特開 2024-173135 分光測定装置およびその調整方法

(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】P2024173135

(43)【公開日】2024-12-12

(54)【発明の名称】分光測定装置およびその調整方法

(51)【国際特許分類】

   G01N 21/47 20060101AFI20241205BHJP

   G01N 21/3577 20140101ALI20241205BHJP

【ＦＩ】

G01N21/47 Z

G01N21/3577

【審査請求】未請求

【請求項の数】8

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2023091350

(22)【出願日】2023-06-02

(71)【出願人】

【識別番号】501387839

【氏名又は名称】株式会社日立ハイテク

(74)【代理人】

【識別番号】110000350

【氏名又は名称】ポレール弁理士法人

(72)【発明者】

【氏名】山川 市朗

(72)【発明者】

【氏名】加賀 祐介

(72)【発明者】

【氏名】野島 彰紘

(72)【発明者】

【氏名】堀込 純

(72)【発明者】

【氏名】丸山 魁

【テーマコード（参考）】

2G059

【Ｆターム（参考）】

2G059AA05

2G059BB06

2G059EE01

2G059EE02

2G059EE11

2G059GG01

2G059GG02

2G059GG09

2G059JJ01

2G059JJ17

2G059LL01

(57)【要約】

【課題】
医薬品、食品、化学分野などで扱われる懸濁液体について、配管内から取り出すことなく分光測定する装置において、様々な形状、材質の配管に取り付けた場合でも精度良く測定可能な装置および測定条件調整方法を提供する。
【解決手段】
窓材が設けられた配管内を流れる液体の光学スペクトルを測定する測定装置であって、光照射部と受光部とを有する測定プローブと，測定プローブを移動させる移動機構を有し、測定プローブの移動方向は、プローブの向きを変える回転角および、配管の軸方向とは異なる方向を含む。注目波長での測定値のＳ／Ｎ比および強度の両方もしくはいずれかを用いて測定プローブの位置を調整する。
【選択図】図１Ａ

【特許請求の範囲】

【請求項1】

懸濁液体を光学的に確認できる窓部を有する配管に取り付けて用いる分光測定装置であって、
前記窓部を介して前記配管中の懸濁液体に光を照射する光照射部と、
前記光照射部からの光が前記懸濁液体に照射されることにより該懸濁液体から放射された光を受光するための光受光部と、
を備えた分光装置であって、
前記光照射部から前記窓部に照射する光の角度、照射位置の少なくともいずれかを変えることのできる可変機構を備えたことを特徴とする分光測定装置。

【請求項2】

請求項１記載の分光測定装置において、
前記光照射部と前記光受光部の配置は固定であり、前記可変機構は該光照射部と該光受光部の両方をその位置関係を保ったまま、変える機構であることを特徴とする分光測定装置。

【請求項3】

請求項１記載の分光測定装置において、
前記光照射部と前記光受光部はそれぞれその一部を光ファイバにより構成し、該光ファイバを束ねたプローブを構成していることを特徴とする分光測定装置。

【請求項4】

請求項１記載の分光測定装置において、
前記可変機構は、前記光照射部から前記窓部に照射する光の照射位置を前記配管の軸方向とは異なる方向に可変する機構であることを特徴とする分光測定装置。

【請求項5】

請求項１～４のいずれかに記載の分光測定装置の調整方法であって、
前記可変機構により前記光照射部から前記窓部に照射する光の角度、照射位置の少なくともいずれかを変えて測定値を取得し、
前記測定値に基づき最も好適な光の角度、照射位置を求めることを特徴とする分光測定装置の調整方法。

【請求項6】

請求項５記載の分光測定装置の調整方法において、
更に、前記光照射部から照射する光の波長を変えて最適な測定条件を求めることを特徴とする分光測定装置の調整方法。

【請求項7】

請求項５記載の分光測定装置の調整方法において、
前記測定値は、
前記光受光部で測定する光エネルギ、光子数、出力値、反射率、吸光度、の少なくともいずれか、
であることを特徴とする分光測定装置の調整方法。

