屈折率示差を測定するための向上された示差屈折計および測定方法
【課題】光検出器アレイを組込む、向上された示差屈折計を開示する。
【解決手段】複数素子のフォトアレイを用いることにより、従来達成できなかった測定感度と平行する測定範囲とを組合わせた示差屈折率の測定の基礎を提供する。達成可能な広いダイナミックレンジ内において、検出器構成は、範囲内の屈折に関わりなく等しい感度を与える。透過光ビームは、アレイにおいて光度の空間的変動をもたらすよう調整され、それにより、その位置ずれの測定精度が向上する。したがって、報告される示差屈折率、および、示差屈折率増分ｄｎ／ｄｃの計算において、精度が向上する結果となる。事例のフローセル構成に検出器アレイを組込むことで極めて感度の良好な検出器をもたらし、従来の示差屈折計よりもはるかに少ない試料量ですむ結果となる。
【解決手段】複数素子のフォトアレイを用いることにより、従来達成できなかった測定感度と平行する測定範囲とを組合わせた示差屈折率の測定の基礎を提供する。達成可能な広いダイナミックレンジ内において、検出器構成は、範囲内の屈折に関わりなく等しい感度を与える。透過光ビームは、アレイにおいて光度の空間的変動をもたらすよう調整され、それにより、その位置ずれの測定精度が向上する。したがって、報告される示差屈折率、および、示差屈折率増分ｄｎ／ｄｃの計算において、精度が向上する結果となる。事例のフローセル構成に検出器アレイを組込むことで極めて感度の良好な検出器をもたらし、従来の示差屈折計よりもはるかに少ない試料量ですむ結果となる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、屈折率示差を測定するための向上された示差屈折計および測定方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
試料と基準材料との屈折率の差は、示差屈折率、ｄＲＩと呼ばれ、かなり重要な物理的パラメータである。溶媒プラス溶質からなる試料溶液と、純粋な溶媒からなる基準溶液とのｄＲＩは、関係式Δｃ≒Δｎ／（ｄｎ／ｄｃ）から溶質濃度を決定するのに使用されるが、ここで濃度の変化Δｃは測定された溶質屈折率の変化Δｎに直接比例する。比例定数は示差屈折率増分ｄｎ／ｄｃの逆数である。ｄＲＩを測定するための典型的な計器は「ウォークオフ」タイプの示差屈折計である。この計器は、液体または気体のいずれかを格納できる２つの流体チャンバおよび、チャンバ同士を隔てる傾斜した透過性インターフェイスを有する、透過性の材料でできたセルを含む。図１に示すように、光のビーム１はセル内に入り、試料チャンバ２を通過し、２つのチャンバを隔てるインターフェイス３を通り、基準チャンバ４を通過して、最後にセルから出る。図示されたセルについては、２つのチャンバ内の流体が同一の屈折率を有する場合、透過した光のビーム５はセルを出た後、入射ビーム１と平行な経路で伝搬する。２つの流体が異なる屈折率を有する場合、透過した光のビーム６は入射ビームに対し、ある角度θの経路で伝搬する。入射光ビームと透過した光のビームとの間の角度θは、一次的に、２つの液体間の屈折率の差に比例する。光ビームの角屈折（angular deflection）は、十分に確立されたさまざまな手法によって測定でき、これに従いｄＲＩを測定し、報告できる。
【０００３】
測定される示差屈折率増分ｄｎ／ｄｃは、一般に、照らす光ビームの波長の関数である。この量は、このような試料のモル質量およびサイズを測定するのに用いられる光散乱測定のための試料濃度の計算に重要な役割を果たす。このような光散乱測定に用いるための屈折計ビームの波長は、光散乱光度計に用いる場合と同じように選択される。単色のビームのためには、示差屈折計の光源として、発光ダイオード、レーザ、または、狭帯域通過フィルタと組合された白色光源でさえ選択され得る。ある範囲のｄｎ／ｄｃ値を平均化する白色光源を用いる示差屈折計もある。
【０００４】
図１に示すように、入射ビームは一般に、入口表面の法線である試料チャンバのインターフェイスにぶつかるが、入射ビームはインターフェイスに対しある角度で配向される。たとえばこの態様で、最終的に透過したビームをミラーで反射し、フローセルチャンバに戻して、ビームが同じ面から出るようにすることが可能となる。このようなミラー手段でセルの感度が２倍高くなる。出力ビームは入射ビームと平行またはコリニアではなく、より容易に検出できる。
【０００５】
従来、試料チャンバと基準チャンバと間の透過性インターフェイスの角度は入射ビームの方向に対してほぼ４５°のオーダであるが、この角度が大きくなるほど、試料流体の屈折率と基準流体の屈折率との差のために、透過ビームの角屈折が大きくなる。図示したジオメトリでは、この角度を大きくするとより大きな体積の試料流体チャンバを要し、小さくすると、試料流体と基準流体との屈折率差のために、角屈折が低下する。
【０００６】
多くの用途において、試料の準備に膨大な時間と資源の投入が必要であり、測定に要する試料の量を低減することは直接に利益をもたらす。試料準備に関する手間の低減に加えて、測定に要する試料の量が減じられると測定の質が向上する。液体クロマトグラフィシステムは、測定に要する試料の体積が減じられると測定の質が向上する、１つの例である
。液体クロマトグラフィシステムでは、潜在的に多くの種（species）からなる材料が溶媒に溶けこんでおり、続いて、流体の流れに注入される。流体の流れは、ある媒体または装置を横断させられるが、媒体または装置は、その中でサイズ、化学親和力、熱的特性または電気的特性などいくつかの物理的パラメータに基づいて種を選択的に遅らせ、それにより種を互いに分離する。したがって、異なる種は異なる時間に媒体または装置を出る。伝統的命名法に従って、この媒体または装置をここではカラムと呼ぶが、装置の物理的形状および機能はカラムとはかなり異なり得る。カラムを通過する流体は典型的には口径の小さいチューブに出て行くので、いつの時点においてもチューブの長手に沿って、異なる種が異なる位置に存在する。示差屈折計などの測定装置が、流体がそのチューブから測定装置を通って流れるように設置されると、材料の構成種が個別に測定される。材料の構成種の測定はクロマトグラフィシステムの本質的な目的である。液体の有限体積は常に測定に必要なので、チューブの、ある体積以内の種は必然的にいつの時点でも、信号に寄与する。したがって測定計器は常に、測定体積に対応するチューブの長手に沿って存在する種の平均値を測定している。このような種の平均化は、カラムによって達成された分離を部分的に損ない、結果的にデータの質を低下させる。測定に要する試料の体積を低減することは種の平均化を最小化することであり、結果的にデータの質を高める。
【０００７】
試料の有限体積を平均化して測定することによるデータの質への悪影響に加え、いくらかの体積の試料が測定システムを横断する間に混ざり合う。多くのクロマトグラフィシステムは、流体の流れに沿って連続して設置される数種の測定計器からなり、各々が試料について、異なる物理的パラメータを測定する。測定装置で流体のいくらかの体積が混ざり合うと、その流体に関する以後の測定はすべて、結果的に測定体積中の複数種の平均化により悪影響を受ける。典型的には、測定に要する体積が大きいほど混ざり合う試料の体積は大きくなり、流体の下流に設置される計器のデータの質に及ぼす悪影響も大きくなる。
【０００８】
液体クロマトグラフィ分野での用途に加えて、多様な型の示差屈折計が多くの異なる分野で用いられている。参照標準と試料との間の屈折率差を正確に測定することにより、このような測定が蔗糖濃度、流体密度、および硫酸、塩化ナトリウム、エタノールなどの無数の産業流体の濃度測定に使用できる。多様な抽出物の量を測定する手段として屈折率差を測定し利用するという概念のもとに、さまざまな計器が設計されてきた。
【特許文献１】米国特許第４，６１６，９２７号「光散乱測定のための試料セル」（１９８６年１０月１４日）
【特許文献２】米国特許第５，５３０，５４０号「極めて小さい体積の光散乱測定セル」（１９９６年６月２５日）
【特許文献３】米国特許第６，４１１，３８３号「第２ビリアル係数測定方法」（２００２年６月２５日）
【特許文献４】米国特許第６，６５１，００９号「噴射方法による、高分子の平均的溶液物性の測定方法」（２００３年１１月１８日）
【非特許文献１】「物理学年鑑」第３３巻１２７５−１２９８頁に発表された、アルバート・アインシュタインの１９１０年の研究報告書「臨界状態付近における均質流体および液体混合体のタンパク光理論」
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
ｄＲＩ測定に要する試料の体積を低減することには明らかに利点がある。しかしウォークオフタイプの示差屈折計においては、試料体積の低減とｄＲＩ測定感度との間にトレードオフが存在する。試料体積の低減に伴うｄＲＩ感度の低下には、少なくとも３つの理由がある。第１の感度低下の理由は、試料の平均化の低減である。たとえ完全に安定したシステムであっても、熱力学の基本原則からして、試料および基準液体についての温度、密度および溶液濃度が、時間とともに局部的に変動することが予想される。このことについ
ては、非特許文献１に詳細に説明されている。現実のシステムは完全に安定していることはあり得ず、一般にこのような変動は、現実のシステムで大きくなる。これらの変動は、光ビームが流体を横断する経路が経時的に変化し、かつ光ビーム６がセルを出る角度θが時間とともに変動する理由となる。ビーム角度の経時的な変動は、ｄＲＩ測定ではノイズとされる。ビームが試料とする流体の体積を増加させると、ビームはこれら局部的変動をよりよく平均化し、影響を全体として減じる。
【００１０】
試料体積の低減がｄＲＩ測定感度の低下を起こす第２の理由は、システムを通る光出力の低減である。図１に示すセル設計では、試料体積が低減されると、光が送られる試料領域が減じられる。システムにおいて同じ光出力を得るには、光度を上げなければならない。典型的には、光ビームの角屈折の測定に使われるシステムの感度は、システムに供給される光出力にある程度比例して上がる。したがって、ビームの角屈折測定において、小さな体積の試料で大きな体積の試料と同じ感度を得るためには、光度を増す必要がある。これらのシステムは、典型的には、実施可能な最も強力な光源を既に使用しているので、試料体積の低減は必然的に、システムを通った光強度の低減、およびそれに対応した光ビームの角屈折が測定される感度の低下を結果として招く。光ビームの角屈折が測定される感度の低下は、ｄＲＩ測定の感度の低下に直接的に対応する。
【００１１】
試料体積の低減がｄＲＩ測定の感度を低下させる第３の理由は、さらに、光ビームが送られる領域の減少である。光ビームが送られる領域が低減されると、回析効果が、後にビームを集束させる際の鮮明さを制限する。ビームが通る領域が小さくなるほど、焦点はさらにぼやける。典型的には、光ビームの角屈折測定に利用されるシステムは、集束したビームの鮮明さが増すにつれて、感度を増す。したがって、光ビームが通る領域を減少させることは、さらに、ｄＲＩ測定感度の低下に対応して、ビームの角屈折測定における感度を低下させる結果になる。
【００１２】
別の検討によれば、試料体積が低減されるとｄＲＩの感度が上がる。検出器がオンラインのクロマトグラフィ検出器として用いられる場合のように、組成の変化する試料がセルを通過すると、セル内の試料は空間的に非均質になる。このため、セルチャンバは、焦点面上の点の形状に影響し得る弱いレンズとして機能する。セル内の試料のｄＲＩを平均化する前述の検討とは異なり、点の鮮明さは、その正確な位置を見つける能力と引き換えに低下する。試料体積が低減されるとこの効果は最小化され、より正確に点の位置を測定することができる。この同じ検討がセル内の熱的非均質物にも適用される。フローセル体積が減少するにつれて、組成と温度との両方の均一性が向上される。
