル物質の究極最終用途の性質に悪影響を与える。この理 由のために、第一段反応の転化又は範囲を知ることが極めて重要である。他の重 要な組成制御パラメーターには、各二酸及びジオール部分の量、反応容器中の全 ジオールの全二酸及び／又はジエステルに対する比並びに重合度、分子量又はポ リマー鎖のサイズが含まれる。 製造の間に、反応容器中の物質の化学構成は、遠く離れた研究所で分析試験す るため、少量のサンプルを取り出すことによって決定することができる。普通に 使用される分析方法を、第一段反応の程度、混合物中の反応剤及び生成物のモル 量並びに反応の程度の指示を与えるために使用することができる。抽出されたサ ンプルの組成情報を得るために一般的に使用されている実験室的方法には、核磁 気共鳴(NMR)分析法、ガスクロマトグラフィー（GC）及び液体クロマトグラフィ ー（LC）が含まれる。これらの方法では、抽出されたサンプルを溶解し、ある場 合には誘導体にすることが必要である。NMR方法は信頼できる情報を与える。し かしながら、必要な計器は高価で複雑であり、測定の前にサンプルを適正に調製 しなくてはならない。 発明が解決する課題 化学製造プロセスに適用される繰り返しの多いサンプリング及び分析測定には 、幾つかの重要な潜在的問題がある。 第一に、特にポリマー生成プロセスに於けるようにプロセス流が粘稠であると き、熱プロセス流からサンプルを取り出すことの固有の危険性が存在する。物質 を小さいサンプル容器の中に流し込むために、大きな断熱弁を開かなくてはなら ない。部分的に閉塞して、 熱い物質を開口から予測できないように追い出すようにすることは、ポリマーラ イン中のサンプリングポートにとって特別なことではない。 第二に、サンプルを取り出す手順によってサンプル構成が変化するおそれがあ る。例えば、一つの一般的なポリエステル製造プロセスに於ける第一段反応は、 普通、反応器中の過剰のエチレングリコール（EG）で実施される。EGはオリゴマ ー物質よりも一層揮発性であり、プロセスから取り出すとき、サンプルから優先 的にフラッシュして、非代表的サンプルになるおそれがある。更に、サンプリン グした物質が粘稠であるとき、これはサンプルポート弁に粘着して、現在のサン プルが、前に取得したサンプルの残りと混合されるようになるおそれがある。 第三に、サンプリング及び分析手順には時間がかかる。サンプルを取り出し、 調製し、分析するのに必要な時間内に、何千ポンドもの物質が製造される。従っ て、サンプルから得られる分析データは、予防的プロセス制御のための価値が限 定されたものになる。 最後に、サンプル取り出しの危険に付随する困難性及びコストのために、分析 サンプリングをしばしば行なわないのが典型例である。最少の分析データ点で、 プロセス変動の統計的に有効な理解を得ること又はプロセスに対して適正な制御 調節を行うことは困難である。 好ましい分析方法においては、物質の製造過程を監視する。このような方法は 、製造環境からサンプルを取り出す必要性を減らし、安全性に対する問題を減ら し、そしてより頻度の多い且つ迅速な測定を容易にするであろう。 しかしながら、殆どの分析技術において、その場で、プロセス環境に於けるオ ンライン化学的構成情報を与えることを妨害する厄介 な傷害が存在する。第一に、分析方法は、十分な精度で所望の特性を正確に決定 できなくてはならない。第二に、分析計器は、プロセス領域の物理的環境に耐え なくてはならず、遠隔地から所望の組成物特性を検知できなくてはならない。第 三に、プロセスとの計測のインターフェースは、化学プロセスラインの内部に存 在する過酷な圧力及び温度環境に耐えることができなくてはならない。第四に、 曇り、泡及びその他の通常のプロセス現象によって分析測定が妨害されてはなら ない。これらのすべての傷害は、本発明の方法によって克服される。 発明の要約 化学組成物の１種又はそれ以上の選択された構成成分を、ラマン分光法により 、その場で、定量的に監視するための方法は、実質的に単色の放射線（又は輻射 線）源で、参照物質と１種又はそれ以上の構成成分を含有する化学組成物とを同 時に照射すること（この放射線は、この線源を、組成物と連結している光学プロ ーブに接続する励起導管によって、この線源から化学組成物に送る）；１つより 多い波長で、収集導管（collection conduit）によって光学プローブに接続され た分光写真器の手段によって、参照物質及び化学組成物のコンボリューションさ れた(convolved)ラマンスペクトルを同時に得ること；参照物質の標準ラマンス ペクトルを選択すること；参照物質のコンボリューションされたラマンスペクト ル及び標準ラマンスペクトルから、コンボリューションされたスペクトルのコン ボルブド関数を決定すること；化学組成物のコンボルブドラマンスペクトルを調 節するためにこのコンボリューションされた関数を適用して、組成物の標準ラマ ンスペクトルを作ること；並びに予め決定された較正手段を化学組成物の標準ラ マンスペクドルに適用する ことを含み、それによって、コンボリューションされたラマンスペクトルの獲得 の時点での組成物の化学構成成分を確認することができる。 発明の有利な効果 本発明の方法は、より短い時間で、サンプルを連続的に取り出すことの困難性 無しに、一層信頼性のある測定値が得られると言う点で、伝統的な分析方法を越 えた顕著な改良である。得られた情報は、製品品質を改良し、廃棄物を減少させ 、プロセス処理量を改良し、そして化学製造プロセスからのサンプルの抽出に付 随する危険を少なくするために、フィードバック又はフィードフォワード制御戦 略の創造に使用することができる。 図面の簡単な説明 図１は、ポリ（エチレンテレフタレート）中間体のラマンスペクトルである。 図２は、ラマン分光法システムの略図である。 図３は、ポリマー生成性組成物中のメチル末端を決定するための相関プロット である。 図４は、テレフタル酸ジメチルとエチレングリコールとの反応の速度論を要約 するグラフである。 図５は、ポリエステル製造ラインについてラマン及びNMR分光法分析データを 比較するグラフである。 発明の詳細な説明 例えば、ポリエステルのような商業的に有用な化学品は典型的に、高温度で大 規模連続プロセスによって製造される。ポリエステル を製造するためのこれらのプロセスは、ジカルボン酸のエステル化又はジカルボ ン酸エステルとジオール化合物とのエステル交換反応のようなエステル化反応を 伴う。 ジオール化合物には２個のヒドロキシル官能基が含まれる。例えば、エチレン グリコール（EG）、ジエチレングリコール、トリエチレングリコール、ポリエチ レングリコール、ポリテトラメチレングリコール、ポリプロピレングリコール、 ポリイソプロピレングリコール、１，４−ブタンジオール、ネオペンチルグリコ ール及び１，４−シクロヘキサンジメタノール（CHDM）を含む様々なジオールを 、ポリエステルの製造で使用することができる。 ジカルボン酸には、２個のカルボン酸部分が含まれている。ポリエステル物質 の製造で有用である代表的ジカルボン酸には、テレフタル酸(TPA)、イソフタル 酸、ナフタレンジカルボン酸、１，４−シクロヘキサンジカルボン酸（CHDA）及 び種々の脂肪族ジカルボン酸が含まれる。 ジカルボン酸エステルには、２個のエステル官能基が含まれている。有用なジ エステルの例には、すぐ上に記載した二酸の任意のエステル化誘導体が含まれる 。ポリエステル物質の製造で一般的に使用される重要なジエステルは、テレフタ ル酸ジメチル(DMT)である。 ポリ（エチレンテレフタレート）、PETは、商業的に有用なポリエステルの例 である。このポリマーは典型的に、Odian著、重合の原理（Principles of Polym erization） 、第３版、Wiley、ニューヨーク、1991年、第97〜100頁及びBillmey er著、ポリマー科学の教科書(Textbook of Polymer Science)、第３版、Wiley、 ニューヨーク、1984年、第442〜445頁に記載されているように、DMT又はTPAとEG とから、一般的に二段で製造される。第一段に於いて、 過剰のEGがDMT又はTPAと反応して、中間体であるビス（２−ヒドロキシエチル） テレフタレート（BHET）を生成する。BHETのラマンスペクトルを図１に示す。一 般的には温度150〜230℃で実施されるこのプロセスの間に、それぞれDMT又はTPA の使用に依存して、メタノール又は水が作られ、蒸留によって連続的に除去され る。重縮合反応と呼ばれる第二段の間に、物質は温度270〜300℃に加熱される。 重合はEGの除去によって進行し、典型的に部分的真空〔0.0133〜0.133kPa（0.1 〜１トル）〕を使用することによって促進される。