特開2019-211235(P2019-211235A)IP Force 特許公報掲載プロジェクト 2015.5.11 β版

知財求人 - 知財ポータルサイト「IP Force」

▶ 株式会社日立製作所の特許一覧
<>
  • 特開2019211235-分析セル、及び分析ユニット 図000003
  • 特開2019211235-分析セル、及び分析ユニット 図000004
  • 特開2019211235-分析セル、及び分析ユニット 図000005
  • 特開2019211235-分析セル、及び分析ユニット 図000006
  • 特開2019211235-分析セル、及び分析ユニット 図000007
  • 特開2019211235-分析セル、及び分析ユニット 図000008
  • 特開2019211235-分析セル、及び分析ユニット 図000009
  • 特開2019211235-分析セル、及び分析ユニット 図000010
  • 特開2019211235-分析セル、及び分析ユニット 図000011
  • 特開2019211235-分析セル、及び分析ユニット 図000012
  • 特開2019211235-分析セル、及び分析ユニット 図000013
  • 特開2019211235-分析セル、及び分析ユニット 図000014
  • 特開2019211235-分析セル、及び分析ユニット 図000015
  • 特開2019211235-分析セル、及び分析ユニット 図000016
  • 特開2019211235-分析セル、及び分析ユニット 図000017
  • 特開2019211235-分析セル、及び分析ユニット 図000018
  • 特開2019211235-分析セル、及び分析ユニット 図000019
< >
(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】公開特許公報(A)
(11)【公開番号】特開2019-211235(P2019-211235A)
(43)【公開日】2019年12月12日
(54)【発明の名称】分析セル、及び分析ユニット
(51)【国際特許分類】
   G01N 21/03 20060101AFI20191115BHJP
   G01N 21/01 20060101ALI20191115BHJP
   G01N 21/59 20060101ALI20191115BHJP
【FI】
   G01N21/03 Z
   G01N21/01 B
   G01N21/59 Z
【審査請求】未請求
【請求項の数】11
【出願形態】OL
【全頁数】17
(21)【出願番号】特願2018-104896(P2018-104896)
(22)【出願日】2018年5月31日
(71)【出願人】
【識別番号】000005108
【氏名又は名称】株式会社日立製作所
(74)【代理人】
【識別番号】110000198
【氏名又は名称】特許業務法人湘洋内外特許事務所
(72)【発明者】
【氏名】神林 琢也
(72)【発明者】
【氏名】野口 利光
(72)【発明者】
【氏名】河野 駿介
(72)【発明者】
【氏名】野島 彰紘
【テーマコード(参考)】
2G057
2G059
【Fターム(参考)】
2G057AA01
2G057AB06
2G057AC01
2G057AD07
2G057BB02
2G057BB06
2G057BB08
2G057BC07
2G059AA01
2G059BB06
2G059BB13
2G059DD13
2G059EE01
2G059KK01
(57)【要約】
【課題】 液体試料の分光分析を行うに際してユーザの負担を軽減する。
【解決手段】
分析セルは、分析ユニットに対して着脱交換可能な液体試料を収容するための分析セルであって、光を透過させる材料から成る第1の壁面対と、収容された前記液体試料に対して超音波を伝搬させるための第2の壁面対と、を備え、前記第2の壁面対を成す対向した第1の壁面と第2の壁面とは、音響インピーダンスが異なる材料から形成されていることを特徴とする。
【選択図】 図2
【特許請求の範囲】
【請求項1】
分析ユニットに対して着脱交換可能な液体試料を収容するための分析セルであって、
光を透過させる材料から成る第1の壁面対と、
収容された前記液体試料に対して超音波を伝搬させるための第2の壁面対と、
を備え、
前記第2の壁面対を成す対向した第1の壁面と第2の壁面とは、音響インピーダンスが異なる材料から形成されている
ことを特徴とする分析セル。
【請求項2】
請求項1に記載の分析セルであって、
前記第2の壁面よりも音響インピーダンスが小さい前記第1の壁面の外側には、ゲル状物質が設けられている
ことを特徴とする分析セル。
【請求項3】
請求項1に記載の分析セルであって、
前記第1の壁面の厚さは、前記超音波の波長の1/2の整数倍である
ことを特徴とする分析セル。
【請求項4】
請求項1に記載の分析セルであって、
前記第1の壁面対は、前記光を透過させる前記材料として石英ガラスまたはアクリルから成る
ことを特徴とする分析セル。
【請求項5】
請求項1に記載の分析セルであって、
前記第2の壁面対を成す前記音響インピーダンスが大きい方の前記第1の壁面は、石英ガラスまたはアクリルから成り、
