(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
液体サンプル分析器用ファイバーオプティック結合光パイプであって、
コアの中を液体サンプルが流れる当該コアを有し、当該光パイプ・コアが、所定のコア直径を有する光パイプと、
前記光パイプ内に光を導入するための入力光ファイバーであって、前記光パイプのコア直径と等しいか、或いは、それより小さいコア直径を有し、当該入力光ファイバーが、前記光パイプ・コア内に延び、前記液体サンプルと接触状態にある、先端を有し、当該先端が、前記入力光ファイバーのコアの屈折率より小さい屈折率を有する材料で被覆され、前記液体サンプルが、当該入力光ファイバーを包囲しつつ前記光パイプ・コアに連通する第１の環状の空間を通じて、前記光パイプ・コア内に導入され、当該第１の環状の空間が、実質的に、前記光パイプの中心軸に平行な中心軸を有する、入力光ファイバーと、
前記光パイプに沿って送信された、前記入力光ファイバーからの光を受信するための出力光ファイバーであって、当該出力光ファイバーが、前記光パイプの前記コア直径に等しいか、或いは、それより大きいコア直径を有し、前記液体サンプルが、当該出力光ファイバーを包囲しつつ前記光パイプ・コアに連通する第２の環状の空間を通じて、前記光パイプ・コアから除去され、当該第２の環状の空間が、実質的に、前記光パイプの前記中心軸に平行な中心軸を有する、出力光ファイバーと、
を含み、
前記液体サンプルが、前記光パイプ・コアを通じて流れているときに、前記入力光ファイバーが、前記光パイプの開口数より小さいか、或いは、それと等しい開口数を有し、
前記液体サンプルが、前記光パイプ・コアを通じて流れているときに、前記出力光ファイバーが、前記光パイプの開口数より大きいか、或いはそれと等しい開口数を有する、
液体サンプル分析器用ファイバーオプティック結合光パイプ。
【請求項２】
上記光パイプがテフロン（登録商標）ＡＦによって作られる請求項１に記載された光パイプ。
【請求項３】
ＲＩを±７ｍＡＵ以内に保持するために、上記光パイプ・コアに対しての、前記入力光ファイバー及び前記出力光ファイバーの環状のアラインメントが調整された、請求項１に記載された光パイプ。
【請求項４】
ＲＩを±７ｍＡＵ以内に保持するために、上記光パイプ・コアに対して、上記入力光ファイバー及び上記出力光ファイバーの横方向のアラインメントが調整された、請求項１に記載された光パイプ。
【請求項５】
前記入力光ファイバーにカップルされ、前記光パイプ・コア内に導入された光モードを制御するように構成された、モード・コントローラ、或いはモード・スクランブラ、を更に備える、請求項１に記載された光パイプ。
【請求項６】
ＲＩを±７ｍＡＵ以内に維持するために、前記光パイプの曲げ半径が選択される、請求項１に記載された光パイプ。
【請求項７】
前記入力光ファイバーの先端が、テフロン（登録商標）ＡＦで被覆される、請求項１に記載された光パイプ。
【請求項８】
前記光パイプ・コアＡＦの内径が、前記入力光ファイバー側で、より大きな直径に先太りしており、前記出力光ファイバー側での先細った部分の直径が、前記出力光ファイバーより小さい、請求項１に記載の液体サンプル分析システム。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【図面の簡単な説明】
本発明は、総内部反射によって光を導く、ファイバーに結合され液体フローセル（「光パイプ」と呼ばれる。）を伴った液体サンプル分析器に関し、更に詳細には、特に高性能液体クロマトグラフィー（ＨＰＬＣ），毛細管液体クロマトグラフィー（μＬＣ），毛細管電気泳動（ＣＥ），毛細管通電クロマトグラフィー（ＣＥＣ），超臨界液体クロマトグラフィー（ＳＦＣ），フローインジェクション分析（ＦＩＡ）及び関連した技術用に作られた、光吸収度の測定用の分析器に関する。
【０００２】
【発明の背景】
液体クロマトグラフィーは、物質の吸光度及びその濃度を決定するために広く採用される方法である。溶液の吸光度は、ベールの法則
Ａ＝εｂｃ＝ｌｏｇ（１/Ｔ）＝ｌｏｇ（Ｐ0/Ｐ）