この重合プロセスは分子の分 子量及びサイズを増加させ、それによって多くの化学的及び物理的特性を変化さ せる。 ポリエステル物質の特性は、ポリマー構造中に異なったジオール、ジエステル 又は二酸成分を含有させることによって変性することができる。例えば、EGベー スの生成物とは異なった特性及び最終用途を有する別個のポリエステルを生成す るために、PETの第一段反応に於いてEGをCHDMで置き換えることができる。更に 、独特の特性を有する追加のポリエステル物質を得るために、ジオール、ジエス テル、二酸又はこれらの組合せ、の種々の混合物を使用することができる。例え ば、DMTとの反応で、ジオールCHDMとEGとをブレンドすることによりグリコール 変性PETを生成することができる。多くのこのような変性ポリエステルは、米国 特許第4,259,478号、同第3,772,405号及び同第3,033,822号を含む特許文献に記 載されている。 典型的なラマン分光計は、放射線源、この線源放射線をサンプルに送るための 手段、サンプルからの散乱した放射線を集める手段、散乱した放射線のエネルギ ー分離又は分散の手段及びこの放射線を検出する手段から構成されている。 多数の放射線源が、物質からラマン散乱を生じさせることができ る。分析測定のために、これらの線源は高強度の単色放射線を放出することを必 要とする。これに関して、レーザーがよく適した放射線源である。米国特許第3, 556,659号には、チューブに含まれるサンプルが、チューブの軸に沿ったレーザ ーからの放射線によって照射されるラマン分光計が記載されている。 ヘリウム−ネオン、窒素、アルゴンイオン及びクリプトンイオンのような気体 レーザー；ルビーレーザー及びNd：YAG（ネオジム：イットリウム−アルミニウ ム−ガーネット）レーザーのような固体レーザー；色素レーザー；化学レーザー 並びにシングルモード及びマルチモードダイオードレーザーのような固体レーザ ーを含む、様々な種類のレーザー放射線源が存在している。 これらの中で、その高度の波長安定性のために、分散ラマン分光計のために特 に適しているものとして、気体レーザーが一般的に受け入れられている。残念な がら、これらはしばしば高価であり、広範囲に亘って維持が必要であり、また出 力が低い。コンパクトで頑丈なデバイスで大パワー出力を与えることができるが 、その出力特性に於いて固有の不安定性を示すおそれがある、半導体ダイオード レーザーをラマン分光法で使用することは、Wang及びMcCreery、Anal ．Chem.、1 990年、第62巻、第2647〜2651頁に記載されている。 ラマン散乱方法は入射波長からのシフトに関係しているので、異なったレーザ ーは異なった波長領域内のスペクトルを与える。しかしながら、これらの領域内 のラマンシフトペクトルは類似しており、異なった入射レーザー波長を使用する ことにより、本質的に同じ構造情報を得ることができる。 蛍光は、吸収された放射線が、分子構造に特徴的な広い発光を誘導する方法で ある。誘導された蛍光信号は、観察される場合には、典型的にはラマン信号より も多くのオーダー大きい大きさであり、 ある場合にはラマンスフトスペクトルを完全にマスクする。従って、蛍光発光工 程を最小にする入射波長を選択することが望ましい。 蛍光バックグラウンド問題を減少させるための公知の方法は、D．B．Chase、J ．Am．Chem．Soc． 、1986年、第108巻、第7485〜7488頁に記載されているような 、約660nm〜1100nmの波長で赤又は近赤外放射線を発生するレーザーを使用する ことである。このような方法は、蛍光発光プロフィールは入射波長に独立であり 、ラマン方法は入射波長からのシフトであるので有用である。この領域で作動す る典型的な放射線源には、クリプトンイオンガスレーザー、シングルモードダイ オードレーザー、マルチモードダイオードレーザー及びNd：YAGレーザーが含ま れる。 利用できる多数の放射線源の中で、レーザーが、その強力な単色放射線特性の ため非常に好ましい。市販されている種々の形式のレーザーの中で、ダイオード レーザーが、その長い有用な寿命に亘って最小の維持しか必要としないので好ま しい。この利点は、プロセス分析器計測器のコンポーネントに於いて非常に望ま しい。更に、光ファイバーケーブルに予備結合されたレーザーを使用することが 非常に好ましい。ピグテール(pigtailed)ダイオードレーザーと呼ばれているフ ァイバー結合ダイオードレーザーデバイスが市販されている。 ピグテールダイオードレーザーは、他のレーザー源を越えた幾つかの実質的な 利点を与える。第一に、これらは既に光ファイバーケーブルに結合されており、 集束されないようになり、信号の損失を起こし得る複雑な光学的アライメント機 構を除く。この簡単さによって、必要に応じて容易に取り外したり交換すること が可能になる。更に、ダイオードレーザーは典型的に有効寿命が長く、従って最 小の維持しか必要としない。更に、ダイオードレーザーは小さい波 長範囲に亘って温度調和性であり、生じるおそれのある任意の僅かな波長ドリフ トのための補償手段を与える。最後に、ダイオードレーザーは高パワーで利用で き、より大きい信号を可能にし、その結果、測定時間がより短縮される。より高 いパワーのダイオードレーザーに関する問題は、多数のレージングモードが全て 同時に活性である「マルチモード」と呼ばれる状態で作動することである。これ らの個々のモードはお互いに関して不安定であり、デバイスを定量分析測定に役 立たないようにし、正確な作動をしなくなるおそれがある。ダイオードレーザー の不安定性によって、Carrabba他、「プロセス及び環境モニタリングのためのコ ンパクトラマン計測器（Compact Raman Instrumentation for Process and Enhv iromental Monitoring）」、SPIE、1991年、第1434巻、環境検知及び燃焼診断（ Environmental Sensing and Combustion Diagnostics） ，第127〜134頁に記載さ れているように、温度及び望ましくない発光を適当に制御することによって、完 全に除去することはできないが減少させることができる。望ましくないレーザー 発光の制御のために、Carrabba他は、レーザー波長で非常に高い光学濃度を有す るホログラフ光学エッジフィルターを記載している。 上記記載のような制御をしないと、ダイオードレーザは不安定であり、従って 一般的に、ラマン分光研究に殆ど使用できないとみなされている。更に、全ての ダイオードレーザーデバイスの波長は、デバイスが古くなるとき徐々にシフトす る。ダイオードレーザーデバイスは、短時間では安定であるが、ドリフトが遅く 、計器信頼性の低下した、長期間の不安定性によって特徴付けられる。 種々の入射波長で実施できるダイオードレーザーは市販されている。約700nm 〜900nmの波長を有するレーザーを使用することが好ましい。700nm未満では、蛍 光のような或る種の干渉バックグラウ ンドプロセスが、より高い波長に於いてよりも一般的である。しかしながら、90 0nmを越える波長は、現在利用できるマルチチャンネル検出システムの検出能力 に悪影響を与える。 本発明の方法の好ましい態様に於いて、約780nm〜830nmの放射線を発光する高 パワー、ピグテール、マルチモードダイオードレーザーを含むラマン分光法装置 が使用される。しかしながら、本発明に記載した方法は、このような計器に限定 されない。 弾性的に散乱した光子の、ラマン散乱した光子に対する大きな比率は、光子分 離の効率の良い方法を必要とする。伝統的に、これは、それぞれ２個又は３個の 分散要素で構成されている二重又は三重分光写真器システムによって行われてき た。他の放射線濾光デバイスは、弾性散乱光子を十分に拒絶して、より小さくよ り効率的な単一分散要素分光写真器デバイスの使用を可能にすることができる。 例えば、ホログラフブラッグ回析フィルターが、Carrabba他、Appl ．Spec．、19 90年、第44巻、第1558〜1561頁に記載されている。 検出器要素は、ラマン計器の適正な性能のために非常に重要であり、極めて低 いレベルの放射線を認識できなくてはならない。伝統的な走査モノクロメーター システムでは、低い光子信号を観察することができる光電子増倍管が使用されて きた。より新しい計器では、フォトダイオードアレー(PDA)又は電荷結合素子(CC D)のようなアレー検出器が使用される。アレー検出器は、全ラマンスペクトルま でのスペクトルの領域を同時に観察することができる多重光学要素からなる。