JP5854621B2

JP5854621B2 - 長光路長フローセル

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Publication number: JP5854621B2
Application number: JP2011085740A
Authority: JP
Inventors: 佑介後藤; 悠石毛; 釜堀　政男; 政男釜堀; 耕作豊崎; 秀之秋山
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Current assignee: Hitachi High Tech Corp
Priority date: 2011-04-07
Filing date: 2011-04-07
Publication date: 2016-02-09
Anticipated expiration: 2031-04-07
Also published as: JP2012220324A; WO2012137750A1

Description

本発明は、試料を分光分析するためのフローセルに関し、特に液体分析装置に用いられる分光分析用フローセルに関する。

液体クロマトグラフ装置等に代表される液体分析装置に備えられて紫外・可視・赤外光で試料を分光分析する装置にはフローセルが設けられ、フローセルを用いて吸光度あるいは蛍光に代表される発光強度等が測定される。一般には、フローセル内の光路長が長いほど分析感度は高くなる。しかし、長光路長を有するフローセルでは、しばしば流体力学的効果によってフローセル内で試料の位置分布が拡がるため、得られるピークシグナル値が本来得られるべきピークシグナル値よりも減少し、感度の低下をもたらす。液体クロマトグラフ装置のように溶液中に共存する複数の試料成分を分離・分析する目的の場合には、この試料の位置分布の拡がりは感度の低下だけでなく同時に分離能の低下をもたらす。

フローセルは、加工及びその理論的取り扱いの容易さから円筒状流路を有するものが良く使用される。その典型的な構造は図１及び図２に示す通りである。図１は、円筒状流路を有するフローセルの概略斜視図、図２は図１の光路中心を通る断面１００９の断面図である。フローセルボディ１００１には窓材１００２，１００３が備えられ、流体導入部１００５から導入された試料溶液は、円筒状流路１００４を通り、流体排出部１００６から排出される。円筒状流路１００４には光源より測定光１００８が入射され、吸光や発光現象が生じる。この円筒状流路を有するフローセル１０００において、試料位置分布の拡がりを低減するために流路径を小さくすることが試みられている。しかし、流路径の縮小は、一般的にフローセルの入射面で遮光される測定光量の増加につながるだけでなく、図２に示すように、長光路長を有する円筒状流路においては流路内壁に当たる測定光量の増加にもつながり、得られるシグナル値が減少又はノイズが増加し感度が低下するという問題が発生する。殊に吸光度法を原理とする場合、流路内壁に当たった測定光は無秩序な光反射・光散乱や光吸収となって、ノイズの増加をもたらすことがしばしばある（非特許文献１）。すなわち温度変動、圧力変動、溶液の組成変動等といった外的要因によって生じた溶液の屈折率変動が、入射光に対するこれらの反射光や散乱光の比率を変動させ、みかけ上の吸光度の変動すなわちノイズ又はドリフトとして検出されるという問題が知られる。特にこの効果は、流路内部の溶液の屈折率変動が原因であることから液体レンズ効果と呼ばれる（非特許文献２）。したがって、円筒状流路では、試料の位置分布拡がりの低減と感度の向上はトレードオフの関係にある。

この問題を解決するため、大別して２種類の手法が考案されてきた。一つは流路構造の変更により流路内壁に当たる測定光量を抑制する手法であり、もう一つは材料学的工夫により流路内壁で測定光を全反射させる手法であり、それぞれ感度を改善しようという試みである。前者の例として、図３に示したように、円筒状流路の代わりに入射面から出射面に対してテーパー状に広がっている円錐台状流路１００７を使用することが考案されている（特許文献１）。後者の例として、ガラスキャピラリをフローセル材質とし、ガラスより屈折率の高い溶媒を用いることが考案されている（特許文献２）。また、特許文献３には、分光分析に頻繁に用いられる中で最も屈折率の高い溶媒である水よりも低い屈折率を有する材料であるフッ素系高分子、特にテフロン（登録商標）ＡＦを流路内壁に塗布することで、光の全反射を達成する方式が考案されている。さらに、特許文献４には二重の溶融シリカキャピラリをフローセルに用いて、内側のキャピラリには測定溶媒を、外側のキャピラリにはそれよりも低い屈折率を有する溶媒、特にパーフルオロ系溶媒をそれぞれ配置することによって光を全反射させる方式が考案されている。

米国特許第４０１１４５１号明細書特許１６６２０１３号公報米国特許第５１８４１９２号明細書米国特許公開第２００９／０２３００２８号

J.Chromatogr.465,227(1989) J.Chromatogr.503,127(1990)

テーパー状に拡げた流路は、円筒状流路と比較してフローセル容量が増加して試料がより拡がるため、試料が流路内に滞留する時間が増大し、試料の位置分布拡がりが増加してしまう。一方、材料学的工夫により流路内で測定光を全反射させることでシグナル対ノイズ比を改善しようという試みでは、測定流路内部が異物付着などによって全反射条件でなくなった場合、光量が減少し、感度が低下してしまう。

