JPS6140520A - 分光光度計 - 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】 〈産業」二の利用分野〉 本発明は流体を分析するだめの装置と方法に関し、更に
詳しくは血清などのような試験溶液中の物質の存在およ
び／または量を検出するための改良された分光光度計に
関する。

〈従来の技術〉 溶液中の物質の存在および／または濃度を光学的に測定
するために設計された分光光度計機器装置は周知である
。

このような装置の多くは既知の吸収波長の光における液
液゛の吸光度を測定するものである。ここに吸光度Ａは
次式によって表わされる。

Ａ＝＝ｌｏｇ１゜１／Ｔ （Ｔは溶液を通る光の透過量全表わす。）溶液の光透過
性はそこに含まれる物質の性質および量に依存するので
、溶液の吸光度従って溶液を通過する光の波長要素の強
度はこのような物質の存在または濃度の関数および尺度
であることが実験的にわかる。

上記の種類の機器装置は通常はたとえば血清試料または
他の溶液を吸出して、このような試験試料を試験場所に
配置したキュベツト中して知られる透明な実験容器に入
れる第１の探り針を使用する。次いで第２の探り針上使
用して反応試剤を吸出してこれをキュベツトに加え、既
に入れである試験試料と接触させる。当業技術に周知の
技術によれば、ある特定の反応試剤は試験試料の予め定
めた構成成分物質に結合してキュベツト中の該物質に単
離し、爾後の光　　　　　　□学的分析に供せられる。

試料中の他の物質を分析する必要があるときは、異なっ
た反応試剤をふつう使用する。

試料を特定の反応試剤と接触させることによって試料の
特定の構成成分物質を単離した後、この試料は周知の方
法でキュベツトに光のビーム＝１６てることによって光
学的に分析することができる。キュベツト中の試料の単
離された構成成分物質はこの光ビーム全複数の別々の光
線に回折させる。これらの別々の光線のそれぞれは異な
っ友波長によって行数づけられ、予め定められる通路で
試料中を通過する。

通常の分光光度計機器は、予め定められた通路のうちの
種々の通路にそった焦点位置に光応答素子を配置するこ
とによって、これらの別々の光線を予め定めた位置関係
において試料から伝播させるという利点をもつ。これら
の回路要素は代表的には、入射光の強度に比例する電気
信号（たとえば電流）を生せしめる。従ってこのような
回路を第１の波長の特性の光線が入射するように配置す
ると、この回路は光線の相対強度が強い場合には比較的
強い電気信号を発生する。他方、隣接回路を第２の波長
の特性の異なった光線が入射するように配置すると、こ
の隣接回路は光線の相対強度が弱い場合には比較的弱い
電気信号を発生する。

このような回路要素によって生じる電気信号は周知の方
法で電気的に処理して、キュベツト中に単離された特定
の構成成分物質にあてた光の吸収に対応する信号にする
ことができる。この信号はこの物質の（たとえばその存
在および／または濃度の）指標である。その上、この信
号はたとえばマイクロプロセッサの制御下に他の電子回
路で更に処理して人間が読める形で可視的に表示しうる
デジタル出力を与えることができる。

上記の分光光度計的測定において試験試料を通過させる
光のスペクトルの所定の波長部分を選択するために２つ
の６一 装置すなわち光学干渉フィルタおよび格子が使用された
。

光学干渉フィルタは試料にあてる光ビームを通常機械的
に検索して、手動により又は機械使用によりスペクトル
の種々の部分を選択することができる。然しながら、こ
のようなフィルタは商業的に入手しうるフィルタの特性
によるスペクトルの別々の部分のみを分離しうるにすぎ
ない。格子を基材とする装置は所望の波長を得るために
格子を機械的に回転または移動させる（″′定走査と呼
ぶ）ことによって見られる完全なスペクトルの利用とい
う利点を与える。然しなから、このような機械化走査は
おそく、一般には利用しうるスペクトルの十分な走査を
完了するには多数の秒から分にわたる範囲の時間を必要
とする。