CC D検出器は、Vess等、SPIE、1992年、第1637巻、第118〜125頁及びAngel等、SPIE 、1991年、第1587巻、第219〜231頁に記載されているように、マルチディメジョ ンで、１つより多い波長で同時に多ラマンスペクトルを観察することができる。 Wang及びMcCreeryによる前記の論文には、高感度のラマン分光計 中の近赤外ダイオードレーザーと一緒に電荷結合素子を使用することが記載され ている。また、Newman等、Appl ．Spec．、1992年、第46巻、第262〜265頁には、 CCD及びダイオードレーザーを、サンプルとの光ファイバーインターフェースが 設けられたフラットフィールド（flat field）画像形成分光写真器と共に使用す ることが記載されている。 単分散格子分光写真器を、CCD検出器、シングルモードダイオードレーザー、 光ファイバーケーブル、光ファイバープローブ及び適当なコンピュータを組み合 わせたラマン分光法計器は、迅速な分析決定に有用である。しかしながら、この 分光写真器及び検出器システム及びその他の光学的インターフェースの機械的安 定性並びに前記のダイオードレーザー不安定性によって、この計器の定量能力が 制限される。フーリエ変換（FT）ラマン分光法が、定量化学分析に提案されてい る。しかしながら、Seasholtz等、Appl ．Spec．、1989年、第43巻、第1067〜107 2頁に記載されているように、計器変動のために、再現性は一般的に最も良くて 約１％に限定される。 伝統的研究所ラマン計器では線源放射線をサンプルに送り集束するために一連 のレンズ、ミラー及びその他の光学系が使用されている。例えば、Allred及びMc Creery、Appl ．Spec．、1990年、第44巻、第1229〜1231頁並びにSchwab及びMcCr eery、Anal ．Chem．、1984年、第56巻、第2199〜2204頁に記載されているように 、光ファイバーケーブルに於ける進歩により、放射線をサンプルの方に向けるた めの簡素化された手段が提供される。光ファイバーケーブルの簡単さ、柔軟性及 び処理量効率によって遠隔検知の期待が実用的になる。 米国特許第5,112,127号、Vess等、SPIE、1992年、第1637巻、第118〜125頁、S choen等、Appl ．Opt.、1992年、第36巻、第7707〜 7715頁及びSchoen等、SPIE、1993年、第1857巻、第116〜125頁に記載されている ように、光ファイバーケーブルの溶融シリカコアは、弱いラマン散乱体であるが 、長いファイバー長で使用されるとき干渉バックグラウンド信号に寄与し得る。 この困難さを克服するために使用される基本的技術は、サンプルの近くに配置さ れた光学フィルターを使用する。これらのフィルターは、干渉が発生する前に、 バックグラウンド誘導放射線を除去する。 例えば、米国特許第4,573,761号に記載されているように、光フィバープロー ブは典型的に、放射線をサンプルの方に送り、散乱した放射線を集めるための手 段を提供するために、光ファイバーと一緒に使用される。このようなプローブは 、光ファイバー、レンズ及び／又はミラーの組合せで構成されていてよい。一つ の構成に於いて、２本又はそれ以上の光のファイバーが、サンプル端で一緒に密 着して固定される。これらの光ファイバーの１本又はそれ以上は、放射線をサン プルの中に送るために使用され、１本又はそれ以上の追加の光ファイバーは、散 乱した放射線を集め、検出器の方に送るために使用される。 散乱した放射線が集められ、送られた後、これは分散要素を使用して分離され る。典型的に分光写真器内で集束及び平行化光学要素と共に含まれるこの分散要 素は、お互いからの散乱した放射線の種々のエネルギーレベルの分離を容易にす る。しばしば、迷光をより完全に拒絶し、分解能を増加させるために、２個又は それ以上の分散要素が使用される。しかしながら、Allred及びMcCreery並びにWa ng及びMcCreeryの前記の論文並びにCarrabba等、SPIE、1991年、第1434巻、第12 7〜134頁にも記載されているように、適当な光学的濾過と共により小さい、より 効率的な単一格子分光写真器を使用することに実質的な利点が存在する。それに よって達成される信号処 理量の大幅な増加によって、極めて感度が高く再現性のある測定のための手段を 提供される。 オンライン分析方法の基礎としてのラマン分光法は、幾つかの文献に記載され ている。例えば、Garrison、SPIE、1992年、第1681巻、第291〜293頁には、小さ い流れが、蒸留塔トレイから温度制御されたサンプルチャンバーの中に取り出さ れる、蒸留塔内の組成を監視するためのFT−ラマンシステムの適用が記載されて いる。ラマンプローブがデータ獲得のためにこの環境の中に挿入され、この方法 は約２％の相対精度を有する。Seasholtz等による前記の論文には、石油燃料生 成物用の較正曲線を開発するための、限定された定量容量のFT−ラマン研究所方 法が記載されている。JamesのPCT国際出願第WO87/06011号明細書及びNguyen等の フランス特許第2,571,144号には、遠隔地から化学品又は化学成分の組合せの分 析特性をその場でオンラインで測定するための、ラマン放射線モニターデバイス 及びその方法が記載されている。しかしながら、記載された方法により達成可能 な精度の示差は存在しない。 本発明の方法は、ポリエステル製造プロセスのその場での監視に特に有用であ る。ラマン分光法によるポリエステルの分析はしばらくの間公知であった。例え ば、Bulkin等、Macromolecules、1987年、第20巻、第830〜835頁；Bower等、Pol ymer 、1982年、第23巻、第645〜649頁；Adar等、Polymer、1985年、第26巻、第1 935〜1943頁及びDeBlase等、J．Polym．Sci.，1985年、第23巻、第109〜115頁を 参照されたい。典型的に、最終生成物ポリエステル物質は、立体配座、配向及び 結晶化度特性を決定するために、オフライン研究所分析により研究されてきた。 プロセス相違に対応するポリマー物質の振動スペクトルに於ける劇的な変化が観 察された。立体配座、配向及び結晶化度は全て、最終生成物特性及び特定の応用 の ための有用性に影響を与える。 PETモノマーサンプルの典型的なラマンスペクトルを、図１に示す。このスペ クトルは、分子内の特定の振動運動の指標である種々のピークによって特徴付け られる。例えば、約1610cm^-1に位置しているピークは、テレフタレート環システ ムの対称的膨張／緩和に付随する。この振動運動は一般的に「環呼吸モード(rin g breathing mode)」と呼ばれる(Grasselli及びBulkin編、化学分析(Chemical A nalysis) 、1991年、Wiley、ニューヨーク中の第14巻「分析ラマン分光法(Analyt ical Raman Spectrometry)」、第223〜252頁を参照されたい）。 ラマンスペクトル中で測定したとき分子の振動運動は、分子の性質及び組成物 に特異的である。多量の利用できる構造的情報は、ラマン分光法を、その生成の 間のポリエステルの組成物を解明するための非常に望ましい技術にする。このよ うな仕事を、オンライン慣例方法で達成する方法は、明らかでも自明でもない。 ポリエステル製造の過程でポリマー生成性組成物を連続的に監視する目標は、本 発明に於いて達成された。従って、その出発物質に二酸及びジオール、ジエステ ル及びジオール、ヒドロキシカルボン酸、ヒドロキシカルボン酸エステル又はこ れらの組合せが含まれていてよい全てのポリエステルの組成的特性を、本発明に 従ってその合成の間監視することができる。 ラマンスペクトル決定に於いて、観察された信号は常に、所望の信号及び計器 応答のコンボリューションであろう。一般的に、計器応答は広がり、シフトし又 は他のやり方で所望の信号を歪ませている。本発明の方法は、それを測定できる ようにし、ラマン分光法装置のコンポーネント内の長期及び短期変動並びに不安 定性の両方を補償する。これは、全てのスペクトルが同じ不安定性に付されてい る、反応流中の化学的サンプル及び参照物質のコンボリューションされたスペク トルを同時に獲得する、米国特許第5,455,673号に記載された参照技術によって 達成される。 コンボリューションされたプロセスは、観察されたスペクトルに於いて非線形 ではないが、タイムドメインに於ける乗法（multiplication）として表わすこと ができる。タイムドメインへの転換及びタイムドメインからの転換を行うために 、FT技術が一般的に使用される。