本発明は、流路構造の工夫により試料の位置分布拡がりを低減しつつ、感度を向上できる、フローセルを提供するものである。

本発明の代表的な形態のフローセルは、測定光が通過する試料流路を有する本体と、前記本体の光入射側と光出射側に設けられた窓材とを備え、試料流路は、流体導入部に接続された第一の筒状流路と流体排出部に接続された第二の筒状流路とを有する。第一の筒状流路及び第二の筒状流路は入射光軸に垂直な断面積が一定又は入射光の進行方向に沿って連続的に増加している形状であり、第一の筒状流路の光出射端における入射光軸に垂直な断面積が、第二の筒状流路の光入射端における入射光軸に垂直な断面積以下である。

好ましくは、流体排出部の流路断面積が流体導入部の流路断面積より大きい。本体は紫外から赤外の波長域の光の反射を防止する材質で作製されている、あるいは、第一及び第二の流路内壁表面が紫外から赤外の波長域の光の反射を防止する性質を有する材質で修飾されているのが好ましい。

また、本発明のフローセルを組み込んだ液体分析装置は、光源からの入射光の焦点位置が第一の筒状流路の流体排出側よりも光源側に位置するのが望ましい。

測定光が通過する試料流路を２つの筒状流路を連結して構成することにより、試料流路の内壁に当たる測定光量が低減し、感度を向上させることができる。加えて、第一の筒状流路によって流体を整流させる効果が得られ、迅速に試料が流れることで試料の位置分布拡がりを低減させることができる。
上記した以外の、課題、構成及び効果は、以下の実施形態の説明により明らかにされる。

円筒状流路を有するフローセルの一例を示す概略図。円筒状流路を有するフローセル中を透過する光の様子を示す断面図。円錐台状流路を有するフローセル中を透過する光の様子を示す断面図。本発明によるフローセルの一例を示す概略図。本発明によるフローセルの一例を示す断面図。本発明によるフローセル中の透過光の様子を示す断面図。本発明によるフローセル中の流れの経時変化の様子を示す説明図。本発明によるフローセルの一例を示す断面図。本発明によるフローセルの一例を示す断面図。本発明によるフローセルの一例を示す断面図。本発明によるフローセルの一例を示す断面図。本発明によるフローセルの一例を示す断面図。断面が楕円形の流路を有するフローセルの一例を示す断面図。断面が多角形の流路を有するフローセルの一例を示す断面図。本発明によるフローセルの一例を示す断面図。本発明によるフローセルの一例を示す断面図。本発明によるフローセルの一例を示す断面図。本発明によるフローセルの一例を示す断面図。本発明によるフローセルの一例を示す断面図。流体排出部の他の例を示す断面図。流体排出部の他の例を示す断面図。流体排出部の他の例を示す断面図。液体クロマトグラフィ装置の一例を示す概略図。分光光度計の一例を示す概略図。分光光度計の一例を示す概略図。バンド拡がり測定結果を示す図。ノイズ測定結果を示す図。

以下、図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。
図４は、本発明によるフローセルの一実施例の概略図である。このフローセル１００は、フローセルボディ１０１と２個の光を透過させる窓材１０２，１０３を備える。フローセルボディ１０１内部には、測定光入射側の第一の筒状流路１０４、測定光出射側の第二の筒状流路１０５、流体をフローセル１００に導入する流体導入部１０６、流体が排出される流体排出部１０７が設けられている。後述するように、フローセル１００を液体分析装置に組み込む際には、光源は第一の筒状流路１０４側に、検出器は第二の筒状流路１０５側に配置され、第一の筒状流路１０４から測定光が入射する。第一の筒状流路１０４及び第二の筒状流路１０５を通過した測定光は検出器で検出される。試料溶液は流体導入部１０６から導入され、第一の筒状流路１０４と第二の筒状流路１０５を経て、流体排出部１０７から排出される。

窓材１０２，１０３は光を透過させる光学部品であればよく、例えば石英ガラスやレンズのような光学部品であればよい。フローセルボディ１０１は紫外から赤外の波長域の光の反射を防止する材質であればよい。例えば黒色石英が望ましく、カーボンが混合されたグラスファイバー強化ポリカーボネートのような樹脂、炭素繊維のような材質でもよい。また、第一の筒状流路１０４及び第二の筒状流路１０５の内壁を、紫外から赤外の波長域の光の反射を防止する材質で塗布又はメッキ、蒸着等の方法により修飾してもよい。その場合、フローセルボディ１０１は、例えばステンレス鋼やアルミ鋼等の金属や、溶融シリカや石英ガラス等のシリコン酸化物、ポリカーボネートのような樹脂でもよく、流路内壁に修飾されるべき材質は、例えば黒色石英、酸化亜鉛、酸化アルミニウム、ダイアモンドライクカーボン等のような材質とすればよい。

