JPH08501394A - 物質の特性を光学的に測定する改良装置及び方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 −第１の実施例によれば、本装置は、それぞれ２つの光学シャッター（４、６）によって制御される２つの平行な光学分岐部（11、12）を照射する光源（１）を含み、１つの分岐部は分析しようとする物質を入れた透明なセル（３）からなり、他の分岐部は光源からの光の向きを変えるために用いられる。順次２つの分岐部を通過した光は、分析しようとする物質によって選択される３つの波長を透過する３つのカラーフィルター（１−f3）に選択的に印加される。各フィルターを通過した光の光度は３基の検出器（ｄ1からｄ3）で測定し、測定値は誘導セット（０）を用いて組合わせる。３つの光源と１基の検出器からなる実施例によっても類似の一連の測定を行うことができる。本装置は物質のｐＨ値等の測定に用いることができる。

Description

【発明の詳細な説明】 物質の特性を光学的に測定する改良装置及び方法 発明の分野 本発明は、例えば吸光度など物質の特性を光学的に測定する方法と装置に関す る。 発明の背景 フランス特許FR-A-2,689,636に、セルに入れた物質の真の吸光度を測定する装 置が記載されている。振動数スペクトルが既知のハロゲンランプ等の光源からの 光は光学スイッチ手段によって各々所定の波長の３つの光学フィルターに順次送 り出される。第１の波長は、物質の塩基性フラクションの吸光度がその酸性フラ クションの吸光度に等しく、したがってそのｐＨ値に左右されない着色物質のイ ソベスチック・ポイント（isobestic point）に相当する。第２の波長は、測定 しようとするパラメーターの変動に物質が最も敏感に反応するスペクトル領域に ある。第３の波長は、物質の吸光度がほとんど変化しないスペクトル領域にある 。各フィルターを通過した光は、分析の対象である物質を入れたセルと、例えば ニュートラルフィルターや光学バイパス・ファイバーなど、対照セルである光学 バイパス分岐部とを交互に通るように方向づけられる。順次出射する光線の強度 を測定し、各種測定値は、物質の真の吸光度など、光源の変動に左右されない光 学特性を決定する管理計算ユニットによって処理する。 この方法により正確かつ信頼できる結果が得られるが、この方法を実施する装 置はユニット価格が比較的高い光学スイッチを数個含むため比較的高価につく。 発明の要旨 本発明による装置の目的も、透明なセルに入れた反応物質の真の吸光度など、 物質の光学特性を測定することにあるが、本発明装置はより簡便かつ安価である 。本発明装置は、少なくとも１つの光源と、光をセルの内外を選択的に通過させ る第１の光学分岐部および第２の光学分岐部と、第１あるいは第２の光学分岐部 と、第１の選択的フィルターは反応物質のイソベスチック・ポイントに相当する 第１の波長を中心とするフィルターであり、第２のフィルターは光学スペクトル のうち物質の感度が最も高い領域にある波長を中心とするフィルターであり、第 ３のフィルターは物質の感度が最も低い他のスペクトル領域にある波長を中心と するフィルターである３つの選択的フィルターのうち１つをを通過した光線を形 成するための光学システムと、光学システムを通過した光の強度を測定する手段 と、誘導セットと、該誘導セットによって制御される選択手段とパワーパックと からなる。 本装置は、第１の分岐部と第２の分岐部にそれぞれ配置した２つの光学シャッ ターと電気的スイッチ手段とからなる選択手段を特徴とする。 誘導セットは、例えば制御プロセッサと、光度測定信号を取込むための収集ユ ニットと、該選択手段を制御するためのインターフェース・セットを含む。 第１の実施例によれば、本装置は２つの分岐部を照射する１つの光源を含み、 光学システムは第１あるいは第２の分岐部を通過した光線を３つのフィルターに 送るためのバイパス手段からなり、測定手段は３つのフィルターを通過した光を 測定する３基の検出器を含み、電気的手段は該検出器を該誘導セットに断続的に 接続する素子とランプをパワーパックに断続的に接続するスイッチからなる。 