【００１３】
親発明である出願番号１０／７６８，６００号の１つの重要な目的は、必要な試料量を最小化すると同時にｄＲＩ測定感度を上げることである。出願番号１０／７６８，６００号の他の目的は、試料体積を増加させることなく、ビームが通らなければならない透明なアパーチャの口径を広げることによって、回析効果を低減することである。さらに他の目的は、ビームがセルのいずれの側にも近づきすぎることなく、広範囲の計器で応答が得られるようにすることである。
【００１４】
出願番号１０／７６８，６００号の一部継続出願である本発明は、透過出力ビームの角度が測定され得るような検出方法を改善することにより、出願番号１０／７６８，６００号における感度をさらに強化することに関する。したがって、透過ビームの角偏差測定の精密さを向上させることが、ここに説明される新しい発明の検出方法の目的である。流体チャンバを通過した後の光ビームの屈折角の測定は、典型的には、流体を含むチャンバからいくらかの距離にある平面の表面上の光ビーム位置を測定することによって達成される。その平面上のビーム位置の変化は、三角関数によって、光ビームの角屈折の変化と関連し得る。この一部継続出願のさらなる目的は、このような角屈折をより精密に測定するこ
とである。本発明のさらに別の目的は、親発明における特別なセルの流体間の前記示差屈折率の差の測定範囲を、さらに拡張することである。
【００１５】
本発明のさらなる目的は、屈折率示差の各主要な変化に対して透過ビームを位置決めし直す必要をなくすことである。透過ビームがその上を動く、従来の分割フォトダイオード検出器では、一旦ビームが検出器の一部のみを照らすように動くと目盛りがその限界に達し、ビーム位置はリセットされなければならない。ビーム位置は、分割フォトダイオードの両方の構成要素を再度照らすよう、機械的な機構によって位置決めし直される。本発明では、ビームを位置決めし直す必要なしに、極めて広い範囲の示差屈折率に応答することができるので、本発明は、好ましい実現例からかなりの可動部をなくす。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
発明の概要
はるかに広い範囲の屈折率示差の検出を行うためには、伝統的な分割フォトダイオード検出器は、複数の検出素子から構成される光検出器アレイによって置換される。さらに、光検出器アレイに当たる変位したビームの検出の精度をさらに高めるために、ビーム自体が複数のビームによって置換され、それにより、その複数のビームからの１組の信号を与え、その各々が、一般に、光検出器アレイの多数の検出素子の範囲をカバーする。したがって、そこで寄与する各ビームはその位置ずれを示す１組の信号を生成し、複数のビームは複数の位置ずれ信号を生成し、それらすべてが組合され、処理されると、結果的に向上された精度で位置ずれを測定する。この位置ずれの測定から、極めて高い精度の示差屈折率の測定を決定するために、透過ビームの平均角検出が用いられ得る。出力ビームに選択的に発散レンズを挿入することは、ビームの角屈折が測定され得る精度をさらに高める。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
すべてのｄＲＩ検出器の目的は、基準流体と試料流体との屈折率差を測定することである。これは、ウォークオフタイプのｄＲＩ検出器では、セルを横断後セルから出る、光ビームの角屈折を測定することにより達成される。入射ビームに相対する出力ビームの変位は、ビームが試料チャンバ内の領域を照らす領域を減らしつつ、光が十分に基準チャンバに到達して横断することにより、従来のセル構造の感度を制限する一因となる。この変位は主に、試料流体の屈折率とセルを作る透過性材料の屈折率との差に依存し、試料流体と基準流体との屈折率差にも少々依存する。ほとんどの実用の用途においては、特に液体クロマトグラフィ分野に関する用途において、２つの流体間の屈折率差は、流体とセル材料の屈折率差に比して小さい。
【００１８】
図１は、明確にする目的のため、非常に細い光ビームを示す。背景技術の部分で述べた理由により、可能な限り多くの光で満たされたときのセルを図２に示す。ビームは、試料チャンバと基準チャンバとの間の、厚さｔを有するパティション３を通過する際、変位ｄを生ずる。簡単な光学を用いれば、図１にθで示されるビームの角屈折を、図２にｄで示される変位から分離することが可能なので、変位はｄＲＩ測定には必ずしも影響しない。しかしながら変位は、有効に照らされる試料チャンバ内の体積を限定する。試料チャンバ２の縁部近くの光は基準チャンバ４を外れるかもしれず、したがって測定の感度を下げ、測定に寄与しない。基準チャンバを外れるか、またはかすめる光が試料チャンバ２に入れるとすると、光は多様な表面、角、セルの凹凸などで反射し、散乱して、典型的には、光ビームの角屈折を測定するいかなる装置にも、偽の望ましくない信号を送ることになる。この状態を避けるため、図２に示すように典型的にはアパーチャ７がフローセルの前に設けられ、基準チャンバ４を外れ、またはかすめそうな光が試料チャンバ２に入れないよう、確実に防止する。
【００１９】
図１および図２に示した変位の方向は、流体の屈折率がセルを構成する材料の屈折率よ
り小さいとき、適正となる。それが一般的な場合であるが、測定される流体の屈折率がセル材料の屈折率よりも大きい場合がある。たとえば、トルエンなどの流体は屈折率１．５を有し、これは屈折率１．４６の石英ガラスからなる典型的なセル材料よりも大きい。ｄＲＩ検出器は典型的には多様な流体に対して動作するよう設計されるので、アパーチャは十分小さく作られ、所望の範囲の流体屈折率に対して、基準チャンバの壁をかすめる光がないよう配置される。典型的な体積の少ない種類のフローセルでは、光ビームは試料チャンバ２の中央６５％にのみ入るよう制限され、チャンバの残りの部分は実質的に使われないが、それでもなおチャンバは試料流体で満たされる。光ビームの変位と、その変位に関連した上述の悪影響を結果としてもたらすのは、パティション３の厚さである。パティションの厚さが無視できる程度となるにつれて、変位は０に近づき、光がかすめる基準チャンバ４の面に関連する悪影響も０に近づく。さらに、パティションの厚さが減少すると、２つの流体はより良い熱的接触におかれ、熱に誘発されて屈折率が変化する、望ましくない効果を低減する。しかしながら、実際にはパティションの寸法を小さくすることは困難である。さらに、パティションの寸法が減じられると、試料チャンバと基準チャンバとの圧力差のためにチャンバ間のパティションが曲がり、測定にノイズおよび歪みが発生する原因となる。圧力差は、流体が一方または両方のチャンバを流れる場合は特に、試料チャンバと基準チャンバとの間に不可避的に存在する。
【００２０】
親発明の基準チャンバ４は、好ましい実施例を図３に示すが、試料チャンバよりも十分大きく作られる。それにより光ビームは、前記基準チャンバ面の交差点に位置するどの角（隅）にも衝突することなく、また、前記ビームが面９に沿ったいずれかの位置において試料チャンバ２に入り、試料チャンバを横断し、パティション３に向かい、それを通過して前記基準チャンバに入った後、通過してはならないどの側もかすめることもなく、前記基準チャンバを横断することができる。これにより、試料チャンバの全体積が、入射ビームによって照らされる。試料チャンバ体積の照らされる部分が増加するにつれて、測定感度は試料チャンバのサイズを上げることなく向上する。逆に記載の発明を使えば、測定感度を損じることなく試料体積を対称的なフローセルにおける体積よりも小さく作れるが、それは好ましい実施例では、試料チャンバ体積のより大きな部分が照らされるからである。従来のクロマトグラフィ測定では、基準チャンバ４は測定開始時には基準流体で満たされているが、測定の際に一定に保たれる。したがって基準チャンバ４の体積の増加は、測定に要する試料体積に影響しない。
【００２１】
フローセル基準チャンバ４を試料チャンバよりもどの程度大きくしなければならないかは、フローセルの物理的特性、および測定される溶媒の屈折率の範囲に依存する。どの実施例においても、基準チャンバ４は、試料チャンバ２内のどの入射ビームも基準チャンバにうまく到達し横断することができるよう、十分大きく、かつ正しく配置されるよう作られなければならない。図３では本発明の好ましい実施例を示す。この実施例では、基準チャンバ４は試料セルの断面に相似の三角形の断面を有する。面８、９、１２および１３は互いに平行であり、面１０および１１は互いに平行である。試料チャンバと基準チャンバとは、厚みｔのパティションで互いに隔てられ、図示した光ビームはパティションを通過するため距離ｄで平行移動する。ここで、パティション３（表面の延びる方向）は入射ビームの方向（図３の点線で示す方向）に対して実質的に４５°の角度（たとえば４３°以上４７°以下であり、好ましくは４４°以上４６°以下）を有する。試料チャンバの流体は屈折率ｎ1を有し、基準チャンバの流体は屈折率ｎ2を有し、試料チャンバと基準チャンバとの間のパティションは屈折率ｎgを有する。試料流体の屈折率ｎ1および基準流体の屈折率ｎ2の差は、典型的には１ｘ１０-3以下のオーダであり、ｎ1またはｎ2と、ｎgとの間の屈折率の差は０．１のオーダである。下記の微分を簡略化するため、ここでは、ｎ1≒ｎ2≡ｎ1と仮定する。この仮定において変位ｄは下記のようになる。
【００２２】
【数１】
【００２３】
液体がセルの透過性材料より高い屈折率を有する場合、すなわちｍ＞１の場合は、ｄは負でありビームの位置ずれは下向きとなる。
【００２４】
親出願で説明されたように、光が流体を含むチャンバを通過した後に光ビームの屈折角を測定することは、２つの流体間の示差屈折率ｄＲＩの測定を可能にする。本願に示した先の出願である出願番号１０／７２３，５４８号では、２つの流体間のｄＲＩ、または、２つのセルに含まれる同一の流体の絶対屈折率ＡＲＩの測定を可能にするフローセルを説明する。ｄＲＩまたはＡＲＩの測定は、光が流体を含むチャンバを通過した後に光ビームの屈折角を測定することにより達成される。本発明の好ましい実施例において、後者の測定は、表面１２が表面９と平行ではないことを要する。本発明は、屈折角の測定に向けられる。
【００２５】
下記の説明において、図２および図３の２つのチャンバ２および４にそれぞれ含まれる２つの異なる流体間のｄＲＩを求めるために、屈折角が測定されるべきであると仮定する。図３の面１２と面９とは平行である。面１２と面９とが平行でない場合、２つのセルに含まれる同一の流体のＡＲＩも、先に示された出願番号１０／７２３，５４８号の出願で詳細に説明されるように、屈折角の測定から求められ得る。
【００２６】
現在までに、光ビーム位置の測定のためにｄＲＩ計器に採用されてきた主な技術は、並んだ２つの光感知素子（受光素子）から構成される分割フォトダイオードを用いるものであった。分割フォトダイオードを用いる典型的なシステムが図４に示される。示されるシステムでは、光源１７が矩形のアパーチャ１８を照らす。このアパーチャは収束レンズ１９の焦点面に置かれ、レンズは、アパーチャからの光がレンズを通過した後コリメートされるようにする。コリメートされた光は、次に、アパーチャ７によって、流体を含むチャンバを横断するよう制限され、そこで角屈折を受ける。ビームは次に第２の収束レンズ２０を通って送られる。親出願で説明されたように、セルのすぐ後に挿入されるミラー手段がレンズ２０を置換し、溶液を通る経路数を増加させるのに用いられることができる。本明細書では、そこで生じた反射されるビームのさらなる透過については、その使用および実現例が当業者には周知であるので説明されない。矩形のアパーチャ１８の像が第２のレンズ２０の焦点面において形成され、像は、その位置に置かれるいわゆる分割フォトダイオード２１上にある。
