技術 分光分析装置および方法

0001

本発明は、例えば、紫外光、可視光、赤外光、Ｘ線、γ線などの電磁波を用いて、被計測物の物性の計測や定性分析、定量分析などを行う分光分析装置および分光分析方法に関する。

0002

従来、破壊検査、非破壊検査を問わず、被計測物を計測する方法として、紫外光、可視光、赤外光、Ｘ線、γ線などの電磁波を用いて、被計測物の液種や濃度などの識別を行う分光分析法が知られている。

0003

この分光分析法では、例えば、特許文献１，２などに開示されているように、被計測物に対して所定波長帯域の近赤外光などの光を照射する投光手段と、被計測物を透過した光を受光する受光手段とを用い、受光手段によって受光した透過光から、被計測物の所定波長における吸光度を算出し、この吸光度と予め計測された被計測物の参照用データとから、被計測物の性質や量などを計測することができる。

0004

特開平６−２１３８０４号公報
特開２００５−１８７８４４号公報

0005

しかしながら、このような従来の分光分析法では、例えば、吸光度の変化が小さかったり、被計測対象の吸光度スペクトルが近似する被計測対象（計測したい物質や性質など）については、区別をすることが困難であり、各々の液種識別や濃度識別などが出来ないという問題があった。

0006

図１２は、従来の分光分析法を用いて、異なる濃度のクエン酸水溶液について分光分析を行った結果を示すグラフであり、図１２（ａ）は、吸光度そのもののグラフ、図１２（ｂ）は、水（０重量％クエン酸水溶液）を基準として、吸光度の差分をとったグラフである。

0007

また、図１３は、従来の分光分析法を用いて、異なる濃度のショ糖水溶液について分光分析を行った結果を示すグラフであり、図１３（ａ）は、吸光度そのもののグラフ、図１３（ｂ）は、水（０重量％ショ糖水溶液）を基準として、吸光度の差分をとったグラフである。
なお、図１２，１３に示すグラフでは、計測用電磁波１６の波長と、各波長における吸光度との関係を示している。

0008

図１２，１３に示すように、低濃度のクエン酸水溶液やショ糖水溶液では吸光度にほぼ差が生じておらず、従来の分光分析法では、低濃度のクエン酸水溶液やショ糖水溶液の濃度計測を行うことは困難となる場合がある。

0009

また、被計測対象が一つであっても、図１２，１３に示すように、クエン酸水溶液とショ糖水溶液の吸光度スペクトルや、その濃度変化が近似しているため、液種の区別をして濃度識別を行うことはできなかった。

0010

さらには、被計測物に濁りがある場合、遠方から被計測物を計測する場合などには充分な感度が得られず、正確な計測を行うことが出来なかった。

0011

本発明では、このような現状に鑑み、従来の分光分析法では吸光度の変化が小さかったり、吸光度スペクトルが近似するような被計測対象であっても液種識別や濃度識別などを行うことが出来るとともに、計測感度を向上させ、正確な計測を行うことが出来る分光分析装置および方法を提供することを目的とする。

0012

また、化学合成方法の一つとして、物質の合成の際に、マイクロ波を照射して合成反応の促進を図るマイクロ波化学合成がある。このマイクロ波化学合成におけるマイクロ波を外部電磁波と捉えることにより、マイクロ波化学合成中の反応率や組成比の検出をすることができる分光分析装置および方法を提供することを目的とする。

0013

本発明は、前述するような従来技術における課題を解決するために発明されたものであって、本発明の分光分析装置は、
被計測物の識別を行うための分光分析装置であって、
前記被計測物に対して計測用電磁波を照射する計測用電磁波照射手段と、
前記被計測物に対して外部刺激を与えるための外部電磁波を照射する外部電磁波照射手段と、
前記被計測物を透過した前記計測用電磁波を検出するための検出手段と、
前記検出手段と接続されるとともに、制御手段と、
を備え、
前記制御手段は、分光分析中の計測時間を計測するための時間計測手段を備えるとともに、
前記被計測物に対して前記外部電磁波を照射した状態において、前記検出手段によって検出された前記被計測物を透過した前記計測用電磁波と、前記時間計測手段によって計測された前記外部電磁波の照射時間とに基づいて、前記被計測物の識別を行うことを特徴とする。