【請求項8】

請求項７に記載の分光測定装置の調整方法において、
前記光エネルギ、光子数、出力値、反射率、吸光度、の少なくともいずれかに基づいて最適な測定条件を求めることを特徴とする分光測定装置の調整方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、懸濁液体および乳濁液体中の成分を分光学的に測定するための分光測定装置およびその調整方法に係り、特に高精度な分光測定を行うのに好適な分光測定装置およびその光学系調整方法に関する。

【0002】

なお、懸濁液体は、一般的に固体粒子が液体中に分散した液体を指す。一方で乳濁液体は、一般的には乳化作用などにより生じた液体粒子が液体中に分散した液体を指す。本明細書では、用語として、特に懸濁液体と乳濁液体を区別せずに懸濁液体と呼ぶこととする。

【背景技術】

【0003】

分光的に液体中の成分を測定する手法は、測定対象に対して、非侵襲、サンプリングレスで測定可能なことから、測定対象を変質させることなく、また、連続的な測定が可能になるため、医薬品、食品、化学分野での適用ニーズがある。

【0004】

さらに、これらの分野において、例えば医薬品では、細胞培養により得られる懸濁液体を測定するニーズや、食品分野における醸造製品、乳製品など懸濁液体を測定するニーズなどが高まっている。

【0005】

液体中の成分を分光学的に測定するための方法として、例えば、特許文献１に記載されているように、光を液体中に導入し、その透過光を分光測定する方法が知られている。この方法では、特定の波長の光の吸収量に基づき液体中の成分濃度を算出する。

【0006】

液体が透明な場合は、上記方法で透過光の分光測定を用いることができる。一方で、液体中に成分が懸濁している場合、懸濁成分で光が散乱されるため、透過光強度が弱くなり、透過光の測定が困難になったり、液体中の成分濃度の算出が困難な場合がある。

【0007】

特許文献１では、懸濁液体で散乱した光を、入射光と同じ側の向きで測定する、拡散反射光測定により、上記問題を解決している。

【0008】

また、測定部分（測定プローブ）を液体に浸漬しないで測定する方法が特許文献２に開示されている。この方法では、プローブを測定対象の液体が入った容器の透明窓材部分に取り付けることにより、容器内の液体の拡散反射光を測定することが可能である。この方法では、液体中にプローブを浸漬しないため、プローブへの懸濁液体の付着による測定への影響がない。

【0009】

さらに、特許文献２では、プローブの窓材と光ファイバの軸に角度をつけることにより、窓材で反射した照射光が再びプローブで測定されることを防止している。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0010】

【特許文献1】特開２０００－９６３８号公報

【特許文献2】特開平９－８９６５７号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0011】

特許文献１記載の方法では、懸濁液体に対して、拡散反射光を測定することが可能である一方で、測定対象の液体中に測定部分を浸漬しており、測定部分が入り組んだ構造をしているため、測定部分に懸濁液体が付着し、汚染することにより、測定が困難になる懸念があった。

【0012】

また、特許文献２記載の方法について発明者らが、詳細に検討したところ、高精度な分光測定を行うためには、窓材表面で反射した照射光の影響以外にも、窓材と液体が接触する側の表面での反射光や、窓材中を透過する際の距離に応じて生じる窓材による光吸収も考慮する必要があることが判明した。

【0013】

窓材と液体が接触する側の表面の反射率は、窓材の材料と液体の屈折率の差に起因する。また、光が窓材中を通過する際の光吸収は窓材の厚さや曲率などの構造や、光を入射、受光する角度により変化する。

【0014】

一方で、様々な分野での製造ラインには、様々な形状、材質の配管が使われている。これらの様々な形状、材質の配管に対して、事前にプローブ構造を設計し、製造すると、期間、コストがかかってしまう懸念があった。

【0015】

さらに、懸濁液体は、液体中の粒子のサイズにより、光散乱の方向分布が異なり、同一形状、同一材質の配管を用いた場合でも、懸濁液体の種類が変化した場合には、好適な光学系条件が変わってしまい、プローブ構造の変更が必要となってしまう。