別の実施例によれば、本装置は３つの光源を含み、光学システムは該光源から の光をそれぞれ３つの選択的フィルターに送るためのバイパス手段と、フィ ルターにかけられた光を第１と第２の分岐部に振り分ける分割手段とからなり、 測定手段は分岐部のいずれか１つから来る光を測定する１基の検出器を含み、電 気的スイッチ手段は３つの光源の１つを選択的に供給するための素子を含む。 第２の光学分岐部は、例えば、ニュートラルフィルターあるいは第１のものと 同一で中性の物質を含むセルなどを備えた光ファイバーを含む。 第１の実施例の装置を用いた本発明による測定方法では、誘導セットの制御下 で以下のサイクルからなる測定を行う。 − セルを通過した光を順次３つのフィルターに送り、３つのフィルターからの 光の強度を測定する第１の測定段階 − 該第２の光学分岐部を通過した光を順次３つのフィルターに送り、３つのフ ィルターからの光の強度を測定する第２の測定段階 − 該第１と第２の測定段階で各検出器によって測定した値を組合わせて反応物 質の特性を測定する。 第２の実施例の装置を用いた測定は以下のサイクルからなる。 − ３つのフィルターを順次通過した光を反応物質を入れたセルに送り、それぞ れの光度を測定する測定段階 − ３つのフィルターを順次通過した光を該第２の光学分岐部に送り、それぞれ の光度を測定する測定段階 − 該光源からの光の光度値を組合わせて反応物質の特性を測定する。 いずれの実施例を用いるにしても、本装置には光学シャッターが２個しかなく 、測定値を得るのに必要な比較測定操作のシーケンスが電気スイッチによって制 御されるので、測定が容易である。したがって、装置のコスト、信頼性ともに大 幅に改善される。 測定精度をさらに向上させるために、装置に周囲温度と各ランプの供給電圧を 測定する手段を設けてもよい。 図面の簡単な説明 本発明による装置および実施方法のその他の特長、利点は、以下に非制限的な 例として挙げた２つの実施例の説明と添付の図面から明らかになる。図中、 − 第１図は、１つの光源を備え、出射光を選択的に濾過するフィルターを備え た第１の実施例の概略図である。 − 第２図は、３つの異なるビームによって選択的にセルを照らす第２の実施例 の概略図である。 − 第３図は、第１図の実施例の実施方法を示すフローチャートである。 − 第４図は、第３図のフローチャートにおける測定値の収集過程の詳細を示す 。 − 第５図は、第２図の実施例の実施方法を示すフローチャートである。 − 第６図は、各ランプについて行う操作の詳細を示す。 好ましい実施例の説明 溶液のpH値は次の関係式によって計算する。 ｐＨ−ｐＫｉ＋log ｘ／（１−ｘ） （１） 式中、ｐＫｉは定数であり、Ｘは物質の塩基性フラクションである。このパラメ ーターｘは次の関係式によって物質の吸光度Ａに関係する。 ｘ＝Ａ／（ｃ．ｌ．ε） （２） 式中、ｃは濃度、ｌは光が横切る光路長、εはセル吸光率である。吸光度は、次 の関係式に示すように、セルに印加される入射光の光度Ｉiとセルからの出射光 の光度Ｉeの関数として表される。 吸光度Ａの値は、Ｉeのみを測定した場合、ランプが不安定であると大きく変 動する恐れがある。事実、かかる光源の特性が経時的に変化することはよく知ら れている。例えば色温度は、フィラメントの段階的揮発、ケーシングの老化など ランプ自体に由来する原因があったり、電力供給が不安定であったりすると変化 しやすい。その結果、光源の振動数スペクトルの形状に著しい変形が生じる。例 えば、光源の色温度が時間と共に１０％以上も低下し、そのため各種フィルター に印加される光度に高い割合で変動が生じ、その結果測定誤差が生じる可能性が ある。 本発明の装置では、まさにその構造と実施方法によって、光源の特性の経時的 変化を無視することができる。 第１の実施例によれば、本装置はタングステン・フィラメントのハロゲンラン プなどの光源１を含む。光源１からの光は、光学分離器２によって２本の光束に 分割され、例えば光ファイバー11、12などによって、第１の光束はその色変動を 測定しようとする反応物質を入れたセル３を含む主な光学分岐部、次いで第１の 光学シャッター01（４）へと送られ、第２の光束はバイパスの光学分岐部に送ら れセル３の外を通るビームを形成する。このバイパス分岐部は例えばセル３の平 均透過率にほぼ等しい透過率を有するニュートラルフィルター５からなり、第２ の光学シャッター02（６）が続く。２個のスイッチ４、６の出力は光学分岐点７ に接続される。 