JPS60105944A - 全反射長光路毛細管を用いる分光光度法及び装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は分光光度法及び装置に関し、特に全反射長光路
毛細管を用いた分光光度法及び装置に関する。

従来技術 可視光、赤外線または紫外線を吸収セル内に収容した被
測定物質の溶液へ通して物質の定量等を行う分光光度法
は良く知られている。分光光度法における感度は光路長
が長い程大きくなり、低濃度の物質の検出が可能になる
。換言すると、光路長と検出可能な物質濃度限界とは逆
比例の関係にある。しかしながら、光路長を大きくする
と分析装置の寸法が大きくなるので従来はディスク状ま
たは円筒状のセルが用いられているに過ぎない。

例えば従来の典型的な比色計（可視光を用いる分光光度
計）は直径約２傭×長さ約１〜１０α程度のディスク状
または円筒状のセルに溶液を収容した吸収セルを用い、
その軸線方向に光を透過させている。このような光路長
の短い吸収セルでは十分な感度を達成することができな
い。

発明者の試み 一般に二の種の吸収セルはガラスまたは石英などの光透
過性の無機材料から製作され、また被測定物質の溶媒と
して水、アセトン、四塩化炭素、低級アルコールなどが
用いられる。本発明者は、吸収セルの材料としてガラス
（パイレックスガラスンを用いて長さ１ｍ程の毛細管を
製作し、また溶媒として水等の上記した溶媒を用いて光
の透過性を測定したところ、分光光度法の高感度化を達
成することができることを確認した。しかしながら、１
ｍ以上に及ぶ長さの毛細管は直線状のままでは広い場所
を必要とするため、分光光度計を工業的に製作すること
は事実上不可能となる。そこで、本発明者は上記の毛細
管をループ管として構成することを試みたが強力なレー
ザ光を光源として用いたにも拘らず毛細管の他端には光
がほとんど出射しなかった。その原因を探ると、毛細管
壁が鏡面反射型であるために、光が毛細管壁で繰返し反
射するうちに減衰することが原因であることが分った。

そこで本発明者は吸収セルを構成する毛細管を全反射型
の材料に置きかえるどとを着想して本発明に到達するこ
とができた０ 発明の目的 本発明の目的は、入射光（可視光、赤外線、紫外線を含
む）の減衰が少なく長光路を有する吸収セルを用いた高
感度分光光度法及び装置を提供することにある。

発明の概要 本発明の方法は、毛細管吸収セルに、その刺料の屈折率
よりも大きい屈折率を有する溶媒に分散または溶解した
試料を収容し、前記吸収セルの一端より光を入射させて
吸光を行わせること魯より成る、全反射長光路毛細管を
用いる分光光度法゛〔ある０また、本発明の装置はこの
ような毛細管を用いた分光光度計である。

毛細管内壁における全反射条件はスネルの法則により規
定される。今毛細管端面への光の入射角をθとし、毛細
管壁の材料の屈折率をｎ、とし、毛細背向へ収容される
溶媒の屈折率をｎｌとするとき、全反射条件はｓｉｎθ
＜６４７）；ン一となり、ｎ□）ｎｌの関係すなわち、
溶媒の屈折率が毛細管のそれよりも大きいことが重要で
ある。このよう一 な条件は、従来のようなガラスや石灰などの管と水など
の溶媒との組合せでは実現できず、水などに代って二硫
化炭素等の大きい屈折率の溶媒を用いる必要がある。

本発明によると、普通の分光光度法に比べて大幅な感度
の向上が達成される。使用される毛細管では管壁による
反射により光路長が実効的に増大しているだけでなく、
螺旋状に巻かれた形でも全反射条件を満足させることが
できるので、非常に長い光路長も設計が可能であり、狭
いスペースにおいて従来よりも３〜４桁も感度を向上さ
せることができる。ぎらに、毛細管であるため必要な試
料及び溶媒の景が少なくて済む利点が得られる。