【0016】

本発明の目的は、様々な形状、材質の配管が使われている様々な分野での製造ラインに対しても適用可能な分光測定装置、および光学系調整方法を提供することにある。
また、懸濁液体中の懸濁物の粒子のサイズ、懸濁液体の種類が変化した場合であっても適用可能な分光測定装置、および光学調整方法を提供することにある。

【課題を解決するための手段】

【0017】

上記課題を解決するための本発明の構成は以下の通りである。

【0018】

懸濁液体を光学的に確認できる窓部を有する配管に取り付けて用いる分光測定装置であって、前記窓部を介して前記配管中の懸濁液体に光を照射する光照射部と、光照射部から光が前記懸濁液体に照射されることにより該懸濁液体から放射された光を受光するための光受光部と、を備えた分光測定装置であって、前記光照射部から前記窓部に照射する光の角度、照射位置の少なくともいずれかを変えることのできる可変機構を備えた分光測定装置。また、当該分光測定装置の調整方法。

【発明の効果】

【0019】

本発明によれば、様々な形状、材質の配管が使われている様々な分野での製造ラインに対しても適用可能な分光測定装置、および光学系調整方法を提供することができる。

【0020】

また、懸濁液体中の懸濁物の粒子のサイズ、懸濁液体の種類が変化した場合であっても適用可能な分光測定装置、および光学調整方法を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【0021】

【図1A】本発明の実施例に係る分光測定装置の配管の長手方向に垂直に切った断面図

【図1B】本発明の実施例に係る分光測定装置の配管の長手方向に沿った方向で見た図

【図2】分光測定装置を用いて光学系調整を行った際に測定された一結果を示す図

【図3】分光測定装置を用いて光学系調整を行った際に測定された一結果を示す図

【図4】分光測定装置を用いて光学系調整を行った際に測定された一結果を示す図

【図5】分光測定装置を用いて光学系調整を行った際に測定された一結果を示す図

【図6】光学系調整の一例を示すフローチャート

【図7】光学系調整の一例を示すフローチャート

【図8A】検量線による定量方法を示す概念図（従来技術での測定結果）

【図8B】検量線による定量方法を示す概念図（本発明技術での測定結果）

【発明を実施するための形態】

【0022】

以下、図面等を用いて、本発明の実施形態について説明する。以下の説明は本発明の内容の具体例を示すものであり、本発明がこれらの説明に限定されるものではなく、本明細書に開示される技術的思想の範囲内において当業者による様々な変更および修正が可能である。また、本発明を説明するための全図において、同一の機能を有するものは、同一の符号を付け、その繰り返しの説明は省略する場合がある。

【実施例0023】

図１Ａ、図１Ｂは、分光測定装置の一例について、窓材を有する配管に取り付けた状態を示す概念図である。図１Ａは配管の長手方向に垂直な方向に切った断面図、図１Ｂは長手方向に沿って見た図面である。以下、図１Ａ、図１Ｂを纏めて図１と表現する。

【0024】

図１において、分光測定装置は、分光装置１００と、プローブ治具１２０と、測定プローブ１４１と、照射用光ファイバ１４２と、受光用光ファイバ１４３と、を含み、配管１６０に取り付けられている。

【0025】

分光装置１００は、ダブルビーム型分光光度計であり、光源１０２、分光器１０３、検出器１０４を含み、照射用光ファイバ１４２と、受光用光ファイバ１４３が接続されている。

【0026】

光源１０２から放出された光は、分光器１０３により単色化され、照射用光ファイバ１４２に導入される。照射用光ファイバ１４２からの光は、窓材１６１を介して配管内の懸濁液体１６２に照射され、懸濁液体１６２からの拡散反射光の一部が再び窓材１６１を介して受光用ファイバ１４３に入射する。受光用ファイバ１４３に入射する光は、懸濁液体１６２からの拡散反射光の他に、照射用光ファイバ１４２からの光が窓材の表面で反射もしくは散乱した光も含まれる。ここでの窓材の表面での反射、散乱は、外側表側（測定プローブが接近する側）および内側表面（懸濁液体が接する側）の両方で生じる。