0014

また、本発明の分光分析方法は、
被計測物の識別を行うための分光分析方法であって、
前記被計測物に対して外部電磁波を照射した状態で、計測用電磁波を照射し、
前記被計測物を透過した前記計測用電磁波に基づいて、前記被計測物の識別を行うことを特徴とする。

0015

このように被計測物に対して外部電磁波を照射するとともに、照射直後からの計測用電磁波の時間変化を連続的に計測することで、非定常状態の被計測物について分光分析を行うことができ、従来のように外部電磁波を照射せず、定常状態の被計測物の計測を行った場合とは全く異なる結果を得ることができる。これにより、定常状態では識別不可能であった被計測物であっても計測が可能となる。

0016

また、本発明では、前記計測用電磁波が、紫外光、可視光、赤外光、マイクロ波、ＲＦ波、Ｘ線、γ線のいずれかであることが好ましい。
また、本発明では、前記外部電磁波が、紫外光、可視光、赤外光、マイクロ波ＲＦ波、Ｘ線のいずれか、もしくは、これらの組み合わせであることが好ましく、特に、前記外部電磁波が、２．４５ＧＨｚのマイクロ波であることが好ましい。

0017

また、本発明の分光分析装置は、前記外部電磁波照射手段が、送信アンテナと、電波レンズと、受信アンテナとを含み、
前記外部電磁波は、前記電波レンズを介して前記被計測物に照射されるように構成することができる。

0018

また、本発明の分光分析方法は、前記外部電磁波を、電波レンズを介して前記被計測物に照射することができる。
このように、電波レンズを介して被計測物に対して外部電磁波を照射することによって、

0019

また、本発明の分光分析装置は、前記外部電磁波を導波するための中空導波管を備えることができる。
また、本発明の分光分析方法は、前記外部電磁波を、中空導波管を用いて導波して、前記被計測物に照射することができる。

0020

このように、中空導波管を用いて外部電磁波を導波することによって、効率よく外部電磁波を被計測物に照射することができる。

0021

また、本発明の分光分析装置は、前記計測用電磁波照射手段、前記外部電磁波照射手段、前記検出手段を一体としたプローブを含むプローブ装置を備え、
前記計測用電磁波照射手段、前記外部電磁波照射手段、前記検出手段が、それぞれ導波管を含むように構成することができる。

0022

このように構成することによって、被計測物に対してプローブ装置が有するプローブの先端を接触させることで分光分析を行うことができ、被計測物の大きさや形を問わず、外部電磁波を照射した状態で分光分析を行うことができる。

0023

また、本発明では、前記被計測物として、溶液、懸濁液、果汁、生体液、化学工業液などの液体の識別を行うことができる。
また、本発明では、前記被計測物が、青果物、水産物、生体などの固体の識別を行うこともできる。この場合、前記被計測物における被計測対象を血糖値とすることができる。

0024

本発明によれば、被計測物に対して、計測用電磁波とは別に外部電磁波を照射することで被計測物を非定常状態とし、非定常状態における被計測物の分光分析を行うことにより、従来の分光分析法では吸光度スペクトルが近似するような被計測対象であっても識別が出来るとともに、計測感度を向上させ、正確な計測を行うことが出来る。

0025

図１は、本発明の分光分析装置の構成を説明するための概略構成図である。
図２は、本発明の分光分析装置の別の構成を説明するための概略構成図である。
図３は、本発明の分光分析装置のさらに別の構成を説明するための概略構成図である。
図４は、分光分析装置を用いて、異なる濃度のクエン酸水溶液について分光分析を行った結果を示すグラフである。
図５は、分光分析装置を用いて、異なる濃度のショ糖水溶液について分光分析を行った結果を示すグラフである。
図６は、分光分析装置を用いて、溶質の異なる水溶液について分光分析を行った結果を示すグラフである。
図７は、水の吸光度の温度変化について説明するためのグラフである。
図８は、クエン酸水溶液の吸光度の温度変化について説明するためのグラフである。
図９は、ショ糖水溶液の吸光度の温度変化について説明するためのグラフである。
図１０は、本発明の分光分析装置のさらに別の構成を説明するための概略構成図である。
図１１は、図１０の分光分析装置の変形例を説明するための概略構成図である。
図１２は、従来の分光分析法を用いて、異なる濃度のクエン酸水溶液について分光分析を行った結果を示すグラフである。
図１３は、従来の分光分析法を用いて、異なる濃度のショ糖水溶液について分光分析を行った結果を示すグラフである。