に従って決定される。記号“Ａ”は溶液の吸光度，“ε”はモル吸光率，“ｃ”は濃度，“ｂ”は光路長，“Ｔ”は透過率，“Ｐ0”は入射光パワー，そして“Ｐ”は照射される光パワーを意味する。クロマトグラフィーの種類に従って、例えばＣＥをＨＰＬＣと比べると、若干異なったシステム設計基準と機能要求が存在しうる。しかし、一般的に、様々な種類の液体クロマトグラフィー用の全ての吸光度測定システムは、以下を含むいくつかの共通の動作特性を要求する：
（１）  低い濃度の試料を観測するための、高感度あるいは大きい信号対ノイズ比（Ｓ/Ｎ）
（２）  全ての試料間の、分離濾材からの溶出に対する分解能を確保するための、低い分散、そしてこれらと同時に、
（３）  低い濃度と高い濃度が、吸光度についての単一の校正によって決定できるための、広い線形ダイナミックレンジ
一般的に、１０4から１０5の線形ダイナミックレンジを持つＨＰＬＣシステムは、１００マイクロＡＵ（吸光度の単位）以下の吸光度を測定できる。ノイズレベルは大体２０から４０マイクロＡＵにある。他方、分解能はシステム内の分離カラムと分散の性能に影響される。クロマトグラファーは分析されるべき材料に従ってカラムを指定する。分解能に影響を与える他の要因は分散である。カラムによって分離された化合物は検出器を通過する。時間の関数としての吸光度のプロットは、かなりガウス分布に近いピークを作る。溶媒内の試料の分散はクロマトグラフィーのピークを広げ、吸光度の信号を減少させる。それに加えて、二つのピークの境界間の距離が重複する可能性がある。それゆえ、分散を絶対最小値に保つことが重要である。
【０００３】
一般的に、データ獲得時間を減らすためには、高いフローレートを用いた高速の分離が望まれる。しかし、これによってまた、クロマトグラフィーの分解能を減らす可能性がある。従ってある場合には、試料の量を減らし、フローレートを減らす方が良い。そのような特質に従って、クロマトグラフィーは、特に蛋白代謝，あるいは蛋白質の分離及び定量化の分野で、量とフローレートを減らし続けてきた。更にこのことは、少量のサンプルしか得られない場合に魅力的である。
【０００４】
高い感度と分解能を達成するための、システムの観点からは、ノイズを減少すると同時に信号を増やす必要がある。より長い光路長のフローセルを持つということは、与えられたサンプルの濃度のためのより大きな吸光度信号が得られることと同義である。更に、より長い光路長を持つということは、同じ入射光パワーによって、より低い濃度の溶液が測定できることを意味し、これによって、ＨＰＬＣ法の感度が上がることになる。より低い濃度を測定することは、高純度薬品合成，純度分析，及び化学的品質管理において重要である。
【０００５】
ほとんどの場合、商業的な吸光度測定システムは、より高い感度を達成する場合には、ダイナミックレンジを犠牲にするか、あるいは、より大きなダイナミックレンジを達成するために感度を犠牲にする。吸光度の変化の検出に影響を与えるノイズ源には、短期及び長期のノイズ源を含む。短期ノイズは、圧力により引き起こされる係数の変化，光パワーの変動，センサ及びセンサーエレクトロニクスからの電気ノイズ，レンズ・鏡・あるいは回折格子などの光学部品から散乱する光の変動，スペクトラムがアレイセンサーのピクセル上を行き来する要因となる、光−機械部品内の高周波ジッタ，及び外部ソースからのバックグラウンド光学ノイズから発生する。長期ノイズは、光学系のアラインメントやカップリングを変動させる要因となる温度変動，光学部品の熱−機械ドリフト，検出エレクトロニクス内の非補償ドリフト，及びフローセルの屈折率感度からの基線シフトによって発生する。明らかに、分離カラムからフローセルへの光路が長い程、分散がより大きくなり、これにより、より低い信号強度，より広い信号，及びより低い分解能をもたらす。もしノイズに対応するオフセットの増加が同時に得られるならば、明らかに、より長い光路長のフローセルに通す信号を増加させる意味は全く無い。
【０００６】