上記の機械装置のいづれにも、波長の検出および識別の
だめの検出器棟たは固定格子として光感応回路素子の配
列をくみ入れたものはない。いわゆる６電子走査装置”
に使用するこのような特徴は上記の機械装置との比較に
よって著るしく迅速なスペクトル走査という利点をもつ
。然し、直線性および動的範囲の意味でのこのような電
子装置の性能は干渉性のまぎれ込んだ光の存在による影
響を受ける。

まぎれ込んだ光の問題は、連続光もしくは白色光がふつ
うには、通常の分光光度計装置の検出器および付属光学
要素を収納するのに使用するハウジングに入らなければ
ならず、そこで究極的に格子によって分離され検出器に
よって読みとられるために生ずる。この白色光は人口孔
によりノ・ウジフグ中に散乱し、ハウジングの構造体の
格子その他の反射効果は検出器に入射する光と望ましく
ない有害な干渉を起す（理想的には入射光は分析の際の
試験試料によって吸収される実際の光と相関関係をもた
なければならない）。このような干渉効果を最小にする
ために、通常の光学フィルタまたは機械化格子装置は一
度に１つの波長のみを試験試料に通す装置を備え、望ま
しくない光をこれによって排斥している。然しなから、
干渉の問題を解決するためのこの装置が比較的短時間に
多数の試験試料を処理するように設計されている電子機
器に使用するのに満足なものでないことは明らかである
。一度に１つの波長のみを試料に通すことは多数の試料
を分析する速度を必然的に制限し、このことは多数の波
長を使用することが望まれる場合に特にそうである。

通常の分光光度計機器装置についての上述の欠点にかん
がみ、従来のおそい走査装置と少なくとも均等の動的範
囲と干渉排斥特性をもち然も電子走査装置の利点のすべ
てすなわち数十分の一部未満で試料溶液からの試験結果
を読みとることができ、数分の一部で光の有用なスペク
トルの全体を走査して短時間に多数の試験を行ないうる
改良電子走査分光光度計機器装置を分析実験室に利用し
うるようにすることは非常に有利である。

、〈発明の要約〉 本発明によれば、前述の利点は溶液中の物質の存在およ
び／または量を測定するために画業技術において知られ
ている前述の機器よりも改良された分光光度計において
、比較的簡単に且つ経済的に達成される。本発明によっ
て改良されるこのような分光光度計は、光源と、この光
源からの光の一部を溶液中に指向させる装置と、この溶
液を通過する光を光スペクトルの波長要素に分離してこ
れらの波長要素の強度を該溶液中の物質の存在および／
または量の尺度として検出する装置とを備えるものであ
りうる。

本発明によって与えられる分光光度計は、外部からの意
味不明な信号とまぎれ込んだ光とによって生ずる干渉を
矯正するための装置をくみ入れて物質の存在および／ま
ｆｃＦｓ。

濃度の関数としての波長要素の検出誤差を最小になし、
そして上記の分離および検出の装置が （ａ）　　ハウジング、 （１））このハウジング中の光の入口孔、（Ｃ）この孔
を通って・・ウジングに入る光を検出器上に結像させる
装置、 （ｄ）　　この結像装置と光の人口孔の双方からもたら
される孔を通過した光の波長スペクトルのうちのまぎれ
込んだ光を減衰させる装置、 （ｅ）　　光スペクトルの非減衰部分を減衰部分から分
離する装置、 および （ｆ）　　光スペクトルの非減衰部分を受信して溶液中
の物質の存在および／または量に対応する出力信号を与
える検出器、 から成ることを特徴とする分光光度計である。

〈実施例〉 第１図は本発明による改良分光光度計の図式ダイヤグラ
ムである。

第２図は第１図に示す分光光度計の一部をなす検出器の
頂部平面図であり、その構造の詳細を示すために一部を
破断しである図である。

第３図は第２図に示す検出器の端部立面図である。

第４図は第２図および第３図に示す検出器の側部立面図
であって、その構造の詳細を示すために一部を破断しで
ある図である。

第１図を参照して、本発明の改良分光光度計の好ましい
具体例が符号１０としてダイヤグラム的に示しである。

この分光光度計００はランプ組立体０１）を備え、これ
は通常のタングステン・ハロゲンランプ光源αのとこの
光源から放射する光ビームの通路（１４で示す）に取付
けた通常の種類の熱吸収性被覆ガラス０３を含む。熱吸
収性ガラスＱ４は光源から放射する輻射エネルギースペ
クトルのうちの望ましくない部分（波長）が通過するの
を阻止する機能をもつ。この具体例において、約６８０
　ｎｍ〜３３０　ｎｍの範囲外の光スペクトルのすべて
の部分が熱吸収性ガラス斡によって通過を阻止される。

