本発明の吸光光度計の実施形態の具体的� ��構成について、図面を参照しながら説明す� ��。図1は、本発明の一実施形態に係る吸光光 度計の概略構成を表すブロック図である。本 実施形態の吸光光度計は、同図に示すように 、吸光度センサ素子10と、本体部20と、これ� �の間を接続するフレキシブルコードからな� �配線31,32とを備えている。吸光度センサ素子 10は、試料容器40内の測定対象液41に浸漬して 使用される。

 図2は図1の吸光光度計の回路を表した詳� �図である。図1及び図2に示すように、吸光度 センサ素子10はハウジング14を有し、このハ� �ジング14には、光源としてのLED(発光ダイオ� �ド)11及び光検出器としてのフォトダイオー� �12が取り付けられ、フォトダイオード12には� ��源Vccが接続されている。また、フォトダイ� ��ード12と電源Vccとの間には、フォトダイオ� �ド12の出力を増幅するためのアンプ13が接続� ��れている。アンプ13からの出力は、配線32を 介して後述するバンドパスフィルタ23に入力� ��れている。

 LED11及びフォトダイオード12はハウジング 14上に対向するように配置され、LED11の光軸� �フォトダイオード12の光軸が一致するように 固定されている。本実施形態では、LED11の先� ��部が発光面11aであり、フォトダイオード12� �先端部が受光面12aである。発光面11aと受光� �12aとの間の距離が所定の長さLとなるように� ��定されている。この距離Lは、従来の吸光光 度計に於けるセルの厚さに相当している。本 実施形態ではL=1cmに設定してある。

 このようにLED11及びフォトダイオード12を ハウジング14上に固定することにより、吸光� ��センサ素子10を試料容器40の中の測定対象液 中に直接投げ込んだ場合にも、発光面11aと受 光面12aとの間の距離Lが常に一定に保たれ、� �来の吸光光度計に於ける一定長さLのセルを� ��いた場合と同様の吸光度の測定を行うこと� ��可能となる。

 LED11としては、測定対象液の吸収波長の� �を発するものが選択される。例えば測定対� �液が後述する硫酸銅溶液やフォーリン・チ� �カルト法による呈色溶液の場合、発光波長� �ピークが700nmに近いGaP/GaP製のものが用いら� �る。図2に示すように、LED11のカソードは接� �され(GND)、LED11のアノードには、後述するよ� ��にバッファアンプ22から配線31を介して1kHz� �矩形波が入力される。

 フォトダイオード12は、LED11の発光波長、 換言すれば、測定対象液の吸収波長を含む波 長域の光を検出可能なものである。上記硫酸 銅溶液やフォーリン・チオカルトの呈色溶液 の場合、フォトダイオード12は700nmの光を検� �し得るものを使用する必要がある。図2に示� ��ように、フォトダイオード12のカソードは� �地され(GND)、フォトダイオード12のアノード� ��は、電源Vccが接続されている。また、フォ� ��ダイオード12のアノードは、フォトダイオ� �ド12の出力を増幅するアンプ13に接続されて� ��る。なお、アンプ13は本体部20に設けてもよ い。

 本実施形態では、吸光度センサ素子10は� �接測定対象液41中に投げ込んで使用されるた め、吸光度センサ素子10のLED11、フォトダイ� �ード12、アンプ13及びそれらの間の配線には� ��測定対象液に含まれる水や有機溶媒に耐え� ��るように防水・防液加工が施されている。

 本体部20には、所定周波数の交流成分を� �生する発振回路21が設けられている。この発 振回路21は、発振周波数が1kHzの矩形波を出力 し、そのピーク電圧が0V~5Vの交流成分を発生� ��る。発振回路21からの電圧発振信号は、次� �バッファアンプ22に入力されて電流信号に変 換され、電流制限抵抗(図示せず)を経た後、� ��波数1kHzの交流成分を含んだ駆動電流として 、配線31を介してLED11に供給される。本実施� �態では、発振回路21及びバッファアンプ22が� ��動回路として機能している。これにより、L ED11は周波数1kHzで点滅することとなる。また� ��発振回路21の出力は、後述する移相器24にも 入力される。