タイムドメインに於いて、脱コンボリューショ ンプロセスは、計器応答関数により観察された信号の複素数（実数成分及び虚数 成分の両方からなる）を使用する、直進分割（straightforward division）であ る。 検出器は連続的に、サンプリングした化学組成物と適当な参照物質の両方のス ペクトルを監視する。参照物質のコンボリューションされたスペクトル（本明細 書に於いては、コンボリューションされた参照スペクトルとも呼ぶ）は、放射線 源の全てのランダム不安定性及び／又は計器の機械的不安定性と共にコンボリュ ーションされた既知のスペクトル特性を有するスペクトルフラグメントからなる 。コンボリューションされた参照スペクトルは、サンプリングした化学組成物の コンボリューションされたスペクトル（本明細書に於いてはコンボリューション されたサンプルスペクトルとも呼ぶ）と同じ方法で、装置によってコンボリュー ションされる。 本発明の実施のために、適当な数学的ルーチンも有用である。集めたスペクト ルを、全ての、しかしランダムの検出器ノイズ変動性を補償する標準化プロセス で数学的に処理する。このプロセスに於いて、下記のスペクトル情報、即ち、コ ンボリューションされたサンプルスペクトル、コンボリューションされた参照ス ペクトル、標準参照スペクトル、標準サンプルスペクトル及びコンボリューショ ン関数が重要である。 コンボリューションされたサンプルスペクトル、Ｓ’（ｘ）は、分光写真器検 出器から得られたとき、未知のサンプル物質のラマンスペクトルのデジタル表示 である。このスペクトルは、計器（レーザー及び／又は機械的）不安定性及びサ ンプル中の構造的変化の両方からの変動によって影響を受ける。 前記のように、コンボリューションされた参照スペクトル、Ｒ’（ｘ）には、 全ての計器不安定性と共にコンボリューションされた既知の形状特徴を有するス ペクトルフラグメントが含まれる。このスペクトルフラグメントは、コンボリュ ーションされたサンプルスペクトルと同じコンボリューション関数でたたみ込ま れなくてはならない。 放射線源変動性及び／又は計器機械的不安定性から得られる変動を補償するこ とができるコンボリューション関数、ｃ（ｘ）には、標準スペクトルをコンボリ ューションされたスペクトルに、そして逆に同様に変換するために必要な情報が 含まれている。 標準参照スペクトル、Ｒ（ｘ）は、コンボリューションされた参照スペクトル の基本的形状（underlying shape）の真の表示でなくてはならない選択されたス ペクトルである。標準参照スペクトルは、コンボリューションされた参照スペク トルのの不変部分の理論的数学的表示であってよく、これはまた、調節又は平滑 化された参照物質の前もって獲得された、コンボリューションされたスペクトル であってもよい。好ましくは、これは参照物質の前もって獲得された、コンボリ ューションされたスペクトルの多重度を平均することによって得られたスペクト ルである。集められたスペクトルを横座標に対して「線形化する」ことが望まし く、これは、W.H．Press他、数値処理法：科学的計算の技術（Numerical Recipe s:The Art o f Scientific Computing ） 、1986年、Cambridge University Press、第77〜89頁 に記載されているもののような種々の内挿法によって行うことができる。第86〜 89頁に記載されている三次元スプライン内挿が、この目的のために特に有用であ る。標準参照スペクトルを与えるために使用されるスペクトルは、サンプル及び 参照物質のコンボリューションされたスペクトルを獲得するために使用されるも のと同じ計器から得る必要はない。 好ましくは、スペクトルＲ’（ｘ）及びＳ’（ｘ）が得られた後、これらは、 例えば数値処理法：科学的計算の技術、第381〜383頁及び第407〜412頁に記載さ れているようなFT法を使用して、タイムドメインに変換することができる。Ｒ（ ｘ）はまた、タイムドメインに変換され、ｃ（ｘ）は、Ｒ’（ｘ）のＦＴをＲ（ ｘ）のFTで割ることによって決定される。Ｒ（ｘ）及びＲ’（ｘ）のFTについて の行列に複素数が含まれるとき、この除法は実数成分及び虚数成分の両方につい て適正に評価しなくてはならない。 計算されたコンボリューション関数、ｃ（ｘ）には、スペクトル獲得の間に生 じる計器の変動及び不安定性をデコードするために必要な情報が含まれている。 次いで、Ｓ’（ｘ）のFTをｃ（ｘ）で徐し（再び両マトリックスには複素数が含 まれる）、Ｓ（ｘ）のFTにする。この結果について逆FTを計算することによって 、サンプルの組成を正確に表わす標準サンプルスペクトル、Ｓ（ｘ）が得られる 。 所望により、Ｓ（ｘ）を、例えば曲線平滑化を達成するための又はスペクトル 導関数(derivatives)を得るための手順によって処理することができる。これら の手順は、スペクトルが定量的組成情報を再現可能に抽出するために使用される とき有用である。曲線平滑化方法は、Savitsky及びM.J.E．Golay、Anal ．Chem. 、1964年、第 36巻、第1627〜1639頁に記載されている。 本発明の方法で得られる標準サンプルスペクトル、Ｓ（ｘ）は、ランダム検出 器ノイズ以外の全てのランダム計器変動が除かれた後、サンプリングされた化学 組成物の得られたスペクトルである。このスペクトルは、化学組成物により変化 し、従ってサンプルの正確な定量分析を可能にする。 図２に概略示される典型的なラマン分光法システムには、放射線源１、光導波 路２、ビームスプリッター10、励起導管2Ａ及び2Ｂ及び2Ｃ及び2Ｄからなる、放 射線を離れたサンプル場所に送る手段、放射線フィルター3Ａ及び3Ｂ、光学プロ ーブ４及び13、放射線フィルター5Ａ及び5Ｂ、収集導管6Ａ及び6Ｂ、分光写真器 インターフェース７並びに光学分散要素、アレー検出器16及び適当な数学的ルー チンが設けられたコンピュータ19を含んでなる分光写真器８が含まれている。こ のシステムは、サンプル17及び参照物質18のコンボリューションされたスペクト ルの同時獲得を可能にする。このシステムは、下記のような種々のコンポーネン トから構成されている。 好ましい態様に於いて、それによって放射線が、サンプル及び参照物質の方に 並びにサンプル及び参照物質から送られる導管2Ａ、2Ｂ、2Ｃ、2Ｄ、6Ａ、6Ｂ、 6Ｃ及び6Ｄは、光ファイバーケーブルからなる。ミラー、レンズ又は中空光導波 管のような光学素子の組合せを含む、種々の他の光透過導波路がこの目的のため に十分であることが意図される。溶融シリカコア、ドープした溶融シリカクラッ ド及びポリアミドバッファーを含む光ファイバーが、好ましいダイオードレーザ ー波長範囲内で放射線を送る最も容易で最も効率的な手段を与えるので好ましい 。 前記のように、長い距離に亘って光ファイバーを使用することは 、付随する技術困難性を有する。上記の方法の多くは、離れた場所まで長いファ イバーを使用することを可能にするのに十分である。好ましい方法は、構成が簡 単であり、計器中の挿入及び置き換えが容易な手段を提供する。 好ましい態様に於いて、導管は光フィルター3Ａ、3Ｂ、5Ａ及び5Ｂを更に含み 、それらの夫々は２個の小さい平行化レンズの間に配置されている。最大処理量 のために最適化されているこれらの光フィルターデバイスは、付随する励起及び 収集光ファイバーケーブルに接続されている。このような光フィルターデバイス は小さく、コンパクトで、丈夫でり、容易に取り外したり置き換えができるので 好ましい。文献に記載及び／又は市販の他の濾光手段が、役に立たない散乱した 放射線の除去を意図する目的に役立ち得ることが意図される。本発明により、入 射放射線は典型的に帯域通過フィルター3Ａ及び3Ｂを通過し、その後サンプル及 び参照物質に入り、収集の後拒絶フィルター5Ａ及び5Ｂを通過する。 プロセス流のサンプル物質17及び参照物質18とのインターフェースを与える光 学プローブ４及び13は、本発明の方法の満足できる操作のための適当な特徴を有 していなくてはならない。プロセスインターフェースで、プローブは、入射放射 線をサンプルに送り、サンプルからの散乱放射線を集めることの両方に備える。 インターフェースは工程ラインの運転条件下で安定であることが重要であり、イ ンターフェースの小さい変化は、処理量効率に於いて劇的な損失を引き起こすお それがある。化学的プロセス条件はしばしば厳しく、例えばポリエステルプロセ スラインは典型的に、温度150〜300℃及び20,685kPa(3000psi)以下の圧力で運転 する。このような過酷な条件によって、インターフェースを構成するために使用 することができる材料の種類が限定される。 