【００２７】
分割フォトダイオード２１は２つの独立したフォトダイオードから構成され、その個々の信号は、そこに投影される透過された像の量に比例する。「ゼロ」信号では、矩形のアパーチャの像が、２つのフォトダイオードからの信号が同一となるまで回転が可能であるガラス板２２によって変位される。ｄＲＩの変化のためにビームが角屈折を受けると、次に像の位置が動き、像のより大きい部分が、第２のフォトダイオード素子に比較して第１のフォトダイオード素子に影響し、関連する信号が比例的に変化する。矩形の像および空間的に均一な独立したフォトダイオードでは、２つのダイオードからの信号の差は、一次的に、流体チャンバを出るビームの角屈折に比例する。２つの信号の差に比例する電圧を生成するためにアナログ回路が用いられることができ、そのため、ビーム位置および関連するビーム屈折角が測定され得る。分割フォトダイオードシステムでは、測定され得る最大信号は、フォトダイオードおよび矩形の像の寸法によって限定される。像が第１の検出
器から第２の検出器に完全に移ってしまうと、ビーム位置を測定することはもはや不可能である。図５は、２つのフォトダイオード素子２１に関するビーム強度プロファイルを示す。
【００２８】
本発明では、光ビーム位置の測定ならびに関連するｄＲＩおよびＡＲＩ値のその後の測定のために、二重フォトダイオード構成２１ではなく、フォトダイオードアレイまたは電荷結合素子アレイなどの複数の光検出器２３を用いる。ビームの位置を測定することと、それによる実効的な角偏差は、ビームの外縁に近い僅かな検出器のみに決定的に依存することに注意すべきである。なぜなら、外縁の間にあるダイオードに当たるビームの強度はすべて同じだからである。追加的な光検出器によってビーム位置の測定精度を向上させるためには、広い範囲の個々の光検出素子にわたる、より大きなビーム強度変動が必要である。このような強度の変動は、前記強度の変動が分析的にあてはめられてそれにより前記ビームの位置測定を向上させ得るような、追加的手段を提供する。図７は単純な三角形の強度変動を示し、そこでは光検出素子の広がりが大きく、各素子によって検出される強度の相対的な変動がビーム位置をより正確に規定するために用いられ得る。図４を再び参照すると、アパーチャ１８および７の組合わせが十分に小さくされる場合、結果的なビームプロフィルは回折限界と関連する強度変動を示し、たとえば図８に示されるような強度変動を生じる。ここでも、広い範囲の光検出素子を含むビーム強度変動が、ビーム位置のより正確な測定を可能にする。
【００２９】
ここで図９の配列を検討すると、セルに入射する単一ビームが、アパーチャ１８によって生成される複数のビームによって置換され、アパーチャ１８は、従来の単一アパーチャではなく一連の狭いアパーチャまたはスリット２４を含むよう変更される。図９に示される例では、選択されるアパーチャは３個であった。分割フォトダイオードシステムの場合と同様に、一連の狭いアパーチャは、アパーチャからの光がレンズを通過した後にコリメートされるようにする、収束レンズ１９の焦点面に配置される。コリメートされた光は、次に、アパーチャ７によって、流体を含むチャンバを横断するようさらに制限され、そこで、試料セルの２つのチャンバ内の流体の屈折率示差の結果として起こる角屈折を受ける。出力ビームは、次に、第２の収束レンズ２０を通って送られる。一連の狭いアパーチャの回折限界像は、この第２のレンズの焦点面で光検出器アレイ２３において形成される。図１０は、広い範囲の光検出器におよぶ三重ビームの強度変動を示す。複数の検出器、および、それらの検出器で光ビームの位置または多くの光ビームの平均位置を測定する能力を用いると、測定の範囲を拡張し、および／または測定の感度を上げることが可能である。より多くの検出器をカバーするパターンをもたらすために、追加的なビームが生成され得る。これは、より多くのマスクのアパーチャ２４を用いることにより達成され得、さらに複雑で、かつそのためにより容易に規定される強度変動を生成する。
【００３０】
たとえば、５１２素子のフォトダイオードアレイを用いることを検討する。このユニットによって、測定可能な最大の信号として定義される、システムノイズで除した測定ダイナミックレンジを、従来の分割フォトダイオード計器より係数５０だけ拡大させることが可能である。測定ダイナミックレンジのこのような拡大は、明らかに多くの設定において著しく有益である。広い範囲の検出素子を用いると、図４に示すような回転するガラス板２２の使用をなくすことも可能である。なぜなら、光ビームの小さい変位は、その角方向の測定に関連しないからである。光検出器アレイ上の光ビームの開始位置は、その位置がアレイの中央になくても、単純に「ゼロ」位置と考えられ得る。可動部をなくすことは、いかなる測定システムにもおいて常に望ましい。なぜなら、このような可動部は複雑さを増し、システム故障につながるさらなる道筋を加える傾向があるからである。
【００３１】
複数の光検出器を用いると、たとえば、光検出器アレイ上の平均光ビーム位置を正確に測定するために、光検出器応答を検出器位置の関数としてなんらかの関数形式にあてはめ
るなどの、より高度な数学的手法を用いなければならない。このような関数形式へのあてはめの手法は、光ビーム位置が測定され得る精度を著しく高めることができる。光ビーム位置が測定され得る精度のさらなる向上は、光ビームを特定のプロファイルを備えるように調整することによって得ることができる。たとえば、図７に示されるような鋭いピークのあるプロファイルを有する光ビームは、図５および図６に示されるような、方形アパーチャの像から生じる、典型的な分割フォトダイオードシステムにおいて用いられる方形パルス関数などの頂部が平坦な関数よりも、うまく光ビームの位置測定ができる。頂部が完全に平坦な方形パルス関数である光ビームプロフィルについては、強度しきい値または同様の手段を用いてビーム位置を測定することが一般に可能であるが、単一の光検出素子の幅より小さい分解能においてまで光ビームの位置を知ることに寄与することができるのは、ビームの両外縁の２つの光検出器のみである。
【００３２】
ピークのある関数の理想的な幅は、光検出器応答の測定のノイズに依存する。ノイズレベルが増大するにつれて、より良い平均化を可能にするために、光検出素子の物理的な寸法に対してピークのある関数の理想的な幅が拡大されなければならない。単一のピークのある関数に加えて、測定の感度を高める光ビームプロフィルのための、多数の他の関数形式を導入することが可能である。たとえば、図１０に示されるような複数のピークを有するように光ビームプロフィルが作られる場合、各ピークは平均ビーム位置の測定に寄与する。測定の「ホワイトノイズ」のために、ビーム位置が測定され得る精度が、ピークの個数の二乗根にしたがって増大する。測定の精度を高めるために用いられ得るさらに別の光ビームプロファイルは、正弦波プロファイル、または多くの周期を備える三角波プロファイルである。一般に、隣接した検出器からの信号に大きな変化を与える検出器の個数を最大にすることで、ビーム位置が測定され得る精度が最大になる。正弦波プロファイルのような拡張されたピークのアレイは、平均化が増大することにより測定感度の増大をもたらす一方で、そのためより複雑になり、パターンの動きを追えるほどパターンがゆっくり動かないかぎり、パターンと、複数の一体的な正弦波ピークによって変位したものとを区別することが、一般に不可能になる。ピークの有限アレイを用いて、周期的なアレイの縮退を伴わずに、複数のピークの平均化の改善を達成する。
【００３３】
本発明の方法が、光検出器アレイと、その好ましい実施例の１つにおいては、ビーム位置の測定を向上させるための手段としての複数の前記ビームとを利用することを強調することが重要である。これは、たとえばアッベ絶対屈折計などにおける同様の素子の利用と対照区別的である。近代のアッベ型ＡＲＩ計器はしばしば検出器アレイを組み入れ、検出器アレイは、固定された位置でそれに当たる複数のビームを有する。それらの計器における多数の照らされる素子は、その固定されたビームによる照明の強度を測定するために用いられる。本発明においては複数のビームは動いており、多数の照らされる素子はビーム位置の測定を向上させるために用いられる。
【００３４】
検出器アレイに当たる光ビームプロフィルは、多くの方法で調整され得る。光検出器アレイに当たる光ビームプロフィルが調整され得る１つの手段は、光検出器アレイに投影される複雑な目的物を与えることである。図９の場合、マスク１８における一連の狭いアパーチャ２４が光検出器アレイに投影される目的物であって、図１０に示されるような光のパターンを生じ、平均光ビーム位置が測定され得る精度を高める。光検出器アレイに投影される目的物は単純なアパーチャに限定される必要はなく、部分的に光を妨げたり反射したりする不透明なパターンを有する透明媒質を透過する光、またはそれに反射される光からも構成され得る。たとえば、図９のアパーチャ２４として用いられるために、正弦波インク密度の変動は、透明なプラスチック、またはガラスシート上に印刷され得る。そのアパーチャに入射する光は、光検出器アレイ平面２３に投影される複雑な目的物を生成する。
【００３５】
光ビームプロフィルを調整するさらなる方法は、光検出器アレイ平面から位置ずれした平面に像を生成することである。このような位置がずれた像は、結果的に光検出器アレイ上で焦点の合わない像となり、実効的に光のパターンを滑らかにする。たとえば、目的物が一連の狭いアパーチャから構成され、それらのアパーチャを光検出器アレイ平面のわずかに前または後ろの平面に投影することによって、光検出器平面上のアパーチャの像が、一連のはっきりした、頂部が平坦なピークとして現れる場合、アレイ上の光パターンは、図１０のピークといくらか類似する一連のピークから構成される。
【００３６】
回折効果もまた、光ビームプロファイルを調整するのに用いられ得る。アパーチャ７を通過した後で投影されるいかなる目的物も、前記アパーチャの回折効果のために変更される。像は、対応するアパーチャ関数７を有する実際の目的物のコンボリューションである。たとえば、アパーチャ７が幅ｂの矩形の場合、像は、周知の二乗されたｓｉｎｃ関数を有する、目的物のコンボリューションである（１９７４年、マサチューセッツ洲レディング市アディソン−ウェズリー社発行、ヘクト著「オプティクス」参照）。
【００３７】
【数２】
【００３８】
ここでλは測定に用いられる光の波長であり、φは光ビームの中央位置角からの屈折角である。
【００３９】
一般に、いかなるアパーチャ関数もピークのある関数であって、その幅は、アパーチャ７の幅、像からレンズ２０までの距離、および、用いられる光の波長によって決定される。生成される像が、たとえば図４の分割フォトダイオードシステムの分割フォトダイオード２１上のアパーチャ１８の像のように、アパーチャ関数の幅と比較して大きい場合、回折は、図５に示される強度の像に軽微な相対的な変更を生じる。しかしながら、像が、アパーチャ関数の幅と比較して非常に小さい寸法を有する場合、像はアパーチャ関数によって支配される。たとえば、アパーチャが極めて狭いスリットであるように作られる場合、像は単に図８に示される回折パターンになる。回折効果がない場合、図９の狭いアパーチャ２４のアレイは、完全に頂点が平坦な一連の方形パルス関数として、光検出器アレイ上に投影される。しかしながら、アパーチャ７のサイズが小さい場合、光検出器における像は、頂点の平坦な狭い方形パルス関数を伴う、関数Ｉ（φ）のコンボリューションに対応する、一連のピークのある関数となる。アパーチャ７の寸法、スリット２４の寸法、レンズ２０から像までの距離、および測定に用いられる光の波長を調整することにより、より多い、またはより少ないピークを有する像に変更することが可能である。
