JPH023461B2 - - Google Patents

Description

請求の範囲 １ 流体試料の測定のための光度計であつて、光
源と、第１および第２の光伝達通路を有する本体
であつて前記光源からの光を受けかつ対応する前
記第１および第２の光伝達通路を介して第１およ
び第２の光束進路に沿つて光を通し、少なくとも
前記第１の光伝達通路が対応する前記第１の光束
進路に流体試料を受け入れるべく形成されている
本体と、第１の光束に対する試料の影響を測定す
べく前記第１および第２の光伝達通路から現われ
た第１および第２の光束の相対強度を測定するた
めの手段と、前記第２の光束の光エネルギーが前
記第１の光束のそれを越えるように前記光束進路
の光の相対エネルギーを調整するための手段とを
含む、光度計。

２ 前記光源の所定の領域であつてこれからの光
が前記第１および第２の光伝達通路に通される所
定の領域を規定すべく前記光源と協働する手段を
含む、請求の範囲第１項の光度計。

３ 前記調整手段は各光伝達通路に入る光のため
の規制孔を含み、前記第２の光伝達通路のための
前記規制孔は前記第１の光伝達通路のためのそれ
より大きい、請求の範囲第１項または第２項の光
度計。

４ さらに、分析のためにクロマトグラフ用カラ
ムから流体試料成分の流れを受けるべく前記第１
の光伝達通路を前記カラムに接続するための導管
手段を含む、請求の範囲第１項の光度計。

５ 前記第１および第２の光束の相対強度を測定
するための手段は、前記第１の光束に対する前記
流体試料の影響の度合を与える、シヨツトノイズ
信号成分を含む検出器出力信号を得るために前記
第１および第２の光伝達通路から現われた第１お
よび第２の光束の相対強度を測定するための第１
および第２の検出器であつて各光束のエネルギー
に応答して、試料および標準の電流出力信号Isお
よびIrの比率Ｒに関して出力信号比率の全変動
（△Ｒ／Ｒ）が√（１＋１）に比例するよ
うに前記電流出力信号IsおよびIrを発生させる第
１および第２の検出器を含み、また、前記光束進
路の光の相対エネルギーを調整するための手段は
各光束進路における光のための規制孔を含み、電
流出力信号Irが電流出力信号Isを上回るように前
記第２の光束進路における規制孔が前記第１の光
束進路におけるそれより大きく、これにより、前
記測定手段および調整手段が協働して前記測定手
段の出力信号における前記シヨツトノイズに対す
る前記基準信号の寄与を減少させる、請求の範囲
第１項の光度計。

６ 前記第２の光束進路における規制孔は前記試
料の光束進路における規制孔の直径より1.4倍大
きい直径を有する、請求の範囲第５項の光度計。

明細書 本発明は広く流体試料の測定に関し、より詳細
には、測光フローセル内の試料の光学測定に関す
る。本発明は、特に、クロマトグラフ用カラムか
ら取り出された連続した流体試料成分の流れが
個々の試料成分の分析のために測光フローセルを
経て流動する液体クロマトグラフシステムに使用
するのに適する。

複光束光度計は、流体試料の光学測定のため
に、流体流動システムに長く使用されている。一
つの共通する形態として、そのような光度計は、
一対の光伝達通路−流体試料を受け入れるべく形
成された流体試料および基準流体を受け入れもし
くは全く流体を受け入れないように形成された基
準通路を有するフローセル本体を含む、光源から
の光は試料光束および基準光束に分割され、対応
する試料通路および基準通路、従つてその内部の
試料または基準流体を通過する。試料光束および
基準光束のエネルギー比の測定、延いては試料の
特性（通常は吸収）の測定のために、光検出器が
それぞれの通路から現われる光を遮る。複光束シ
ステムの主たる利点は、二つの進路における共通
モードノイズの影響を除き、従つて、高い共通モ
ード阻止比（common mode rejection ratio）
を示す出力信号を起生するという固有性に在る。