本発明の好ましい態様に於いて、金属被覆溶融シリカ光ファイバーケーブルを 保護金属シースの中にはんだ付けすることによって構成された光ファイバープロ ーブが使用され、このプローブは、Buchanan等によって1995年５月25日に出願さ れた係属中の米国特許出願第08/450,597号、発明の名称「丈夫な分光光学プロー ブ（ROBUST SPECTROSCOPIC OPTICAL PROBE）」に記載されている。このプローブ は工程ラインの中に直接挿入され、前記の任意のフィルターデバイスが、プロー ブチップの反対側端部に接続される。このプローブ設計によって、製造工程の過 酷な物理的環境内の化学組成物を光学的にサンプリングする単純でその上信頼性 のある方法が提供される。この設計の追加の利点として、このプローブは損傷が 起きた場合、容易に取り外され、置き換えられ、日常的使用の間の光学的アライ メントの必要性が除かれる。 光学的分散要素は、散乱した放射線の種々のエネルギーレベルを分離するため に使用される。一般的に、分光写真器８は、放射線エネルギーレベルを所望の程 度まで分離するための適当な分解能を有していなくてはならない。これはまた、 放射線の損失を最少にするために効率がよくなくてはならない。 有用な市販の分光写真器は、分散要素として罫線付き回析格子で構成している 。分光写真器箱のサイズ及び回析格子の線の間隔に依存して、計器は異なった分 解能を有するであろう。他の市販の分光写真器には、増大した処理量特徴を有す る、特別に設計されたホログラフ分散要素が使用される。本発明の好ましい態様 では、800nm〜1000nmの波長範囲が検出領域に入射されるように光を分散させる 固定回析格子を有する単一回析格子分光写真器が使用される。この形式の高品質 計器は、種々の販売者から入手できる。 アレー検出器16は、計器の有効な機能化のために極めて重要であ る。泡及び微粒子がプロセス流の中に存在するとき有用なスペクトルを得るため に、検出器は、多数密接して間隔を空けた、同時に収集するチャンネルを有して いなくてはならない。この目的のために一般的に使用される２種の現在の検出シ ステムは、電荷結合素子(CCD)及びフォトダイオードアレー(PDA)である。CCDが これらの検出器として好ましく、バックグラウンドノイズレベルが極めて低く、 感度が非常に高く、そして二次元アレーに作ることができ、二次元アレーによっ て、単一の検出器上に複数のスペクトルを画像形成することができる。この多重 化能力は、米国特許第5,455,673号に記載されているように、計器コストの低下 に役立ち、二元ビーム標準化方法を利用できる手段を提供する。この標準化方法 は精度を向上させ、サンプリングのコストの低下に役立つ。 CCD検出アレーは、広範囲の種々の形状及びサイズで市販されている。一般的 なアレーは、512×512画素及び386×576画素である。256×1024又は1024×1024 画素のような他より大きいアレーフォーマットも利用可能である。このような検 出器は、干渉バックグラウンドノイズレベルを最小にするために室温より低く冷 却しなくてはならない。これは、液体窒素、水又は空気で冷却することによって 達成することができる。幾つかのCCDデバイスではマルチピン位相合わせ(MPP)と 呼ばれる技術が利用され、この技術は空気冷却によって低下した温度で所望の性 能を達成すために、バックグラウンド信号レベル及びノイズを低下させる。 本発明の好ましい態様に於いて、ノイズを最小にし、信号を最大にし、そして 必要な計器保全の量を最小にすることが望まれる。この理由のために、適正に空 気冷却されたMPP、CCD検出器が望ましい。適当なスペクトル分解／被覆を与え、 多重チャンネルの同時検出を可能にするので、512×512画素アレーが好ましい。 この分光法システムの分光写真器、検出器及びレーザーコンポーネントは一般 的に、生産場所の環境的影響に耐えるように設計されていない。それ故、これら のデバイスは、プロセスサンプリング地点から遠く離れた、安全で制御された環 境内に配置することが好ましい。光ファイバーは、制御された環境とプロセス点 との間に延ばされ、プロセスラインの中に挿入されている光学プローブに接続さ れる。 上記のラマン分光法システムに集められたスペクトルは、生産プロセスの中を 流れている物質の化学的構成を表わしている。この方法の精度及び正確度は、計 器の好ましい態様を使用することによって向上するが、他のコンポーネントの組 合せも有用である。 最高の可能な正確度及び精度を得るために、最終分析に於いて干渉又は不正確 になり得る幾つかの現象を、理解し制御することが必要である。これらの現象は 、「宇宙線」事象；プロセスに於ける泡、微粒子及び濁度；較正点サンプリング ；研究所サンプリング誤差並びに計器コンポーネントの振動、運動及び移動であ る。 しばしばスパイク(spike)と呼ばれる「宇宙線」事象は、CCD検出器上にランダ ム方式で起こる。これらは、CCD検出器要素と衝突したとき、大きな汚染スペク トルスパイクを起こす、外部空間からの高エネルギー粒子によって起こされると 信じられる。一般的に、これらの事象からのスパイクは非常に狭く、典型的に１ 〜５画素幅である。宇宙線事象が起こることは希であり、予測することができな いが、この事象はしばしば太陽フレア活動及び一日の時間に依存すると言う幾つ かの証拠が存在する。 宇宙線スパイクは、それが、プロセス物質に関係しない大きな信号をスペクト ルに加えるので面倒である。幸いにも、スペクトルデータを補正又は脱スパイク するために使用することができる幾つか の簡単な数学的ルーチンが存在する。一つのこのようなルーチンは、Takeuchi等 、Appl ．Spec.、1993年、第47巻、第129〜131頁に記載されている。 泡、微粒子及び濁度は、サンプリングした領域の部分を混乱させることによっ て観察されたスペクトルに影響と与え、サンプル体積中の変動に関係するスペク トル強度変動を起こし得る。マルチチャンネル検出システムの使用により、散乱 された放射線の全てのエネルギーレベルを同時に観察することができる。泡、微 粒子及び濁度は、スペクトルを正規化するために補正の適用を可能にする、ラン ンダム数による乗法と同様の方式でスペクトル応答で作用する。一般的に標準サ ンプルスペクトルに適用される正規化手順は、入射放射線によるサンプリングさ れた物質の体積中の不一致について補正する。 最も簡単な正規化スキームは、サンプリングされた物質の量を表わす内部標準 を使用する。PET型ポリエステル物質について、約1610cm^-1に位置している環呼 吸モードの領域を正規化するスキームが、便利で有用である。この振動モードは サンプリングされたテレフタレート環の数に直接関係しており、サンプル体積変 動の補正のためにそれを使用できるようにする。このスキームは、簡単で好まし いが、正規化を達成できる唯一の手段ではなく、スペクトルが正規化される他の 数学的手段を使用することもできる。 観察されたラマンスペクトルは、サンプリングされた物質中の組成に関係する 振動バンドの組合せである。しかしながら、それぞれの特別の振動運動は、振動 運動の分極率に関係する散乱効率を有する。このために、振動バンドの簡単な解 析は、所望の組成情報を直接提供しない。サンプル組成の直接尺度は得られない ので、観察されたスペクトル特性を所望の分析情報に関係付けるための較正手段 を構成しなくてはならない。構成手段を構成するために、特別の獲得されたスペ クトルに時間を合わせて関係付けられたサンプルが、化学プロセスから取り出さ れ、分析的に測定され、化学的構成情報を提供する。獲得されたスペクトルは計 器不安定性によってコンボリューションされているので、これらは較正手段の構 成の前に標準スペクトルに変換されることが好ましい。これは、米国特許第5,45 5,673号に開示されているように、コンボリューション関数を決定し、適用する ことによって達成される。このプロセスにおいて、ダイヤモンドが好ましい参照 物質である。 複数の波長で、既知の構成の複数の化学組成物の、好ましくは標準スペクトル であるラマンスペクトルを比較することによって、構成−強度相互関係(CIC)多 変数較正手段の構成が可能である。CICの構成のために選択される波長は、化学 組成物中のその濃度を決定すべき特別の成分のスペクトル特徴に依存する。任意 の所定の時間で、その場で組成物中のその濃度を監視することを望む各成分につ いて、別々にCIC較正が作られる。 多変数較正及び部分最小二乗回帰を含む較正手段の使用及び構成は、Martens 等、多変数較正（Multivariate Calibration）、1989年、Wiley、ニューヨーク 、第１〜６頁、同第11〜22頁、同第25〜30頁、同第73〜78頁及び同第116〜125頁 に記載されている。