図４に示したフローセルの外形は、溶液を流す配管を設置する都合上、円筒状形状の一部を切り取った形状をしているが、重要な点は流体及び測定光が通過する筒状路にあるため、必ずしもこのような形状である必要はなく、例えば単純な円筒状、円錐台筒状、方形筒状、方錐台筒状もしくはこれらを基にフローセルを配置すべき場所に設置しやすいように加工された形状でもよい。フローセルボディ１０１の形成方法としては、ドリル加工で細孔を開ける方法や、予め半分に分割されたセルボディ表面にドリルで溝を形成し、化学研磨法等で表面を十分に研磨した後、光学接着によりボディを組み立てる方法がある。フローセル全体の形成方法としては、機械的に圧着させる方法や熱で溶着させる方法がある。

図５は、図４の流路中心を通る面４０８に沿って切断したフローセルの断面図である。フローセルボディ１０１の両脇に２個の窓材１０２，１０３が備えられ、ボディ内部には測定光が通過する第一の筒状流路１０４及び第二の筒状流路１０５、第一の筒状流路１０４の光入射端側に試料を導入する流体導入部１０６、第二の筒状流路の光出射端側から試料を排出する流体排出部１０７が設けられている。本実施例では、第一の筒状流路１０４は円筒状の形状、第二の筒状流路１０５は光源から出射された測定光の進行方向に沿って断面積が増加する円錐台筒状の形状をしている。第二の円錐台状流路１０５の光入射端の断面積は第一の円筒状流路１０４の光出射端の断面積と等しく、光源からの光の焦点位置は第一の筒状流路１０４の外部にある。

より具体的には、円筒状流路１０４の直径は０．３ｍｍ以上、１ｍｍ以下、フローセルの総光路長は５ｍｍ以上、５０ｍｍ以下、円錐台状流路１０５の円錐角は１度以上、３０度以下、流体導入部１０６及び流体排出部１０７の流路径は同一であり、０．２ｍｍ以上、０．５ｍｍ以下が好ましい。このような形状により、図６に示したように、流路内壁に当たる測定光６０８の量を低減して感度を向上できるのみならず、整流効果により試料の位置拡がりをも低減することが可能になる。セルボディの材質あるいは第一及び第二の流路内壁の材質を選択することで、第一あるいは第二の流路内壁で微小量の測定光が無秩序に反射・散乱したとしても、その反射・散乱光はフローセル全体の材質ないし第一及び第二の流路内壁の修飾材質として採用された紫外から赤外の波長域の光の反射を防止する材質によって低減され、更に感度を向上させることができる。図７に、流れの経時変化の概念図を示した。図７に示したように、第一の筒状流路１０４が流体の助走区間として働くことで流れが整えられ、第二の筒状流路１０５内においても試料が拡がらず、試料が迅速に流れることによって流路内部での滞留時間が低減されるため、流路内部での試料の位置分布拡がりを低減することが可能となる。

図８から図１２に、様々な流路形状を有するフローセルの別の実施例を、図５と同様な位置での断面図で示す。各実施例において、流体導入部１０６及び流体排出部１０７の流路径は、０．２ｍｍ以上、０．５ｍｍ以下が好ましい。

図８に示した実施例は、フローセルボディ１０１の両脇に２個の窓材１０２，１０３を備え、ボディ内部に測定光が通過する第一の円筒状流路１０４及び第二の円錐台状流路１０５、流体導入部１０６、流体排出部１０７を有する。図８に示した実施例は、第二の筒状流路１０５が図５と同等の円錐台筒状の形状をしており、かつその光入射端の断面積は第一の筒状流路の光出射端の断面積より大きい例である。より具体的には、円筒状流路１０４の直径は０．３ｍｍ以上、１ｍｍ以下、フローセルの総光路長は５ｍｍ以上、５０ｍｍ以下、円錐台状流路１０５の円錐角は１度以上、３０度以下が好ましい。

図９は、第二の筒状流路１０５が第一の円筒状流路１０４の断面積より大きい断面積を有する円筒状流路である実施例を示している。より具体的には、第一の円筒状流路１０４の直径は０．３ｍｍ以上、１ｍｍ以下、第二の円筒状流路１０５の直径は０．４ｍｍ以上、１０ｍｍ以下、フローセルの総光路長は５ｍｍ以上、５０ｍｍ以下が好ましい。