高圧液体クロマトグラフイー（HPLC）におい
て、複光束フローセル光度計は、クロマトグラフ
用カラムから取り出された連続した流体試料成分
の流れを受けかつこれを光学測定するように適用
されている。（溶剤マトリツクスに担われた）試
料成分は、典型的には微量（例えば100μ〜1.0
ml）であり、近接して間隔をおき、低濃度であ
り、フローセル内をほぼ40気圧程にも達する高圧
で流される。

複光束フローセルのHPLCへの適用を企図する
場合、試料成分を最大の分解能および感度で以つ
て測定する構成が望まれる。分解能は、連続して
近接した間隔をおいて流れる試料の測定値の識
別、すなわち、光度計の出力光学信号に生じる試
料の典型的な「ピーク」の識別に対するそのシス
テムの能力の指度である。感度は、試料として光
度計の出力信号の基準ノイズから識別を与える試
料の最小濃度すなわち最小量の指度である。これ
らに関し、従来に共通するフローセルの構成は、
寸法および形状が同一の試料通路および基準通路
を含む。明らかに、同一の試料通路および基準通
路は、システムのための充分な共通モード阻止性
能および分解能を得るためにフローセルの光学幾
何における対称性すなわち平衡を与えることが必
要であると意識されていた。

従来フローセルの設計の改善に伴ない、光度計
の出力信号のいわゆる「シヨツト」ノイズがより
重要な要因となつてきている。シヨツトノイズ
は、光束強度の統計的変動を表わすと考えられて
いる光度計の出力光学基準信号（output optical
baseline signal）に重なる高周波および低周波
のノイズ信号である。このシヨツトノイズの影響
は光度計の感度の低下をもたらすことに在る。シ
ステム感度の低下により、シヨツトノイズは低濃
度の試料測定に対する前記システムの性能を損な
わせる。従つて、実際、従来の前記フローセルの
性能は、改良を経て、シヨツトノイズによつて制
限を受けるようになつて来た。シヨツトノイズに
対する一の可能性のある対策は、通路直径の増大
によつて試料通路内の光エネルギーレベルを増大
することである。ところが、シヨツトノイズのそ
のような低減の結果、システムの分解能の実質的
な低減という損失をもたらす。

従つて、従来技術における前記欠点を有するこ
となく、流体試料を受け入れかつ測定するための
複光束光度計が必要とされていた。本発明は、こ
れらの要求を満たす。

本発明は、従来技術の前記欠点を克服する方法
で、流体試料を測定するための改善された複光束
光度計に在る。改善された前記光度計は、高い分
解能および高い共通モード阻止性能と共に、高い
感度を示す。改善された前記複光束装置は、構成
が単純かつ安価でありしかも作動が信頼できる商
業上実際的な形態で実施できる。

前記した目的のために、本発明は、(1)光源、(2)
第１および第２の光伝達通路であつて前記光源か
らの光を受けかつ該光がそれらに沿つて通過しま
た前記通路の少なくとも一方の内部に在る流体試
料を通過するように形成された第１および第２の
光伝達通路を規定する手段、および(3)前記試料の
測定のために、前記通路から現われる第１および
第２の光束の相対強度を測定するための手段を含
む光度計に具体化される。発明者は、基準光束進
路の光の相対エネルギーの試料光束進路のそれを
越える増大は光度計の出力信号のシヨツトノイズ
を低減させ、これによりシステムの感度を高め、
かつ光度計の所望の光学分解能および共通モード
阻止比を維持することを発見した。好ましい実施
例において、改善された構想は、各通路に光が入
るための規制孔であつて基準光束進路のための規
制孔が試料光束進路のためのそれよりも大きいよ
うな規制孔を含む調整手段により達成される。

前記した好ましい実施例においては、前記試料
光束進路および基準光束進路はフローセル本体の
対応する第１の光伝達通路である試料通路および
第２の光伝達通路である基準通路を通る。前記調
整手段は各通路に光が入るための規制孔を含み、
前記基準通路のための規制孔は前記試料通路のた
めのそれよりも大きい。

本発明は、さらに、光源の所定領域であつてこ
れからの光が前記試料通路および基準通路を通過
する前記所定領域を規定すべく前記光源と共働す
る手段を企図する。そのような配置は、前記光源
が部分的な強度変化を有する場合、低い共通モー
ド阻止性能を招くところの試料通路および基準通
路から見た前記光源の前記領域の不一致が生じた
とき起こる視差問題を減じる。