化学物質の濃度をラマンスペクトルピーク領域と関係付ける ための他の方法は、米国特許第4,620,284号に記載されている。 限定された濃度のシクロヘキサンジメタノール（CHDM）のようなグリコール変 性剤を更に含有していてよい、テレフタル酸ジメチル(DMT)及びエチレングリコ ール（EG）の混合物からの、PET型ポリマーの製造について、プロセスの間の種 々の時間でのエステル交換反応の程度を監視することが重要である。これは、メ チルエステル 末端(DMTから)、ヒドロキシエチル末端（EGから）及び中間体ビス（２−ヒドロ キシエチル）テレフタレート（BHET）中に含有される内部エチレン結合の、ポリ マー生成性組成物中の濃度を決定することによって達成できる。これらの種のそ れぞれのその場の決定では、個別の濃度−強度相互関係(CIC)が必要である。全 ての所定の時間での存在するグリコール変性剤の量の決定には、他のCICが必要 である。 種々の計器コンポーネントの振動、運動及び移動は、観察されたスペクトルに 於ける予期しない変化を生じる得る。誘導される誤差の種類は、予示することが 困難であり、限定された精度になる不正確を生じるかもしれない。従って、計器 内の振動、運動及び移動を除くか又は最小にすることが重要であり、これは、頑 丈な構造物中にそのコンポーネントを丈夫に組み立てることによって「堅くする 」ことができる。計器がより良く堅くされるほど、精度が高くなり、これは最終 的に達成可能であろう。 サンプルプローブは化学製造プロセス流の任意の場所に配置できるが、一般的 に、それが、プロセスを制御するため及び較正目的のための分析情報を与えるた めに有用である情報を与える場所に、プローブを置くことが適切である。 ポリエステル製造プロセス内の一つの好ましいサンプルプローブ場所は、第一 段反応が完結に近いプロセス内の点近くである。これは、それによって、反応の 程度、ジオールの酸及び／又はジエステルに対するモル比、ジオール又は二酸変 性剤のパーセント並びに重合度に関する分析情報を迅速に確認することができる 手段を与える。このような情報によって、プロセス第一段の改良された制御が可 能になり、下流制御が改良される。 下記の例は、本発明を更に例示する。例１−バッチプロセスに於ける方法能力の実例 このモニター方法の技術的能力を、生産プロセス環境のものと同様の条件下で 実験室反応容器中で例示する。DMTとEGとのエステル交換反応を、サンプルを容 器から定期的に取り出したとき、ラマン分光法によりその場で連続的に監視した 。ラマン推定データを、NMR測定データに対して比較し、それによって較正の有 効性を示すために、第二の次の反応実験を使用した。 ラマン計器は、放射線源として、752nmで操作する、クリプトンイオン気体レ ーザー（カリフォルニア州フレモン(Fremont)のレクセル社(Lexel)製）を含めて 構成した。レーザー発光プロセスからのプラズマ線を、放射線が200ミクロメー トルコア、ポリイミドバッファー、溶融シリカ光ファイバーケーブル上に集束し たとき、誘電体帯域通過フィルターによって入射放射線ビームから濾光した。光 ファイバーは、放射線を、反応媒体の中に直接送入されたサンプルプローブに送 った。 散乱した放射線を、励起ファイバーの周りに近接して配置された６個の200ミ クロメートルファイバーによって集めた。この６個の収集ファイバーを、インス ツルメンツSA（Instruments SA）(ニュージャージー州エジソン(Edison))モデル 320分光写真器の方に逆に向けた。これらのファイバーを直線アレーに整列させ 、入口光学系の前に直接配置した。 この入口光学系は、最初に放射線を平行化させ、次いでそれを、全ての弾性的 に散乱した放射線を仮想的に除去する、カイザー・オプチックス（ミネソタ州の アン・アーバー社(Ann Arbor)）ホログラフ帯域拒絶フィルターを貫通させ、最 後に濾光された放射線を、分光写真器の入ロスリットの上の集束させる機能を果 たした。分光した光を、ISA液体窒素冷却CCD検出器によって検出し、電子信号 に変換した。 計器は、シーケンスデータファイルの連続的収集を許容するソフトウエアによ って制御した。30秒シーケンススペクトルの対を獲得し、比較して、宇宙線スパ イク事象で除去した。スパイク除去に続いて、２個のスペクトルを平均した。16 10cm^-1での芳香環呼吸振動スペクトル特徴を、米国特許第5,455,673号に開示さ れている標準化方法のためのコンボリューションされた参照スペクトルとして使 用して、帯域形状及び帯域位置変動を除去した。1610cm^-1での芳香環呼吸モード の領域を、正規化のために使用した。 得られた標準化された波形を、３点半値幅ガウス拡大関数及び１点半値幅ロー レンツ縮小関数によって、フーリエドメイン内で平滑化した。データの二次誘導 を計算し、得られた標準化及び平滑化されたデータを、部分最小二乗(PLS)デー タ解析パッケージ(ノルウェー国、トロンドハイム(Trondheim)のコンピュータ・ エイディッド・モデリング社（Computer Aided Modelling A/S）からのUNSCRAMB LER)を使用して、CIC較正を構成するために使用した。 約1065gのDMT及び865gのEGを、大きな反応容器に添加した。光学プローブ、サ ーモカップル、撹拌機、凝縮器及びサンプルポートのための付属品を有する特別 に設計した蓋を取り付けた。清浄窒素の緩やかな流れを、混合物を酸素に対して 覆うために、反応混合物の上に流した。 ラマンスペクトルを獲得しながら、反応混合物を注意深く180℃まで加熱した 。僅かな基線スペクトルを集めた後、約0.20ｇの酢酸マンガン触媒を混合物の中 に挿入した。数時間後、反応温度は195℃まで上昇し、更に時間が経過した後210 ℃まで上昇した。 反応の間に、ときどき、サンプルを取り出し、そしてNMR分光法により分析し て、芳香族テレフタレート環（−Ｔ−として参照する ）、メチルエステル末端（−CH₃として参照する）、ヒドロキシエチル末端（−O Hとして参照する）、内部エチレン結合（−２−として参照する）及び遊離EGの 数を決定した。 図３は、メチル末端の数について較正反応値及び確認反応値を示す。測定した メチルエステル末端、−CH₃の数を、テレフタレート環、−Ｔ−に対して正規化 して、エステル交換反応の程度の直接測定を得た。この較正曲線は、0.9999の相 関係数を示し、ラマン方法が、エステル交換反応の全組成範囲に亘って要求され る分析結果を決定することがまさに可能であることを示している。 図４は、反応を通して測定した種々のパラメーターのプロットを示す。個々の スペクトルは、１分当たりほぼ１回獲得した。最初の20分間は、180℃で触媒が 存在しない容器で得た。触媒を添加した後、反応は急速に増加した。３時間後（ スペクトル番号180）、反応温度は195℃まで上昇し、４時間後（スペクトル番号 230）、温度は更に210℃まで上昇した。 図４のデータは、反応中の幾つかの重要な成分を決定するための本発明の優秀 な能力を示している。メチルエステル末端の数は、中間体BHETの生成の程度を示 しており、良好なポリマー製造のための重要な規準である。内部エチレン部分は 、他の重要な特性である重合度及び分子量に直接関係している。例２−ポリエステル生産反応流中の分析 生産環境に於けるその場での、オンライン定量分析ツールとして本発明の有用 性を示すために、ラマン計器をポリエステル生産ラインの近くに設置した。1995 年５月25日に出願された前記係属中の米国特許出願第08/450,597号、発明の名称 「Robust Spectroscopic Optical Probe」に開示されているように構成された丈 夫なプローブを、サンプリング先端が、流れている溶融ポリエステル流の中に突 き出るように設置した。具体的プロセスラインは、DMT、EG及びCHDMから生成さ れるグリコール変性PETを製造するように設計された。測定方法を６週間に亘っ て実証した。第一段（エステル交換）反応の程度、グリコールの酸に対するモル 比及びCHDMグリコール変性剤のパーセント組成に対応する分析データを得た。 ラマン計器は、800nm励起で作動する2.0ワットマルチモード・ダイオードレー ザーを含むように構成された。これを、100ミクロメートルシリカ石英コア・光 ファイバーケーブル(スペクトラ・ダイオード研究所社(Spectra Diode Lab，Inc .)、カリフォルニア州サンホゼ（San Jose）、モデル番号SDL-2372-P3)にピグテ ールさせた。