【００４０】
分割フォトダイオードシステムと複数の光検出器を使用する本発明とは、両方とも、平面における光ビームの位置を測定し、三角法の関係を用いて、その位置を流体を含むチャンバから出てくる光ビームの角屈折θと関連づける。図４および図９に示されるように、屈折されない光ビームの経路に正確に直角に配向される検出平面の場合、図１１の、入射ビームの方向に対するビーム屈折角θは、検出平面のビームの空間的位置ずれｘ１と、ｘ１＝Ｌｔａｎ（θ）の関係で関連し、ここで、Ｌは投影レンズ２０から検出平面２３までの距離である。所与の角屈折θについては、ビームが動く距離ｘ１は、距離Ｌの増加につれて増加する。所与の角屈折θについての、Ｌの増加に伴うｘ１の増加は、一般に、屈折されない光ビームの経路に対する検出平面の配向に関係なく発生する。所与の、光ビームの位置が測定され得る精度のためには、距離Ｌを増大させることにより、角屈折θの測定
における感度を増加させることができる。θの測定においてより良い精度を得るために、Ｌは、実際に可能な限り大きくされなければならない。しかしながら、寸法Ｌが非常に大きいことに関連する数多くの有害な作用がある。一般に、これらのシステムの光ビームの空間的位置はしばしば、ナノメートルの何分の１かにまで測定されなければならないので、光学システムの熱的および機械的な安定が最も重要である。システムの物理的寸法がより大きくされるにつれて、熱的および機械的安定度は必然的に低下する。しかしながら、追加的な発散レンズを用いて、物理的な長さを増加させることなくシステムの有効光路長を増大することが可能である。
【００４１】
図１１は、セル出口面１３に対してある角度θでフローセルから出て、検出器アレイ２３の平面から距離Ｌに位置する投影レンズ２０に入る、単一ビームを有する標準的な構成を示す。ビームは、ビームの実効的なゼロ位置から距離ｘ１にある検出器アレイに当たり、ここで、ｘ１＝ｃ１ｔａｎ（θ）であり、ｃ１は定数である。図１２に示されるように、コリメートレンズ２０に続く経路に発散レンズ２５を挿入することはソースの虚像を形成し、それにより、距離ｘ２として示される、検出器アレイ２３に沿ったビームの位置ずれを増加させる。ここでｘ２＝ｃ１ｔａｎ（θ）であり、ｃ２＞ｃ１である。このように、角θの測定がより正確になされる。なぜなら、このレンズが、このような寸法Ｌの増加によるいかなる有害な作用をも伴うことなく、より長い経路Ｌによって生じるであろう結果に正確に対応する結果を効果的に生じたからである。
【００４２】
示差屈折率検出器の性能を高め、向上させるための、光検出器アレイの使用に関する説明の多くが、ビームまたは複数のビームがフローセルを一度通過することに重点を置いてなされたが、親出願にて開示されたように、この装置の感度が、ビームを反射してセルを通って戻すミラーを挿入する、周知の手段によって向上されることが強調される。この実現例で、ソースビームは、図３に示される表面８に対してわずかな角でフローセルに入射する。したがって、光検出器アレイは、入射ビームを外すために適切に位置決めされる表面８の入射側に存在する。
【００４３】
本明細書の大部分にわたって示された例は、示差屈折率検出器、ｄＲＩのための本発明の実現例に重点を置いたが、以前の出願は、流体の絶対屈折率をも測定し得る手段を開示した。本発明の好ましい用途は、これら以前の出願にて開示されたような両方の測定を行うことができる構造に、この手段を組み込む。
【００４４】
ここに開示された基本発明の単純な変形例である、示差屈折率測定技術の当業者にとって明らかであるような、多くの本発明の実施例が存在する。
【図面の簡単な説明】
【００４５】
【図１】透過ビームの位置ずれを示す、従来のｄＲＩセル設計の図である。
【図２】ビームが試料チャンバの大部分を満たす、従来のセルを示す図である。
【図３】基準流体チャンバが試料流体チャンバより大きい、本発明の好ましい実施例のセルを示す図である。
【図４】試料セルを通過して分割フォトダイオードに当たるビームを示す図である。
【図５】分割フォトダイオードにおける位置に相対したビーム強度プロファイルを示す図である。
【図６】光検出素子のアレイに当たるビームの強度プロファイルを示す図である。
【図７】光検出器アレイに当たる三角形の強度プロファイルを示す図である。
【図８】光検出器アレイに当たる、回折が変更された強度プロファイルを示す図である。
【図９】試料セルを通過して光検出器アレイに当たる１組のビームのジオメトリを示す図である。
【図１０】図９の光検出器アレイに来る対応する１組のビームから、回折が変更された、一組の強度プロファイルを示す図である。
【図１１】セルから出て、次にアレイに沿って対応する位置ずれｘ１を生成する投影レンズから出る、ビームの角屈折を示す図である。
【図１２】セル、投影レンズ、アレイに沿って対応する位置ずれｘ２を生成する追加された発散レンズから出る、ビームの角屈折を示す図である。
【符号の説明】
【００４６】
２ 試料チャンバ、３ パティション、４ 基準チャンバ、７ アパーチャ、８ 入口表面、１２，１３ 面、１７ 光源、１８ マスク、１９，２０ レンズ素子、２３ 光検出器アレイ。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、屈折率示差を測定するための向上された示差屈折計および測定方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
試料と基準材料との屈折率の差は、示差屈折率、ｄＲＩと呼ばれ、かなり重要な物理的パラメータである。溶媒プラス溶質からなる試料溶液と、純粋な溶媒からなる基準溶液とのｄＲＩは、関係式Δｃ≒Δｎ／（ｄｎ／ｄｃ）から溶質濃度を決定するのに使用されるが、ここで濃度の変化Δｃは測定された溶質屈折率の変化Δｎに直接比例する。比例定数は示差屈折率増分ｄｎ／ｄｃの逆数である。ｄＲＩを測定するための典型的な計器は「ウォークオフ」タイプの示差屈折計である。この計器は、液体または気体のいずれかを格納できる２つの流体チャンバおよび、チャンバ同士を隔てる傾斜した透過性インターフェイスを有する、透過性の材料でできたセルを含む。図１に示すように、光のビーム１はセル内に入り、試料チャンバ２を通過し、２つのチャンバを隔てるインターフェイス３を通り、基準チャンバ４を通過して、最後にセルから出る。図示されたセルについては、２つのチャンバ内の流体が同一の屈折率を有する場合、透過した光のビーム５はセルを出た後、入射ビーム１と平行な経路で伝搬する。２つの流体が異なる屈折率を有する場合、透過した光のビーム６は入射ビームに対し、ある角度θの経路で伝搬する。入射光ビームと透過した光のビームとの間の角度θは、一次的に、２つの液体間の屈折率の差に比例する。光ビームの角屈折（angular deflection）は、十分に確立されたさまざまな手法によって測定でき、これに従いｄＲＩを測定し、報告できる。
【０００３】
測定される示差屈折率増分ｄｎ／ｄｃは、一般に、照らす光ビームの波長の関数である。この量は、このような試料のモル質量およびサイズを測定するのに用いられる光散乱測定のための試料濃度の計算に重要な役割を果たす。このような光散乱測定に用いるための屈折計ビームの波長は、光散乱光度計に用いる場合と同じように選択される。単色のビームのためには、示差屈折計の光源として、発光ダイオード、レーザ、または、狭帯域通過フィルタと組合された白色光源でさえ選択され得る。ある範囲のｄｎ／ｄｃ値を平均化する白色光源を用いる示差屈折計もある。
【０００４】
図１に示すように、入射ビームは一般に、入口表面の法線である試料チャンバのインターフェイスにぶつかるが、入射ビームはインターフェイスに対しある角度で配向される。たとえばこの態様で、最終的に透過したビームをミラーで反射し、フローセルチャンバに戻して、ビームが同じ面から出るようにすることが可能となる。このようなミラー手段でセルの感度が２倍高くなる。出力ビームは入射ビームと平行またはコリニアではなく、より容易に検出できる。
【０００５】
従来、試料チャンバと基準チャンバと間の透過性インターフェイスの角度は入射ビームの方向に対してほぼ４５°のオーダであるが、この角度が大きくなるほど、試料流体の屈折率と基準流体の屈折率との差のために、透過ビームの角屈折が大きくなる。図示したジオメトリでは、この角度を大きくするとより大きな体積の試料流体チャンバを要し、小さくすると、試料流体と基準流体との屈折率差のために、角屈折が低下する。
【０００６】
多くの用途において、試料の準備に膨大な時間と資源の投入が必要であり、測定に要する試料の量を低減することは直接に利益をもたらす。試料準備に関する手間の低減に加えて、測定に要する試料の量が減じられると測定の質が向上する。液体クロマトグラフィシステムは、測定に要する試料の体積が減じられると測定の質が向上する、１つの例である
。液体クロマトグラフィシステムでは、潜在的に多くの種（species）からなる材料が溶媒に溶けこんでおり、続いて、流体の流れに注入される。流体の流れは、ある媒体または装置を横断させられるが、媒体または装置は、その中でサイズ、化学親和力、熱的特性または電気的特性などいくつかの物理的パラメータに基づいて種を選択的に遅らせ、それにより種を互いに分離する。したがって、異なる種は異なる時間に媒体または装置を出る。伝統的命名法に従って、この媒体または装置をここではカラムと呼ぶが、装置の物理的形状および機能はカラムとはかなり異なり得る。カラムを通過する流体は典型的には口径の小さいチューブに出て行くので、いつの時点においてもチューブの長手に沿って、異なる種が異なる位置に存在する。示差屈折計などの測定装置が、流体がそのチューブから測定装置を通って流れるように設置されると、材料の構成種が個別に測定される。材料の構成種の測定はクロマトグラフィシステムの本質的な目的である。液体の有限体積は常に測定に必要なので、チューブの、ある体積以内の種は必然的にいつの時点でも、信号に寄与する。したがって測定計器は常に、測定体積に対応するチューブの長手に沿って存在する種の平均値を測定している。このような種の平均化は、カラムによって達成された分離を部分的に損ない、結果的にデータの質を低下させる。測定に要する試料の体積を低減することは種の平均化を最小化することであり、結果的にデータの質を高める。
【０００７】
試料の有限体積を平均化して測定することによるデータの質への悪影響に加え、いくらかの体積の試料が測定システムを横断する間に混ざり合う。多くのクロマトグラフィシステムは、流体の流れに沿って連続して設置される数種の測定計器からなり、各々が試料について、異なる物理的パラメータを測定する。測定装置で流体のいくらかの体積が混ざり合うと、その流体に関する以後の測定はすべて、結果的に測定体積中の複数種の平均化により悪影響を受ける。典型的には、測定に要する体積が大きいほど混ざり合う試料の体積は大きくなり、流体の下流に設置される計器のデータの質に及ぼす悪影響も大きくなる。
【０００８】
液体クロマトグラフィ分野での用途に加えて、多様な型の示差屈折計が多くの異なる分野で用いられている。参照標準と試料との間の屈折率差を正確に測定することにより、このような測定が蔗糖濃度、流体密度、および硫酸、塩化ナトリウム、エタノールなどの無数の産業流体の濃度測定に使用できる。多様な抽出物の量を測定する手段として屈折率差を測定し利用するという概念のもとに、さまざまな計器が設計されてきた。
【特許文献１】米国特許第４，６１６，９２７号「光散乱測定のための試料セル」（１９８６年１０月１４日）
【特許文献２】米国特許第５，５３０，５４０号「極めて小さい体積の光散乱測定セル」（１９９６年６月２５日）