【図面の簡単な説明】

図面はHPLCシステムに組み込まれた本発明の
複光束光度計の光学ダイヤグラムであり、前記光
度計のフローセルの縦断面を示す。前記光度計の
光学光束進路の境界光線が想像線で表わされてい
る。

図面に示されているように、本発明は、光源１
４と光学検出器１６との間の光路に配置された複
光束フローセル１２を含む複光束光度計１０で具
体化される。前記フローセルは、圧力下で液体ク
ロマトグラムカラム１８から流れ出る液体試料成
分を供給管２０を経て受けまた分析後の前記試料
を放出管２２を経て放出すべく、適合されてい
る。前記カラム１８から前記フローセル１２を経
る流路に必要な圧力を設定するために、前記放出
管は背圧調整器（図示せず）に接続されている。
典型的には前記放出管は前記流体が流れ込む適当
な排液容器すなわち水溜めに接続されている。

フローセル１２は全体に円柱状の本体２４を含
む。前記本体２４の両端部には、第１および第２
の光伝達通路であるほぼ平行な一対の試料通路お
よび基準通路２６および２８がそれぞれ伸長して
いる。供給管２０は試料通路２６の一方の端部に
開放し、また放出管２２はその同一通路の反対側
の端部に開放する。このような配置により、カラ
ム１８から抽出された試料成分は圧力を受けた状
態で供給管２０を経て試料通路２６に流れ、また
廃棄のために該試料通路の外部に流れる。基準通
路２８は、該通路への基準流体の流入およびその
流出のため、両端に同様な供給管および放出管
（図示せず）を含む。しかしながら、フローセル
１２では、該フローセルが前記基準通路内におけ
る基準流体の存在無しに主として試料分析に使用
されていることから、そのような管は省略されて
いる。

試料通路２６の壁面は、供給管２０から放出管
２２へ向けての流れの方向へ外方へ向けて円錐状
に傾斜している。従つて、前記壁面は前記円錐通
路の頂部に開口すなわち孔３０を規定しまた前記
円錐通路の基部に比較的大きな開口すなわち孔３
２を規定する。

前記基準通路２８は全体に円柱形状を呈する。
本体２４は、前記通路の左端に、該端部に開口す
なわち孔３６を規定する環状部３４を形成する。
比較的大径の開口すなわち孔３８が前記基準通路
の反対側の端部で前記壁面により規定されてい
る。

前記した試料通路および基準通路の各左端の開
口３０および３６は、フローセル本体２４の端部
を密閉する光透過窓４０によつて閉じられてい
る。前記窓４０は、また、前記試料通路および基
準通路への光の進入のためのコリメータレンズと
して形成されている。試料通路２６の反対側の端
部は、第２の光透過窓４２により、閉じられてい
る。クランプ（図示せず）が、前記窓４０および
４２をフローセル本体２４の正しい位置で該本体
に対して液密的に保持する。フローセル１２の好
適な実施例では、前記基準通路２８の反対側すな
わち右方の端部は、前記基準通路を大気にさらす
ように開放する。しかしながら前記基準通路が基
準流体を受けるように適用される場合には、前記
基準通路の当該端部を閉じるために、他の窓もし
くは前記窓４２の伸長部が前記本体２４の右端面
を閉鎖すべく設けられる。

光源１４は、選択された波長の発光を生じる全
体にＵ字形状のゾーン４４を有するガス放電ラン
プである。孔４８を有するマスク４６が前記光源
発光ゾーン４４の所定の領域５０を規定すべく前
記ランプに近接して配置されており、前記ゾーン
４４からの光は前記フローセル１２へ向けて開口
４８を通過する。開口４８を通過した光は、レン
ズ／窓４０により受けられかつ平行にされ、これ
により試料通路および基準通路２６および２８の
それぞれに沿つた第１および第２の光束として各
通路を通過する。前記フローセル通路２６および
２８から現われる光は、それぞれ検出器１６Ａお
よび１６Ｂに衝突し、引き続いて該検出器が当該
各検出器に衝突する光エネルギーを示す電流出力
信号を起生する。