 バッファアンプ22からの駆動電流により� �周波数1kHzで点滅するLED11からの計測光は、LE D11の発光面11aとフォトダイオード12の受光面1 2aとの間の距離Lの部分に存在する測定対象液 によって一部分吸収された後、フォトダイオ ード12に達する。ここで、フォトダイオード1 2は、LED11からの計測光以外に、室内照明光や 太陽光に由来する外乱光が存在する場合には 、これをも検出することとなる。従って、フ ォトダイオード12からの出力信号は、外乱光� ��起因するノイズをも含んでいる場合がある� ��フォトダイオード12からの出力信号はアン� �13で増幅された後、配線32を介して本体部20� �バンドパスフィルタ23に入力される。

 バンドパスフィルタ23は、中心周波数を1k Hzとし、比較的広帯域(Q=3)の成分のみを通過� �せるフィルタである。このバンドパスフィ� �タ23を透過した信号は、ほぼ周波数1kHzの成� �のみとなり、さらに検波回路25によって、発 振回路21から移相器24を介して入力される基� �信号と乗算され、最後にローパスフィルタ� �路26によって同期検波される。本実施形態で は、バンドパスフィルタ23、検波回路25及び� �ーパスフィルタ回路26が位相検波回路として 機能している。移相器24は基準信号の位相と� ��出信号の位相とを等しくする機能を果たし� ��いる。以上により、本実施形態の吸光光度� ��は、計測された信号から周波数1kHzの成分を 抽出して出力するとともに、外乱光に起因す る信号を除去することが可能となる。

 また、本実施形態の吸光光度計は、ロー� ��スフィルタ回路26内に増幅回路をも内蔵し� �おり、増幅された信号が表示器27に表示され るように構成されている。更に、図示してい ないが、本実施形態の吸光光度計では、ロー パフフィルタ回路26の前又は後に、呈色、退� ��、比色、沈降、懸濁、比濁などの分析の種� ��に応じて吸光度やその二次情報などを算出� ��る演算手段が設けられている。これにより� ��目的とする分析データを簡便に得ることが� ��きる。

 上述のLED11の発光面11aとフォトダイオー� �12の受光面12aの間の距離Lは、測定対象液の� �光度(溶質の濃度)に応じて適宜変更すること ができるように、LED11及びフォトダイオード1 2の一方又は両方をハウジング14上で移動可能 に構成することもできる。また、LED11及びフ� ��トダイオード12の種類及び距離Lの異なる吸� ��度センサ素子10を予め準備しておき、測定� �象液の種類や濃度に応じて交換し得るよう� �構成することもできる。

 以上の構成を有する本実施形態の吸光光度� ��について、その使用方法及びその動作を説� ��する。まず、入射光強度I ₀ を求めるために、ブランク溶液を準備する。 ブランク溶液は、実際に測定したい試料対象 溶液から、測定対象成分を除いたものであり 、水や抽出溶媒がブランク溶液となる。吸光 度センサ素子10をブランク溶液に投入した状� ��で本体部20の電源を投入する。これにより� �LED11からフォトダイオード12に向けて計測光� ��照射される。この状態で計測を行い、入射� ��強度I ₀ が求められる。この入射光強度I ₀ は、前述の演算手段に記憶される。次に、吸 光度センサ素子10が入る大きさの容器に測定� ��象液を入れる。ここで、例えばプラント内� ��大型の反応槽内で計測する場合は、吸光度� ��ンサ素子10をその反応槽に直接に投入する� �とも可能であり、この場合は上記容器の準� �は不要となる。次に、吸光度センサ素子10を 測定試料溶液中に直接投入し、本体部20の電� ��を投入する。これにより、LED11からフォト� �イオード12に向けて計測光が照射され、吸光 度の連続計測が可能となる。本実施形態の吸 光光度計はロックインアンプを備えているた め、照明の消灯や遮光は不要である。

 計測中、フォトダイオード12で検出され� �信号のうちの周波数1kHzの成分のみがバンド� ��スフィルタ23を通過し、検波回路25によって 基準信号である周波数1kHzの信号に同期する� �号のみが検出される。従って、上述のよう� �太陽光や蛍光灯からの外光成分は、周波数� �異なるので除去され、あるいはその周波数� �分が存在したとしても極めて僅かなので無� �することが可能である。このようにして、� �定対象液を透過した計測光のみに基づいて� �過光強度Iが求められる。この透過光強度Iは 、前述の演算手段に記憶される。