【0027】

また、照射用光ファイバ１４２からの光および受光用ファイバ１４３に入射する光が窓材１６１内を通過する際に、窓材材料による光吸収により減弱する。

【0028】

受光用光ファイバ１４３に入射した光は、測定光として検出器１０４で検出される。
また、図示されていないが、分光器１０３から出力される光について、照射用光ファイバ１４２および受光用光ファイバ１４３を介さずに検出器１０４に入射する、いわゆる参照光を検出するための光路を有する。

【0029】

光源１０２は、連続スペクトルを有する白色光源であることが好ましい。白熱電球、ハロゲンランプ、キセノンランプ、白色発光ダイオード、波長可変レーザー等を用いることができるが、これ以外でも複数波長の光を発光できる光源であればどのようなものでも良い。

【0030】

分光器１０３は、回折格子を用いた分光器であることが好ましいが、プリズムを用いた分光器、光学フィルターを用いた分光器でも良い。

【0031】

検出器１０４は光電子増倍管もしくはＰｂＳやＣｄＳなどの光導電素子であることが好ましいが、フォトダイオード、ＰＩＮダイオード、パイロメータなどの光検出器でも良い。

【0032】

分光装置１００は、測定値として、検出器１０４で測定された光エネルギや、前述の測定光と参照光について測定された光エネルギの比率である反射率、反射率の逆数の常用対数値である吸光度を出力することができる。

【0033】

照射用光ファイバ１４２と受光用光ファイバ１４３は、分光装置１００の他端側に付けられた測定プローブ１４１で束ねられている。

【0034】

プローブ治具１２０は、直線移動機構１２１と、回転移動機構１２２と、固定部１２３を含み、回転移動機構１２２に測定プローブ１４１が固定され、固定部１２３により配管１６０に固定されている。

【0035】

直線移動機構１２１は、直動ステージを用いることができる。

【0036】

直線移動機構１２１は、移動方向が、配管１６０の軸方向１６３に概ね直交する向きとなるように設置されるのが好ましい。

【0037】

回転移動機構１２２は、回転ステージを用いることができる。

【0038】

回転移動機構１２２の回転軸の方向は、直動ステージの移動方向に概ね一致するのが好ましい。

【0039】

直線移動機構１２１および、回転移動機構１２２のガイド構造として、例えば、アリ溝方式、ボールガイド方式、クロスローラガイド方式を適宜用いることができる。

【0040】

また、直線移動機構１２１および、回転移動機構１２２の移動方式として、手動方式、回転モータやリニアモータを用いた電動方式を適宜用いることができる。

【0041】

プローブ治具１２０および、固定部１２３の材料は、例えば、金属、樹脂材料を適宜用いることができる。

【0042】

ただし、懸濁液体１６２が高温である場合は、配管１６０を通して熱が伝わり、樹脂材料が変形することがあるので、金属が好ましく、ステンレスもしくは鉄もしくはアルミが最も好ましい。

【0043】

配管１６０は、円筒形の窓材１６１と、フランジ１６４と固定ロッド１６５とを含み、内部に懸濁液体１６２が流れている。

【0044】

窓材１６１は両側のフランジ１６４に挟まれている。両側のフランジ１６４が４本の固定用ロッド１６５で固定されることにより、窓材１６１は配管１６０に固定されている。

【0045】

窓材１６１の材質は、光透過性を有する材料であれば、例えば、ガラス、石英、サファイアなどの他、透明な樹脂材料を適宜用いることができる。

【0046】

窓材１６１以外の配管１６０の材料（フランジ１６４，固定ロッド１６５を含む）は、例えば、金属、樹脂材料を適宜用いることができる。

【0047】

ただし、懸濁液体１６２が高温であったり、高圧状態で流れる場合は、高温により樹脂材料が変形することがあるので、窓材１６１の材料としては、ガラスや強化ガラスが好ましい。また、同様の理由で、窓材１６１以外の配管１６０の材料（フランジ１６４，固定ロッド１６５を含む）は、ステンレスもしくは鉄などの金属が好ましい。

【0048】

分光装置１００から照射用光ファイバ１４２に導入された単色化光は、測定プローブ１４１を通して窓材１６１に照射される。その光の一部は、窓材１６１の外側表面から屈折光して進入し、さらにその一部が窓材１６１の内側表面より懸濁液体１６２の内部に屈折光して進入する。