毛細管の材質は溶媒の屈折率との関係で定まるものであ
る。溶媒としてベンゼン、アセトフェノン、二硫化炭素
、１−プロモナタリン等の高屈折率の溶媒を用いる場合
には、パイレックスガラス、石英、プラスチック材料等
が使用できる。溶媒として水を用いる場合には水よりも
小さい屈折率を有することが知られているプラスチック
材料等を用いることができる。毛細管は全体が溶媒より
小さい屈折率を有する必要はなく少くとも管内壁部分が
小さい屈折率を有すれば良い。従って、例えばガラス製
の毛細管の表面に低屈折率の被覆を施したものを用いる
ことができ、以下の実施例では樹脂被覆をした例を挙げ
である。

また、以下の実施例では単一波長の先を入射させた例に
ついて述べるが、光としては連続スペクトルを有する光
（例えばタングステンランプ）をそのまま毛細管に入射
させることも可能である。

この場合には毛細管が十分に長りれば異った波長の光が
通過するため、出射光が波長に従って順に出射するいわ
ゆる時間分解が実現でき、分光器は不要となる。

本発明の方法を実施する装置の一例を図面を参照しＩ説
明する。

第１図は本発明の分光光度計の概念図であり、第２図は
他の実施例における全反射長光路毛細管を示し、また第
６図は第１図、第２図の実施例に使用できる光入射部及
び溶媒流入部の一例を示す断面図である。

第１図を参照するに、適当な光源例えばレーザ、タング
ステンランプ、又はキセノンランプ１からの光をレンズ
２、フィルタ３．４等を通して吸収セルである毛細管５
の入射端へ入射させる。

毛細管５は例えばパイレックスガラス（屈折率１４７４
）等の材料から製作されている。毛細管の内径は小さい
程良いが、試料及び溶媒の量及び流動抵抗とポンプの能
力を考慮して適宜に定めることができる。例えば数諌の
内径を有する毛細管は光路長を増大すると予示の試料を
必要とするが、内径数百μｍのものを用いると少量でも
大きい光路長を実現できる。毛細管５にはその材料の屈
折率よりも大きい屈折率の溶媒（対型として用いる場合
はそのまま、溶媒として用いる場合には被測定物質の試
料を分散または溶解した溶液）が入口６より導入され、
出ロアへ排出される。なお送液のためには適当なポンプ
（図示せず）を用いる０溶媒は、毛細管の屈折率よりも
大きく且つ試料の溶媒として適当なら何でも良い。１例
のパイレックスガラスに対しては、ベンゼン、アセトフ
ェノン、二硫化炭素、１−プＵモナフタリン等の溶媒が
使用できる。毛細管５の出射端から出射した光は光ダイ
オードなどの光感知器６により検出され、増幅器７を経
てレコーダ１１に記録され、或いはマイクロブ胃セッサ
１０により所定の処理を経て陰ＳＳ管１２やグラフィッ
クプリンター１３などに記録される。

第２図は第１図の直線状毛細管５に代えて用いられる螺
旋形毛細管１４の例を示す。この例では溶媒は入口１５
より導入され、出口１６へ排出される。毛細管１４を用
いるとスペースが制限されていても非常に長い管長が実
現でき、それに対応して光路長も非常に長くすることが
できる。−例として、５０ｍの管長のものも無理なく設
計でき５゜ 第３図は毛細管５または１４の入射端及び溶媒入口のよ
り具体的購成の一例を示す。Ｔ形管１９にグラファイト
バッキング２０．２１を用いて石英棒１８及びこれに整
列する端部開放毛細管５（又は１４）の端部を支持させ
る。またステンレ、ス鋼バッキング２２を用いて溶媒入
口管（ステンレス鋼等）６（又は１５）を接続する。