光学分岐点７から出たビーム、すなわち選択的にいずれかの分岐部を通過した ビームは、光学分離器８によってさらに３本のビームに分割され、３本の光ファ イバー13、14、15によってそれぞれカラーフィルターＦ1、Ｆ2、Ｆ3に送られる 。これら３つのフィルターは、例えば、それぞれ波長４９４nm、６００nm、７３ ０nmを透過させる。最初の波長Ｌ1は、着色物質のイソベスチック・ポイントと して知られる、物質の塩基性フラクションの吸光度が酸性フラクションの吸光度 と等しく、したがってｐＨ値に左右されない点に相当し、第２の波長 Ｌ2は、測定しようとするパラメーターの変動にその着色物質が最も強く反応す る波長である。第３の波長Ｌ3は、その着色物質の吸光度が変化しない波長に相 当する。３つのフィルターＦ1、Ｆ2、Ｆ3はいずれも、例えば、３つの分岐部13 、14、15を通過した光度のバランスをとるように選択した透過率を有するニュー トラルフィルターと作用する。３つのカラーフィルターＦ1、Ｆ2、Ｆ3をそれぞ れ通過した光は３つの光検出器Ｄ1、Ｄ2、Ｄ3に印加される。光検出器が送出す る信号はマルチプレクサーＭの３つの入力に印加される。 本装置は、制御プロセッサ10と、マルチプレクサーＭの出力に接続された収集 ユニット11と、光学シャッター４、６とマルチプレクサーＭを制御するためのイ ンターフェースセット12とからなる誘導セット９によって制御される。本装置は さらに、本装置が独立して作動する場合には蓄電地などのパワーパック13からな り、このパワーパックはやはりインターフェースセット12が制御するスイッチ11 によってランプ１に接続されている。好ましくは装置に周囲温度を測定するため に装置の素子の隣に配置した熱プローブを設けて、これをマルチプレクサーＭの 入力のほかパワーパック13が供給する電圧を測定するための電圧計にも接続する 。 シャッター01または02およびこれに関連する素子３または５は、分岐部11、12 のそれぞれと容易に逆にできる。 ここで用いた測定方法では、単一の検出器で求めた測定値から各吸光度を決定 することにより、光源に光度の変動があってもこれを無視することができる。 第３、４図のフローチャートに示すように、各測定サイクルはまずスイッチ14 を閉じることによってランプ１のスイッチを入れることからなり、次いで「オフ セット」測定と呼ばれる８、１２あるいは１６の一連の測定が行われるが、その 間シャッター01、02は閉じたまま、マルチプレクサーＭを順次制御することによ り検出器Ｄ1、Ｄ2、Ｄ3に影響を与える雑音信号を測定する。これら の信号は収集セット11によって取込まれデジタル化される。雑音信号が測定され ると、シャッター01が開き、主な分岐部11上のセル３を通過し、順次フィルター Ｆ1、Ｆ2、Ｆ3を通過した光が順次測定される。シャッター02が開いた後同じよ うにして、光源から出力され、バイパス分岐部12のニュートラルフィルター５を 通り、次いで順次フィルターＦ1からＦ3を通過した入射光の測定が行われる。先 の測定を完了するのに、電圧計14で測定した温度とランプ１に印加され素子15で 測定した電圧の測定値の収集を行うのが好ましい。 カラーフィルターＦ1からＦ3の３つの波長に相当する吸光度Ａ1、Ａ2、Ａ3は セル３を含む主な分岐部を通過した光とニュートラルフィルター５を含むバイパ ス分岐部を通過した光の光度から計算する。関係式（２）を応用して、分析した 物質の塩基性フラクションｘの値は次の関係式で求められる。 ｘ＝ｋ．(Ａ2−Ａ3)／(Ａ1−Ａ3) 式中ｋは定数であり、用いた比較法の故にランプ１の特性が経時的に劣化してい てもそれは全く無視して差し支えない。プロセッサ10によって、得た値から分析 した物質の例えばｐＨ値を推測することができる。 誤差を最小にするために、温度とランプ１に印加した有効電圧を考慮に入れる のが好ましい。事実、温度が２０℃から６０℃に上昇した場合、測定誤差は４％ 台である。これらの変動を補正するために、プロセッサ10は測定値に例えば線形 補正など温度変化に伴う補正ができるようになっている。 測定誤差をさらに少なくするために、電圧変動（内蔵型給電の場合の蓄電地の 放電による）もランプ１の光度の変動の原因になるので考慮した方が良い。これ ら温度や電圧の変動を考慮することによって誤差が１ 以内の正確な測定値が得 られる。 ランプ１の直接照射によって全光学スペクトルの光を受けてもほとんど影響を 受けない着色剤がセルに入っている場合は、先の実施例が適している。 