ランプ組立体αηは更に光通路Ｑ４に取付けた集光レン
ズ（至）を含む。このレンズ００は分光光度計用の通常
設計のものであって、この具体例においては３３０　ｎ
ｍ〜７００ｎｍの光の少なくとも約９０％の透過率をも
つ光学級合成溶融シリカで作られたものである。レンズ
（ト）は光源（２）からの光スペクトルの熱吸収性ガラ
ス０を通過した非阻止部分を集光してこれらの部分を分
光光度計０１のごく普通の光学要素αＱに結像させる機
能をもつ。この光学要素α０は実質的に、通常の商業的
に入手しうる分光光度計に代表的に使用される１３一 種類と構造をもつものであり、この好ましい具体例にお
いては、代表的には試料溶液（１７ａ）を含む通常のキ
ーペットのような試験試料容器０７１に輻射エネルギー
を通す構造をもつ。分光光度計０１が作動状態にあると
き、容器（Ｘり中の試料溶液（１７ａ）は該溶液中の物
質（被分析体）の存在および／または量を分析しうる。

試料（１７ａ）は定性もしくは定量分析の望まれる、た
とえにカリウム、ナトリウムまたはリチウムのような物
質を含むイオン性溶液、あるいは体液たとえば血清、血
液またはを椎液の中の蛋白質のような有機物質を含む溶
液から成りうる。光学要素（ｌｉＱは当業者に周知の方
法でレンズαＯからの光を試料（１７ａ）に通すように
働く。

通常の光学級構造の鏡Ｑθが光通路α→中の光学要素α
Ｑの軸方向に取付けである。これは試料（１７ａ）通過
後の光学要素Ｑｏから出る光通路におかれている。この
鏡ａｅは光学要素α０から出た光が図示の如く光学要素
に対して実質的に垂直に鏡から反射されるように配置さ
れておシ、光通路αφ中の光の実質的にすべてがこの垂
直角で反射されるように設計されている。

鏡α峠から反射される光通路α４を更に参照して〔第１
図〕、通常のリレー・レンズθ場が光通路α◆中に配置
されて鏡ａ→からの反射光がポリクロマター組立体（ロ
）中の入口孔（ホ）上に結像するようになっている。ポ
リクロマター組立体については後に更に詳しく述べる。

レンズＱ９は大きな通常の非球面体構造のものであって
、この好ましい具体例においては米国のローム・アンド
・ハース社製の商業的に入手しうる光学縁ガラス”　Ｐ
ｌｅｘｉｇｌａｓ”から作られている。このようなレン
ズ（２）は米国のプレシジョン・レンズ社およびその他
のメーカーから人手しうる。また、キャリブレーション
装置働が鏡αｅとレンズθ会との間の光通路に介在して
いる。この装置は、後に更に詳しく述べるように、レン
ズ０９に到達前の鏡ａｅから反射した光の波長スペクト
ルの予めえらげれた部分を阻止する機能をもつ。