0026

以下、本発明の実施の形態（実施例）を図面に基づいてより詳細に説明する。
図１は、本実施例における分光分析装置の構成を説明するための概略構成図である。
本実施例の分光分析装置１０は、被計測物１２に対して計測用電磁波１６を照射するための計測用電磁波照射手段１４と、被計測物１２に対して外部刺激を与え被計測物１２を非定常状態とするための外部電磁波２０を照射する外部電磁波照射手段１８と、被計測物１２を透過した計測用電磁波１６を検出するための検出手段２２と、を備えている。

0027

計測用電磁波１６としては、例えば、紫外光、可視光、赤外光、マイクロ波（およそ３００ＭＨｚ〜３ＴＨｚの電磁波）、ＲＦ（Radio Frequency）波（およそ３０ｋＨｚ〜３００ＭＨｚの電磁波）、Ｘ線、γ線などの電磁波を用いることができ、計測用電磁波照射手段１４としては、このような計測用電磁波１６を照射可能なものであれば特に限定されるものではない。

0028

また、外部電磁波２０としては、被計測物１２を非定常状態とすることの出来る電磁波であれば特に限定されるものではなく、例えば、紫外光、可視光、赤外光、マイクロ波（およそ３００ＭＨｚ〜３ＴＨｚの電磁波）、ＲＦ（Radio Frequency）波（およそ３０ｋＨｚ〜３００ＭＨｚの電磁波）、Ｘ線などを用いることができ、特に、２．４５ＧＨｚのマイクロ波を用いることが好ましい。また、外部電磁波２０としては、上記電磁波を組み合わせたものであってもよい。なお、外部電磁波照射手段１８としては、このような外部電磁波２０を照射可能なものであれば特に限定されるものではない。

0029

なお、図示しないが、計測用電磁波照射手段１４と被計測物１２との間、被計測物１２と検出手段２２との間、外部電磁波照射手段１８と被計測物１２との間に、それぞれ、計測用電磁波１６や外部電磁波２０を偏波するための偏波手段を設けることもできる。

0030

なお、偏波手段としては、計測用電磁波１６や外部電磁波２０を直線偏波あるいは円偏波とするための手段を用いることができ、直線偏波としては、垂直、水平のいずれかを選択し、組み合わせて計測に使用することができる。

0031

また、それぞれの偏波は、所定の角度を指定して使用することもできる。さらに、円偏波と直線偏波の組み合わせや、円偏波と円偏波の組み合わせで使用することもできる。
なお、直線偏波された電磁波の送受信には、偏光子を用いる場合やホーンアンテナなどの矩形アンテナを用いることができる。

0032

また、検出手段２２は、被計測物１２を透過した計測用電磁波１６を検出し、その強度を計測可能なものであれば特に限定されるものではなく、例えば、ＣＣＤ分光器などを用いることができる。

0033

さらに、外部電磁波照射手段１８および検出手段２２は、制御手段２４と接続されており、制御手段２４は、外部電磁波照射手段１８による外部電磁波２０の制御を行ったり、検出手段２２により検出された計測用電磁波１６に基づいて被計測物１２の識別を行うように構成されている。

0034

また、制御手段２４は、分光分析中の計測時間を計測するための時間計測手段２５を備えており、時間計測手段２５は、外部電磁波２０や計測用電磁波１６の照射時間を計測するように構成されている。なお、時間計測手段２５としては、例えば、制御手段２４に組み込まれたカウンタなどを用いることができる。

0035

また、制御手段２４には、例えば、ディスプレイやプリンタなどの出力手段２６が接続され、例えば、被計測物１２の識別結果など、制御手段２４での演算結果を出力可能に構成することが好ましい。