【0049】

懸濁液体１６２内部に侵入した光の一部は、懸濁液体１６２内部の粒子、分子などで散乱することにより進行方向が変わり、一部は窓材１６１の内側表面より再び窓材１６１に屈折光として侵入し、さらに窓材１６１の外側表面から大気に屈折光として侵入し、その一部が測定プローブ１４１で束ねられている受光用光ファイバ１４３に入射する。受光用光ファイバ１４３に入射した光は、分光装置１００の光検出器でその強度が検出される。

【0050】

受光用光ファイバ１４３に入射する光は、懸濁液体１６２の内部を進行する際に内部の分子や粒子による光吸収を受ける。そのため、受光用光ファイバ１４３に入射した光を分光装置１００で測定することにより懸濁液体１６２の成分による光吸収の影響を調べることができる。

【0051】

上記構成によると、測定プローブ１４１は、回転移動機構１２２を介して、直線移動機構１２１ともつながっており、さらに、直線移動機構１２１は、プローブ治具１２０本体および固定部１２３を介して配管１６０につながっている。そのため、直線移動機構１２１を用いて、窓材１６１に対する測定プローブ１４１の位置を変えることができる。また、回転移動機構１２２を用いて、窓材１６１に対する測定プローブ１４１の角度を変えることができる。

【0052】

窓材１６１に対する測定プローブ１４１の位置を調整することが可能なため、照射光が窓材１６１の外側表面および内側表面で反射、散乱した光の検出を抑制しつつ、窓材材料の光吸収による光の減弱も抑制する測定条件に調整することにより、高精度に分光測定することが可能になる。

【0053】

上記実施例１では、分光装置１００としてダブルビーム型の波長分散型分光光度計を用いた場合について説明しているが、その方式は上記に限定されるものでなく、例えば、シングルビーム型の波長分散型分光光度計でも良いし、フーリエ変換型分光光度計でも良い。

【0054】

これらの分光光度計により得られる測定値は、上記の光エネルギ、反射率、吸光度の他に、光エネルギ、光子数、検出器の出力電圧や出力電流でも良い。

【0055】

また、分光装置１００は、分光光度計に限定されるものではなく、例えば、蛍光分光光度計を用いても良い。この場合は、測定値として例えば、蛍光強度を用いることができる。

【0056】

また、ラマン分光装置を用いても良く、その場合は、ラマン散乱強度を測定値として用いることができる。

【0057】

また、上記実施例では、プローブ治具１２０に含まれる移動機構として、直線移動機構１２１と、回転移動機構１２２とを説明したが、この２つ以外の移動機構を有していても良い。

【実施例0058】

以下、本発明の光学系調整方法の一例について説明する。
本実施例で用いる分光測定装置は、前述の実施例１における分光測定装置であり、配管１６０内を流れる懸濁液体１６２の吸光度を測定する。

【0059】

懸濁液体１６２には、乳化剤を用いて水中に植物油脂を分散させた液体を用いた。

【0060】

本実施例では、反射率の測定により、直線移動機構１２１により調整可能な測定プローブ１４１の位置について、好適な位置に調整する方法について説明する。

【0061】

各工程の実施順序は、図６に示すとおりであり、具体的には以下に記載のとおりとなる。

【0062】

最初の工程（ａ）６０１では、分光装置１００の測定条件を次の通り設定する。

【0063】

波長掃引範囲を１７００ｎｍから１２００ｎｍ、波長掃引速度を１２００ｎｍ／分の条件で５ｎｍ間隔で反射率を測定するように測定する。

【0064】

波長１４６０ｎｍ付近で懸濁液体中の水分による光吸収帯が観測されることと、その波長帯から外れて水分による光吸収の影響がない領域も含めて測定するために、上記の波長掃引範囲を選択した。

【0065】

懸濁液体中の水分以外の成分を定量する場合には、別の波長範囲を選択しても良い。例えば、植物油脂の成分を定量する場合は、波長１２００ｎｍ付近の光吸収帯が測定できるように波長範囲を選択しても良い。