流れる試料成分の光学分析は、前記試料が前記
通路２６を流れる時に選択された波長における各
試料成分の光学的特性（例えば吸光度）を測定す
ることによる従来方法によつて行なわれる。これ
に関し、それぞれが前記通路２６および２８を出
る前記第１の光束である試料光束および前記第２
の光束である基準光束のエネルギーを表わす検出
器１６Ａおよび１６Ｂの前記電流出力信号は、前
記試料のみの測定を得るために、試料光束エネル
ギーおよび基準光束エネルギーを比較（例えば比
率を出すことによる）すべく処理される。

前記試料通路および基準通路２６および２８
は、該各通路の内壁面に光の衝突を生じることな
く前記試料光束および基準光束のそれぞれが通過
するように造形されている。これは前記通路の壁
面から前記検出器への反射光によつて引き起こさ
れるノイズを最小にする。前記試料通路２６の前
記した円錐状の壁面はそのような結果を与える。
従つて、屈折率が変化する試料成分の流れが前記
通路２６を経る場合であつても、そのような屈折
率の変化は前記通路壁面からの擬似の反射光すな
わち対応する出力信号ノイズを起生させることは
ない。基準通路２８では入口孔３６および比較的
大きな出口孔３８は、全体に円錐状の光束が前記
通路壁面に衝突することなく該通路を通過するよ
うに共働する。

先に述べたように、本発明の主たる様相すなわ
ち特徴は、光度計の光学基準出力信号に重なるシ
ヨツトノイズの著しい低減に在る。それについ
て、そのような著しい低減は前記基準通路および
試料通路を通るそれぞれの光エネルギーを、前記
基準光束の光エネルギーが前記試料光束のそれを
越えるように調整することにより、達成し得るこ
とが明らかとなつた。さらに、そのようなノイズ
の低減は、屈折率変化によるノイズを最小に抑え
かつ光学的分解能および高い共通モード阻止比を
維持して達成し得る。

前記した目的のために本発明に従つて、前記基
準通路および試料通路２８および２６にそれぞれ
関連する入口孔すなわち規制孔３６および３０
は、前記孔３６の直径が前記孔３０のそれよりも
大きくなるように規定されている。従つて、前記
孔は、前記両光路のそれぞれの光エネルギーを、
前記基準通路２８に受け入れられかつ対応する基
準検出器１６Ｂを通る光エネルギーが前記試料通
路２６を経て検出器１６Ａに到達する光エネルギ
ーに比較して大きくなるように調整するための手
段として機能する。好ましい実施例では、前記基
準通路の前記孔３６の直径は、前記試料通路の前
記孔３０の直径よりも約1.4倍大きい。

前記試料光線エネルギーに関する基準光線エネ
ルギーの増大の重要性は次に示すとおりである。
符号１６Ａ，１６Ｂで示されるような光検出器の
出力電流の統計的変動は、 △Ｉ／Io＝√（） で表わされる。ここで、I₀は光検出器の平均交流
出力電流に等しく、ＫはI₀に無関係な定数に等し
い。検出器１６の全ての出力信号が前記試料光束
および基準光束の出力電流の比である場合、検出
器１６の出力信号の全ての変動は、 △Ｒ／Ｒ＝√（√（１＋＋１） で表わされる。ここで、I_sは試料光束検出器１６
Ａの出力電流に等しく、I_rは基準光束検出器１６
Ｂの出力電流に等しく、またＲは前記両出力電流
の比に等しい。前記検出器出力のこれらの統計的
変動の大きさは前記出力電流の平方根に逆比例す
ることから、試料光束および基準光束の両者の光
エネルギーを最大にすることが有利であることは
明らかである。しかしながら前記試料光束の光エ
ネルギーは前記試料通路の容積により制限を受
け、該容積は測定される試料の容積により制限を
受け、また該容積は前記光度計の要求分解能によ
り制限を受ける。しかしながら、発明者は、前記
基準光束についてはそのような光エネルギーの制
限が要求されないということを認めた。