 次に、演算部では、入射光強度I ₀ と透過光強度Iとを用いて、吸光度Aが下記の� ��から求められる。
[数1]
  A=log ₁₀ (I ₀ /I)
 一方、吸光度Aは、LED11及びフォトダイオー� ��12の間の距離L、測定対象液中の溶質の吸光� ��数ε及び測定対象液の溶質の濃度Cとの間に� ��下の関係がある。
[数2]
  A=εLC
 従って、測定対象液中の溶質の吸光係数ε� �既知であれば、数1及び数2から測定対象液の 溶質の濃度Cを求めることができる。吸光度A� ��濃度C等の測定結果は、数値のまま、又はグ ラフ化等のデータ処理を施して表示器27に表� ��されることとなる。また、本実施形態の吸� ��光度計を使用すれば、連続して測定結果を� ��ることができるため、例えば横軸に時間を� ��り、縦軸に測定結果をプロットすることに� ��り、経時的なデータの採取や反応追跡に使� ��することができる。

 上記では光検出器としてフォトダイオー� ��12を用いたが、これに代えてフォトトラン� �スタを使用することもできる。フォトトラ� �ジスタを使用する場合には、フォトダイオ� �ドを使用する場合に必要なアンプ13(図2)が不 要となり、吸光度センサ素子の更なる小型化 、軽量化を図ることができるという利点があ る。

 (硫酸銅の吸光度測定)
 本実施形態の吸光光度計を使用し、実際に� ��知濃度の硫酸銅溶液の測定を行い、その検� ��線を作成した結果について説明する。

 検量線の作成に使用した硫酸銅溶液は、� ��下のようにして調製した。約3.0gの硫酸銅5� �和物を50mLメスフラスコに入れた。このメス� ��ラスコにイオン交換水を少量入れ、0.5mol/L� �硫酸を0.5mL滴下し、標線を超えないように50m Lにした(濃度0.24mol/Lの硫酸銅水溶液)。この硫 酸銅水溶液を標準溶液として、10mLビーカー� �1/4、2/4、3/4、1倍となるように溶液を調製し� ��。このようにした調製した溶液の吸光度を� ��本発明の投込み式吸光光度計で測定し、測� ��した吸光度を検量線として図3に示した。上 述のように、LED11の発光波長は700nmであり、� �光面11aとフォトダイオード12の受光面12aとの 間の距離Lは1cmである。また、比較のために� �同じ測定液を用い、従来から市販されてい� �吸光光度計(日立製作所、U-3000)を使用して作 成した検量線を図4に示した。

 吸光光度をy、クロロゲン酸の濃度をx、� �関係数をrとした場合、本実施形態の吸光光� ��計を用いた場合、図3に示すような傾きと相 関係数rとを得た。従来の吸光光度計用いた� �合についても、図4に傾きと相関係数rとを示 した。

 (クロロゲン酸の吸光度測定)
 本実施形態の吸光光度計を使用し、実際に� ��ォーリン・チオカルト法に従って既知濃度� ��クロロゲン酸溶液の測定を行い、クロロゲ� ��酸の検量線を作成した結果について説明す� ��。フォーリン・チオカルト法は、ポリフェ� ��ール量を測定する方法として知られている� ��

 検量線の作成に使用したクロロゲン酸試� ��液は、以下のようにして調製した。イオン� ��換水100mLにクロロゲン酸10mgを溶解させたも� ��を標準試料溶液とし、その後試料溶液濃度� ��1、3/4、2/4、1/4倍になるように調製した。各 濃度のクロロゲン酸溶液4mLをそれぞれ10mLビ� �カーに入れ、市販の2規定のフェノール試薬� ��2倍希釈したフェノール試薬4mLを加えて3分� �、スターラーで撹拌した。その後、10重量%� �酸ナトリウム水溶液を4mL加えて、室温で1時� ��放置した。この際、初めの5分間はスターラ ーで撹拌した。