【0066】

次の工程（ｂ）６０２では、光学系状態すなわち測定プローブ１４１の位置を直線移動機構１２１を用いて移動させる。移動位置Ｘを＋３．５ｍｍとする。

【0067】

次の工程（ｃ）６０３では、工程（ａ）６０１で設定した条件で分光装置１００の測定を実施し、波長１７００ｎｍから１２００ｎｍまでの反射率をスペクトルとして測定する。

【0068】

図２の下方に、移動位置Ｘが＋３．５ｍｍでの測定された反射率スペクトルを示す。

【0069】

スペクトル形状は、１４６０ｎｍ付近で配管内を流れる懸濁液体中の水分による吸収に起因して反射率が低下する特徴を有している。

【0070】

次の工程（ｄ）６０４では、工程（ｃ）６０３で得られたスペクトルのうち、波長１２８０ｎｍにおける反射率を評価値の一部として得る。

【0071】

ここで、波長１２８０ｎｍを選択した理由は、配管内の懸濁液体中の水分による吸収が生じる１４６０ｎｍ付近の波長を選択した場合、配管内の懸濁液体中の水分量の変化による影響を受けないようにするためである。ここでは、１２８０ｎｍを選択したが、水分による吸収の影響を受けない波長であれば別の波長でも良い。例えば、１６５０ｎｍを選択しても良い。

【0072】

次に、工程（ａ）６０１から工程（ｃ）６０３を繰り返す。この時、工程（ａ）６０１の測定条件を上記の通り設定し、工程（ｂ）６０２の移動位置Ｘは、繰り返しごとに０．５ｍｍずつ負方向に移動させる。移動位置が－３．５ｍｍになるまで工程（ａ）６０１から工程（ｃ）６０３を繰り返し、移動位置Ｘとそれに対応する反射率の組を評価値として得る。

【0073】

図２に、移動位置Ｘが１．０ｍｍ、０ｍｍの場合に測定された反射スペクトルを示す。

【0074】

移動位置Ｘにより、反射スペクトルが変化する様子が分かる。図２に示したスペクトルにおける評価値すなわち移動位置Ｘと波長１２８０ｎｍにおける反射率の組は、（３．５ｍｍ，１．０９％）、（１．０ｍｍ，３．８２％）、（０ｍｍ，５．７７％）となる。

【0075】

次に、工程（ｅ）６０５では、工程（ａ）６０１から工程（ｃ）６０３を繰り返して得られた評価値から好適値を算出する。図３に、移動位置Ｘに対する波長１２８０ｎｍにおける反射率を示す。移動位置Ｘの変化範囲（－３．５から＋３．５ｍｍまで）において、Ｘが０ｍｍの場合に反射率が極大となっており、この位置が好適値となる。

【0076】

次の工程（ｆ）６０６では、光学系状態すなわち測定プローブ１４１の位置を工程（ｅ）６０５で得られた好適値（Ｘ＝０ｍｍ）に設定する。

【0077】

ここまでの一連の工程により、光学系の状態すなわち測定プローブ１４１のＸ方向の位置を好適な状態に調整することができる。

【0078】

上記実施例２では、工程（ｃ）６０３で測定する測定値は測定光と参照光について測定された光エネルギの比率である反射率を用いているが、相対反射率、すなわち、懸濁液体について測定した測定光の光エネルギを、あらかじめ標準サンプルを用いて測定しておいた測定光の光エネルギで除した値、を用いても良い。

【0079】

上記の光エネルギは、一般に光強度とも呼ばれる。また、測定値として別の値、例えば、光量に応じた値である光子数や、検出器からの出力値例えば電圧値、電流値などでも良い。また、それらの値について、あらかじめ測定された基準となる測定値を用いて算出される値でも良い。

【0080】

また、上記実施例２では、分光装置１００として分光光度計を用いた場合について説明しているが、これに限定されるものではなく、例えば、蛍光分光光度計を用いても良い。

【0081】

この場合は、測定値として例えば、励起光の光エネルギを用いることができる。また、ラマン分光装置を用いても良く、その場合も、励起光の光エネルギを測定値として用いることができる。