【特許文献３】米国特許第６，４１１，３８３号「第２ビリアル係数測定方法」（２００２年６月２５日）
【特許文献４】米国特許第６，６５１，００９号「噴射方法による、高分子の平均的溶液物性の測定方法」（２００３年１１月１８日）
【非特許文献１】「物理学年鑑」第３３巻１２７５−１２９８頁に発表された、アルバート・アインシュタインの１９１０年の研究報告書「臨界状態付近における均質流体および液体混合体のタンパク光理論」
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
ｄＲＩ測定に要する試料の体積を低減することには明らかに利点がある。しかしウォークオフタイプの示差屈折計においては、試料体積の低減とｄＲＩ測定感度との間にトレードオフが存在する。試料体積の低減に伴うｄＲＩ感度の低下には、少なくとも３つの理由がある。第１の感度低下の理由は、試料の平均化の低減である。たとえ完全に安定したシステムであっても、熱力学の基本原則からして、試料および基準液体についての温度、密度および溶液濃度が、時間とともに局部的に変動することが予想される。このことについ
ては、非特許文献１に詳細に説明されている。現実のシステムは完全に安定していることはあり得ず、一般にこのような変動は、現実のシステムで大きくなる。これらの変動は、光ビームが流体を横断する経路が経時的に変化し、かつ光ビーム６がセルを出る角度θが時間とともに変動する理由となる。ビーム角度の経時的な変動は、ｄＲＩ測定ではノイズとされる。ビームが試料とする流体の体積を増加させると、ビームはこれら局部的変動をよりよく平均化し、影響を全体として減じる。
【００１０】
試料体積の低減がｄＲＩ測定感度の低下を起こす第２の理由は、システムを通る光出力の低減である。図１に示すセル設計では、試料体積が低減されると、光が送られる試料領域が減じられる。システムにおいて同じ光出力を得るには、光度を上げなければならない。典型的には、光ビームの角屈折の測定に使われるシステムの感度は、システムに供給される光出力にある程度比例して上がる。したがって、ビームの角屈折測定において、小さな体積の試料で大きな体積の試料と同じ感度を得るためには、光度を増す必要がある。これらのシステムは、典型的には、実施可能な最も強力な光源を既に使用しているので、試料体積の低減は必然的に、システムを通った光強度の低減、およびそれに対応した光ビームの角屈折が測定される感度の低下を結果として招く。光ビームの角屈折が測定される感度の低下は、ｄＲＩ測定の感度の低下に直接的に対応する。
【００１１】
試料体積の低減がｄＲＩ測定の感度を低下させる第３の理由は、さらに、光ビームが送られる領域の減少である。光ビームが送られる領域が低減されると、回析効果が、後にビームを集束させる際の鮮明さを制限する。ビームが通る領域が小さくなるほど、焦点はさらにぼやける。典型的には、光ビームの角屈折測定に利用されるシステムは、集束したビームの鮮明さが増すにつれて、感度を増す。したがって、光ビームが通る領域を減少させることは、さらに、ｄＲＩ測定感度の低下に対応して、ビームの角屈折測定における感度を低下させる結果になる。
【００１２】
別の検討によれば、試料体積が低減されるとｄＲＩの感度が上がる。検出器がオンラインのクロマトグラフィ検出器として用いられる場合のように、組成の変化する試料がセルを通過すると、セル内の試料は空間的に非均質になる。このため、セルチャンバは、焦点面上の点の形状に影響し得る弱いレンズとして機能する。セル内の試料のｄＲＩを平均化する前述の検討とは異なり、点の鮮明さは、その正確な位置を見つける能力と引き換えに低下する。試料体積が低減されるとこの効果は最小化され、より正確に点の位置を測定することができる。この同じ検討がセル内の熱的非均質物にも適用される。フローセル体積が減少するにつれて、組成と温度との両方の均一性が向上される。
【００１３】
親発明である出願番号１０／７６８，６００号の１つの重要な目的は、必要な試料量を最小化すると同時にｄＲＩ測定感度を上げることである。出願番号１０／７６８，６００号の他の目的は、試料体積を増加させることなく、ビームが通らなければならない透明なアパーチャの口径を広げることによって、回析効果を低減することである。さらに他の目的は、ビームがセルのいずれの側にも近づきすぎることなく、広範囲の計器で応答が得られるようにすることである。
【００１４】
出願番号１０／７６８，６００号の一部継続出願である本発明は、透過出力ビームの角度が測定され得るような検出方法を改善することにより、出願番号１０／７６８，６００号における感度をさらに強化することに関する。したがって、透過ビームの角偏差測定の精密さを向上させることが、ここに説明される新しい発明の検出方法の目的である。流体チャンバを通過した後の光ビームの屈折角の測定は、典型的には、流体を含むチャンバからいくらかの距離にある平面の表面上の光ビーム位置を測定することによって達成される。その平面上のビーム位置の変化は、三角関数によって、光ビームの角屈折の変化と関連し得る。この一部継続出願のさらなる目的は、このような角屈折をより精密に測定するこ
とである。本発明のさらに別の目的は、親発明における特別なセルの流体間の前記示差屈折率の差の測定範囲を、さらに拡張することである。
【００１５】
本発明のさらなる目的は、屈折率示差の各主要な変化に対して透過ビームを位置決めし直す必要をなくすことである。透過ビームがその上を動く、従来の分割フォトダイオード検出器では、一旦ビームが検出器の一部のみを照らすように動くと目盛りがその限界に達し、ビーム位置はリセットされなければならない。ビーム位置は、分割フォトダイオードの両方の構成要素を再度照らすよう、機械的な機構によって位置決めし直される。本発明では、ビームを位置決めし直す必要なしに、極めて広い範囲の示差屈折率に応答することができるので、本発明は、好ましい実現例からかなりの可動部をなくす。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
発明の概要
はるかに広い範囲の屈折率示差の検出を行うためには、伝統的な分割フォトダイオード検出器は、複数の検出素子から構成される光検出器アレイによって置換される。さらに、光検出器アレイに当たる変位したビームの検出の精度をさらに高めるために、ビーム自体が複数のビームによって置換され、それにより、その複数のビームからの１組の信号を与え、その各々が、一般に、光検出器アレイの多数の検出素子の範囲をカバーする。したがって、そこで寄与する各ビームはその位置ずれを示す１組の信号を生成し、複数のビームは複数の位置ずれ信号を生成し、それらすべてが組合され、処理されると、結果的に向上された精度で位置ずれを測定する。この位置ずれの測定から、極めて高い精度の示差屈折率の測定を決定するために、透過ビームの平均角検出が用いられ得る。出力ビームに選択的に発散レンズを挿入することは、ビームの角屈折が測定され得る精度をさらに高める。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
すべてのｄＲＩ検出器の目的は、基準流体と試料流体との屈折率差を測定することである。これは、ウォークオフタイプのｄＲＩ検出器では、セルを横断後セルから出る、光ビームの角屈折を測定することにより達成される。入射ビームに相対する出力ビームの変位は、ビームが試料チャンバ内の領域を照らす領域を減らしつつ、光が十分に基準チャンバに到達して横断することにより、従来のセル構造の感度を制限する一因となる。この変位は主に、試料流体の屈折率とセルを作る透過性材料の屈折率との差に依存し、試料流体と基準流体との屈折率差にも少々依存する。ほとんどの実用の用途においては、特に液体クロマトグラフィ分野に関する用途において、２つの流体間の屈折率差は、流体とセル材料の屈折率差に比して小さい。
【００１８】
図１は、明確にする目的のため、非常に細い光ビームを示す。背景技術の部分で述べた理由により、可能な限り多くの光で満たされたときのセルを図２に示す。ビームは、試料チャンバと基準チャンバとの間の、厚さｔを有するパティション３を通過する際、変位ｄを生ずる。簡単な光学を用いれば、図１にθで示されるビームの角屈折を、図２にｄで示される変位から分離することが可能なので、変位はｄＲＩ測定には必ずしも影響しない。しかしながら変位は、有効に照らされる試料チャンバ内の体積を限定する。試料チャンバ２の縁部近くの光は基準チャンバ４を外れるかもしれず、したがって測定の感度を下げ、測定に寄与しない。基準チャンバを外れるか、またはかすめる光が試料チャンバ２に入れるとすると、光は多様な表面、角、セルの凹凸などで反射し、散乱して、典型的には、光ビームの角屈折を測定するいかなる装置にも、偽の望ましくない信号を送ることになる。この状態を避けるため、図２に示すように典型的にはアパーチャ７がフローセルの前に設けられ、基準チャンバ４を外れ、またはかすめそうな光が試料チャンバ２に入れないよう、確実に防止する。
【００１９】
図１および図２に示した変位の方向は、流体の屈折率がセルを構成する材料の屈折率よ
り小さいとき、適正となる。それが一般的な場合であるが、測定される流体の屈折率がセル材料の屈折率よりも大きい場合がある。たとえば、トルエンなどの流体は屈折率１．５を有し、これは屈折率１．４６の石英ガラスからなる典型的なセル材料よりも大きい。ｄＲＩ検出器は典型的には多様な流体に対して動作するよう設計されるので、アパーチャは十分小さく作られ、所望の範囲の流体屈折率に対して、基準チャンバの壁をかすめる光がないよう配置される。典型的な体積の少ない種類のフローセルでは、光ビームは試料チャンバ２の中央６５％にのみ入るよう制限され、チャンバの残りの部分は実質的に使われないが、それでもなおチャンバは試料流体で満たされる。光ビームの変位と、その変位に関連した上述の悪影響を結果としてもたらすのは、パティション３の厚さである。パティションの厚さが無視できる程度となるにつれて、変位は０に近づき、光がかすめる基準チャンバ４の面に関連する悪影響も０に近づく。さらに、パティションの厚さが減少すると、２つの流体はより良い熱的接触におかれ、熱に誘発されて屈折率が変化する、望ましくない効果を低減する。しかしながら、実際にはパティションの寸法を小さくすることは困難である。さらに、パティションの寸法が減じられると、試料チャンバと基準チャンバとの圧力差のためにチャンバ間のパティションが曲がり、測定にノイズおよび歪みが発生する原因となる。圧力差は、流体が一方または両方のチャンバを流れる場合は特に、試料チャンバと基準チャンバとの間に不可避的に存在する。
【００２０】
親発明の基準チャンバ４は、好ましい実施例を図３に示すが、試料チャンバよりも十分大きく作られる。それにより光ビームは、前記基準チャンバ面の交差点に位置するどの角（隅）にも衝突することなく、また、前記ビームが面９に沿ったいずれかの位置において試料チャンバ２に入り、試料チャンバを横断し、パティション３に向かい、それを通過して前記基準チャンバに入った後、通過してはならないどの側もかすめることもなく、前記基準チャンバを横断することができる。これにより、試料チャンバの全体積が、入射ビームによって照らされる。試料チャンバ体積の照らされる部分が増加するにつれて、測定感度は試料チャンバのサイズを上げることなく向上する。逆に記載の発明を使えば、測定感度を損じることなく試料体積を対称的なフローセルにおける体積よりも小さく作れるが、それは好ましい実施例では、試料チャンバ体積のより大きな部分が照らされるからである。従来のクロマトグラフィ測定では、基準チャンバ４は測定開始時には基準流体で満たされているが、測定の際に一定に保たれる。したがって基準チャンバ４の体積の増加は、測定に要する試料体積に影響しない。
【００２１】