前記第2の壁面対を成す前記音響インピーダンスが小さい方の前記第2の壁面は、金属から成る
ことを特徴とする分析セル。
【請求項6】
請求項1に記載の分析セルであって、
一方の壁面には前記液体試料を前記分析セルに供給するための供給ポートが設けられ、他方の壁面には前記液体試料を前記分析セルから排出するための排出ポートが設けられた第3の壁面対を、
備えることを特徴とする分析セル。
【請求項7】
請求項6に記載の分析セルであって、
前記排出ポートから排出された前記液体試料は、循環されて前記供給ポートから前記分析セルに供給される
ことを特徴とする分析セル。
【請求項8】
液体試料を収容するための分析セルと、
前記分析セルを着脱交換可能に保持するホルダと、
を備え、
前記分析セルは、
光を透過させる材料から成る第1の壁面対と、
収容された前記液体試料に対して超音波を伝搬させるための第2の壁面対と、
を備え、
前記第2の壁面対を成す対向した第1の壁面と第2の壁面とは、音響インピーダンスが異なる材料から形成され、
前記ホルダは、
前記液体試料に伝搬させる前記超音波を発振する超音波振動子を、
備える
ことを特徴とする分析ユニット。
【請求項9】
請求項8に記載の分析ユニットであって、
前記第2の壁面よりも音響インピーダンスが小さい前記第1の壁面の外側には、ゲル状物質が設けられており、
前記超音波振動子は、前記ゲル状物質を介して前記第1の壁面に密着し、前記ゲル状物質、及び前記第1の壁面を介して前記液体試料に前記超音波を伝搬させる
ことを特徴とする分析ユニット。
【請求項10】
請求項8に記載の分析ユニットであって、
前記ホルダは、
前記第2の壁面と密着して前記分析セルを保持する密着用端子を、
備える
ことを特徴とする分析ユニット。
【請求項11】
請求項8に記載の分析ユニットであって、
前記ホルダは、前記第1の壁面対と隙間を空けて前記分析セルを保持する
ことを特徴とする分析ユニット。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、分析セル、及び分析ユニットに関する。
【背景技術】
【0002】
従来、液体試料を分析する方法として光学分析が知られている。光学分析には、液体試料に光を照射して液体試料を透過した光または液体試料において散乱した光を分析する方法や、液体試料から放射される蛍光を分析する方法が含まれ、これらによって液体試料に含有された成分を検出することができる。特に、液体試料を透過した光を分析する分光分析では、比較的簡便な構成の装置によって液体試料を分析できるため、幅広い分野で活用されている。
【0003】
例えば、特許文献1には、分光分析を行うに際し、液体試料の中に超音波の定在波を発生させることによって液体試料に含まれている粒子を凝集させることが開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0004】
【特許文献1】米国特許出願公開第2012/0086938号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0005】
ところで、液体試料の分光分析を行う場合、通常、該液体試料を所定の容器に入れた状態で光を照射することになる。よって、例えば、大量の液体試料を分光分析したり、異なる液体試料を連続して分光分析したりする場合、該容器に対して液体試料を何度も入れ替え、その都度に該容器を洗浄する必要があり、この手間がユーザにとって大きな負担となっている。
【0006】
本発明は、このような状況に鑑みてなされたものであり、液体試料の分光分析を行うに際してユーザの負担を軽減できるようにすることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【0007】
本願は、上記課題の少なくとも一部を解決する手段を複数含んでいるが、その例を挙げるならば、以下のとおりである。上記課題を解決すべく、本発明の一態様に係る分析セルは、分析ユニットに対して着脱交換可能な液体試料を収容するための分析セルであって、光を透過させる材料から成る第1の壁面対と、収容された前記液体試料に対して超音波を伝搬させるための第2の壁面対と、を備え、前記第2の壁面対を成す対向した第1の壁面と第2の壁面とは、音響インピーダンスが異なる材料から形成されていることを特徴とする。
【発明の効果】
【0008】
本発明によれば、液体試料の分光分析を行うに際してユーザの負担を軽減することができる。
【0009】
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。
【図面の簡単な説明】
【0010】
図1】本発明の一実施の形態に係る光学分析装置の構成例を示す図である。
図2】分析ユニットの構成例を示す上面図である。
図3】分析セルの構成例を示すYZ平面の側面図である。
図4】分析セルの構成例を示すXZ平面の側面図である。
図5】ホルダの構成例を示すXZ平面の断面図である。
図6】ホルダの構成例を示すXZ平面の側面図である。
図7】液体試料を分析する際の問題点を説明するための図である。
図8】超音波によって粒子を凝集させる原理を説明するための図である。
図9】分光分析処理の一例を説明するフローチャートである。
