JPH06160280A - 吸光度測定装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 非常に吸光度の高い試料でも、懸濁物の堆積
等の問題なく測定することのできる、新しい形式の透過
型吸光度測定装置。 【構成】 入射側透明体５１と出射側透明体５２でＶ字
形の溝を作成し、その溝に流体試料５３を入れる。両透
明体５１、５２が接する部分には遮光壁５４を設ける。
Ｖ字型の先端を含む部分に平行光束５５を通過させ、そ
の透過光量を測定して、所定の簡単な式により試料５３
の吸光係数εを算出する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、分光光度計、比色計等
で用いられる、流体（液体、気体）試料の光の吸収度
（又は光の透過度）を測定する装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】流体の吸光度の測定には、大別すると反
射法と透過法とがある。このうち、反射法には更に拡散
反射法とＡＴＲ（Attenuated Total Reflection）法と
がある。拡散反射法は、流体試料中の光散乱物質により
散乱される光の量を検出することにより吸光度を測定す
るものであるため、光を散乱させる物質を含有する試料
にしか使用することができない。また、ＡＴＲ法は高い
屈折率を有する透明体を流体試料に接触させ、透明体側
から入射する測定光がその界面で反射する際に試料側に
僅かに侵入し、吸光される現象を利用するものである
が、試料内への測定光の侵入距離が測定光波長の数分の
１でしかないため、吸光係数が非常に高い試料に対して
しか使用することができない。

【０００３】透過法では、透明なセル（容器）の中に流
体試料を入れ（又は流し）、セルを通して光を通過させ
るのであるが、通常、光の入射面と出射面とは平行であ
る。（簡易なセルでは円筒状断面のものもあるが、この
場合でも光は対向する面で入射・出射するようになって
いるため、入射・出射面は近似的に平行と考えられ
る。）

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】ＡＴＲ法で測定するに
は吸光度が低過ぎて測定を行なうことができない試料で
あっても、透過法で測定を行なおうとすると、十分な透
過光量を得るためには光の透過方向の試料の距離（すな
わち、セルの内部の厚み）を非常に小さくしなければな
らない場合がある（例えば、吸光係数が10〜1000Abs/cm
程度の試料を透過法で測定しようとすると、セル内部の
厚みは１mm以下となる）。しかし、セル内面の入射面と
出射面の間の距離を小さくすると、懸濁液試料の場合に
は懸濁物が徐々に堆積し、吸光度測定値が不正確になる
という問題がある。本発明は、そのような問題が生じな
い、新しい形式の透過型吸光度測定装置を提供するもの
である。

【０００５】

【課題を解決するための手段】本発明に係る吸光度測定
装置は、 a)測定光に対して透明な物質で作製された、平面を有す
る透明体であって、該平面において流体試料と接するよ
うに配置された入射側透明体と、 b)測定光に対して透明な物質で作製された、平面を有す
る透明体であって、該平面において流体試料と接し、ま
た、該平面が入射側透明体の上記平面と交差するように
配置された出射側透明体と、 c)上記交差線よりも透明体側において測定光を遮断する
遮光壁と、 d)入射側透明体を通して流体試料に平行な測定光束を入
射する光源と、 e)入射側透明体、流体試料及び出射側透明体を通過した
測定光束の光量を測定する透過光量測定手段と、 f)標準試料と未知試料の光量測定値より、未知試料の吸
光度を算出する吸光度算出手段とを備えるものである。

【０００６】

【作用】入射側透明体の平面と出射側透明体の平面はＶ
字形に交差しており、流体試料は両平面の間に挟まれた
状態で配置される。この状態で光源から出射された測定
光束は、入射側透明体、流体試料、出射側透明体を通過
し、透過光量測定手段によりその光量が測定される。吸
光度算出手段は、測定された透過光量に基づき、流体試
料の吸光度（吸光係数）εを次のようにして算出する。