図１０は、第二の筒状流路１０５が第一の円筒状流路１０４の断面積より大きい断面積を有する円筒状流路を基として、第一の筒状流路１０４との連結部近傍で断面積が連続的に拡大するように変化している実施例を示している。より具体的には、第一の円筒状流路１０４の直径は０．３ｍｍ以上、１ｍｍ以下、第二の円筒状流路１０５の直径は０．４ｍｍ以上、１０ｍｍ以下、フローセルの総光路長は５ｍｍ以上、５０ｍｍ以下、第一の筒状流路１０４との連結部近傍で第二の筒状流路１０５の断面積が連続的に変化している部分の長さは第一及び第二の筒状流路の長さの和の５〜３０％程度である。

図１１は、第二の筒状流路１０５の断面積が流路内部の流れ場の流線に沿って連続的に拡大するように変化している実施例を示す。より具体的には、第一の円筒状流路１０４の直径は０．３ｍｍ以上、１ｍｍ以下、第二の筒状流路１０４の光出射端の直径は０．４ｍｍ以上、１０ｍｍ以下、フローセルの総光路長は５ｍｍ以上、５０ｍｍ以下が好ましい。本実施例では、第二の筒状流路１０５の形状として流路全体の断面積が流路内部の流れ場の流線に沿って連続的に変化している流路を例に挙げたが、その形状は放物線状、双曲線状といった形状でもよく、流体導入側から流体排出側に向かって断面積が増加している形状が望ましい。

図８から図１１に示したような流路形状にすることで、図５の場合と同様に、流路内壁に当たる測定光量を低減して感度向上を図り、同時に、流路内部での滞留時間を低減して流路内部での試料の位置分布拡がりの低減を図ることができる。尚、上に挙げた筒状流路は流路中心軸を回転軸とした回転対称な形状としたが、必ずしも回転対称な形状である必要はなく、非対称な形状、例えば非対称な円錐台状流路でもよい。これまでに挙げた例の中で、形状の異なる二つの流路を第一の筒状流路及び第二の筒状流路と呼んできたが、第一の筒状流路と第二の筒状流路の境界は、その入射光軸に垂直な断面の面積又は面積の増加率が変化する位置として定義することができる。例えば、面積の変化する位置で２つの流路の境界が規定されるのは図８、図９に示した実施例のフローセルであり、面積の増加率が変化する位置で２つの流路の境界が規定されるのは図５、図１０、図１１に示した実施例のフローセルである。

以上は、第一の筒状流路が断面積一定の円筒状流路に限定された実施例であるが、第一の筒状流路は断面積が一定でなくともよい。例えば、図１２に示すように、第一の筒状流路１０４及び第二の筒状流路１０５が共に円錐台状流路であっても同じ効果が得られる。この場合、流れを整える機能を有した上で、流路内壁へ測定光が当たらなくするために、第一の筒状流路１０４の光出射端の断面積は第二の筒状流路１０５の光入射端の断面積以下という条件下で、第一の筒状流路１０４は流体導入側から流体排出側に向かって断面積がわずかに増加する筒状流路、第二の筒状流路１０５は流体導入側から流体排出側に向かって断面積が増加する筒状流路であることが望ましい。

図５から図１２を用いて説明したように、試料の位置分布拡がりの低減と感度向上を両立できる流路構造には様々な形状があり得るが、流体力学的効果による試料の位置分布拡がりを考慮すれば、第一の筒状流路は円筒状流路、第二の筒状流路は円錐台状流路もしくは流路内部の流れ場の流線に沿った形状が望ましい。

尚、光の進行方向に垂直な流路断面は円形である必要はなく、図１３Ａ、図１３Ｂに示すように楕円形状や多角形状でも同じ効果が得られる。図１３Ａ及び図１３Ｂは、窓材１０２側からフローセルを見た断面摸式図である。特に楕円状の流路断面とすると、光スポットが楕円状の拡がりを有するハロゲンランプのような光源を用いた場合に、流路内壁に当たる測定光の量を低減することができる。また、液体分析装置の光学系の調整やフローセルの配置を変更することで、感度を更に向上することが可能となる。すなわち、光源からの測定光の焦点位置が第一の筒状流路の流体排出側よりも光源側に配置されていれば、第一の筒状流路の内壁あるいは第二の筒状流路の内壁に当たる測定光を低減することができる。図６には測定光の焦点位置がフローセル外部に配置されている例を示したが、測定光の焦点位置は、図１４に示すようにフローセル内部すなわち第一の筒状流路１０４の内部に配置されていてもよい。この時、フローセルの総光路長に対する第一の筒状流路１０４の光路長と第二の筒状流路１０５の光路長の割合は、この測定光の焦点位置により制限されるが、流路内部の試料の位置拡がりとの兼ね合いで最適化されることが望ましい。