入射放射線を、光ファイバービームスプリッター(オズ・オプチッ クス社（Oz Optics Ltd.）、カナダ国オンタリオ州カープ（Carp）、モデル番号 FOBS-12-555-MMM-750-50/50)で、２個のビームに分配した。両方のビームを、個 々の200ミクロメートルコア・ポリイミドバッファー・石英シリカ光ファイバー ケーブル(ファイバーガイド・インダストリーズ社(Fiberguide Industries)、ニ ュージャージー州スターリング(Stirling))上に集束させた。２本の光ファィバ ーによって、放射線がサンプルプローブと参照プローブとの両方に送られた。サ ンプルプローブを40メートル程度離れたプロセス流の中に直接挿入した。 各光ファイバーケーブル中の放射線を、個々のプローブに入る前に濾光した。 フィルターは、狭いエネルギー帯域のみを送るように設計され（オメガ・オプチ カル社(Omega Optical)、バーモント州ブラットルボロ(Brattleboro)、モデル番 号800 BP10）、固定光ファイバーフィルター保持デバイス（オズ・オプチックス 社、モデル番号ND-200-55-750-M-30）の中に挿入した。参照物質として使用した 小さいダイヤモンドフラグメントを照明するために、参照プロー ブを使用した。サンプルプローブは、フランジ部を通してプロセス流の中に挿入 した。 参照及びサンプルの両方からの散乱放射線を、励起ファイバーの周りに近接し て配置された個々の200ミクロメートルファイバーによって集めた。集めた散乱 放射線を濾光して、殆ど全てのレイリー散乱放射線を除去し、その後リターン・ ファイバーに入れた。フィルター（オメガ・オプチカル社、モデル番号800 REFL P)を、固定光ファイバーフィルター保持デバイス（オズ・オプチックス社、モデ ル番号ND-200-55-750-M-30）の中に保持し、これは、所望のラマン散乱放射線の 収集を可能にしながら、望まない放射線を効率よく拒絶するように設計された。 両方のリターン・ファイバーを、ISA32O分光写真器の方に後ろに向けた。この ファイバーを直線アレーの中に整列させ、入口スリットの前に直接配置した。分 散した光を、ISA液体窒素冷却CCD検出器によって検出し、電子信号に変換した。 計器は、シーケンスデータファイルの連続的収集を許容するソフトウエアによ って制御した。30秒シーケンススペクトルの対を獲得し、比較して、宇宙線スパ イク事象を除去し、２個の脱スパイクしたスペクトルを平均した。数値処理法： 科学的計算の技術 、第86〜89頁に記載されているような三次元スプライン内挿を 、コンボリューションされた参照及びサンプルスペクトルに於ける等しく空間を 空けた横座標データを与えるために使用した。標準化及び正規化は、例１に記載 したようにして行った。得られた標準化された波形を、９点半値幅ガウス拡大関 数及び７点半値幅ローレンツ縮小関数によって、フーリエドメイン内で平滑化し た。５個のシーケンシャル平滑化標準化波形を一緒に平均して、５分毎に１デー タ点を得た。 サンプルプローブは、エステル交換反応が殆ど完結したと推定される場所で、 プロセス流の中に配置した。プロセス環境の内側で、温度は約235℃であり、圧 力は約206.85kPa（ゲージ）（30psig）あった。サンプルポートはサンプルプロ ーブの近くに配置しており、オリゴマーの小さいサンプルと、12時間毎に１回取 り出した。 このサンプルをNMRによって分析して、エステル交換反応の程度を決定した。 既知の濃度の分析した組成に時間を合わせて対応する、二次誘導標準化平滑化 スペクトルを、CIC較正を構成するために使用した。較正は、部分最小二乗(PLS) データ解析パッケージ(ノルウェー国、トロンドハイムのコンピュータ・エイデ ィッド・モデリング社からのUNSCRAMBLER)を使用して構成した。 図５は、エステル交換反応の程度について約６週間に亘って、抽出したサンプ ルからのNMR結果（白丸マーカー点として示す）及びラマン計器で得られたデー タ（実線として示す）を示す。NMRデータは、点から点への偏差がデータに於け る優勢な傾向である広く変化した方法を示す。変動の主な原因は多分、サンプル 除去、固有のプロセス変動及び分析測定によって起される。 ラマンデータに於ける不連続は、液体窒素容器を再充填するための失敗又はデ ータの偶発的損失によって起こされた。 プロセスデータの統計的解析によって、ラマンデータが、NMR測定よりも遥か に少ない点から点への変動を有するという観察が確認された。ラマン法は、優れ た相対精度、約0.1％を示した。NMRデータに於ける変動の最大原因はサンプリン グ方法にあり、サンプルをプロセスから取り出す方式を考慮すると驚くに当たら ない。 より高い精度に加えて、ラマン法は明らかに、NMR分析よりも多い頻度のサン プリング、減少したサンプル取り出し必要量及び遥か に速い切り替え時間を与える。より多い頻度のサンプリングは、プロセスに於け る真の変動の性質及び期間をより良く理解するための手段を与える。サンプルを 取り出すための減少した必要性は、損傷の危険を劇的に減少させる。より速い切 り替え時間は、より活性のプロセス制御戦略を得ることができる手段を与える。 本発明を使用することによって明らかに、変数のより頻度の多い正確な測定が可 能になる。例３−混合キシレンについての方法能力の実例 他の化学組成物の構成成分を決定するためのこの方法の技術的能力を、混合キ シレンのサンプルセットを調製することによって実証する。サンプルは、混合物 中に変化量の各成分を注意深く秤量することによって調製した。モル濃度％を計 算し、下記表１にSTDとして示される、実際値として使用した。 ラマン計器は、100−μｍシリカ石英コア・光ファイバーケーブル(スペクトラ ・ダイオード研究所社、カリフォルニア州サンホゼ、モデル番号SDL-2372-P3)に ピグテールされた、800nm励起で作動する2.0ワットマルチモード・ダイオードレ ーザーを含むように構成された。入射放射線を、光ファイバービームスプリッタ ー(オズ・オプチックス社、カナダ国オンタリオ州カープ、モデル番号FOBS-12-5 55-MMM-750-50/50)で、２個のビームに分配した。両方のビームを、個々の200− μｍコア・ポリイミドバッファー・石英シリカ光ファイバーケーブル（ファイバ ーガイド・インダストリーズ社、ニュージャージー州スターリング）上に集束さ せた。２本の光ファイバーによって、放射線がサンプルプローブと参照プローブ との両方に送られた。 各光ファイバーケーブル中の放射線を、個々のプローブに入る前に濾光した。 フィルターは、狭いエネルギー帯域のみを送るように 設計され（オメガ・オプチカル社、バーモント州ブラットルボロ、モデル番号80 0 BP10）、固定光ファイバーフィルター保持デバイス（オズ・オプチックス社、 モデル番号ND-200-55-750-M-30）の中に挿入した。 参照及びサンプル光ファイバープローブの両方を、社内で構成した。参照物質と して使用した小さいダイヤモンドフラグメントを照明するために、参照プローブ を使用した。サンプルプローブは、混合キシレンサンプルを入れた316ステンレ ススチール製サンプル管の中に挿入した。 参照及びサンプルの両方からの散乱放射線、励起ファイバーの周りに近接して 配置された個々の200−μｍファイバーによって集めた。集めた散乱放射線を濾 光して、殆ど全てのレイリー散乱放射線を除去し、その後リターン・ファイバー に入れた。フィルター(オメガ・オプチカル社、モデル番号800 REFLP)を、固定 光ファイバーフィルター保持デバイス（オズ・オプチックス社、モデル番号ND-2 00-55-750-M-30）の中に保持し、所望のラマン散乱放射線を通過させながら、望 まない放射線を効率よく拒絶するように設計された。 両方のリターン・ファイバーを、アクトン・スペクトラプロ分光写真器（アク トン・リサーチ社（Acton Research Corporation）、マサチューセッツ州アクト ン(Acton)）の方に後ろに向けた。モノクロメーターは、３個の分散格子を有す るタレット型格子システムで構成した。これらの格子は、150グルーブ／mm、750 nmでブレーズさせ；30グルーブ／nm、750nmでフレーズさせ及び600グルーブ／mm 、750nmでフレーズさせた。300グルーブ／mm格子を分析のために使用し、約1700 cm^-1スペクトルカバーを得た。 ８個の200−μｍインプットで作ったファイバーアダプターを、モノクロメー ターの入口に接続して、８個のラマンチャンネル収集 を可能にした。このファイバーを直線アレーの中に整列させ、入口スリットの前 に直接配置した。