毛細管の形状は螺旋に限らず任意の湾曲形状を有するこ
とができることは、その原理から当業者には明らかであ
ろう。

以下の実施例は可視光による分光光度法を説明するが、
紫外線や赤外線を光源として用いても良いことは当業者
には明らかであろう。

実施例１ 比較例も含めて本発明の分光光度法の実施例を以下に説
明する。

直線状毛細管と１ループに巻いた毛細管を用いて光の伝
達を測定した。毛細管を屈折率ｔ４７４のパイレックス
ガラスから製作した。直線状のものは長さ１ｍ、ＩＮ−
プ状のものは長さα７ｍであった。溶媒として水（屈折
率１３３）、アセトン（ｉ、　３５　）、エタノ−、Ｆ
ｌ／（１，３６）、ｎ−ブチルアルコ−／Ｉ／（１５９
）、アセチルアセトン（ｔ４５　）、四塩化炭素（１，
４５）、ベンゼン（１，４９）、アセトフェノン（ｔ　
ｓ　５　）、二硫化炭素（１６２）、１−ブロモナフタ
レン（１，６５）を用し）た。入射光はタングステンラ
ンプよりの波長７５０　ｎｍを用いた。その結果光の透
過率は直線状毛細管で（ま屈折率が１４７４より小さい
溶媒を用し電た場合よりもｔ４７４より大きい溶媒を用
し＼た場合の方力（２倍程度大きいことが分った。１ル
ープ管の場合には屈折率１４７４以下の溶媒の透過率６
ま著しく低いが、１４７４以上の溶媒では余尺ａｔのた
め管内壁面での減衰はほとんど生じなかった。透過率ハ
屈折率が１４７４より大きい溶媒でははＧｆ同一で、溶
媒の種類によらないことが分った。

以上のように、全反射長光路毛細管は鏡面反射型のもの
よりもすぐれており、特に湾曲部を有する場合には全反
射型でなければならな（１こと力（分るＯ 実施例２ 屈折率が異なる各種有機溶媒中でのリン（７オス７オモ
リプデイト　ヘテνボリプｌ　５０ｐｇＰ／ｄ）の吸光
度を測定した。屈折率が１４１５以下の溶媒として、水
、アセトン、ｎ−ブチルアルコールを用い、１４６以上
の溶媒として二硫化炭素とアセトンの混合比を変えて１
４＋Ｓ〜１６２の屈折率を持つ混合溶媒とした。内径約
２ｍｍ、長さ約（Ｌ７ｍのパイレックスガラス！Ｉ！Ｉ
！？ＡＩ−プ毛細管を用い、光の波長７５０　ｎｍで測
定した吸光度は従来の１ｍセルに比して屈折率１４６以
下の溶媒については約２００倍、屈折率１４７４より大
きい溶媒については約４００倍であった。

実施例３ 内径２滞、長さ４　ｔｎのパイレックスガラス製螺旋状
毛細管を用い、屈折率ｔ４７４より大きいアセトン−二
硫化炭素溶媒により前例と同様な吸光感度を測定した。

１のセルに対して約１万倍の感度が得られた。さらに各
種毛細管について同様な測定を行ったところ、表１の結
果を得た。いずれも概略値である。

表　１ 従来のセルＣ１ｃｔＬ）　１ 全反射沢毛細管 １）　直線型 長さ　α５ηｔ　２ＸｉＯ” α７ｍ　１．５ＸｉＯ−’ １ｆｆｌ　ｌＸ１Ｏ’ ２）湾曲型 長さ　１＋ｎ　、　ｌＸ１０’ ３）１〃−プ型 長さ　０．７ｆｆ＋　１５×ＩＯ−” ４）螺旋型 長さ　４ｍ　ｌＸ１０’ 実施例４ 四塩化炭素−二硫化炭素混合溶媒（屈折率１４７４より
も大きいもの）で、比色法でヨウ素を測定した。その結
果は直線状の１ｍの毛廁箆で５Ｘ１０　’Ｍのヨウ素が
検出できた。

実施例５ 吸光光度法として代表的なジチゾン法により水銀を検出
した。従来の１儂セルに比して、１ｍの直線状吸収管で
２００〜４００倍以上、４ｍの全反射螺旋毛細管で１０
００〜２０００倍以上の高感度が得られた。

実施例６ キセノンランプ及びＨｅ　−Ｎ　ｅ　レーザ光と二硫化
炭素溶媒を用いて実施例３と同様な測定を行った。

用いたパイレックスガラス製毛細管は長さ１０ｍの螺旋
管であった。感度はレーザ光の場合は従来の１αセルの
約２０００倍、キセノンランプからの光の場合は約４０
００倍であった。これは、非平行光と平行光とで光の伝
送形式がちがい、光路長に差が出たためであろう。