尚、光源からの測定光は可能な限り細く絞られ、かつ入射角が小さい程望ましい。本発明による感度の向上をより確実にするためには、流路内壁での測定光の無秩序な散乱・吸収を防ぐために、フローセルボディには紫外・可視・赤外光を吸収する材質を用いることが望ましい。流体導入部及び流体排出部の形状としては円筒状流路が良く用いられ、光路部分と合わせてＺ形の形状（光路に対して斜めに侵入する形状）ないしクランク形の形状が良く利用される。以上は、流体導入部・流体排出部・流路が同じ平面上に存在する例であるが、流路・流体導入部が存在する平面と流路・流体排出部が存在する平面がなす角が任意の角度を形成するようにそれぞれ配置されていてもよい。

また、更なる長光路長時に上述した課題に加え、絶対的な光量が不足することが懸念されるが、これを克服するためにはフローセル全体の流路を３つ以上の筒状流路から構成してもよい。図１５に、第一、第二の筒状流路に、新たに光源側に第三の筒状流路を加えたフローセルの実施例を示す。フローセルボディ１０１の両脇に２個の窓材１０２，１０３を備え、ボディ内部には測定光が通過する第三の流路である円錐台状流路１０８、第一の筒状流路である円筒状流路１０４及び第二の筒状流路である円錐台状流路１０５が連続して形成されている。第三の流路１０８の光入射端には流体導入部１０６が接続され、第二の筒状流路１０５の光出射端には流体排出部１０７が接続されている。この流路構造は、図５に示した流路構造の光源側に新たに断面積が測定光の進行方向に対して連続的に減少する円錐台状流路を追加した構造となっている。より具体的には、円筒状流路１０４の直径は０．３ｍｍ以上、１ｍｍ以下、フローセルの総光路長は１０ｍｍ以上、６０ｍｍ以下、円錐台状流路１０５，１０８の円錐角は１度以上、３０度以下、流体導入部１０６及び流体排出部１０７の流路径は０．２ｍｍ以上、０．５ｍｍ以下が好ましい。この時、光源からの測定光の焦点位置は、図１５に示すように第一の筒状流路１０４の流体排出側よりも流体導入側に配置されていることが望ましい。

この構成により、更なる長光路長を有するフローセルにおいても図５から図１４で説明したフローセルと同様の効果と絶対的光量の確保により、試料の位置分布拡がりの低減と感度向上を両立することができる。尚、フローセル全体の測定光が通過する流路が３つ以上の筒状流路から構成されている場合、本発明の効果を最大限に発揮するためには、フローセル全体の流路の中で最も断面積の小さい部位を基点として、その部位よりも流体排出側にある流路はその断面積が測定光の進行方向に対して連続的に増加している形状であり、その部位よりも流体導入側にある流路はその断面積が測定光の進行方向に対して連続的に減少している形状であり、かつ測定光の焦点位置がフローセル全体の流路の中で最も断面積の小さい部位の流体排出側よりも流体導入側に配置されていることが望ましい。

ここまでに述べた流路構造だけでも、従来のテーパー状の流路構造と比較して試料の位置分布拡がりの低減と感度向上を達成することは可能である。しかし、既に述べた構造では第二の筒状流路１０５を拡げたものの、流体排出部１０７の流路径は狭いままであるために、流体排出部１０７付近において試料が流れにくい状態となっている。したがって、更なる試料の位置分布拡がりの低減を図るためには、流体排出部の構造工夫による流体の置換効率を高めることが望ましい。図１６から図２１に、そのような効果を可能にする様々な流体排出部を有するフローセルの実施例を、図５と同様の位置での断面図によって示す。

図１６は、図５と同じ形状の流路を有し、流体排出部１０７の断面積が流体導入部１０６の断面積以上であるフローセルの実施例を示している。このように流体排出部１０７の断面積を大きくすることにより、流路内に残留した試料の置換を早めることが可能となる。質量の保存則を考慮すれば、この流体導入部１０６の流路断面積に対する流体排出部１０７の流路断面積の比は、第一の筒状流路１０４の最小断面積に対する第二の筒状流路１０５の最大断面積の比以上であることが望ましい。より具体的には、円筒状流路１０４の直径は０．３ｍｍ以上、１ｍｍ以下、フローセルの総光路長は５ｍｍ以上、５０ｍｍ以下、円錐台状流路１０５の円錐角は１度以上、３０度以下、流体導入部１０６の流路径は０．２ｍｍ以上、０．５ｍｍ以下、流体排出部１０７の流路径は０．２ｍｍ以上、３．０ｍｍ以下が好ましい。流体排出部１０７の流路断面は、円状・楕円状・多角形状であればよい。尚、図１７に示すように、この効果は流体排出部１０７における第二の筒状流路１０５に接続された側の流路の一部のみの断面積を拡げることによっても得られる。このように断面積を拡げるのを流体排出部の流路の一部のみにすることで、配管の接続等が容易となる。