0036

このように構成された本実施例の分光分析装置１０では、被計測物１２として、例えば、表１に記載するようなものについて、被計測対象の計測を行うことができる。

0037

0038

なお、液体のものについては、後述するように、液体をキュベットセルに入れて計測したり、液体にプローブを挿入して計測したりすることができる。もしくは、液体をパイプ等の流通路に流通させながら計測するようにしてもよく、
一方で、固体のものについては、そのまま被計測物１２とすることで、非破壊・非侵襲で計測が可能である。もちろん、青果物や水産物などは、必要に応じて切断して計測することもできる。

0039

なお、このような被計測物１２を計測する場合には、計測用電磁波として、特に、可視光または赤外光を用いることが好ましく、具体的には、波長５００ｎｍ〜１７００ｎｍの電磁波を用いることが好ましい。

0040

なお、本明細書において、「被計測物の識別」とは、例えば、被計測物の液種識別、被計測物における被計測対象の濃度識別、化学合成における反応率検出、組成比検出などを含んでいる。

0041

また、図１では、被計測物１２に対して外部電磁波２０が自由空間を伝搬して照射するように構成しているが、マイクロ波などの外部電磁波を効率よく被計測物１２に照射するため、図２に示すように、送信アンテナ３４、電波レンズ３６ａ，３６ｂ、受信アンテナ３８を用いるように構成してもよい。このように電波レンズ３６ａを介することによって、被計測物１２に対して集中的に外部電磁波２０を照射することができる。

0042

また、マイクロ波などの外部電磁波２０を効率よく被計測物１２に照射するため、図３に示すように、外部電磁波２０を伝搬するための中空導波管２８を用いるように構成してもよい。

0043

また、溶液や懸濁液など液体の被計測物１２を計測する場合には、キュベットセル３０に封入して、中空導波管２８内部に配置すればよい。
なお、符号２９は、中空導波管２８の終端装置である。

0044

以下、本実施例の分光分析装置１０を用いた被計測物１２の分光分析方法について、図２に基づいて具体的に説明する。
ここでは、計測用電磁波照射手段１４としてハロゲン灯を用い、計測用電磁波１６として可視光〜近赤外光を照射している。また、外部電磁波２０としては２．４５ＧＨｚのマイクロ波を用いている。

0045

まず、被計測物１２に対して、計測用電磁波照射手段１４から計測用電磁波１６を照射するとともに、検出手段２２によって被計測物１２を透過した計測用電磁波１６の強度（光量）を測定する。

0046

このとき、図３に示すように、計測用電磁波照射手段１４から中空導波管２８まで、および、中空導波管２８から検出手段２２までの間に、例えば、光ファイバーなどの導波手段３２を設けることによって、導波手段を介して被計測物１２に対して計測用電磁波１６を照射するようにしてもよい。

0047

そして、計測用電磁波１６の強度測定を継続した状態で、被計測物１２に対して、外部電磁波照射手段１８から外部電磁波２０を所定時間だけ照射する。外部電磁波２０が照射され、非定常状態における被計測物１２を透過した計測用電磁波１６の強度を計測し、制御手段２４において分光分析を行うことにより、被計測物１２の非定常状態における特性に基づき、被計測物１２の識別を行うことができる。

0048

なお、被計測物１２の非定常状態における特性を計測するために要する外部電磁波２０の照射時間は被計測物１２に応じて異なるため、本実施例では、計測用電磁波１６の強度測定を継続した状態で、外部電磁波２０の照射を行っている。すなわち、外部電磁波２０の照射時間と、計測用電磁波１６の強度とに基づいて、被計測物１２の識別を行うことができる。

0049

しかしながら、例えば、被計測物１２の濃度測定など、被計測対象が既知であり、被計測物１２の非定常状態における特性を計測するために要する外部電磁波２０の照射時間が事前に判明している場合には、外部電磁波２０の照射を開始して、所定の照射時間経過後に計測用電磁波１６を照射して、分光分析を行うように構成することもできる。

0050

以下、本実施例の分光分析装置１０を用いて各種被計測物１２の識別を行った結果を示すとともに、従来の分光分析法により識別を行った場合と比較した結果を示す。

0051

図４は、分光分析装置１０を用いて、異なる濃度のクエン酸水溶液について分光分析を行った結果を示すグラフである。このグラフでは、外部電磁波２０の照射時間と、計測用電磁波１６の波長９００ｎｍにおける吸光度との関係を示している。