前記したところに鑑み、例えばI_rがI_sに等しい
と仮定する。そのような場合、全出力シヨツトノ
イズは前記試料光束のみのそれよりも約41％大き
いことが前記方程式によつて示される。しかしな
がら、I_rがI_sの２倍であると、全出力シヨツトノ
イズは前記試料光束のみのそれよりも22％大きい
に過ぎない。さらに、IrがIsの４倍の大きさであ
れば、全出力シヨツトノイズは前記試料光束のみ
のそれよりも12％大きいに過ぎない、などであ
る。従つて、前記基準光束の光エネルギーを前記
試料光束のそれに関して増大させると、秀れた共
通モード阻止性能比すなわち二重光線システムの
高い感度を犠牲にすることなく、前記検出器の出
力信号の光学基準シヨツトノイズは対応して減少
する。要するに、前記基準光束における前記エネ
ルギーの、前記試料エネルギーのそれに関する増
大は、実質的に前記基準光束の出力シヨツトノイ
ズレベルへの寄与を低減させる。

本発明に従つて光度計１０を製作する場合、前
記孔４８は、試料通路および基準通路の両者から
見える所定の光源領域５０を規定し得るように光
源１４に近接して配置される。これは、前記光源
が部分的な強度変化を有する場合、低い共通モー
ド阻止性能を招くところの前記試料通路および基
準通路から見た前記光源領域の不一致があるとき
に生じる視差問題を減じる。光線分散角θは、充
分な試料分解能を確保しかつ最小光学基準ノイズ
のための充分な光量を保証すべく、フローセルの
試料通路２６の内部容量を最小にするように選択
される。これに関し、θは２tan^-1d／2fとして定義 され、ここでｆは使用波長（ここでは254nｍ）
におけるレンズ４０の焦点距離であり、ｄは前記
孔４８の直径である。θが決まると、前記孔４８
の寸法は、当該孔を光で完全に満たす光源１４の
発光領域５０ができるだけ大きく見えるように調
整される。前記孔４８のこの最大寸法が得られる
と、次に、該最大寸法およびθによつてｆが最大
に決められる。ｆを最大にすることは視差問題を
最小にするのに役立つ。

前記したシステムの光学構造要素の特質および
タイプは、測定される試料の種類および応用に応
じて変えることができるが液体クロマトグラフ装
置に組み込まれた良好に動作する一つのシステム
が次の記載に従つて構成された。光源１４は
254nｍで発光する水銀灯である。マスク４６の
孔４８は0.125インチ（約0.318cm）の直径であ
る。レンズ４０は、2.0インチ（約5.08cm）の焦
点距離および254nｍに対してｆ＝1.78インチ（約
4.54cm）の動作焦点距離を有し、マスク４６から
この距離ｆを隔てる。試料通路２６の入口孔３０
は0.05インチ（約0.127cm）の直径であり、他方、
本発明においては前記基準通路の入口孔３６は
0.07インチ（約0.178cm）の直径である。両通路
は10mmの本体を貫通する長さ寸法を有する。θす
なわちフローセル１２における光線分散角は
3.96゜である。検出器１６Ａおよび１６Ｂは、中
心間で７mmの間隔をおく５mmの直径の感光領域を
有する。フローセル１２の後方すなわち右端から
前記検出器迄の距離は10mmである。

光度計１０は、試料通路２６が円錐形状に傾斜
しまた基準通路２８が円柱形状として示されてい
るが、両者を円錐形状あるいは両者を円柱形状に
できることが理解されよう。好ましくは前記通路
２６および２８を貫通する円錐状の光路がその入
口孔および出口孔によつて規定される。他の形態
では、前記通路２６および２８は、これが全体に
平行することに代えて、それらの軸線が後方へ光
源１４へ向けて伸長したときに交わり、或は該光
源の制限された領域すなわち焦点領域が見えるよ
うに収斂するように、角度的に配置される。この
形態では、レンズ／窓４０のコリメータ機能は不
要となる。

本発明の好適な実施例を例示しかつ記憶した
が、これを付加した請求の範囲に規定された本発
明から逸脱することなく変更できることは明らか
であろう。