フローセル基準チャンバ４を試料チャンバよりもどの程度大きくしなければならないかは、フローセルの物理的特性、および測定される溶媒の屈折率の範囲に依存する。どの実施例においても、基準チャンバ４は、試料チャンバ２内のどの入射ビームも基準チャンバにうまく到達し横断することができるよう、十分大きく、かつ正しく配置されるよう作られなければならない。図３では本発明の好ましい実施例を示す。この実施例では、基準チャンバ４は試料セルの断面に相似の三角形の断面を有する。面８、９、１２および１３は互いに平行であり、面１０および１１は互いに平行である。試料チャンバと基準チャンバとは、厚みｔのパティションで互いに隔てられ、図示した光ビームはパティションを通過するため距離ｄで平行移動する。ここで、パティション３（表面の延びる方向）は入射ビームの方向（図３の点線で示す方向）に対して実質的に４５°の角度（たとえば４３°以上４７°以下であり、好ましくは４４°以上４６°以下）を有する。試料チャンバの流体は屈折率ｎ1を有し、基準チャンバの流体は屈折率ｎ2を有し、試料チャンバと基準チャンバとの間のパティションは屈折率ｎgを有する。試料流体の屈折率ｎ1および基準流体の屈折率ｎ2の差は、典型的には１ｘ１０-3以下のオーダであり、ｎ1またはｎ2と、ｎgとの間の屈折率の差は０．１のオーダである。下記の微分を簡略化するため、ここでは、ｎ1≒ｎ2≡ｎ1と仮定する。この仮定において変位ｄは下記のようになる。
【００２２】
【数１】
【００２３】
液体がセルの透過性材料より高い屈折率を有する場合、すなわちｍ＞１の場合は、ｄは負でありビームの位置ずれは下向きとなる。
【００２４】
親出願で説明されたように、光が流体を含むチャンバを通過した後に光ビームの屈折角を測定することは、２つの流体間の示差屈折率ｄＲＩの測定を可能にする。本願に示した先の出願である出願番号１０／７２３，５４８号では、２つの流体間のｄＲＩ、または、２つのセルに含まれる同一の流体の絶対屈折率ＡＲＩの測定を可能にするフローセルを説明する。ｄＲＩまたはＡＲＩの測定は、光が流体を含むチャンバを通過した後に光ビームの屈折角を測定することにより達成される。本発明の好ましい実施例において、後者の測定は、表面１２が表面９と平行ではないことを要する。本発明は、屈折角の測定に向けられる。
【００２５】
下記の説明において、図２および図３の２つのチャンバ２および４にそれぞれ含まれる２つの異なる流体間のｄＲＩを求めるために、屈折角が測定されるべきであると仮定する。図３の面１２と面９とは平行である。面１２と面９とが平行でない場合、２つのセルに含まれる同一の流体のＡＲＩも、先に示された出願番号１０／７２３，５４８号の出願で詳細に説明されるように、屈折角の測定から求められ得る。
【００２６】
現在までに、光ビーム位置の測定のためにｄＲＩ計器に採用されてきた主な技術は、並んだ２つの光感知素子（受光素子）から構成される分割フォトダイオードを用いるものであった。分割フォトダイオードを用いる典型的なシステムが図４に示される。示されるシステムでは、光源１７が矩形のアパーチャ１８を照らす。このアパーチャは収束レンズ１９の焦点面に置かれ、レンズは、アパーチャからの光がレンズを通過した後コリメートされるようにする。コリメートされた光は、次に、アパーチャ７によって、流体を含むチャンバを横断するよう制限され、そこで角屈折を受ける。ビームは次に第２の収束レンズ２０を通って送られる。親出願で説明されたように、セルのすぐ後に挿入されるミラー手段がレンズ２０を置換し、溶液を通る経路数を増加させるのに用いられることができる。本明細書では、そこで生じた反射されるビームのさらなる透過については、その使用および実現例が当業者には周知であるので説明されない。矩形のアパーチャ１８の像が第２のレンズ２０の焦点面において形成され、像は、その位置に置かれるいわゆる分割フォトダイオード２１上にある。
【００２７】
分割フォトダイオード２１は２つの独立したフォトダイオードから構成され、その個々の信号は、そこに投影される透過された像の量に比例する。「ゼロ」信号では、矩形のアパーチャの像が、２つのフォトダイオードからの信号が同一となるまで回転が可能であるガラス板２２によって変位される。ｄＲＩの変化のためにビームが角屈折を受けると、次に像の位置が動き、像のより大きい部分が、第２のフォトダイオード素子に比較して第１のフォトダイオード素子に影響し、関連する信号が比例的に変化する。矩形の像および空間的に均一な独立したフォトダイオードでは、２つのダイオードからの信号の差は、一次的に、流体チャンバを出るビームの角屈折に比例する。２つの信号の差に比例する電圧を生成するためにアナログ回路が用いられることができ、そのため、ビーム位置および関連するビーム屈折角が測定され得る。分割フォトダイオードシステムでは、測定され得る最大信号は、フォトダイオードおよび矩形の像の寸法によって限定される。像が第１の検出
器から第２の検出器に完全に移ってしまうと、ビーム位置を測定することはもはや不可能である。図５は、２つのフォトダイオード素子２１に関するビーム強度プロファイルを示す。
【００２８】
本発明では、光ビーム位置の測定ならびに関連するｄＲＩおよびＡＲＩ値のその後の測定のために、二重フォトダイオード構成２１ではなく、フォトダイオードアレイまたは電荷結合素子アレイなどの複数の光検出器２３を用いる。ビームの位置を測定することと、それによる実効的な角偏差は、ビームの外縁に近い僅かな検出器のみに決定的に依存することに注意すべきである。なぜなら、外縁の間にあるダイオードに当たるビームの強度はすべて同じだからである。追加的な光検出器によってビーム位置の測定精度を向上させるためには、広い範囲の個々の光検出素子にわたる、より大きなビーム強度変動が必要である。このような強度の変動は、前記強度の変動が分析的にあてはめられてそれにより前記ビームの位置測定を向上させ得るような、追加的手段を提供する。図７は単純な三角形の強度変動を示し、そこでは光検出素子の広がりが大きく、各素子によって検出される強度の相対的な変動がビーム位置をより正確に規定するために用いられ得る。図４を再び参照すると、アパーチャ１８および７の組合わせが十分に小さくされる場合、結果的なビームプロフィルは回折限界と関連する強度変動を示し、たとえば図８に示されるような強度変動を生じる。ここでも、広い範囲の光検出素子を含むビーム強度変動が、ビーム位置のより正確な測定を可能にする。
【００２９】
ここで図９の配列を検討すると、セルに入射する単一ビームが、アパーチャ１８によって生成される複数のビームによって置換され、アパーチャ１８は、従来の単一アパーチャではなく一連の狭いアパーチャまたはスリット２４を含むよう変更される。図９に示される例では、選択されるアパーチャは３個であった。分割フォトダイオードシステムの場合と同様に、一連の狭いアパーチャは、アパーチャからの光がレンズを通過した後にコリメートされるようにする、収束レンズ１９の焦点面に配置される。コリメートされた光は、次に、アパーチャ７によって、流体を含むチャンバを横断するようさらに制限され、そこで、試料セルの２つのチャンバ内の流体の屈折率示差の結果として起こる角屈折を受ける。出力ビームは、次に、第２の収束レンズ２０を通って送られる。一連の狭いアパーチャの回折限界像は、この第２のレンズの焦点面で光検出器アレイ２３において形成される。図１０は、広い範囲の光検出器におよぶ三重ビームの強度変動を示す。複数の検出器、および、それらの検出器で光ビームの位置または多くの光ビームの平均位置を測定する能力を用いると、測定の範囲を拡張し、および／または測定の感度を上げることが可能である。より多くの検出器をカバーするパターンをもたらすために、追加的なビームが生成され得る。これは、より多くのマスクのアパーチャ２４を用いることにより達成され得、さらに複雑で、かつそのためにより容易に規定される強度変動を生成する。
【００３０】
たとえば、５１２素子のフォトダイオードアレイを用いることを検討する。このユニットによって、測定可能な最大の信号として定義される、システムノイズで除した測定ダイナミックレンジを、従来の分割フォトダイオード計器より係数５０だけ拡大させることが可能である。測定ダイナミックレンジのこのような拡大は、明らかに多くの設定において著しく有益である。広い範囲の検出素子を用いると、図４に示すような回転するガラス板２２の使用をなくすことも可能である。なぜなら、光ビームの小さい変位は、その角方向の測定に関連しないからである。光検出器アレイ上の光ビームの開始位置は、その位置がアレイの中央になくても、単純に「ゼロ」位置と考えられ得る。可動部をなくすことは、いかなる測定システムにもおいて常に望ましい。なぜなら、このような可動部は複雑さを増し、システム故障につながるさらなる道筋を加える傾向があるからである。
【００３１】
複数の光検出器を用いると、たとえば、光検出器アレイ上の平均光ビーム位置を正確に測定するために、光検出器応答を検出器位置の関数としてなんらかの関数形式にあてはめ
るなどの、より高度な数学的手法を用いなければならない。このような関数形式へのあてはめの手法は、光ビーム位置が測定され得る精度を著しく高めることができる。光ビーム位置が測定され得る精度のさらなる向上は、光ビームを特定のプロファイルを備えるように調整することによって得ることができる。たとえば、図７に示されるような鋭いピークのあるプロファイルを有する光ビームは、図５および図６に示されるような、方形アパーチャの像から生じる、典型的な分割フォトダイオードシステムにおいて用いられる方形パルス関数などの頂部が平坦な関数よりも、うまく光ビームの位置測定ができる。頂部が完全に平坦な方形パルス関数である光ビームプロフィルについては、強度しきい値または同様の手段を用いてビーム位置を測定することが一般に可能であるが、単一の光検出素子の幅より小さい分解能においてまで光ビームの位置を知ることに寄与することができるのは、ビームの両外縁の２つの光検出器のみである。
【００３２】
ピークのある関数の理想的な幅は、光検出器応答の測定のノイズに依存する。ノイズレベルが増大するにつれて、より良い平均化を可能にするために、光検出素子の物理的な寸法に対してピークのある関数の理想的な幅が拡大されなければならない。単一のピークのある関数に加えて、測定の感度を高める光ビームプロフィルのための、多数の他の関数形式を導入することが可能である。たとえば、図１０に示されるような複数のピークを有するように光ビームプロフィルが作られる場合、各ピークは平均ビーム位置の測定に寄与する。測定の「ホワイトノイズ」のために、ビーム位置が測定され得る精度が、ピークの個数の二乗根にしたがって増大する。測定の精度を高めるために用いられ得るさらに別の光ビームプロファイルは、正弦波プロファイル、または多くの周期を備える三角波プロファイルである。一般に、隣接した検出器からの信号に大きな変化を与える検出器の個数を最大にすることで、ビーム位置が測定され得る精度が最大になる。正弦波プロファイルのような拡張されたピークのアレイは、平均化が増大することにより測定感度の増大をもたらす一方で、そのためより複雑になり、パターンの動きを追えるほどパターンがゆっくり動かないかぎり、パターンと、複数の一体的な正弦波ピークによって変位したものとを区別することが、一般に不可能になる。ピークの有限アレイを用いて、周期的なアレイの縮退を伴わずに、複数のピークの平均化の改善を達成する。
【００３３】
本発明の方法が、光検出器アレイと、その好ましい実施例の１つにおいては、ビーム位置の測定を向上させるための手段としての複数の前記ビームとを利用することを強調することが重要である。これは、たとえばアッベ絶対屈折計などにおける同様の素子の利用と対照区別的である。近代のアッベ型ＡＲＩ計器はしばしば検出器アレイを組み入れ、検出器アレイは、固定された位置でそれに当たる複数のビームを有する。それらの計器における多数の照らされる素子は、その固定されたビームによる照明の強度を測定するために用いられる。本発明においては複数のビームは動いており、多数の照らされる素子はビーム位置の測定を向上させるために用いられる。