第１図に示すように、ポリクロマター組立体り旬ハハウ
ジング（至）を備える。このハウジングは陽極処理黒色
アルミニウム合金のような金属あるいは内面に非反射性
被覆をもつシート状の鋼から作るのが好ましい。入口孔
（ホ）をレンズα９の軸方向にハウジング（至）中に配
置して光通路ａ◆がそこからハウジングに）に侵入する
のを可能にする。この好ましい具体例において、孔（ホ
）は幅約０．８　ｓｍ　Ｘ高さ４．ＯＩｍの入口スリッ
ト寸法と幅約０．９６ｍＸ高さ４．０■の出口スリット
寸法をもつ。通常の光学構造の鏡（ハ）をノ・ウジング
（至）内に配置して光通路からの入射光が孔（イ）によ
ってノ・ウジングに入った：１ 後に第１図のダイヤグラムの面に約９０°の角度で且つ
第１図のダイヤグラムの面に約３．５°直接下方に反射
するようにし、そして光通路０をポリクロマター＠の一
部でもある回折格子（２）上に結像させる。この好まし
い具体例において、格子（２）は実質的に３３５ｎｍの
初期波長、６６５　ｎｍの最大波長、８　ｎｍ／１ｍの
分散、約８ｎｍ以下の解像力、および約２．０のｆ数を
もつ。この格子＠はまた鏡＠に対して約３．５°の角度
で下方に傾斜しておシ、従って光通路（焦点面）よシや
＼上に人口スリットをもつ。格子（至）は約１０００λ
の公称溝深さをもち、このものは米国マサチューセッツ
州アクトンのアメリカン・ホログラフィック社から商業
的に入手しうるものである。多重量　（２ｓ　ａ　）に
よって第１図に示すように、格子（ハ）の機能は鰯から
反射した光スペクトルをその波長要素に分離することで
あシ、この好ましい具体例において格子に）はスペクト
ルを約６６０　ｎｍ〜３４０ｎｍの波長をもつ諸要素に
分離する。格子（２）はまたこのような波長要素を光感
応回路要素から成る検出器（至）上に反射＝１７− させるのにも役立つ。検出器（イ）はポリクロマター（
ハ）の一部、でもあり、図示する好ましい具体例におい
ては以下に更に詳細に述べるように一体構造のシリコン
・ダイオード配列と波長分類フィルタとの組合せを備え
る。既に述べたように、格子（ハ）はこの好ましい具体
例において第１図のダイヤグラム面に下方に傾斜してい
て、頂点における格子（ハ）の中心と共に人口孔翰と検
出器に）との間に含まれる合計角度はダイヤグラムの面
に対して垂直の面において実質的に１である（第１図）
。

本発明のこの好ましい具体例によれば、格子（ハ）の上
記の下方傾斜角の目的は検出器に）の表面から発生する
疑似で望ましくない、まぎれ込んだ光反射をダイヤグラ
ムの面に付加のγの角度でこのような反射を下方に指向
させることによって減衰させることにある。従って、こ
のようなまぎれ込んだ光反射は格子（２）に入射せず、
それ故に検出器（至）上に再結像することはできない。

このような再結像は、もしも発生せしめたとしたならば
、有害なほどに高水準のまぎれ込んだ光を検出器（至）
に衝突させ、検出器（至）の光応答出力に実質的な誤差
をもたらす望壕しからざる結果を生せしめる。

従って、ポリクロマターぐηの前記の光学的配置は上記
のまぎれ込んだ光を減衰させるためにも、そしてこのよ
うなまぎれ込んだ光を通路αψ中の非減衰の望ましい光
から分離して検出器がこのようなまぎれ込んだ光を受信
しないようにするためにも、有効である。

第２図を参照して、検出器は、この好ましい具体例にお
いて、通常のセラミック保護ケーシング（２６ａ）中に
取付けた一体構造のシリコン光ダイオードを含み、そし
てこの特定の場合には第２図の符号ので一般的に示すよ
うに、４１個のダイオード素子をもっている。それぞれ
の光ダイオード素子は商業的に人手しつるものであり、
３４０　ｎｍから６６０ｎｍのスペクトルの８ｎｍ部分
に対して鋭敏である。従って、それぞれの光ダイオード
はそこに入る入射光に応答しこれに比例する電流出力信
号を発生する。この出力信号は通常のワイヤ接続子によ
って通常の電子機器たとえばこのような信号を人間捷た
は機械が読める情報に変換しうるマイクロプロセッサ制
御回路に導かれ、分析下にある試験試料中の物質の存在
および／または量に対応する各ダイオード素子の出力を
表わす。