 以上のようにして調製した溶液について� ��度計の測定を行った。本発明の吸光光度計� ��使用に際しては、10mLビーカーに吸光光度計 の測定部分を入れて、値が安定するまで3分� �静置し。数値が安定した後に測定を行った� �その結果を図5に示した。上述のように、LED1 1の発光波長は700nmであり、発光面11aとフォト ダイオード12の受光面12aとの間の距離Lは1cmで ある。また、比較のために、同じ測定液を用 い、従来から市販されている吸光光度計(日� �製作所、U-3000)を使用して作成した検量線を� ��6に示した。この場合の吸光度測定用のセル の長さは、上記距離Lと同じ1cmである。

 吸光光度をy、クロロゲン酸の濃度をx、� �関係数をrとした場合、本実施形態の吸光光� ��計を用いた場合、図5に示すような傾きと相 関係数rとを得た。従来の吸光光度計用いた� �合についても、図6に傾きと相関係数rとを示 した。

 以上から、本実施形態の吸光光度計と従� ��の吸光光度計とにより求めた検量線の傾き� ��ほぼ等しいため、従来と同様の定量分析が� ��分に可能であることがわかる。また、相関� ��数rの比較より、本実施形態の吸光光度計の 方が精度の高い測定が可能であることがわか る。

 図7は本発明の他の実施形態に係る吸光光 度計の吸光度センサ素子10の概略構成図であ� ��。この吸光度センサ素子10は、図1の吸光度� ��ンサ素子10に於けるハウジング14に遮光部15� ��設けたものであり、図1に対応する図6の同� �構成要素には、同じ符号が付されている。� �光部15はLED11及びフォトダイオード12を覆い� �吸光度の測定に邪魔にならない位置に設け� �れた支持部16,16によってハウジング14に固定� ��れている。本実施形態に於ける遮光部15は� �フォトダイオード12への外乱光の入射を防止 すると共に、LED11の発光面11aとフォトダイオ� ��ド12の受光面12aとの間の距離Lの部分への測� ��対象液の流入を可能としている。また、遮� ��部15による外乱光の入射防止の効果が高い� �合には、発振回路21、移相器24等のロックイ� ��アンプの技術を使用することなく、従来と� ��様の吸光度の測定を非常に簡便に行うこと� ��できる。

 なお、図7の実施形態では、遮光部15は支� ��部16,16によってハウジング14に固定されてい るが、ハウジング14及び遮光部15を含めて全� �を筒状とし、その内部にLED11、フォトダイオ ード12等を長手軸方向に配してもよい。この� ��合には、測定対象液は筒状のハウジングの� ��下の穴を介して流入することが可能である� ��

 また、上記では吸光度センサ素子10をブラ� �ク液に投入した状態で入射光強度I ₀ を求めたが、例えば反応追跡などの場合には 吸光度センサ素子10を投入した初期の光強度I を光強度I ₀ としてもよい。また、予め外乱光のない暗所 において空気中又は計測光を吸収しない透明 溶媒中で測定した光強度Iを光強度I ₀ としてもよい。特に、ロックインアンプを使 用しない構成では、光強度I ₀ と光強度Iの計測条件をなるべく同じにする� �要がある。

 図8は、本発明の他の実施形態に係る吸光 光度計の概念図である。本実施形態の吸光光 度計は、3つのLED51a,51b,51cを備え、各LED51a,51b,5 1cは、それぞれ700nm,565nm,465nmの計測光を発す� �ものである。各LED51a,51b,51cに近接して、それ ぞれ光ファイバ52a,52b,52cが配されており、各L EDからの計測光は光ファイバ52a,52b,52cに導入� �れるように構成されている。そして、光フ� �イバ52a,52b,52cは束ねられ、それぞれの端部は 発光面53として揃えられる。従って、各LED51a, 51b,51cからの計測光は、発光面53に収束し、同 一方向に進行する束ねられた光束として出射 することとなる。なお、この発光面53は、図� ��しないハウジングに固定されている。