0052

なお、ここでは、それぞれ０重量％（水）、１重量％、５重量％、１０重量％のクエン酸水溶液について、分光分析装置１０を用いて、分光分析を行った。

0053

図４に示すように、外部電磁波２０（２．４５ＧＨｚのマイクロ波）の照射を開始してからおよそ１．５秒経過以降で、各濃度のクエン酸水溶液の吸光度に差が生じている。これにより、クエン酸の濃度計測を行うことができる。

0054

図５は、分光分析装置１０を用いて、異なる濃度のショ糖水溶液について分光分析を行った結果を示すグラフである。このグラフでは、外部電磁波２０の照射時間と、計測用電磁波１６の波長９００ｎｍにおける吸光度との関係を示している。

0055

なお、ここでは、それぞれ０重量％（水）、１重量％、５重量％、１０重量％のショ糖水溶液について、分光分析装置１０を用いて、分光分析を行った。

0056

図５に示すように、外部電磁波２０（２．４５ＧＨｚのマイクロ波）の照射を開始してからおよそ１．５秒経過以降で、各濃度のショ糖水溶液の吸光度に差が生じている。これにより、ショ糖の濃度計測を行うことができる。

0057

上述するように、従来の分光分析法では、吸光度にほとんど差が生じなかったような低濃度の被計測対象であっても、本発明の分光分析装置１０を用いることによって、吸光度に差を生じさせることができ、被計測物１２の識別を行うことが可能となる。

0058

また、吸光度スペクトルが近似するために、従来の分光分析法では区別することが困難な被計測対象であっても、本発明の分光分析装置１０を用いることによって、吸光度スペクトルに差を生じさせることができ、被計測物１２の識別を行うことが可能となる。

0059

図６は、分光分析装置１０を用いて、溶質の異なる水溶液について分光分析を行った結果を示すグラフである。このグラフでは、外部電磁波２０の照射時間と、計測用電磁波１６の波長９００ｎｍにおける吸光度との関係を示している。

0060

なお、ここでは、水、１０重量％ショ糖水溶液、１０重量％クエン酸水溶液、１０重量％塩化ナトリウム水溶液について、分光分析装置１０を用いて、それぞれ分光分析を行った。

0061

図６に示すように、溶質の種類によって、吸光度の時間変化が大きく異なっている。このことから、本実施例の分光分析装置１０を用い、計測用電磁波１６の強度測定を継続した状態で、外部電磁波２０を所定時間だけ照射することにより、被計測物１２の液種識別を行うことができる。

0062

一般的に、水溶液に対してマイクロ波を照射することにより、水溶液の温度が上昇し、吸光度にも変化が生じることが知られている。図４〜図６に示す分光分析において、各水溶液は下記表２に示す温度変化が生じた。

0063

0064

しかしながら、表２及び図４〜６からも明らかなように、水溶液の温度変化と、各水溶液の吸光度の変化とには、特に関連性はない。

0065

図７〜９は、吸光度の温度変化について説明するためのグラフである。図７は水、図８はクエン酸水溶液、図９はショ糖水溶液について、２０℃の際の吸光度を基準として、３０℃及び４０℃まで液温を上昇した際の吸光度の変化量を示している。

0066

図７〜９に示すように、クエン酸水溶液及びショ糖水溶液の吸光度の温度変化は、水の吸光度の温度変化とほとんど変わっていない。すなわち、外部電磁波２０としてマイクロ波を照射したことによる図４〜６に示すような吸光度の変化は、マイクロ波を照射したことによる液温の上昇に伴う吸光度の変化とは直接的な関係はない。

0067

特に、本実施例では、計測用電磁波１６として波長９００ｎｍの近赤外光を用いているが、図７〜９に示すように、波長９００ｎｍ付近では、温度上昇による吸光度の変化はほとんど生じておらず、このことからも、マイクロ波を照射したことによる液温の上昇に伴う吸光度の変化とは直接的な関係はないと言える。