また、検出器（至）は通常のフィルタ・ガラス要素（２
８ａ、２８ｂ、２８ｃ）［第４図］から成る波長分類フ
ィルタ（ハ）〔第３図および第４図〕を備える。これら
のフィルタ要素は水平パターンで配置され、通常の光学
的に透明な接着剤により光学ガラス窓（２７ａ）に接合
される。この光学ガラス窓、１ （２７ａ）は光ダイオード配列（イ）の表面より上に配
置され、フィルタ＠の要素が検出器（至）とダイオード
配列（ハ）上に入る格子に）〔第１図〕からの入射光の
間に介在するようにする。

それ故フィルタ翰、この好ましい具体例におけるように
３個の別々のガラス・フィルタ要素を通常の方法で接合
させたものから構成しうる、は予め定めた所望の波長の
光のみを、このような波長を受入れその他のすべての望
ましくない光がえらばれた要素に入るのを実質的に阻止
するように予めえらげれた光ダイオード素子の配列（ハ
）のうちの特定のものに通す。図示する検出器（ホ）の
好ましい具体例は３個の要素から成る分類フィルタ（こ
の場合に１ｊ２８ａはＧＧＩＯであり、２８ｂはＢＧ２
８であり、２８ｃはｔＪＧｌｌである；商業的光学フィ
ルタ値の命名を使用）で作られているけれども、本発明
による分光光度計の特定の用途における光ダイオード素
子（ハ）のそれぞれについての所望の予められた波長に
応じて、同一または異なった値の任意の数のフィルタ要
素を使用しうろことが理解されるべきである。また、こ
の好ましい具体例においては４１個の利用可能な波長の
うちの１１６個のみが光ダイオード素子＠の選択によっ
て検出用に予めえらばれているけれども、検出器（ホ）
は当業者の選択事項として利用可能なすべての波長を検
出しうるように構成することもできることが理解される
べきである。たとえば、このような素子の数と種類は変
えることができ、あるいはその位置は図示の図示の配列
（イ）の素子の特定のものの配列から変えることができ
る。

第１図を再び参照して、キャリブレーション装置のをこ
とに詳細に説明する。この装置■は検出器（至）への入
射光がゼロである条件またはそれに近い条件にある前述
の大きな通常の光学要素００からの信号の読みを得るの
を容易にする。

はソゼロの又はゼロの光の条件において、電子バイアス
による又は光学要素αＯからのまぎれ込んだ光の光学的
バイアスによる誤差は、分析下にある試料溶液中の物質
の存在および／または量に前述のように電子的に相関さ
せうる検出器（２）からとった究極の電流出力信号の読
みに著るしい誤差を生ぜしめることがある。このような
信号の読みは、分光光度計０１のキャリブレーション中
にえられるとき、これらの望ましくないバイアスを矯正
するのに使用される。

好ましい具体例において、キャリブレーション装置のは
当業技術に周知の構造のものであり、すべての光を遮断
するシャッター（図示していない）および光スペクトル
の予めえらばれた部分を遮断する一連の遮断フィルタ（
図示し゛ていない）を備える。符号（２２ａ）で示す開
口は光のすべてを通過させ、遮断フィルタ、シャッター
および光通路α◆への開口を索引するために操作される
装置（図示していない）もこのキャリブレーション装置
■の部分を形成する。

試験試料中の物質の存在および／または量を検出するた
めの分光光度計の通常の操作中、すべての光を通す開口
（２２ａ）が光通路ａ４に配置される。これにより光ス
ペクト四の任意の部分を前記のポリクロマター（ハ）に
利用することができる。

然しなから、分光光度計ＯＯのキャリブレーション中は
、非吸収性媒質（図示していない）が、通常は試験試料
容器α吐よび試料（１７ａ）が置いである位置に光通路
中に配置され、いわゆる１ダーク・オフセット”もしく
は６ダーク・バイアス”の信号の読みが光通路Ｑ４に挿
入される装置に）のシャッターを用いて読みとられる。