 発光面53の延長上には、発光面53からの計 測光を受光してその強度を表す信号を出力す るフォトダイオード12が配置されている。フ� ��トダイオード12の光軸は、発光面53からの計 測光の進行方向に一致するように、ハウジン グ(図示せず)に固定されている。本実施形態� ��おいても、フォトダイオード12の先端部が� �光面12aとして機能している。本実施形態で� �、光ファイバ52a,52b,52cの端部である発光面53� ��、フォトダイオード12の受光面12aとの間の� �離Lの部分において、測定対象液の吸光度の� ��測が行われる。

 また、本実施形態では、LED51a,51b,51cには� �パソコン56から周波数の異なるデジタル信号 を取り出してD/A変換器54によりアナログ信号� ��変換した駆動電流が供給される。具体的に� ��、LED51aには1kHz、LED51bには2kHz、LED51cには3kHz� ��駆動電流が供給される。これにより、LED51a� ��らは1kHzで点滅する赤(700nm)の計測光が、LED51 bからは2kHzで点滅する緑(565nm)の計測光が、LED 51cからは3kHzで点滅する青(465nm)の計測光が、� ��れぞれ同時に発せられることとなる。

 これらの3色の計測光は発光面53から出射� ��て測定対象液による光吸収を受けた後、フ� ��トダイオード12の受光面12aに到達する。従� �て、フォトダイオード12は、1kHzで点滅する� �(700nm)の計測光と、2kHzで点滅する緑(565nm)の� �測光と、3kHzで点滅する青(465nm)の計測光とを 同時に計測し、その強度を表す信号を出力す ることとなる。

 この信号は、図8に示すように、フォトダ イオード12からの出力をデジタル信号に変換� ��るA/D変換器55に入力され、このデジタル信� �は、パソコン56内に取り込まれる。パソコン 56内では、入力されたデジタル信号のフーリ� ��変換が行われる。これにより、フーリエ変� ��後の1kHzの成分が赤(700nm)の光強度として、2k Hzの成分が緑(565nm)の光強度として、3kHzの成� �が青(465nm)の光強度としてそれぞれ得られる� ��これらの光強度と、予めブランク液につい� ��求めておいた各周波数における光強度とを� ��いて、これらの3つの周波数に於ける吸光度 が求められる。

 図9は、フーリエ変換により得られる各周 波数の計測光の吸光度データの一例を表して いる。同図に示すように、1kHzの位置に赤(700n m)の吸光度、2kHzの位置に緑(565nm)の吸光度、3k Hzの位置に青(465nm)の吸光度を読み取ることが できる。

 なお、上記では3つのLEDを用いた場合を示 したが、本発明はこれに限定されるものでは なく、1つ、2つ又は4つ以上のLEDを用いること ができる。

 また、上記ではフーリエ変換により3つの 計測光について吸光度を同時に求めたが、各 周波数の計測光について個別にロックインア ンプを設けてもよく、また一つのロックイン アンプを用いて時分割で測定してもよい。

 更に、暗所で測定する場合には、フーリ� ��変換やロックインアンプを使用せずに、時� ��割で吸光度の測定を行ってもよい。

 加えて、上記ではLEDの駆動及びフーリエ� ��換にパソコンを使用したが、専用のハード� ��エアを使用することもできる。

 また、上記では光検出器としてフォトダ� ��オードを用いたが、これに代えてフォトト� ��ンジスタを使用することもできる。フォト� ��ランジスタを使用する場合には、フォトダ� ��オードを使用する場合に必要なアンプ13(図2 )が不要となり、吸光度センサ素子の更なる� �型化、軽量化を図ることができる。

 また、上記では光検出器としてフォトダ� ��オードを用いたが、光検出器をフォトダイ� ��ードと光ファイバとによって構成し、測定� ��象液を透過した後の計測光を光ファイバを� ��してフォトダイオードに導くように構成し� ��もよい。その場合には、光ファイバの端部� ��受光面12aの位置に固定することになる。

 上記において、光源部をLEDと光ファイバ� ��によって構成した場合には、LEDを吸光度セ� ��サ素子ではなく本体部に設けることも可能� ��ある。また、光検出器をフォトダイオード� ��光ファイバとによって構成した場合には、� ��ォトダイオードを吸光度センサ素子ではな� ��本体部に設けることも可能である。