図10】伝搬シミュレーションに用いた解析モデルを示す図である。
図11】解析モデルに採用した物質のスペックを示す図である。
図12】伝搬シミュレーションの結果の一例を示す図である。
図13】光学分析システムの第1の構成例を示す図である。
図14】光学分析システムの第2の構成例を示す図である。
図15】光学分析装置の変形例を示す図である。
図16】光学分析装置の変形例における分析ユニットの構成例を示す上面図である。
図17】光学分析装置の変形例における分析セルの構成例を示すXZ平面の断面図である。
【発明を実施するための形態】
【0011】
以下に説明する実施の形態においては便宜上その必要があるときは、複数のセクションまたは実施の形態に分割して説明するが、特に明示した場合を除き、それらはお互いに無関係なものではなく、一方は他方の一部または全部の変形例、詳細、補足説明等の関係にある。また、各実施の形態において、要素の数等(個数、数値、量、範囲等を含む)に言及する場合、特に明示した場合および原理的に明らかに特定の数に限定される場合等を除き、その特定の数に限定されるものではなく、特定の数以上でも以下でもよい。
【0012】
さらに、実施の形態において、その構成要素(要素ステップ等も含む)は、特に明示した場合および原理的に明らかに必須であると考えられる場合等を除き、必ずしも必須のものではないことは言うまでもない。同様に、各実施の形態において、構成要素等の形状、位置関係等に言及するときは特に明示した場合および原理的に明らかにそうではないと考えられる場合等を除き、実質的にその形状等に近似または類似するもの等を含むものとする。このことは、上記数値および範囲についても同様である。また、各実施の形態を説明するための全図において、同一の部材には原則として同一の符号を付し、その繰り返しの説明は省略する。
【0013】
以下、本発明の一実施の形態について図面を用いて説明する。一実施の形態の構成の説明では、理解のため、互いに直交する3軸(X,Y,Z)を用いる。もちろん、各実施形態の構成は、厳密にXYZ軸に一致していなくても、実質的に同じ作用効果を達成できる範囲内の変更は許容される。
【0014】
<本発明を適用した光学分析装置の構成例>
図1は、本発明の一実施の形態に係る分析ユニットを用いる光学分析装置の構成例を示している。該光学分析装置10は、懸濁した液体に含まれる成分を分光分析によって定量評価するためのものである。
【0015】
以下、分光分析の対象とする懸濁した液体を液体試料と称する。また、液体試料を懸濁させている物質を懸濁物質と称する。液体試料としては、例えば、血液、化学製品、工場排水、油滴を含む乳濁液等を挙げることができる。
【0016】
光学分析装置10は、分析ユニット11、光源部12、受光部13、制御部14、及び配管21,22を備える。
【0017】
図2は、本発明の一実施の形態に係る分析ユニット11の上面図を示している。
【0018】
分析ユニット11は、分析セル111とホルダ112から成る。分析セル111には、配管21を介して液体試料が収容される。また、分析後の液体試料は、分析セル111から配管22を介して排出される。
【0019】
分析セル111は、ホルダ112に対して着脱交換可能であってディスポーザブル(disposable)(使い捨て)とされている。これにより、分析セル111を洗浄する手間が不要となるので、ユーザの負荷を軽減することができる。なお、分析セル111を使い捨てとせずに再利用するようにしてもよい。
【0020】
分析セル111は、ホルダ112に対して着脱交換可能とする位置については、配管21,22も含めて着脱交換可能としてもよいし、後述する供給ポート1141、及び排出ポート1142を含めて着脱交換可能としてもよい。
【0021】
ホルダ112は、図2に示されるように、分析セル111がZ軸方向に挿入可能に筒状に形成されており、挿入された分析セル111をY方向に隙間を空けて保持できるように形成されている。これにより、分析セル111の壁面対1112(図3)が、ホルダ112の内壁で擦れて傷がついてしまい、その透明度が低下してしまうことを抑止できる。
【0022】
光源部12は、制御部14からの制御に従い、ホルダ112に形成された照射穴1125(図6)から、分析セル111に収容された液体試料に対して所定波長の光を照射する。光源部12は、例えば、LED(Light Emitting Diode)等の発光素子によって実現できる。
【0023】
受光部13は、光源部12から照射されて液体試料を透過した光を、ホルダ112に形成された照射穴1125(図6)を介して受光し、その強度を示す受光信号を制御部14に出力する。受光部13は、例えば、PD(Photo Diode)等の受光素子から実現できる。
【0024】
制御部14は、光源部12による光の照射を制御する。また、制御部14は、受光部13から供給される受光信号に基づいて液体試料に含まれる成分を分析する。さらに、制御部14は、超音波振動子1122(図5)を駆動するための駆動部141(図5)を内蔵しており、超音波振動子1122による超音波の発振を制御する。制御部14は、例えば、CPU(Central Processing Unit)、RAM(Random Access Memory)等を含むマイクロコンピュータや、専用ハードウェア回路により実現することができる。