そうではない場合は、第２図の実施例を用いるのが好ましい。この場合、セル ３と光学シャッター４からなる主な分岐部11と、例えばニュートラルファイバー を含むバイパス分岐部は、３つの分岐部1'3、1'4、1'5を有する光学的選択手段 Ｓに接続する光学分離器16に接続している。それらの分岐部はそれぞれに、ラン プ１（第１図）と類似のランプＬ1、Ｌ2、Ｌ3が含まれ、ランプはインターフェ ース回路12によって制御される３個のスイッチ12、13、14によってそれぞれパワ ーパック13に接続している。これらのランプの光はそれぞれ先の３つのカラーフ ィルターＦ1、Ｆ2、Ｆ3によって濾過される。濾過された光は光学分岐点17を介 して光学分離器16の入力に送られる。２つの分岐部11、12からの光は１基の光検 出器Ｄに印加される。温度プローブ14もインターフェースセット12が制御するス イッチ15によって収集ユニット11の入力に接続されている。同様に、ランプＬ1 からＬ3に印加される電圧を測定する電圧計15がランプとパワーパック13の間に 配置されており、電圧計の信号がスイッチ16によって収集ユニット11に送られる 。 この実施例では、各測定サイクルは（第５、６図）全く同じ手順で順次ランプ Ｌ1、Ｌ2、Ｌ3を作動させることからなる。これに続き、例えばＬ1などの作動さ せようとするランプのスイッチを入れ、シャッター01と02を閉じた状態で光がな いまま１基の光検出器Ｄからの信号を取込む（オフセット電圧）。次いで、シャ ッター01が最初に開く間に、検出器Ｄの信号を順次数回測定する。この操作をラ ンプＬ2、Ｌ3について繰り返す。各操作は電圧計15の測定電圧を収集したところ で操作は終了する。上記３回の操作の後、各サイクルはピックアップ14が測定し た周囲温度の取込みをもって終了する。先と同じように、光度の測定値を組合わ せて、例えばセル３の吸光度を推定する。 光をセル３、ニュートラルフィルター５およびカラーフィルターに送る各種光 学分岐部あるいは光路を光ファイバーで構成してもよいが、従来の光学的収 束、拡散手段（「オーバーヘッド」光学）によって得てもよい。 発明の範囲から逸脱することなく、対照媒体を形成するのに用いるニュートラ ルフィルターを、セル３に類似のセルに代えてもよいが、ただしこの平行セルの 吸光度が主なセルの平均吸光度に等しくなるように選ばれた中性物質をこのセル に入れる。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １）少なくとも１つの光源と、入射光がセルとその対照であるセルのいずれかを 選択的に通過するようにした第１の光学分岐部および第２の光学分岐部と、第１ あるいは第２の光学分岐部または、第１の選択的フィルターは反応物質のイソベ スチック・ポイントに相当する第１の波長を中心とするフィルターであり、第２ のフィルターは物質の感度が最も高いスペクトル領域にある波長を中心とするフ ィルターであり、第３のフィルターは物質の感度が最も低い他のスペクトル領域 にある波長を中心とするフィルターである３つの選択的フィルターのうち１つを 通過した光線を形成するための光学システムと、該光学システムを通過した光の 強度を測定する手段と、誘導セットと、該誘導セットによって制御される選択手 段と、パワーパックとからなり、、該選択手段が第１の分岐部と第２の分岐部に それぞれ設けられた２つの光学シャッターと、電気的スイッチ手段とからなるこ とを特徴とする、透明セルに入れた反応物質の変化を光学的に測定する装置。 ２）２つの分岐部を照射する１つの光源からなり、光学システムが第１あるいは 第２の分岐部を通過した光線を３つのフィルターに送るためのバイパス手段から なり、測定手段が３つのフィルターを通過した光を測定する３基の検出器を含み 、電気的スイッチ手段が該検出器を該誘導セットに断続的に接続する素子とラン プをパワーパックに断続的に接続するスイッチとからなることを特徴とする特許 請求の範囲第１項に記載の装置。 ３）３つの光源からなり、光学システムが該光源の光をそれぞれ３つの該選択的 フィルターに送るバイパス手段と、フィルターにかけられた光を第１と第２の分 岐部に印加するための分割手段とからなり、測定手段が一方または他方の分岐部 を通過した光を測定するための１基の検出器を含み、電気的スイッチ手段が３つ の光源の１つに選択的供給を行う素子を含むことを 特徴とする、特許請求の範囲第１項に記載の装置。 ４）誘導セットが制御プロセッサと、光度測定信号を取込む収集ユニットと、該 選択手段を制御するためのインターフェースセットを含むことを特徴とする特許 請求の範囲第１、２または３項に記載の装置。 ５）電気的スイッチ手段を介して誘導セットに接続できる周囲温度測定手段から なることを特徴とする特許請求の範囲第１、２または３項に記載の装置。 ６）各ランプの供給電圧を測定する手段であって、電気的スイッチ手段を介して 誘導セットに接続できる手段からなることを特徴とする特許請求の範囲第１、２ または３項に記載の装置。 ７）該第２の光学分岐部がニュートラルフィルターからなることを特徴とする特 許請求の範囲第１、２または３項に記載の装置。 ８）該第２の光学分岐部が該セルとほぼ同一で、中性物質を入れた別のセルから なることを特徴とする特許請求の範囲第１、２、３項のいずれかに記載の装置。 ９）該第１及び第２の分岐部がそれぞれ少なくとも１つの光学フィルターからな ることを特徴とする特許請求の範囲第１、２または３項に記載の装置。 10）１つの光源と、入射光をセルとその対照であるセルのいずれかを選択的に通 過するようにした第１の光学分岐部および第２の光学分岐部と、該光源の光をそ れぞれ３つの選択的フィルターに送る光学セレクタ（７、８）と、フィルターに かけられた光を第１と第２の光学分岐部に印加するための分割手段と、第１ある いは第２の光学分岐部または、第１の選択的フィルターは反応物質のイソベスチ ック・ポイントに相当する第１の波長を中心とするフィルターであり、第２のフ ィルターは物質の感度が最も高いスペクトル領域にある波長を中心とするフィル ターであり、第３のフィルターは物質の感度が最も低い他のスペクトル領域にあ る波長を中心とするフィル ターである３つの選択的フィルターのうちの１つをを通過した光線を形成するた めの光学選別器（７、８）からなる光学システムと、該光学システムを通過した 光の強度を測定し、３つのフィルターを透過した光を測定する３基の検出器を含 む測定手段と、誘導セット（９）と、該誘導セットによって制御される選択手段 と、電気パワーパックとからなる装置を用いて、透明なセルに入れた反応物質の 変化を光学的に測定する方法において、誘導セットの制御下で、 − セルを通過した光を順次３つのフィルターに送り、３つのフィルターからの 光の強度を測定する第１の測定段階 − 第２の光学分岐部を通った光を順次３つのフィルターに送って、３つのフィ ルターからの光の強度を測定する第２の測定段階 − 該第１と第２の測定段階で各検出器によって測定した値を組合わせて反応物 質の特性を測定する ことからなることを特徴とする方法。 11）３つの光源と、入射光をセル内と対照セル外に選択的に通させる第１の光学 分岐部、第２の光学分岐部と、該光源の光をそれぞれ３つの該選択的フィルター に送る光学セレクタ（７、８）とフィルターにかけられた光を第１と第２の光学 分岐部に印加するための分割手段を含み、第１あるいは第２の光学分岐部または 、第１の選択的フィルターは反応物質のイソベスチック・ポイントに相当する第 １の波長を中心とするフィルターであり、第２のフィルターは物質の感度が最も 高いスペクトル領域にある波長が透過の中心になるフィルターであり、第３のフ ィルターは物質の感度が最も低い他のスペクトル領域にある波長を中心とするフ ィルターである３つの選択的フィルターのうち１つの光学フィルターを通過した 光線を形成するための光学システムと、一方あるいは他方の分岐部を通過した光 を測定し該 光学システムを通過した光の強度を測定するための１基の検出器を含む測定手段 と、誘導セットと、該誘導セットによって制御される選択手段と、パワーパック とからなる装置であって、装置を用いて、透明なセルに入れた反応物質の変化を 光学的に測定する方法において、誘導セットの制御下 − ３つのフィルターを順次通過した光を反応物質を入れたセルに送り、それぞ れの光度を測定する測定段階 − ３つのフィルターを順次通過した光を該第２の光学分岐部に送り、それぞれ の光度を測定する測定段階 − 該光源からの光の強度値を組合わせて反応物質の特性を測定する測定サイク ルからなる、特許請求の範囲第４項からなる方法。