また、この効果は、流体排出部を１つだけでなく、２つ以上設けることによっても達成される。すなわち、複数設けた流体排出部の総断面積が流体導入部の断面積以上であればよい。その場合、流体の置換効率を最大限に高めるためには、同じ流路径を有する複数の流体排出部を、測定光の進行方向に対して垂直な断面内において対称な位置に配置することが望ましい。

図１８は、図５と同じ形状の流路を有し流体排出部が２つ備えられたフローセルの実施例を示すもので、図５と同様の位置での断面図を示している。図１９は、窓材１０３側から本実施例のフローセルを見た図を示しており、２つの流体排出部１０７ａ，１０７ｂは流路の軸に対して対称な位置に配置されている。図２０は、図５と同じ形状の流路を有し流路の軸に対して対称な位置に配置された３つの流体排出部１０７ａ〜１０７ｃを有するフローセルの実施例、図２１は、４つの流体排出部１０７ａ〜１０７ｄが流路の軸に対して互いに対称な位置に配置されたフローセルの実施例を示し、図１９と同様の方向からフローセルを見た図である。図１８〜図２１において、具体的には円筒状流路１０４の直径は０．３ｍｍ以上、１ｍｍ以下、フローセルの総光路長は５ｍｍ以上、５０ｍｍ以下、円錐台状流路１０５の円錐角は１度以上、３０度以下、流体導入部１０６及び各流体排出部１０７の流路径は０．２ｍｍ以上、３．０ｍｍ以下が好ましい。

以上に挙げた流体の置換効率を高めるための構造は、図５に示した流路構造を基にしているが、図８〜図１２、図１４、図１５に示した流路構造を基にしても同様の効果が得られる。また、円筒状流路や流路全体をテーパー状にした流路を基にして、流体排出部の断面積を流体導入部の断面積以上に大きくしても同様の効果を得ることができる。このように様々な流路構造と組み合わせても本発明の効果を発揮することは可能であるが、本発明の効果を最大限に活かすためには、図５又は図１１の流路構造を基にすることが望ましい。

本発明に基づくフローセルは、フローインジェクション分析や液体クロマトグラフィ等に代表される液体分析装置に組み込まれ、吸光や発光等によって試料を分光分析する際に用いられる。図２２から図２４に、本発明に基づくフローセルを液体分析装置に組み込む場合の説明図を示す。図２２には、液体クロマトグラフ装置の流路系を示す。溶離液槽２２０１から溶離液がポンプ２２０２によって送液され、試料導入部２２０３を経て、分離カラム２２０４に供給される。被検成分を含む試料はインジェクタ２２０５から導入され、分離カラム２２０４によって成分分離された後、分光光度計２２０６を通過して廃液槽２２０７に排出される。分光光度計２２０６は制御部２２０８と接続される。制御部２２０８には、例えば図２２に示したようなパーソナルコンピュータ（ＰＣ）を用いることができる。ＰＣは、データ表示装置２２０９、データ処理装置２２１０を有し、データ処理装置２２１０は、例えば演算装置２２１１、一時記憶装置２２１２、不揮発性記憶装置２２１３を有している。

図２３に、図２２における分光光度計２２０６の単波長検出可能な光学系を示す。フローセル１００は図１７に示した構造を有し、フローセルボディ１０１の一端に光入射窓１０２、他端に光出射窓１０３を有している。光源２３０１からの光は集光ミラー２３０２を経たあと、回折格子２３０３によって分光され、ある特定の単色光が治具２３０４により固定されたフローセル１００内の第一の筒状流路１０４に照射される。分離カラム２２０４より溶出した分離された試料を含む溶液は流体導入部１０６よりフローセル１００に供給され、第一の筒状流路１０４及び第二の筒状流路１０５を通過した後、流体排出部１０７より排出される。第一の筒状流路１０４及び第二の筒状流路１０５を透過した光は、光検出器２３０６によって受光され、受光信号は制御部２３０８に接続された検出回路２３０７にて吸光度に変換される。光源２３０１には、重水素ランプ又はハロゲンランプを含む適正な帯域の光を提供することできる任意の光源が使用される。光検出器２３０６には、シリコンフォトダイオードのような単波長の光を検出することが可能な光検出器が使用される。本発明の効果を高めるため、光学系を調整して、光源から出射されてきた測定光の焦点位置は、第一の筒状流路１０４の流体排出側よりも流体導入側に設定した。