【0025】
次に、図3は、分析セル111の構成例を示すYZ平面の側面図である。図4は、分析セル111の構成例を示すXZ平面の側面図である。
【0026】
分析セル111は、対向する2枚の壁面から成る3組の壁面対、すなわち、XY平面に平行な2枚の対向する壁面から成る壁面対1111、XZ平面に平行な2枚の対向する壁面から成る壁面対1112、及びYZ平面に平行な2枚の対向する壁面から成る壁面対1113によって構成された直方体である。
【0027】
壁面対1111は、本発明の第3の壁面対に相当する。壁面対1112は、本発明の第1の壁面対に相当する。壁面対1113は、本発明の第2の壁面対に相当する。
【0028】
壁面対1111を成す上側の壁面11111には、分析セル111に対して液体試料1110を供給するための配管21に繋がれた供給ポート1141が設けられている。また、壁面対1111を成す下側の壁面11112には、分析セル111から液体試料1110を排出するための配管22に繋がれた排出ポート1142が設けられている。
【0029】
壁面対1112を成す2枚の対向する壁面は、光学的に透明な材料(例えば、石英ガラス、アクリル等)から成り、光源部12から照射される光を透過する。
【0030】
壁面対1113は、ホルダ112の超音波振動子1122(図5)と接する側の壁面11131と、液体試料1110を伝搬してきた超音波を反射する壁面11132から成る。壁面11131と壁面11132とには音響インピーダンスが異なる材料が採用され、壁面11131には、壁面11132の材料よりも音響インピーダンスが小さい材料が採用される。例えば、壁面11131には石英ガラスやアクリルが採用され、壁面11132にはステンレス等の金属が採用される。壁面11131の厚さは、超音波の波長λの1/2の整数倍であることが望ましい。これにより、壁面11131を超音波が伝搬し易くすることができる。
【0031】
壁面対1113を成す一方の壁面11131の外側(ホルダ112の超音波振動子1122(図5)に密着する側)には、ゲル状物質1115が設けられている。ゲル状物質1115は、例えば塗布によって壁面11131の外側に設けることができる。ゲル状物質1115には、水と同等であって、空気と比較した場合、壁面11131の音響インピーダンスに近い音響インピーダンスを有し、変形し易い材質を採用する。なお、ゲル状物質1115の厚さは、超音波の波長λに比較して十分に薄いことが望ましい。
【0032】
壁面11131と超音波振動子1122との間にゲル状物質1115を設けることにより、壁面11131と超音波振動子1122との間に生じ得る微小な隙間(空気の層)をゲル状物質1115によって埋めることができ、壁面11131と超音波振動子1122とを実質的に密着させることができる。また、ゲル状物質1115と壁面11131との境界における音響インピーダンスの差を小さくすることができる。よって、超音波振動子1122が発振した超音波を、壁面11131を介して液体試料1110に伝搬させ易くすることができる。
【0033】
なお、壁面11131の外側に設けたゲル状物質1115を省略してもよい。その場合、上述したように、壁面11131と超音波振動子1122との間に微小な隙間(空気の層)が生じ得て、空気の層と壁面11131との境界における音響インピーダンスの差が、ゲル状物質1115と壁面11131との境界に比較して大きくなるため、超音波振動子1122が発振した超音波が伝搬し難くなる。これを防ぐためには、超音波振動子1122により大きな駆動電力を供給して超音波振動子1122をより大きく発振させる必要がある。
【0034】
換言すれば、壁面11131と超音波振動子1122との間にゲル状物質1115を設けたことにより、超音波振動子1122を大きく発振させる必要が無くなるので、超音波振動子1122の省電力化を実現できる。
【0035】
次に、図5は、ホルダ112の構成例を示すXZ平面の断面図を示している。図6は、ホルダ112の構成例を示すXZ平面の側面図を示している。
【0036】
ホルダ112は、その筒状の筐体1121を構成するYZ平面に平行な2枚の壁面の内側の一方に超音波振動子1122が設けられ、他方に密着用端子1123が設けられている。
【0037】
筐体1121は、光を透過しない材料から成る。筐体1121は、XY平面に平行な面が開口されており、分析セル111が挿入可能とされている。ホルダ112の筐体1121を成すXZ平面に平行な壁面対それぞれには、照射穴1125が形成されている。なお、照射穴1125の位置については、図8を参照して後述する。ホルダ112の筐体1121を、光を透過しない材料から形成することにより、ホルダ112に挿入した分析セル111に対して照射穴1125以外から光が入射することを抑止でできる。なお、照射穴1125を形成する代わりに、照射穴1125の位置にだけ光を透過する材料を採用するようにしてもよい。さらには、分析セル111が挿入された状態の分析ユニットの全体を遮光された箱に収めるようにしてもよい。その場合、筐体1121の全体を光を透過する材料で形成してもよい。
【0038】