【０００７】まず、図５に示すように、入射側の透明体
５１が流体試料５３と接する平面（入射面）をＡＯ、出
射側の透明体５２が流体試料５３と接する平面（出射
面）をＢＯとし、両平面ＡＯ、ＢＯの交線をＯとする
（以下の説明ではこれを原点とも呼ぶ）。光源から出射
された平行な測定光束５５は、入射面ＡＯで透明体５１
から流体試料５３に入射し、出射面ＢＯで流体試料５３
から透明体５２に入る。一般に透明体５１、５２と流体
試料５３との屈折率は異なるため、測定光束５５は各平
面ＡＯ、ＢＯにおいて屈折し、しかも、両平面ＡＯ、Ｂ
ＯはＶ字形に交差しているため、測定光束５５の光路は
図５のように屈曲する。

【０００８】両平面ＡＯ、ＢＯの交線Ｏよりも下部（透
明体５１、５２側）には遮光壁５４が設けられているた
め、測定光束５５は交線Ｏよりも下側を通ることはな
い。すなわち、測定光束の下限は交線Ｏを通る光線であ
り、流体試料５３を通過せずに出射される光線はない。
測定光束５５の上端が入射面ＡＯ及び出射面ＢＯと交差
する点をそれぞれＰ0、Ｑ0とする。

【０００９】測定光束５５内において、原点Ｏからの垂
直距離がｘである光線Ｒxの流体試料５３中の光路長ｌ
はｘに比例し、 ｌ＝ｋ・ｘ …（１） となる。ここでｋは、入射面ＡＯと出射面ＢＯの交差角
によって定まる定数である。

【００１０】光線Ｒxが入射面ＡＯと交わる点Ｐの近傍
のｘ方向の微小幅ｄｘの光束の光量（但し、紙面に垂直
な方向の単位長さ当たりの光量である）をＩin・ｄｘと
すると、長さｌの光路を通過した後、出射面ＢＯと交わ
る点Ｑにおける光量Ｉout・ｄｘは、 Ｉout・ｄｘ＝Ｉin・ｄｘ・１０↑（−ε・ｌ） …（２） となる。ここで、１０↑（ａ）は１０のａ乗を表わし、
εは流体試料５３の単位光路長当たりの吸光度（これを
吸光係数と呼ぶ）である。入射側透明体５１内における
測定光の減衰が無視し得る程度であれば、入射強度Ｉin
・ｄｘはｘに依存しない（すなわち、Ｉinは定数であ
る）。

【００１１】流体試料５３を通過した後の全光束５５の
光量Ｉは、式（２）のＩout・ｄｘをｘ方向に全光束の
（ｘ方向の）幅ｄだけ積分することにより、 Ｉ＝INTEGRAL（０→ｄ）｛Ｉin・１０↑（−ε・ｌ）・ｄｘ｝ ＝Ｉin・INTEGRAL（０→ｄ）｛１０↑（−ε・ｋ・ｘ）・ｄｘ｝ …（３） として求めることができる。ここで、INTEGRAL（０→
ｄ）｛ｆ（ｘ）｝は関数ｆ（ｘ）のｘ＝０からｘ＝ｄま
での定積分を表わす。式（３）の定積分は次のように計
算することができる。 Ｉ＝Ｉin・INTEGRAL（０→ｄ）｛１０↑（−ε・ｋ・ｘ）・ｄｘ｝ ＝Ｉin・INTEGRAL（０→ｄ）｛ｅ↑（−2.303・ε・ｋ・ｘ）・ｄｘ｝ ＝（−Ｉin・／2.303・ε・ｋ）・（ｅ↑（−2.303・ε・ｋ・ｄ）−１） ＝Ｉin・（１−１０↑（−ε・ｋ・ｄ））／（2.303・ε・ｋ） …（４）

【００１２】流体試料５３において光束５５が全く吸収
を受けない場合は、式（３）においてε＝０とすること
により、 Ｉ0＝Ｉin・INTEGRAL（０→ｄ）｛ｄｘ｝ ＝Ｉin・ｄ …（５） となる。透過率ＴをＩ／Ｉ0と定義すると、 Ｔ＝Ｉ／Ｉ0 ＝（１−１０↑（−ε・ｋ・ｄ））／（2.303・ε・ｋ・ｄ） …（６） となる。