【００３４】
検出器アレイに当たる光ビームプロフィルは、多くの方法で調整され得る。光検出器アレイに当たる光ビームプロフィルが調整され得る１つの手段は、光検出器アレイに投影される複雑な目的物を与えることである。図９の場合、マスク１８における一連の狭いアパーチャ２４が光検出器アレイに投影される目的物であって、図１０に示されるような光のパターンを生じ、平均光ビーム位置が測定され得る精度を高める。光検出器アレイに投影される目的物は単純なアパーチャに限定される必要はなく、部分的に光を妨げたり反射したりする不透明なパターンを有する透明媒質を透過する光、またはそれに反射される光からも構成され得る。たとえば、図９のアパーチャ２４として用いられるために、正弦波インク密度の変動は、透明なプラスチック、またはガラスシート上に印刷され得る。そのアパーチャに入射する光は、光検出器アレイ平面２３に投影される複雑な目的物を生成する。
【００３５】
光ビームプロフィルを調整するさらなる方法は、光検出器アレイ平面から位置ずれした平面に像を生成することである。このような位置がずれた像は、結果的に光検出器アレイ上で焦点の合わない像となり、実効的に光のパターンを滑らかにする。たとえば、目的物が一連の狭いアパーチャから構成され、それらのアパーチャを光検出器アレイ平面のわずかに前または後ろの平面に投影することによって、光検出器平面上のアパーチャの像が、一連のはっきりした、頂部が平坦なピークとして現れる場合、アレイ上の光パターンは、図１０のピークといくらか類似する一連のピークから構成される。
【００３６】
回折効果もまた、光ビームプロファイルを調整するのに用いられ得る。アパーチャ７を通過した後で投影されるいかなる目的物も、前記アパーチャの回折効果のために変更される。像は、対応するアパーチャ関数７を有する実際の目的物のコンボリューションである。たとえば、アパーチャ７が幅ｂの矩形の場合、像は、周知の二乗されたｓｉｎｃ関数を有する、目的物のコンボリューションである（１９７４年、マサチューセッツ洲レディング市アディソン−ウェズリー社発行、ヘクト著「オプティクス」参照）。
【００３７】
【数２】
【００３８】
ここでλは測定に用いられる光の波長であり、φは光ビームの中央位置角からの屈折角である。
【００３９】
一般に、いかなるアパーチャ関数もピークのある関数であって、その幅は、アパーチャ７の幅、像からレンズ２０までの距離、および、用いられる光の波長によって決定される。生成される像が、たとえば図４の分割フォトダイオードシステムの分割フォトダイオード２１上のアパーチャ１８の像のように、アパーチャ関数の幅と比較して大きい場合、回折は、図５に示される強度の像に軽微な相対的な変更を生じる。しかしながら、像が、アパーチャ関数の幅と比較して非常に小さい寸法を有する場合、像はアパーチャ関数によって支配される。たとえば、アパーチャが極めて狭いスリットであるように作られる場合、像は単に図８に示される回折パターンになる。回折効果がない場合、図９の狭いアパーチャ２４のアレイは、完全に頂点が平坦な一連の方形パルス関数として、光検出器アレイ上に投影される。しかしながら、アパーチャ７のサイズが小さい場合、光検出器における像は、頂点の平坦な狭い方形パルス関数を伴う、関数Ｉ（φ）のコンボリューションに対応する、一連のピークのある関数となる。アパーチャ７の寸法、スリット２４の寸法、レンズ２０から像までの距離、および測定に用いられる光の波長を調整することにより、より多い、またはより少ないピークを有する像に変更することが可能である。
【００４０】
分割フォトダイオードシステムと複数の光検出器を使用する本発明とは、両方とも、平面における光ビームの位置を測定し、三角法の関係を用いて、その位置を流体を含むチャンバから出てくる光ビームの角屈折θと関連づける。図４および図９に示されるように、屈折されない光ビームの経路に正確に直角に配向される検出平面の場合、図１１の、入射ビームの方向に対するビーム屈折角θは、検出平面のビームの空間的位置ずれｘ１と、ｘ１＝Ｌｔａｎ（θ）の関係で関連し、ここで、Ｌは投影レンズ２０から検出平面２３までの距離である。所与の角屈折θについては、ビームが動く距離ｘ１は、距離Ｌの増加につれて増加する。所与の角屈折θについての、Ｌの増加に伴うｘ１の増加は、一般に、屈折されない光ビームの経路に対する検出平面の配向に関係なく発生する。所与の、光ビームの位置が測定され得る精度のためには、距離Ｌを増大させることにより、角屈折θの測定
における感度を増加させることができる。θの測定においてより良い精度を得るために、Ｌは、実際に可能な限り大きくされなければならない。しかしながら、寸法Ｌが非常に大きいことに関連する数多くの有害な作用がある。一般に、これらのシステムの光ビームの空間的位置はしばしば、ナノメートルの何分の１かにまで測定されなければならないので、光学システムの熱的および機械的な安定が最も重要である。システムの物理的寸法がより大きくされるにつれて、熱的および機械的安定度は必然的に低下する。しかしながら、追加的な発散レンズを用いて、物理的な長さを増加させることなくシステムの有効光路長を増大することが可能である。
【００４１】
図１１は、セル出口面１３に対してある角度θでフローセルから出て、検出器アレイ２３の平面から距離Ｌに位置する投影レンズ２０に入る、単一ビームを有する標準的な構成を示す。ビームは、ビームの実効的なゼロ位置から距離ｘ１にある検出器アレイに当たり、ここで、ｘ１＝ｃ１ｔａｎ（θ）であり、ｃ１は定数である。図１２に示されるように、コリメートレンズ２０に続く経路に発散レンズ２５を挿入することはソースの虚像を形成し、それにより、距離ｘ２として示される、検出器アレイ２３に沿ったビームの位置ずれを増加させる。ここでｘ２＝ｃ１ｔａｎ（θ）であり、ｃ２＞ｃ１である。このように、角θの測定がより正確になされる。なぜなら、このレンズが、このような寸法Ｌの増加によるいかなる有害な作用をも伴うことなく、より長い経路Ｌによって生じるであろう結果に正確に対応する結果を効果的に生じたからである。
【００４２】
示差屈折率検出器の性能を高め、向上させるための、光検出器アレイの使用に関する説明の多くが、ビームまたは複数のビームがフローセルを一度通過することに重点を置いてなされたが、親出願にて開示されたように、この装置の感度が、ビームを反射してセルを通って戻すミラーを挿入する、周知の手段によって向上されることが強調される。この実現例で、ソースビームは、図３に示される表面８に対してわずかな角でフローセルに入射する。したがって、光検出器アレイは、入射ビームを外すために適切に位置決めされる表面８の入射側に存在する。
【００４３】
本明細書の大部分にわたって示された例は、示差屈折率検出器、ｄＲＩのための本発明の実現例に重点を置いたが、以前の出願は、流体の絶対屈折率をも測定し得る手段を開示した。本発明の好ましい用途は、これら以前の出願にて開示されたような両方の測定を行うことができる構造に、この手段を組み込む。
【００４４】
ここに開示された基本発明の単純な変形例である、示差屈折率測定技術の当業者にとって明らかであるような、多くの本発明の実施例が存在する。
【図面の簡単な説明】
【００４５】
【図１】透過ビームの位置ずれを示す、従来のｄＲＩセル設計の図である。
【図２】ビームが試料チャンバの大部分を満たす、従来のセルを示す図である。
【図３】基準流体チャンバが試料流体チャンバより大きい、本発明の好ましい実施例のセルを示す図である。
【図４】試料セルを通過して分割フォトダイオードに当たるビームを示す図である。
【図５】分割フォトダイオードにおける位置に相対したビーム強度プロファイルを示す図である。
【図６】光検出素子のアレイに当たるビームの強度プロファイルを示す図である。
【図７】光検出器アレイに当たる三角形の強度プロファイルを示す図である。
【図８】光検出器アレイに当たる、回折が変更された強度プロファイルを示す図である。
【図９】試料セルを通過して光検出器アレイに当たる１組のビームのジオメトリを示す図である。
【図１０】図９の光検出器アレイに来る対応する１組のビームから、回折が変更された、一組の強度プロファイルを示す図である。
【図１１】セルから出て、次にアレイに沿って対応する位置ずれｘ１を生成する投影レンズから出る、ビームの角屈折を示す図である。
【図１２】セル、投影レンズ、アレイに沿って対応する位置ずれｘ２を生成する追加された発散レンズから出る、ビームの角屈折を示す図である。
【符号の説明】
【００４６】
２ 試料チャンバ、３ パティション、４ 基準チャンバ、７ アパーチャ、８ 入口表面、１２，１３ 面、１７ 光源、１８ マスク、１９，２０ レンズ素子、２３ 光検出器アレイ。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
試料流体と基準流体との屈折率示差を測定するための向上された示差屈折計であって、ａ）アパーチャ７に当たるコリメートされた光ビームを生成するコリメートレンズ１９に当たるように、光源１７により生成される入射光ビーム１を制限するためのマスク１８を含み、前記アパーチャは、前記出力ビームが測定セルの入口表面８に入射する前に前記ビームの断面を制限し、さらに、
ｂ）測定セルを含み、前記制限アパーチャは、前記フローセルの前記試料チャンバ２に含まれる試料溶液を照らすよう、前記コリメートされた出力光ビームを制限し、さらに、
ｃ）前記コリメートされた光ビームが前記試料チャンバ２を横断した後、透過性パティション３を通過して基準チャンバ４に入る、透過性パティション３と、
ｄ）基準流体を包含し、前記試料チャンバ２を基準チャンバ４から隔てる前記透過性パティション３によって隔てられる、前記基準チャンバ４と、
ｅ）前記ビーム制限マスク１８の像を複数の光検出素子２３に形成するレンズ素子２０と、
ｆ）複数の光検出素子２３とを含む、向上された示差屈折計。
【請求項２】
前記入射光ビームは単色である、請求項１に記載の向上された示差屈折計。
【請求項３】
前記光源はレーザである、請求項１に記載の向上された示差屈折計。
【請求項４】
前記光源は発光ダイオードである、請求項１に記載の向上された示差屈折計。
【請求項５】
前記試料チャンバおよび前記基準チャンバは同一の直角三角形の断面を有する、請求項１に記載の向上された示差屈折計。
【請求項６】
前記試料チャンバおよび前記基準チャンバは相似の直角三角形の断面を有し、前記ビーム制限アパーチャ７は、前記コリメートされた入射ビームが、前記試料チャンバの規定する側面の間の側面に衝突したり角をかすめたり、または、前記基準チャンバの側面および角をかすめることなく、前記フローセルの前記試料チャンバ２に含まれる前記試料溶液を完全に照らすよう、前記コリメートされた入射ビームを制限する、請求項１に記載の向上された示差屈折計。
【請求項７】
前記基準チャンバは、前記コリメートされた光入射ビームが、基準流体と試料流体との屈折率示差に関係なく、前記測定セルを出る前にそこで他の面または角をかすめないことを確実にするよう適切な寸法で作られる、請求項６に記載の向上された示差屈折計。
【請求項８】
前記マスク１８は、アパーチャ７ならびに前記試料チャンバおよび前記基準チャンバを通過した後に前記光検出器アレイ２３に当たるその像が回折限界的であって、それにより、確実に、前記像が実質的にアパーチャ７のアパーチャ関数であることを確実にするのに十分小さい寸法の単一のスリットから構成される、請求項１に記載の向上された示差屈折計。