超音波振動子1122は、ゲル状物質1115を介して分析セル111の壁面11131と密着される。超音波振動子1122は、制御部14に内蔵された駆動部141からの駆動信号Eに基づいて超音波を発振する。発振された超音波は、ゲル状物質1115及び壁面11131を介して液体試料に伝搬される。密着用端子1123は、分析セル111の壁面11132と密着され、分析セル111を超音波振動子1122に押し付ける機能を有する。密着用端子1123は、例えば、ゴムやバネ等の弾性体、またはネジ等によって実現できる。
【0039】
<液体試料を光分析する際の問題点>
次に、液体試料を分析する際の問題点について、図7を参照して説明する。図7(A)は、液体試料が懸濁していない場合を示し、図7(B)は、液体試料が懸濁している場合を示している。
【0040】
同図(A)に示されるように、分析セル111に透明な液体試料が収容されている場合、光源部12から照射された光は、液体試料を透過する際、液体試料に含まれる成分によってその一部が吸収された後、受光部13に受光される。
【0041】
液体試料に含まれる成分によって吸収される光は、該成分によってその量と波長が異なるため、受光部13によって受光された光を分析することにより、液体試料に含まれる成分を特定することができる。また、吸収される光の量は、液体試料に含まれる成分の量に依存するため、分析セル111の中を進む光の距離(光路長)を固定することで、成分を定量分析することができる。従って、液体試料が透明である場合、光が直進することにより光路長が一定となり、正確に成分を定量分析することができる。
【0042】
一方、同図(B)に示されるように、分析セル111に懸濁している液体試料が収容されている場合、光源部12から照射された光は、液体試料中の懸濁物質によって反射されて受光部13に到達しない、あるいは、懸濁物質によって多重散乱してしまう。すなわち、分析セル111の中を進む光の光路長が一定にならない。このため、液体試料に含まれる成分を定量分析することができない、あるいは、正確に定量分析することができない。
【0043】
そこで、本発明を適用した光学分析装置10では、液体試料中に超音波の定在波を発生させることにより、懸濁物質を凝集させ、液体試料中の懸濁物質が少ない領域に対して光源部12から光を透過させるようになされている。これにより、懸濁物質による光の反射や多重散乱を抑止でき、分析セル111の中を進む光の光路長を略一定にできるので、液体試料に含まれる成分を定量分析することができる。
【0044】
<液体試料に含まれる懸濁物質を凝集させる原理>
次に、図8は、液体試料に含まれる懸濁物質を凝集させる原理を説明するための図である。同図(A)は、超音波振動子1122から超音波が発振されていない状態を示し、同図(B)は、超音波振動子1122から超音波が発振されている状態を示している。同図(C)は、超音波の発振によって液体試料中の懸濁物質が凝集している状態を示している。
【0045】
はじめに、分析セル111の壁面対1113を成す一方の壁面11131の外側にゲル状物質1115を設けたことの効果と、壁面対1113を成す壁面11131の音響インピーダンスが壁面11132の音響インピーダンスよりも小さいことの効果について説明する。
【0046】
一般的に、音響インピーダンスの値が異なる物質を接触させた境界を音波が透過する場合、その境界で音波が反射されてしまい、音波は境界を透過し難くなる傾向がある。この傾向は、接触する物質それぞれの音響インピーダンスの差が大きいほど顕著となる。
【0047】
仮に、分析セル111の壁面11131にゲル状物質1115が設けられていない場合、超音波振動子1122と壁面11131とが極薄い空気の層を介して接触することになる。空気の音響インピーダンスは約400Ns/mであるのに対し、固体である壁面11131は、5桁以上の大きい音響インピーダンスを有する。そのため、超音波振動子1122と壁面11131との間に空気の層が介在する場合、音響インピーダンスが大きく異なる境界が存在するため、超音波振動子1122から発振された超音波が、空気の層と壁面1131の境界で殆ど反射されてしまい、分析セル111の中にまで伝搬しないことになる。
【0048】
しかしながら、本実施の形態では、壁面11131にはゲル状物質1115が設けられている。そして、ゲル状物質1115には、水と同程度の音響インピーダンス(1.50×10 Ns/m)を有するものを採用するので、その値は、空気の音響インピーダンスよりも、固体である壁面11131の音響インピーダンスに近くなる。
【0049】
したがって、同図(A)に示されるように、超音波振動子1122と壁面11131との間にゲル状物質1115を設けた場合、超音波振動子1122からの超音波は、ゲル状物質1115と壁面1131との境界で反射し難くなり、該境界を透過して壁面11131に伝搬される。よって、効率的に分析セル111の中の液体試料1110にまで超音波を伝搬させることができる。また、変形し易いゲル状物質1115を介して接触させるので、超音波振動子1122と壁面11131とを密着させ易くすることができる。
【0050】