図２４は、別の形態の分光光度計を有する液体分析装置の例である、多波長検出可能な光学系を示す模式図である。フローセル１００は第１７図と同じ構成を有し、フローセルボディ１０１の一端に光入射窓１０２、他端に光出射窓１０３を有している。光源２４０１からの光は集光ミラー２４０２を経たあと、治具２４０３により固定されたフローセル１００内の第一の筒状流路１０４に照射される。分離カラム２２０４から溶出した分離された試料を含む溶液は流体導入部１０６よりフローセル１００に供給され、第一の筒状流路１０４及び第二の筒状流路１０５を通過した後、流体排出部１０７より排出される。第一の筒状流路１０４及び第二の筒状流路１０５を透過した光は、集光ミラー２４０５を経たあと、回折格子２４０６を経由して、光検出器２４０７によって受光され、受光信号は制御部２４０９に接続された検出回路２４０８にて吸光度に変換される。光源２４０１には、重水素ランプ又はハロゲンランプを含む適正な帯域の光を提供することできる任意の光源が使用される。光検出器２４０７にはフォトダイオードアレイのような多波長を検出することが可能な光検出器が使用される。本発明の効果を高めるため、光学系を調整して、光源から出射されてきた測定光の焦点位置を第一の筒状流路１０４の流体排出側よりも流体導入側に配置した。

液体クロマトグラフィにおける試料の位置拡がりの指標として、クロマトグラム上のピーク幅であるバンド拡がり（又はピーク拡がり等と呼ばれる）が知られる。このバンド拡がりの値が小さい程、複数ピークが重なる度合いは減少し、液体クロマトグラフィにおける分離能は向上することになる。図２５は、本発明に基づくフローセルと従来の円錐台状流路構造を有するフローセルについてバンド拡がりを比較した実験結果である。本発明に基づくフローセルとしては、図５と図１７に示したフローセルを用いた。また、比較例として、光路長及びノイズ、すなわち感度が図５と図１７に示したフローセルと同一になるように設計された図３に示した従来の円錐台筒状構造を有するフローセルを用いた。すなわち、比較例のフローセルは、図３に示した円錐台状流路１００７の光入射端の直径を図５及び図１７に示した第一の円筒状流路１０４の光入射端の直径と同一とし、光出射端の直径を図５及び図１７に示した第二の円錐台状流路１０５の光出射端の直径と同一とした。

図２４に示した分光光度計を有する図２２に示した液体クロマトグラフ装置を用いて、溶離液をメタノールとし、流量１ｍＬ／ｍｉｎ時、測定波長２５０ｎｍとして、サンプルにベンゼン０．０１％メタノール溶液を用いて、各フローセルのバンド拡がりを実測した。各フローセルのバンド拡がりは、比較例のフローセルの流量０．５ｍＬ／ｍｉｎの時のバンド拡がりを１として、相対値で表した。図２５から明らかなように、感度が同一になるように設計された円錐台状流路構造を有する比較例のフローセルと比較して、図５に示した実施例のフローセルはバンド拡がりが小さくなった。したがって、従来単独であった筒状流路を第一の筒状流路と第二の筒状流路からなる流路構造に変更し、第二の筒状流路は入射光軸に垂直な断面の面積が一定又は入射光の進行方向へ連続的に増加している形状であり、第一の筒状流路の光出射端における入射光軸に垂直な断面積が第二の筒状流路の光入射端における入射光軸に垂直な断面積以下とすることにより、感度を維持しつつバンド拡がりを低減することが可能である。また、図５に示したフローセルの代わりに、図８〜図１２、図１４、図１５に示したフローセルを用いたところ、同様の効果が得ることが確認できた。

更に図２５からは、図１７に示したような図５の流路構造に加え、断面積の大きい流体排出部を有するフローセルを用いれば、試料が流路に滞留する時間が低減され、バンド拡がりを一層低減できることがわかった。また、図１７に示したフローセルの代わりに、図１６に示したフローセル及び流路総断面積が同一になるように設計した図１８〜図２１に示した複数の流体排出部を有するフローセルを用いたところ、図１７に示したフローセルと同様の効果を得られることを確認した。

図２６は、本発明に基づくフローセルと、比較例の円筒状流路構造を有するフローセルについてノイズを比較した実験結果である。本発明に基づくフローセルとしては図１７に示したフローセルを用いた。また、比較例として、光路長及びバンド拡がりが同一になるように設計された図２に示した従来の円筒状流路を有するフローセルを用いた。すなわち、図２に示した円筒状流路１００４の直径が、図１７に示した第一の円筒状流路１０４の光入射端の直径と同一であるフローセルを用いた。図２４に示した分光光度計を有する図２２に示した液体クロマトグラフィ装置を用いて、溶離液をメタノールとし、流量１ｍＬ／ｍｉｎ時の波長２５０ｎｍにおけるノイズを、各フローセルを用いて調べた。

図２６から明らかなように、比較例の円筒状流路構造を有するフローセルと比較して本発明によるフローセルは、流路内壁に当たる測定光量が低減したことにより、ノイズが低減した。また、図１７に示したフローセルの代わりに、図５、図８〜図１２、図１４〜図１６、図１８〜図２１に示した本発明によるフローセルを用いて同一の条件で実験を行ったところ、同様の効果が確認された。したがって、本発明に示した流路構造を用いれば、試料の位置拡がりの低減と、感度の向上を両立させることができることを実験により確認できた。