￥雄側７ キセノンランプからの光（７５Ｄｎｍ）を色々な長さの
全反射型各種毛細管に収容した二硫化炭素−リンモリブ
デンブルーに通して吸光度を測定した。１％の吸収を与
えるリンの濃度と感度向上（従来の１αセルを基準とし
たンを表２に示した。

表　２ 全反射型毛細管セル １、　直線型 長さ　０．５　ｍ　２０　五３．ＸｉＯ″Ｉ　０１７ｒ
ｎ　１５　４．７×１０ｔ＃　１ｒｎ　１０　７Ｘ１０
” ２　螺旋型（パイレックス） 長さ　４ｍ　２．５　２．８Ｘ１０” ＃　１０ｆｆｌ　１．０　７ＸｉＯ” ３、　螺旋型（シリコーン被覆パイレックス）長さ　２
５ｍ　ａ４　１．７５Ｘ１０’ＩＦ　５１］ＦＩ　Ｑ、
２　５．５Ｘ１０’注：１．２の毛細管は内径１〜２１
１Ｍ、３の毛Ｈ１菅は内径α２■であり、Ｑ、ｉ〜１ｔ
ｔｔｌ／分の流爪（ホンフ圧１０１ｒＩ１．／ｃｍ’以
下）を用いた。

以上のように、本発明によれば従来のセルに比して３〜
４桁の感度向上が見られる。また湾曲部のある毛細管を
用いることにより吸光セルの占めるスペースを節約しな
がら光路長を長大化できるのでコンパクトでしかも感度
の高い分光光度法及び分光光度計が実現できる。

本発明の範囲内で多くの変形例が可能なことは当業者に
は明らかであろう。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の分光光度計の実施例を示す図、第２図
は螺旋状毛細管の一例を示す図、及び第３図は毛細管の
光入射端及び溶媒入口の一例を示す断面図である。図中
主な部分は次の通りである。 １：光源 ２．３．４：光学系 ５：毛細管 ６；溶媒入口 ア：溶媒出口 ８：フォトダイオード １４：螺旋軟毛ＩＷＩ管 １５：溶媒入口 １６：溶媒出口 ■ｏ二入射光 Ｘ　：出射光 手続補正書 昭和５９年　１月１２日 特許庁長官　若　杉　和　夫　殿 事件の表示　昭和５８年　特願第２１２５６６　号発明
の名称　全反射長光路毛細管を用いる分光光度法及び装
置 補正をする者 補正の対象 補正の内容　別紙の通り 明細書を次の通り補正する。 １　第５頁第５行に「灰」とあるを「英」と訂正する。 ２、　同頁下から第３行に「プリモナタリン」とあルヲ
「ブロモナフタレン」と訂正する。 ３、　第６偶第７行に［ことができ、以下の実施例では
′ｊ＃ｊ脂被帽をした例を挙げである。」とあるを１こ
とができる。」と訂正する。 ４、　同頁第９行に「先」とあるを「光」と訂正する０ ５、　同頁８１４行に「通過するため、」とある次に「
光をパルス状に断続して入射させることにより」と加入
する。

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. （１）毛細管吸収セルに、前記吸収セルの材料よりも大
   きい屈折率を有する溶媒及びそれに溶解又は分散した試
   料を収容し、前記吸収セルの一端より光を入射させて吸
   光を行わせることより成る、全反射長光路毛細管を用い
   る分光光度法。
2. （２）光源、該光源からの光の入射端と出射端とを有す
   る全反射型毛細管、前記毛細管への溶媒及びそれに連行
   される試料の導入口及び導出口、及び前記出射端からの
   光を感知する手段を含む、全反射長光路毛細管を用いる
   分光光度計。
3. （３）毛細管が湾曲部を有する前記第２項記載の分光光
   度計。
4. （４）毛細管が螺旋状に巻かれている前記第２項記載の
   分光光度計。