分析セル111に収容された液体試料1110に伝搬した超音波は、X軸+方向に進み、壁面11132で反射されてX軸−方向に進む反射波となる。そして、X軸+方向に進む進行波とX軸−方向に進む反射波とが干渉して、液体試料1110の中に定在波を発生させ、この定在波内の音圧差によって透明領域が形成される。
【0051】
そのため、壁面11131は超音波を透過し易く、壁面11132は超音波を反射し易い材質によって構成することで、上述した音圧差を大きくして、懸濁物質をより凝集し易くし、透明領域の懸濁物質数をより少なくすることができる。
【0052】
つまり、壁面11131は、ゲル状物質1115と同程度の音響インピーダンスを有する材料から形成し、壁面11132は、液体試料1110との音響インピーダンスの差が大きい材料から形成することで、透明領域に含まれる懸濁物質数をより少なくすることができる。
【0053】
なお、液体試料1110は、一般的には多くの水を含んでいるため、その音響インピーダンスは水と同程度である。壁面11132の音響インピーダンスが、液体試料1110と同程度である場合、壁面11132に到達した超音波は、壁面11132で反射されずに透過し易くなってしまう。このため、壁面11132の音響インピーダンスは、液体試料1110の音響インピーダンスよりも大きい必要がある。そして、壁面11132の音響インピーダンスを大きくすればするほど、液体試料1110の音響インピーダンスとの差が大きくなり、壁面11132にて超音波を反射し易くすることができる。
【0054】
同図(B)は、液体試料1110の中に発生した超音波の定在波の一例を示している。
【0055】
該定在波Wにより、液体試料1110の中には、発振された超音波の固有の周波数に応じた音場が形成される。具体的には、音圧が高い領域である節201と、音圧が低い領域である腹202とが周期的に現れる音場が形成される。節201及び腹202は、X方向に間隔を空けて、YZ平面に平行な面状に形成される。
【0056】
定在波Wが形成されたことにより、その節201と腹202の間隔に比べて十分小さい懸濁物質は、その物性値(質量等)に応じて節201又は腹202に向かう力(音響放射力)を受けて、節201又は腹202の位置に凝集する。
【0057】
同図(C)は、懸濁物質が節201とその周囲に凝集した例を示している。懸濁物質が凝集した結果、分析セル111内には、懸濁物質が多い凝集領域211と、懸濁物質が少ない透明領域212とが周期的に出現する。なお、透明領域212には、懸濁物質が含まれていなくてもよい。
【0058】
ホルダ112の筐体1121に設けられる一対の照射穴1125は、超音波の発振によって透明領域212が現れる位置に対応付けて形成されている。これにより、光源部12から照射した光は、筐体1121に設けられた一方の照射穴1125から分析セル111に入射し、液体試料1110の透明領域212を透過するので、懸濁物質による反射や散乱が抑制され、他方の照射穴1125を通って受光部13に到達することができる。これにより、懸濁している液体試料1110であっても、そこに含まれる成分を正確に定量的に分析することが可能となる。なお、照射穴1125の領域の一部分には、凝集領域211が含まれていてもよい。
【0059】
<光学分析装置10による分光分析処理>
次に、図9は、光学分析装置10による分光分析処理の一例を説明するフローチャートである。
【0060】
該分光分析処理は、ユーザからの所定の操作に応じて開始される。
【0061】
はじめに、ユーザによる所定の操作によって、液体試料1110を分析セル111に収容する(ステップS1)。次に、ユーザが、分析セル111をホルダ112に挿入し、分析セル111の壁面対1113のうちの一方の壁面11131を、ゲル状物質1115を介して超音波振動子1122に密着させ、他方の壁面11132を密着用端子1123に密着させる(ステップS2)。
【0062】
次に、超音波振動子1122が、制御部14に内蔵された駆動部141からの駆動信号Eに基づいて超音波を発振する。これにより、分析セル111の中の液体試料1110に超音波が伝搬して定在波Wが生じ、その節201(又は腹202)に懸濁物質が凝集する(ステップS3)。
【0063】
次に、光源部12が、制御部14からの制御に従い、ホルダ112に形成された照射穴1125を介し、分析セル111に所定波長の光を照射し、受光部13が、液体試料1110の透明領域212を透過した光を受光し、その強度を示す受光信号を制御部14に出力する(ステップS4)。
【0064】
次に、制御部14が、受光部13からの受光信号に基づいて液体試料1110に含まれる成分を分光分析する(ステップS5)。以上で、光学分析装置10による分光分析処理は終了される。
【0065】
以上に説明した分光分析処理によれば、超音波の伝搬によって液体試料1110の中に超音波の定在波を生じさせて懸濁物質を凝集させることにより透明領域212を生じさせることができる。そして、制御部14は、透明領域212を透過した光に対応する受光信号に基づいて分光分析を行うので、液体試料1110に含まれる成分を定量的に分析することが可能となる。
【0066】
<超音波の伝搬シミュレーションについて>
次に、本発明者が行った超音波の伝搬シミュレーションについて説明する。
【0067】