同様に、まぎれ込んだ光の読みが光通路αゆに挿入され
た装置＠の予めえらばれｆｃ遮断フィルタを用いて読み
とられる。このようなフィルタは配列（ハ）〔第２図〕
の光ダイオードの予めえらばれた１つが検出しようとし
ている波長の光のすべてを遮断し、そ　　　　　　　　
１【 の他の波長の光を通す。それ故、これらの条件下で検出
器（２）から読みとられる読みは上記のダーク・バイア
ス信号と配列■に入射する望ましくない光からの信号と
を加算しｋものから成る。従って、まぎれ込んだ光と前
記のダーク・バイアスもしくはダーク・オフセットは、
前記の非吸収性媒質の代りに実際の試験試料を用いて読
みとった信号の読みから、手動で行なわれる周知の数学
的操作を使用して又は通常の電子技術によって、差引く
ことができる。これによって、所望に応じていづれかの
条件についてのこのような実際の信号の読みを矯正する
ことができる。

本発明の特に好ましい具体例としてここに図示し記述し
た特定の構造および材料の他に、多くの置き換えおよび
別例が本発明による改良分光光度計を構成するに当って
尚業者に利用しうろことが理解されるべきである。従っ
て本発明が決してここに詳細に述べた好ましい具体例に
のみ限定されるものではないこと及び具体的に述べた本
発明の種々の変形が当業者にとって容易に行ないうろこ
とが明らかである。それ故、このような変形のすべて社
本発明の精神と範囲内にアシ、本発明は特許請求の範囲
の記載によってのみ制限されることが理解されるべきで
ある。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明による改良分光光度計の図式ダイヤグラ
ムである。 第２図は第１図に示す分光光度計の一部をなす検出器の
頂部平面図であり、その構造の詳細を示すために一部を
破断しである図である。 第３図は第２図に示す検出器の端部立面図である。 第４図は第２図および第３図に示す検出器の側部立面図
であって、その構造の詳細を示すために一部を破断しで
ある図である。 図中において； １０・・・分光光度計；１１・・・ランプ組立体：１２
・・・ランプ光源；１３・・・熱吸収性被覆ガラス：１
４・光通路；１５・集光レンズ；１６光学要素；１７・
試験試料容器；１７ａ・・−試料溶液；１８・・鏡；２
０・−・人口孔；２トポリクロマタ一絹立体；２２−・
キャリブレーション装置；２２ａ・・開口；幻・・・ハ
ウジング；２４・・鏡；２５・・・回折格子；２６・・
・検出器；２６ａ　ケーシング；２７・・光ダイオード
素子配列；２７ａ−窓；２Ｂ、２８ａ、　２８ｂ、　２
８ｃｍフィルタ。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、光源と、この光源からの光の一部を溶液中に指向さ
   せる装置と、この溶液を通過する光を光スペクトルの波
   長要素に分離してこれらの波長要素の強度を該溶液中の
   物質の存在および／または量の尺度として検出する装置
   とを備える溶液中の物質の存在および／または量を測定
   するための分光光度計であって；外部からの意味不明な
   信号とまぎれ込んだ光とによって生ずる干渉を矯正する
   ための装置をくみ入れて物質の存在および／または濃度
   の関数としての波長要素の検出誤差を最小になし、そし
   て上記の分離および検出の装置が （ａ）ハウジング、 （ｂ）このハウジング中の光の入口孔、 （ｃ）この孔を通ってハウジングに入る光を結像させる
   装置、 （ｄ）この結像装置と光の入口孔の双方からもたらされ
   る孔を通過した光の波長スペクトルのうちのまぎれ込ん
   だ光を減衰させる装置、 （ｅ）光スペクトルの非減衰部分を減衰部分から分離す
   る装置、および （ｆ）光スペクトルの非減衰部分を受信して溶液中の物
   質の存在および／または量に対応する出力信号を与える
   検出器から成ることを特徴とする分光光度計。 ２、検出器が一体構造の光ダイオード配列から成る特許
   請求の範囲第１項記載の分光光度計。 ３、外部からの意味不明な信号とまぎれこんだ光とによ
   って生ずる干渉を矯正するための装置が光源からの光の
   一部を溶液中に指向させる装置と分離および検出の装置
   との間に介在させたキャリブレーション装置から成る特
   許請求の範囲第１項記載の装置。