これらの８個のモノクロメーターファイバーの一方をサンプル プローブファイバーに接続し、他方を参照プローブファイバーに接続した。分散 した放射線を、プリンストン・インスツルメンツ（Princeton Instruments）(ニ ュージャージー州トレントン(Tremton))熱電冷却CCD検出器によって検出し、電 子信号に変換した。このCCDチップは、テクトロニクス（Techtronix）512×512 画素背面照明検出システムであった。 計器は、プリンストン・インスツルメンツによって与えられたCSMAデータ獲得 ソフトウエアで制御し、30−秒スペクトルを獲得した。三次元スプライン内挿を 例２に於けるように適用して、コンボリューションされた参照及びサンプルスペ クトルデータを、横座標に対して直線化した。米国特許第5,455,673号に記載さ れている標準化方法を適用して、帯域形状及び帯域位置変動を除去した。得られ た標準化された波形を、３点半値幅ガウス拡大関数及び２点半値幅ローレンツ縮 小関数によって、フーリエドメイン内で平滑化した。 サンプルＡ〜Ｋからの標準サンプルスペクトルを、部分最小二乗(PLS)データ 解析パッケージ(ノルウェー国、トロンドハイムのコンピュータ・エイディッド ・モデリング社からのUNSCRAMBLER)と組み合わせて使用して、キシレン混合物の 各成分について較正を作った。この較正は、各サンプルから組成情報を与えるた めに使用した。 サンプルＬ〜Ｑは、独立確認セットを構成する。これらのサンプルは、各サン プルについて標準スペクトルを与えた、サンプルＡ〜Ｋと同様の方式で測定した 。較正関数を各標準スペクトルに適用して、サンプル組成の測定値を得た。 モノクローター中心を意図的に、901nmから899nmまでシフトさせて、装置内の 不安定製をシミュレートし、サンプルＧ及びＬ〜Ｑを再び測定して（サンプルＲ 〜Ｘとして再命名する）、標準スペクトルの新しいセットを得た。この較正関数 を各標準スペクトルに適用して、サンプル組成の尺度を得た。 下記の表１に於いて、「本発明」と名付けた欄に、本発明の方法により、それ らのラマンスペクトルから決定したときの、キシレン混合物のモルパーセントで の組成を示す。これらの値と、「STD」欄に示される実際のパーセントとの間の 相違を、「差」欄に示す。成分は、下記のように同定される。 Ｐ＝パラ−キシレン、Ｍ＝メタ−キシレン及びＯ＝オルト−キシレン。 下記の表２に、本発明により、サンプルの測定したラマンスペクトルに、たた み込み関数を適用することにより決定したときの、混 合物Ａ〜についての較正の標準誤差並びに混合物Ｌ〜Ｑ及びＲ〜Ｘのセットのつ いての予測の標準誤差を示す。表２に於いて比較のために、本発明の方法を適用 しない較正及び予測の誤差についての値を求める。 表２の記載から、本発明が、較正サンプルセットＡ〜Ｋについても標準誤差値 に於ける実質的な減少を与えたことが明らかである。この改良は、確認サンプル セットＬ〜Ｑでも大きかった。しかしながら、分光光度法システム不安定性のシ ミュレーションに於いてモノクロメータ〜中心を意図的に２nmほどシフトさせた 、セットＲ〜Ｘの場合には、本発明の方法は、その利点は最も顕著に示し、予測 の標準誤差に於いて劇的な減少をもたらした。 本発明を、その好ましい態様を特に参照して詳細に説明したが、変形及び修正 が本発明の精神及び範囲内で実施できることは言うまでもない。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ナイスリー，ビンセント アルバン アメリカ合衆国，テネシー 37660，キン グスポート，サフォーク ストリート 2605 【要約の続き】 コンボリューションラマンスペクトルの獲得の時点での 組成物の化学構成成分を確認することができる。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．化学組成物の１種又はそれ以上の選択された構成成分を、ラマン分光法に よりその場で定量的に監視するための方法であって、 （ａ）実質的に単色の放射線源で、参照物質と１種又はそれ以上の化学的構成成 分からなる化学組成物とを同時に照射すること（該放射線は、該線源から、該化 学組成物と連結している光学プローブに送られ、該線源は、励起導管の手段によ って該プローブに接続されている）、 （ｂ）１つより多くの波長で、該化学組成物から離れて設置されている分光写 真器の手段によって、該参照物質のコンボリューションされたラマンスペクトル 及び該化学組成物のコンボリューションされたラマンスペクトルを同時に獲得す ること（該分光写真器は収集導管の手段によって該光学プローブに接続されてい る）、 （ｃ）該参照物質の標準ラマンスペクトルを選択すること、 （ｄ）該参照物質のコンボリューションされたラマンスペクトル及び標準ラマ ンスペクトルから、コンボリューション関数を決定すること、 （ｅ）該化学組成物のコンボリューションされたラマンスペクトルを調節する ために該コンボリューション関数を適用し、それによって該化学組成物の標準ラ マンスペクトルを作ること並びに、 （ｆ）前決定された較正手段を該化学組成物の該標準ラマンスペクトルに適用 すること からなり、それによって、該コンボリューションされたラマンスペクトルの獲得 の時点での該化学組成物の１種又はそれ以上の選択された構成成分の量を確認す ることができる方法。 ２．該放射線の線源がレーザーである請求の範囲第１項に記載の 方法。 ３．該レーザーがダイオードレーザーである請求の範囲第２項に記載の方法。 ４．該ダイオードレーザーがマルチモードダイオードレーザーである請求の範 囲第３項に記載の方法。 ５．該励起導管及び該収集導管が、それぞれ、光導波路を含む請求の範囲第１ 項に記載の方法。 ６．該励起導管及び該収集導管がそれぞれ放射線フィルターを更に含む請求の 範囲第５項に記載の方法。 ７．該光学プローブが少なくとも２個の光ファイバーを含む請求の範囲第１項 に記載の方法。 ８．該分光写真器が分散分光写真器又はFT−干渉計である請求の範囲第１項に 記載の方法。 ９．該較正手段が、濃度−強度相互関係(CIC)多変数較正からなり、該濃度− 濃度相互関係較正が、既知濃度を有する化学成分の混合物のラマンスペクトルか ら決定される請求の範囲第１項に記載の方法。 10．該混合物の該ラマンスペクトルが標準ラマンスペクトルを含む請求の範囲 第９項に記載の方法。 11．該参照物質がダイヤモンドを含む請求の範囲第１項に記載の方法。 12．該化学組成物が、低分子量反応剤化合物の反応によって製造されたポリマ ー生成性組成物を含む請求の範囲第ｌ項に記載の方法。 13．該低分子量反応剤化合物が、ジオール化合物とジカルボン酸化合物又はジ カルボン酸エステル化合物を含む請求の範囲第12項に記載の方法。 14．該ジオール化合物が、エチレングリコール、１，４−シクロヘキサンジメ タノール、１，４−ブタンジオール、ジエチレングリコール、トリエチレングリ コール、ポリエチレングリコール、ポリブロピレングリコール、ビス（２−ヒド ロキシエチル）テレフタレート、ビス（４−ヒドロキシメチルシクロヘキシルメ チル）テレフタレート又は（２−ヒドロキシエチル）−（４−ヒドロキシエチル シクロヘキシルメチル）テレフタレートを含む請求の範囲第13項に記載の方法。 15．該ジカルボン酸化合物が、テレフタル酸、イソフタル酸、１，４−ナフタ レンジカルボン酸、２，６−ナフタレンジカルボン酸、１，４−シクロヘキサン ジカルボン酸又はアジピン酸を含む請求の範囲第13項に記載の方法。 16．該ジカルボン酸エステル化合物が、テレフタル酸ジメチル、イソフタル酸 ジメチル、２，６−ナフタレンジカルボン酸ジメチル、２，６−ナフタレンジカ ルボン酸ジメチル、１，４−シクロヘキサンジカルボン酸ジメチル、アジピン酸 ジメチル、ビス（２−ヒドロキシエチル）テレフタレート、ビス（４−ヒドロシ メチルシクロヘキシルメチル）テレフタレート又は（２−ヒドロキシエチル）− （４−ヒドロキシメチルシクロヘキシルメチル）テレフタレートを含む請求の範 囲第13項に記載の方法。 17．該低分子量反応剤化合物がエチレングリコール及びテレフタル酸を含む請 求の範囲第13項に記載の方法。 18．該反応剤化合物がシクロヘキサンジメタノールを更に含む請求の範囲第17 項に記載の方法。 19．該低分子量反応剤化合物がエチレングリコール及びテレフタル酸ジメチル を含む請求の範囲第13項に記載の方法。 20．該反応剤化合物がシクロヘキサンジメタノールを更に含む請 求の範囲第19項に記載の方法。 21．該化学組成物がポリ（エチレンテレフタレート）を更に含む請求の範囲第 12項に記載の方法。 22．該化学組成物が、蒸留ヘッドで揮発性物質を含む請求の範囲第１項に記載 の方法。