図10は、伝搬シミュレーションに用いた解析モデルを示している。該解析モデルは、超音波振動子1122と、ゲル状物質1115と、壁面11131と、液体試料1110とを模したものである。
【0068】
一般に、超音波振動子は、振動部が金属基板に接着されて構成されている。そこで、該解析モデルでは、超音波振動子1122は、振動部11221と、厚さ2.85mmであってステンレス(SUS)製の金属基板11222とが接着された構成を仮定した。
【0069】
該解析モデルにおけるゲル状物質1115は、厚さを0.1mmと仮定し、その音響インピーダンスに水の音響インピーダンスと同じ値を採用した。なお、以下の説明では、ゲル状物質1115が設けられず、厚さ0.1mmの空気の層が存在する場合の伝搬シミュレーションについても言及している。
【0070】
該解析モデルにおける壁面11131は、厚さを2mmとし、材質を石英ガラスまたはアクリルと仮定した。
【0071】
図11は、該解析モデルの構成要素に対して仮定した材質(空気、水、石英、ステンレス、アクリル)の密度、音速、波長、及び音響インピーダンスを示している。
【0072】
伝搬シミュレーションでは、超音波振動子1122の共振周波数を2MHzとし、超音波振動子1122の振動部11221が発した超音波が、金属基板11222、ゲル状物質1115、及び壁面11131を介して液体試料1110に到達する際のそれぞれの物質内の圧力分布を解析した。なお、液体試料1110のその音響インピーダンスには、水の音響インピーダンスと同じ値を採用した。
【0073】
図12は、上段が解析モデルを示し、下段が伝搬シミュレーションの結果を示している。
【0074】
同図(A)は、解析モデルの壁面11131が石英ガラスから成り、ゲル状物質1115が省略され、その代わり空気の層が存在する場合を示している。同図(B)は、解析モデルの壁面11131が石英ガラスから成り、ゲル状物質1115の音響インピーダンスが水と同じ場合を示している。同図(C)は、解析モデルの壁面11131がアクリルから成り、ゲル状物質1115の音響インピーダンスが水と同じ場合を示している。
【0075】
伝搬シミュレーションでは、各解析モデルにおいて、壁面11131の内側の受信面(すなわち、液体試料1110)のXY断面の平均圧力を比較し、振動部11221からの超音波が受信面まで到達するか否かを判定した。
【0076】
同図(A)の場合、受信面のXY断面の平均圧力は、SUSから成る金属基板11222のXY断面の平均圧力の約1/100となった。これは空気の層と石英ガラスとの境界で超音波が反射してしまい、振動部11221からの超音波が壁面11131や液体試料1110までほとんど到達していないことを示唆している。
【0077】
一方、同図(B)の場合、受信面のXY断面の平均圧力は、SUSから成る金属基板11222のXY断面の平均圧力の約1/4となり、同図(A)の場合よりも大きくなった。これは、振動部11221からの超音波が、ゲル状物質1115と石英ガラスとの境界で同図(A)の場合ほど反射されずに伝搬され、壁面11131や液体試料1110まで到達しているためである。
【0078】
また、同図(C)の場合、受信面のXY断面の平均圧力は、SUSから成る金属基板11222のXY断面の平均圧力の約2/3となり、同図(B)の場合よりも大きくなった。アクリルの音響インピーダンス(3.22×10 Ns/m)の方が、石英ガラスの音響インピーダンス(1.53×10 Ns/m)よりも水の音響インピーダンス(1.50×10 Ns/m)に近いため、アクリルの方が石英ガラスよりも水に超音波を伝搬し易くなった(換言すれば、該アクリルと水との境界で超音波を反射し難くなった)ためである。
【0079】
これらの解析結果は、ゲル状物質1115を介して超音波発振子1122と壁面11131とを密着させることで、分析セル111内に効率的に超音波を伝搬させることができるようになることを示唆している。
【0080】
また、同図(A)に示された伝搬シミュレーションの結果は、音響インピーダンスの違いによって超音波が効率的に反射されることを示唆しており、この結果より、液体試料1110の音響インピーダンスと、壁面11132の音響インピーダンスが大きく異なることで、分析セル111内を伝搬した超音波が壁面11132にて効率的に反射されることが推測できる。
【0081】
<光学分析装置10を適用した光学分析システムの第1の構成例>
次に、図13は、光学分析装置10を適用した光学分析システムの第1の構成例を示している。
【0082】
該光学分析システム60は、光学分析装置10と撹拌槽61と備える。ただし、同図においては、光学分析装置10の構成要素のうち、分析ユニット11、光源部12、及び受光部13のみを図示しており、制御部14等の図示を省略している。
【0083】
撹拌槽61は、回転軸を回転させるモータ62と、当該回転軸周りに設けられた複数の撹拌翼63とを備える。また、撹拌槽61には、配管21の一端に接続される流出口64と、配管22の一端に接続される流入口65とが設けられている。
【0084】
一端が流出口64に接続された配管21は、その他端が分析セル111の供給ポート1141に接続されている。配管22は、その他端が分析セル111の排出ポート1142に接続されている。