0068

すなわち、本発明の分光分析装置１０を用いることによって、外部電磁波２０を照射しながら分光分析を行うことによって、非定常状態の被計測物についての特性に基づき、被計測物の識別を行うことができる。

0069

なお、中空導波管内に被計測物１２を載置した状態で計測を行う場合、中空導波管内における外部電磁波２０の疎密分布により、被計測物１２を載置した場所によって得られる結果が変わってきてしまうため、被計測物１２を載置する場所は一定の位置とすることが望まれる。

0070

図１０は、別の実施例における分光分析装置の構成を説明するための図であり、図１０（ａ）は、全体の構成を説明するための概略構成図、図１０（ｂ）は、プローブの先端部の構成を説明するための概略構成図である。

0071

この実施例の分光分析装置１０は、図１に示した分光分析装置１０と基本的には同様な構成であり、同一の構成部材には、同一の符号を伏して、その詳細な説明を省略する。

0072

この実施例の分光分析装置１０は、図１０（ａ）、（ｂ）に示すように、それぞれ導波管を含む計測用電磁波照射手段１４と、外部電磁波照射手段１８と、検出手段２２とを一体としたプローブ１１ａを含むプローブ装置１１を備えている。

0073

なお、プローブ１１ａの導波管としては、計測用電磁波１６、外部電磁波２０の波長に応じて適宜選択することができ、例えば、可視光や赤外線であれば光ファイバーなどを用いることができ、また、マイクロ波であれば同軸ケーブルなどを用いることができる。

0074

また、外部電磁波２０を被計測物１２内部に伝搬させるため、外部電磁波照射手段１８は、外部電磁波照射部１８ａと外部電磁波吸収部１８ｂを備えており、図１０（ｂ）に示すように、被計測物１２内部に外部電磁波２０を伝搬させている。

0075

なお、計測用電磁波１６は、図１０（ｂ）に示すように、外部電磁波２０の伝搬経路と交差するように、計測用電磁波照射手段１８から検出手段２２へ照射することが好ましい。

0076

また、プローブ装置１１は、計測用電磁波１６や外部電磁波２０を発生させる電磁波発生装置１１ｂを備えており、この電磁波発生装置１１ｂで発生させた計測用電磁波１６や外部電磁波２０を、プローブ１１ａを介して照射するように構成されている。

0077

このように計測用電磁波照射手段１４、外部電磁波照射手段１８、検出手段２２を一体としたプローブ１１ａを含むプローブ装置１１を備えた分光分析装置１０とすれば、被計測物１２に対してプローブ１１の先端を接触させることで分光分析を行うことができ、例えば、中空導波管内に載置することができないような大きさの被計測物１２であっても外部電磁波を照射した状態で分光分析を行うことが可能となる。

0078

なお、被計測物１２が、例えば、スイカやメロンなどの青果物、ヒトの指などの生体などのように、表面が湾曲している場合には、図１１に示すように、プローブ１１ａの先端部をその曲面に一致させるように構成することもできる。

0079

以上、本発明の好ましい実施例を説明したが、本発明はこれに限定されることはなく、上記実施例では、被計測物として水溶液を用いて説明したが、ヒトの指などを被計測物として血糖値の計測などにも応用することができる。

0080

また、上記実施例では、被計測物の吸光度に基づく識別の例を用いて説明しているが、例えば、透過光量、反射光量、透過率、反射率などの特性値に基づく識別としてもよく、さらには、複数の波長に対する特性値を計測し、それらの差分や２次微分などに基づく識別としてもよいなど、本発明の目的を逸脱しない範囲で種々の変更が可能である。

0081

１０分光分析装置
１１プローブ装置
１１ａプローブ
１１ｂ電磁波発生装置
１２被計測物
１４計測用電磁波照射手段
１６ 計測用電磁波
１８ 外部電磁波照射手段
１８ａ 外部電磁波照射部
１８ｂ 外部電磁波吸収部
２０ 外部電磁波
２２ 検出手段
２４ 制御手段
２６ 出力手段
２８中空導波管
２９終端装置
３０キュベットセル
３２導波手段
３４送信アンテナ
３６ａ電波レンズ
３６ｂ 電波レンズ
３８ 受信アンテナ