【００１３】式（６）の右辺の分子の１０↑（−ε・ｋ・
ｄ）は、光束５５の上限の光線（光路Ｐ0Ｑ0を通過する
光線）の減衰量であり、ε・ｋ・ｄはこれに対応する吸光
度となるが、これが或る程度以上の値（例えば、ε・ｋ・
ｄ＞２）となると、１０↑（−ε・ｋ・ｄ）は0.01以下と
なり、１に比べて無視し得る値となる。この場合、式
（６）は Ｔ≒１／（2.303・ε・ｋ・ｄ） …（７） となる。

【００１４】式（６）を、ε・ｋ・ｄを横軸に、Ｔを縦軸
にとって両対数グラフにプロットすると、図６の通りと
なる。このグラフにおいて、特にε・ｋ・ｄが２以上の部
分では（すなわち、１０↑（−ε・ｋ・ｄ）が１に比べて
無視し得る値となる場合）ほぼ直線となっており、Ｔと
ε・ｋ・ｄとの反比例関係（式（７））が高精度に成立す
ることがわかる。

【００１５】この場合には、吸光係数εが既知の値ε1
であり、かつ、ε1・ｋ・ｄ＞２となるような標準試料を
用いることにより、キャリブレーションを簡単化するこ
とができる。すなわち、このような標準試料に対する透
過率ＴがＴ1であったとすると、式（７）よりＴ1＝１／
（2.303・ε1・ｋ・ｄ）であり、これを式（７）に代入す
ることにより、 Ｔ／Ｔ1＝ε1／ε ε＝ε1・（Ｔ1／Ｔ） …（８） と、未知試料の吸光係数εはその透過率Ｔから簡単な式
で求めることができるようになる。

【００１６】透過率Ｔは式（６）に示される通り、流体
試料５３が存在しない状態で（すなわち、試料を空気と
した状態で）透過光量Ｉ0を測定しておき、測定しよう
とする流体試料５３について測定した透過光量Ｉとの比
Ｉ／Ｉ0として算出されるが、式（８）の場合には透過
率Ｔを算出するまでもなく、 ε＝ε1・（Ｔ1／Ｔ） ＝ε1・（Ｉ1／Ｉ） …（９） と、標準試料について測定された透過光量Ｉ1と未知試
料について測定された透過光量Ｉから直接算出すること
ができる。

【００１７】

【実施例】本発明の一実施例である吸光度測定装置を図
１〜図３により説明する。本実施例の吸光度測定装置は
検出部１０と制御部２３から成り、検出部１０は図３に
示すように、ネジ１１等により配管２０に取り付ける。
本実施例の吸光度測定装置はこのような構成となってい
ることより、化学プラント等の配管２０の内部を流れる
化学物質、油、廃液等の液体試料の吸光度を連続的又は
間欠的に測定することができる。

【００１８】図２に示すように、検出部１０は、基部１
５上に固定された透光ブロック１１、発光部１３、及
び、受光部１４から成る。基部１５と配管２０とはＯリ
ング１９によりシールされており、液体試料が取付部分
から漏れないようになっている（図２では、固定用のネ
ジ１１の図示を省略している）。発光部１３の内部には
光源１７（例えば、ＬＥＤ）が固定されており、制御部
２３からリード線２１を通して供給される電源電流又は
発光強度信号に応じた強度で、所定波長の測定光を透光
ブロック１１に対して出射する。受光部１４の内部には
測光素子１８（例えばシリコンフォトダイオード）が固
定されており、透光ブロック１１（及び液体試料）を通
過した測定光の強度に対応する測光信号がリード線２２
を通して制御部２３へ送出される。なお、光源１７及び
測光素子１８を基部１５の内部に設け、光ファイバによ
りこれらを透光ブロック１１の両面と光学的に接続する
ようにしてもよい。

【００１９】透光ブロック１１は、入射側ブロック１１
１と出射側ブロック１１２とから構成される。各ブロッ
ク１１１、１１２と液体試料との界面１１３、１１４は
Ｖ字形に交差しており、各界面１１３、１１４は光源１
７と測光素子１８とを結ぶ光路に対して傾斜している。
交差線の下部の両ブロック１１１、１１２の界面には、
遮光壁１６が設けられている。遮光壁１６は両ブロック
１１１、１１２の間に設けた遮光コーティングでもよい
し、図５に示すように、先鋭な先端線を有する遮光ブロ
ックを、両界面１１３、１１４の交線と一致するように
設けてもよい。