【0085】
したがって、光学分析システム60は、撹拌槽61と分析セル111を配管21,22で接続して、液体試料1110を循環させることができる。
【0086】
光学分析システム60は、液体試料を攪拌したり、液体試料に他の物質を混合したりする、例えば化学薬品等の製造プロセスに用いることができる。
【0087】
<光学分析装置10を適用した光学分析システムの第2の構成例>
次に、図14は、光学分析装置10を適用した光学分析システムの第2の構成例を示している。
【0088】
該光学分析システム80は、光学分析装置10と撹拌槽61と備える。ただし、同図においては、光学分析装置10の構成要素のうち、分析ユニット11、光源部12、受光部13、配管21,22を図示しており、その他の構成要素(制御部14等)の図示を省略している。
【0089】
また、光学分析システム80の構成要素のうち、図13に示された光学分析システム60と共通する構成要素については同一の符号を付して、その説明を適宜省略する。
【0090】
撹拌槽61は、回転軸を回転させるモータ62と、当該回転軸周りに設けられた複数の撹拌翼63とを備える。また、撹拌槽61には、配管21の一端に接続される流出口64が設けられている。
【0091】
一端が流出口64に接続された配管21は、その他端が分析セル111の供給ポート1141に接続されている。分析セル111の排出ポート1142の後段には配管81を介して回収システム82が設けられている。
【0092】
したがって、光学分析システム80は、液体試料1110を撹拌槽61に循環させず、光分析後の液体試料1110を回収システム82にて回収するようになされている。
【0093】
光学分析システム80は、例えば、分析セル111にて超音波や光の照射により液体試料1110が変質するあるいは変質するおそれがある場合に、撹拌槽61内の液体試料1110が変質することを防止できる。
【0094】
<光学分析装置10の変形例>
次に、上述した光学分析装置10の変形例について説明する。図15は、光学分析装置10の変形例を示している。図16は、該変形例における分析ユニット11の構成例を示す上面図である。図17は、該変形例における分析セル111の構成例を示すXZ平面の断面図である。なお、図15図17において、図1の光学分析装置10と共通する構成要素には同一の符号を付しているので、その説明は適宜省略する。
【0095】
該変形例は、図15及び図16に示されるように、図1に示された光学分析装置10から配管21,22を省略した構成を有する。
【0096】
また、該変形例における分析セル111は、図17に示されるように、分析セル111としての直方体を成す3組の対向する壁面対のうち、すなわち、XY平面に平行な壁面対1111を成す上側の壁面11111は、液体試料を直接供給できるように開口されている。また、壁面対1111の下側の壁面11112からは、液体試料を排出するための排出ポートが省略されている。
【0097】
したがって、該変形例は、分析に必要な量だけ液体試料をサンプリングすれば済む。
【0098】
本明細書に記載された効果はあくまで例示であって限定されるものではなく、他の効果があってもよい。
【0099】
本発明は、上記した実施形態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、上記した各実施形態は、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、本発明が、必ずしも説明した全ての構成要素を備えるものに限定されるものではない。また、ある実施形態の構成の一部を、他の実施形態の構成に置き換えることが可能であり、ある実施形態の構成に、他の実施形態の構成を加えることも可能である。また、各実施形態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。
【0100】
本発明は、分析セル、及び分析ユニットだけでなく、光学分析装置や光学分析システム等の様々な態様で提供することができる。
【符号の説明】
【0101】
10・・・光学分析装置、11・・・分析ユニット、12・・・光源部、13・・・受光部、14・・・制御部、21・・・配管、22・・・配管、60・・・光学分析システム、61・・・撹拌槽、62・・・モータ、63・・・撹拌翼、64・・・流出口、65・・・流入口、80・・・光学分析システム、81・・・配管、82・・・回収システム、111・・・分析セル、112・・・ホルダ、141・・・駆動部、201・・・節、202・・・腹、211・・・凝集領域、212・・・透明領域、1110・・・液体試料、1111・・・壁面対、1112・・・壁面対、1113・・・壁面対、1115・・・ゲル状物質、1121・・・筐体、1122・・・超音波振動子、1123・・・密着用端子、1125・・・開口部、1131・・・壁面、1141・・・供給ポート、1142・・・排出ポート、11111・・・壁面、11112・・・壁面、11131・・・壁面、11132・・・壁面、11221・・・振動部、11222・・・金属基板
図1
図2
図3
図4
図5
図6
図7
図8
図9
図10
図11
図12
図13
図14
図15
図16
図17