【請求項９】
前記マスク１８は、前記測定セルに入射する複数のコリメートされたビームと、前記光検出器アレイ２３に当たる複数の透過像とを生成する複数のスリット２４から構成される、請求項１に記載の向上された示差屈折計。
【請求項１０】
試料チャンバの内部入口表面９と基準チャンバの内部出口表面１２とは互いに平行ではない、請求項１に記載の向上された示差屈折計。
【請求項１１】
前記透過性パティション３の流体接触表面１０および１１は互いに平行ではない、請求項１に記載の向上された示差屈折計。
【請求項１２】
前記測定セルの前記入口表面８は、前記入射ビームに対して直角ではない、請求項１に記載の向上された示差屈折計。
【請求項１３】
前記直角ではない入射ビームは、前記測定セルを横断し、前記像形成レンズ素子２０を置換するミラー素子手段によって反射されて前記測定セルを通って戻され、前記反射されたビームは十分な角度で入口表面８から出て光検出器アレイにより検出され、アレイは前記ビーム制限マスク１８から十分位置ずれされて、そこで制限される入射ビームに影響したり干渉したりしない、請求項１２に記載の向上された示差屈折計。
【請求項１４】
前記測定セルの前記適切な寸法は、前記フローセルの前記屈折率と、前記向上された示差屈折計が使用される試料屈折率および基準屈折率の完全な範囲に基づく計算とによって決定される、請求項７に記載の前記向上された示差屈折計の測定セル。
【請求項１５】
前記測定セルの前記適切な寸法は、前記向上された示差屈折計が使用されるすべての試料流体および基準流体に関する前記透過ビームの直接測定で決定される、請求項７に記載の前記向上された示差屈折計の測定セル。
【請求項１６】
発散レンズ２５が透過ビームの経路に挿入され、それにより入射ビーム１の方向に対して測定セル透過ビームの仮想位置ずれを増大させる、請求項１に記載の向上された示差屈折計。
【請求項１７】
発散レンズ２５が透過ビームの経路に挿入され、それにより入射ビーム１の方向に対して測定セル透過ビームの仮想位置ずれを増大させる、請求項１３に記載の向上された示差屈折計。
【請求項１８】
前記複数の光検出素子はフォトダイオードアレイの素子である、請求項１に記載の向上された示差屈折計。
【請求項１９】
素子の個数は５１２個である、請求項１８に記載のフォトダイオードアレイ。
【請求項２０】
基準流体に相対した試料流体の屈折率示差を測定するための方法であって、
ａ）アパーチャ７に当たるコリメートされた光ビームを生成するコリメートレンズ１９に当たるように、光源１７により生成される入射光ビーム１を制限するためのマスク１８を入射光ビーム１に挿入するステップを含み、前記アパーチャはさらに、連続する２つのチャンバ２および４を含む測定セルの入口表面８に入る前に前記出力ビームの断面を制限し、さらに、
ｂ）試料流体および基準流体を前記連続するチャンバ２および４にそれぞれ配置するステップと、
ｃ）前記フローセルの前記試料チャンバ２に含まれる試料溶液を完全に照らすよう、前記コリメートされた出力ビームを、前記アパーチャ７によって制限するステップと、
ｄ）透過ビームが当たる複数の光検出素子２３に前記ビーム制限マスク１８の像を形成するレンズ素子２１を、前記試料流体を含むチャンバおよび前記基準流体を含むチャンバを横断した後前記測定セルから出力する透過ビームの経路に挿入するステップと、
ｅ）前記試料チャンバおよび前記基準チャンバの両方が前記基準流体で満たされると、前記透過ビーム位置に相対する前記透過ビームにより照らされる、前記複数の光検出器のすべての素子を用いて前記透過ビームの位置ずれを測定するステップとを含み、前記複数の照らされた検出素子にわたって検出された強度変動を参照すると前記測定の精度が向上さ
れている、方法。
【請求項２１】
前記入射光ビームは単色である、請求項２０に記載の方法。
【請求項１】
試料流体と基準流体との屈折率示差を測定するための向上された示差屈折計であって、ａ）アパーチャ７に当たるコリメートされた光ビームを生成するコリメートレンズ１９に当たるように、光源１７により生成される入射光ビーム１を制限するためのマスク１８を含み、前記アパーチャは、前記出力ビームが測定セルの入口表面８に入射する前に前記ビームの断面を制限し、さらに、
ｂ）測定セルを含み、前記制限アパーチャは、前記フローセルの前記試料チャンバ２に含まれる試料溶液を照らすよう、前記コリメートされた出力光ビームを制限し、さらに、
ｃ）前記コリメートされた光ビームが前記試料チャンバ２を横断した後、透過性パティション３を通過して基準チャンバ４に入る、透過性パティション３と、
ｄ）基準流体を包含し、前記試料チャンバ２を基準チャンバ４から隔てる前記透過性パティション３によって隔てられる、前記基準チャンバ４と、
ｅ）前記ビーム制限マスク１８の像を複数の光検出素子２３に形成するレンズ素子２０と、
ｆ）複数の光検出素子２３とを含む、向上された示差屈折計。
【請求項２】
前記入射光ビームは単色である、請求項１に記載の向上された示差屈折計。
【請求項３】
前記光源はレーザである、請求項１に記載の向上された示差屈折計。
【請求項４】
前記光源は発光ダイオードである、請求項１に記載の向上された示差屈折計。
【請求項５】
前記試料チャンバおよび前記基準チャンバは同一の直角三角形の断面を有する、請求項１に記載の向上された示差屈折計。
【請求項６】
前記試料チャンバおよび前記基準チャンバは相似の直角三角形の断面を有し、前記ビーム制限アパーチャ７は、前記コリメートされた入射ビームが、前記試料チャンバの規定する側面の間の側面に衝突したり角をかすめたり、または、前記基準チャンバの側面および角をかすめることなく、前記フローセルの前記試料チャンバ２に含まれる前記試料溶液を完全に照らすよう、前記コリメートされた入射ビームを制限する、請求項１に記載の向上された示差屈折計。
【請求項７】
前記基準チャンバは、前記コリメートされた光入射ビームが、基準流体と試料流体との屈折率示差に関係なく、前記測定セルを出る前にそこで他の面または角をかすめないことを確実にするよう適切な寸法で作られる、請求項６に記載の向上された示差屈折計。
【請求項８】
前記マスク１８は、アパーチャ７ならびに前記試料チャンバおよび前記基準チャンバを通過した後に前記光検出器アレイ２３に当たるその像が回折限界的であって、それにより、確実に、前記像が実質的にアパーチャ７のアパーチャ関数であることを確実にするのに十分小さい寸法の単一のスリットから構成される、請求項１に記載の向上された示差屈折計。
【請求項９】
前記マスク１８は、前記測定セルに入射する複数のコリメートされたビームと、前記光検出器アレイ２３に当たる複数の透過像とを生成する複数のスリット２４から構成される、請求項１に記載の向上された示差屈折計。
【請求項１０】
試料チャンバの内部入口表面９と基準チャンバの内部出口表面１２とは互いに平行ではない、請求項１に記載の向上された示差屈折計。
【請求項１１】
前記透過性パティション３の流体接触表面１０および１１は互いに平行ではない、請求項１に記載の向上された示差屈折計。
【請求項１２】
前記測定セルの前記入口表面８は、前記入射ビームに対して直角ではない、請求項１に記載の向上された示差屈折計。
【請求項１３】
前記直角ではない入射ビームは、前記測定セルを横断し、前記像形成レンズ素子２０を置換するミラー素子手段によって反射されて前記測定セルを通って戻され、前記反射されたビームは十分な角度で入口表面８から出て光検出器アレイにより検出され、アレイは前記ビーム制限マスク１８から十分位置ずれされて、そこで制限される入射ビームに影響したり干渉したりしない、請求項１２に記載の向上された示差屈折計。
【請求項１４】
前記測定セルの前記適切な寸法は、前記フローセルの前記屈折率と、前記向上された示差屈折計が使用される試料屈折率および基準屈折率の完全な範囲に基づく計算とによって決定される、請求項７に記載の前記向上された示差屈折計の測定セル。
【請求項１５】
前記測定セルの前記適切な寸法は、前記向上された示差屈折計が使用されるすべての試料流体および基準流体に関する前記透過ビームの直接測定で決定される、請求項７に記載の前記向上された示差屈折計の測定セル。
【請求項１６】
発散レンズ２５が透過ビームの経路に挿入され、それにより入射ビーム１の方向に対して測定セル透過ビームの仮想位置ずれを増大させる、請求項１に記載の向上された示差屈折計。
【請求項１７】
発散レンズ２５が透過ビームの経路に挿入され、それにより入射ビーム１の方向に対して測定セル透過ビームの仮想位置ずれを増大させる、請求項１３に記載の向上された示差屈折計。
【請求項１８】
前記複数の光検出素子はフォトダイオードアレイの素子である、請求項１に記載の向上された示差屈折計。
【請求項１９】
素子の個数は５１２個である、請求項１８に記載のフォトダイオードアレイ。
【請求項２０】
基準流体に相対した試料流体の屈折率示差を測定するための方法であって、
ａ）アパーチャ７に当たるコリメートされた光ビームを生成するコリメートレンズ１９に当たるように、光源１７により生成される入射光ビーム１を制限するためのマスク１８を入射光ビーム１に挿入するステップを含み、前記アパーチャはさらに、連続する２つのチャンバ２および４を含む測定セルの入口表面８に入る前に前記出力ビームの断面を制限し、さらに、
ｂ）試料流体および基準流体を前記連続するチャンバ２および４にそれぞれ配置するステップと、
ｃ）前記フローセルの前記試料チャンバ２に含まれる試料溶液を完全に照らすよう、前記コリメートされた出力ビームを、前記アパーチャ７によって制限するステップと、
ｄ）透過ビームが当たる複数の光検出素子２３に前記ビーム制限マスク１８の像を形成するレンズ素子２１を、前記試料流体を含むチャンバおよび前記基準流体を含むチャンバを横断した後前記測定セルから出力する透過ビームの経路に挿入するステップと、
ｅ）前記試料チャンバおよび前記基準チャンバの両方が前記基準流体で満たされると、前記透過ビーム位置に相対する前記透過ビームにより照らされる、前記複数の光検出器のすべての素子を用いて前記透過ビームの位置ずれを測定するステップとを含み、前記複数の照らされた検出素子にわたって検出された強度変動を参照すると前記測定の精度が向上さ
れている、方法。
【請求項２１】
前記入射光ビームは単色である、請求項２０に記載の方法。
【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２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【公開番号】特開２００６−１０５９９８（Ｐ２００６−１０５９９８Ａ）
【公開日】平成１８年４月２０日（２００６．４．２０）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００５−２９３７０９（Ｐ２００５−２９３７０９）
【出願日】平成１７年１０月６日（２００５．１０．６）
【出願人】（５９４０３５９３２）ワイアット テクノロジー コーポレイション (8)
【氏名又は名称原語表記】Ｗｙａｔｔ Ｔｅｃｋｎｏｌｏｇｙ Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１８年４月２０日（２００６．４．２０）
【国際特許分類】
【出願日】平成１７年１０月６日（２００５．１０．６）
【出願人】（５９４０３５９３２）ワイアット テクノロジー コーポレイション (8)
【氏名又は名称原語表記】Ｗｙａｔｔ Ｔｅｃｋｎｏｌｏｇｙ Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ
【Ｆターム（参考）】
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