【００２０】本実施例の吸光度測定装置により配管２０
内を流れる液体試料の吸光度を測定する場合は、検出部
１０を配管２０に取り付ける前に、検出部１０を既知の
吸光係数ε1を有する標準試料内に入れて透過光量Ｉ1を
測定し、その値を記憶しておく。次に、検出部１０を配
管２０に固定し、液体試料の透過光量Ｉを測定する。こ
れらの測定量より、液体試料の吸光係数εは式（９）の
通り、 ε＝ε1・（Ｉ1／Ｉ） として簡単に算出することができる。

【００２１】実際のラインで使用する場合には、配管内
に突出する検出部１０が測定対象の流れの抵抗とならな
いように、検出部１０を小さくしておく必要がある（例
えば、数ｍｍ程度）。しかし、本発明の吸光度測定装置
は原理的に透明体の大きさに無関係に適用することがで
きるため、図４に示すように、大きな（数ｃｍ程度の）
透明体４１、４２でＶ字形の試料入れを形成し、その中
に流体試料４３を溜めて測定を行なうという使い方をす
ることもできる。

【００２２】

【発明の効果】本発明に係る吸光度測定装置では、両透
明体の入射面と出射面とが交差する部分の近傍では測定
光の通過距離が非常に短くなるため、非常に吸光度の高
い試料であっても幾分かの量の測定光は透過し、透過光
量の測定を行なうことができる。また、入射面と出射面
とはＶ字形に開いているため、懸濁試料を測定する場合
でも懸濁物の堆積が比較的少なく、また、たとえ堆積し
ても容易に清掃を行なうことができる。

【００２３】演算系に関しては、特に、吸光度の高い試
料の場合には、測定された透過光量から吸光度を算出す
る方法が非常に単純となり、キャリブレーションも容易
となる。また、図６のグラフで示されるように、吸光度
に比例する値ε・ｋ・ｄが４桁のオーダーで変化しても、
測定光の透過率Ｔは３桁のオーダーでしか変化しないこ
とから、本発明に係る吸光度測定装置では、広い範囲の
吸光度の流体試料を、希釈を行なうことなく測定するこ
とができるという利点を有している。

【００２４】なお、本発明の吸光度測定装置は、可視光
のみならず、透明体の材質を適切に選択することによ
り、紫外線、赤外線吸光度測定にも適用することができ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明の一実施例である配管内固定用の吸光
度測定装置の検出部の斜視図。

【図２】 実施例の吸光度測定装置の検出部の光路に平
行な断面図。

【図３】 実施例の吸光度測定装置を配管に取り付けた
状態の斜視図。

【図４】 本発明の別の実施例である大型吸光度測定装
置の光学系構成図。

【図５】 本発明の吸光度測定装置の作用を説明するた
めの説明図。

【図６】 本発明の吸光度測定装置の作用を説明するた
めのグラフ。

【符号の説明】

１０…検出部 １１…透光ブロ
ック １１１…入射側ブロック １１２…出射側
ブロック １１３、１１４…液体試料との界面 １３…発光部 １４…受光部 １５…基部 １６…遮光壁 １７…光源 ２３…制御部 ５１…入射側透明体 ５２…出射側透
明体 ５３…流体試料 ５４…遮光壁 ５５…測定光束

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 a)測定光に対して透明な物質で作製され
   た、平面を有する透明体であって、該平面において流体
   試料と接するように配置された入射側透明体と、 b)測定光に対して透明な物質で作製された、平面を有す
   る透明体であって、該平面において流体試料と接し、ま
   た、該平面が入射側透明体の上記平面と交差するように
   配置された出射側透明体と、 c)上記交差線よりも透明体側において測定光を遮断する
   遮光壁と、 d)入射側透明体を通して流体試料に平行な測定光束を入
   射する光源と、 e)入射側透明体、流体試料及び出射側透明体を通過した
   測定光束の光量を測定する透過光量測定手段と、 f)標準試料と未知試料の光量測定値より、未知試料の吸
   光度を算出する吸光度算出手段とを備えることを特徴と
   する吸光度測定装置。