尚、以上の図２５及び図２６に示した結果は、図２３に示した分光光度計を有する図２２に示した液体クロマトグラフィ装置を用いて同一の条件で実験を行ったところ、同様の結果が得られることを確認した。

なお、本発明は上記した実施例に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば、上記した実施例は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、ある実施例の構成の一部を他の実施例の構成に置き換えることが可能であり、また、ある実施例の構成に他の実施例の構成を加えることも可能である。また、各実施例の構成の一部について、他の構成の追加・削除・置換をすることが可能である。

１００フローセル
１０１フローセルボディ
１０２，１０３窓材
１０４第一の筒状流路
１０５第二の筒状流路
１０６流体導入部
１０７流体排出部
１０８第三の流路

Claims

測定光が通過する試料流路を有する本体と、前記本体の光入射側と光出射側に設けられた窓材とを備え、
前記試料流路は、流体導入部に接続された第一の筒状流路と流体排出部に接続された第二の筒状流路とを有し、
前記第一の筒状流路は入射光軸に垂直な断面積が一定の円筒状流路であり、前記第二の筒状流路は入射光軸に垂直な断面積が入射光の進行方向に沿って連続的に増加している円錐台状流路であり、前記第一の筒状流路の光出射端における入射光軸に垂直な断面積が、前記第二の筒状流路の光入射端における入射光軸に垂直な断面積以下であることを特徴とするフローセル。
請求項１に記載のフローセルにおいて、前記本体が紫外から赤外の波長域の光の反射を防止する材質で作製されていること、又は前記第一の筒状流路及び前記第二の筒状流路の表面が紫外から赤外の波長域の光の反射を防止する性質を有することを特徴とするフローセル。
請求項１に記載のフローセルにおいて、前記本体が黒色石英又は炭素繊維を含む樹脂で作製されていること、又は前記第一の筒状流路及び前記第二の筒状流路の表面が黒色石英又はダイアモンドライクカーボン又は酸化亜鉛又は酸化アルミニウムで修飾されていることを特徴とするフローセル。
請求項１に記載のフローセルにおいて、単独又は複数設けられた前記流体排出部の流路総断面積が前記流体導入部の流路断面積より大きいことを特徴とするフローセル。
請求項４に記載のフローセルにおいて、前記流体導入部の流路断面積に対する前記流体排出部の流路総断面積の比が、前記第一の筒状流路の入射光軸に垂直な断面の最小断面積に対する前記第二の筒状流路の入射光軸に垂直な断面の最大断面積の比以上であることを特徴とするフローセル。
測定光を発生する光源と、試料を流すフローセルと、前記フローセルを透過した測定光を検出する光検出器とを有し、
前記フローセルは、前記測定光が通過する試料流路を有する本体と、前記本体の光入射側と光出射側に設けられた窓材とを備え、前記試料流路は、流体導入部に接続された第一の筒状流路と流体排出部に接続された第二の筒状流路とを有し、前記第一の筒状流路は入射光軸に垂直な断面積が一定の円筒状流路であり、前記第二の筒状流路は入射光軸に垂直な断面積が入射光の進行方向に沿って連続的に増加している円錐台状流路であり、前記第一の筒状流路の光出射端における入射光軸に垂直な断面積が、前記第二の筒状流路の光入射端における入射光軸に垂直な断面積以下であり、
前記光源からの入射光の焦点位置が前記第一の筒状流路の流体排出側よりも前記光源側に設定されていることを特徴とする液体分析装置。
請求項６に記載の液体分析装置において、前記フローセルは、前記本体が紫外から赤外の波長域の光の反射を防止する材質で作製されていること、又は前記第一の筒状流路及び前記第二の筒状流路の表面が紫外から赤外の波長域の光の反射を防止する性質を有することを特徴とする液体分析装置。
請求項６に記載の液体分析装置において、前記フローセルは、前記本体が黒色石英又は炭素繊維を含む樹脂で作製されていること、又は前記第一の筒状流路及び前記第二の筒状流路の表面が黒色石英又はダイアモンドライクカーボン又は酸化亜鉛又は酸化アルミニウムで修飾されていることを特徴とする液体分析装置。
請求項６に記載の液体分析装置において、前記フローセルは、単独又は複数設けられた前記流体排出部の流路総断面積が前記流体導入部の流路断面積より大きいことを特徴とする液体分析装置。
請求項６に記載の液体分析装置において、前記フローセルは、前記流体導入部の流路断面積に対する前記流体排出部の流路断面積の比が、前記第一の筒状流路の入射光軸に垂直な断面の最小断面積に対する前記第二の筒状流路の入射光軸に垂直な断面の最大断面積の比以上であることを特徴とする液体分析装置。