低いＲＩ（屈折率）感度を持つ、より長い光路長のフローセルによって、吸光度信号の強化が明確に得られ、これによって、基線吸光度のドリフトという結果が得られる。もしフローセルあるいは光パイプを、分離カラムの近傍に位置できれば、分散が低減され、吸光度信号が更に増加される。圧力により引き起こされる係数の変化によって引き起こされる短期ノイズは一般的に、フローの制限、あるいはパルスダンピング装置によって減少させることができる。温度ドリフトに起因する長期ノイズは、受動的あるいは能動的な熱制御によって減少させることができる。もし実行可能なら、前者のケースが通常最も費用対効果に優れている。控除されるべき、ドリフトと等価な信号及びリフェレンスを得るために、マッチト・ダイオードが通常用いられる。高感度システムでは冷却センサが良く用いられるが、これは標準ＨＰＬＣシステムで通常禁じられる高コストと複雑さをもたらす。しばしばＨＰＬＣシステムでは、光学部品で熱によって引き起こされるドリフトを最小にするため、光源は注意深くポリクロメータから隔離されなければならない。ほとんどの場合ポリクロメータは、これらの熱−機械問題を考慮して、高価な材料を使用するように、及び/又は厳しい許容度で設計される。
【０００７】
通常、ＬＣ検出システムは、マクロ・スケール・レンズ，鏡及び回折格子といった、非常に多くの光学系を伴い、光がこれらの部品間の自由空間中を伝送される。例えば米国特許第4，375，163号，第4，848，904号，第4，568，185号，第5，495，186号，第4，687，917号，及び第4，637，041号を参照頂きたい。一般的に、光源，リレー光学部品，及びスペクトロメータは一体となった“光学台”にまとめられる。その代わりに、光を光ファイバー内に通すことも可能である。このアプローチは以下に述べるようないくつかの理由により魅力的である。光ファイバー吸光度システムは、フロリダ州ダニーディンのオーシャンオプティックス社及びドイツ、イェーナのカール・ツァイス社から商業的に入手可能である。（米国特許第5，159，404号を見よ）しかし、これらのシステムはここに述べるＨＰＬＣへの適用には適していない。その理由は、それらは、ダイナミックレンジを欠き、一般的に１０4ＡＵ以下であること、及び／又は必要な分光帯域（ＨＰＬＣでは１９０から８００ｎｍ）内で単一の回折格子によっては動作しないからである。それに加えて、そのようなシステムで利用できる吸光度セルは、現代のＨＰＬＣの機能要求，動作要求に沿って設計されていない。ＨＰＬＣと他のＬＣへの適用において、高いダイナミックレンジ，高感度，及び高分解能を得るために決定的なことは、システムの統合である。ポンプ，デガッサ，自動サンプラ，インジェクタバルブ，カラム，フローセル，スペクトロメータ，及び最適化されるべき他のエレクトロニクスを含む、システムの全部品間で相互作用が存在するのである。
【０００８】
紫外線（ＵＶ）が照射されると、ファイバーのガラス透光度が変化（感光），あるいは光学的に暗化するために、これまではＨＰＬＣシステムで光ファイバーを使用するのは困難であった。最近、“感光しない”シリカベースのファイバーが、高ＯＨファイバーの形で入手可能になった。このファイバーでは、製造工程でＯＨが拡散され、ファイバーの感光につながるファイバーの欠陥を補償する。しかし、ＯＨはまた時間経過によって消失し、感光が再発生する。ドイツのヘロイス・アメルシル（Heraeus-Amersil）はシリカベースの光ファイバー用に、より永い期間ＵＶ伝送を維持する、新しい感光しない予備的形成品を開発した。ＵＶＭと呼ばれるこのファイバーは、アリゾナ州フェニックスのポリマイクロ・テクノロジー社を通して入手可能である。ＵＶＭと高ＯＨの他の組合せもまた入手可能である。
【０００９】
安定した、感光しない光ファイバーの、現時点での入手可能性を前提にすると、今、大量の光学部品による自由空間ＬＣシステムに付随した制限を解消する、ファイバーに結合されたＬＣシステムを考えることが可能である。ファイバーによる結合はまた、非常に許容度の厳しい機械部品を不要とする。それは、光学系のアラインメントに要求される許容度は、大量生産されるファイバーオプティックコネクタによって達成されるからである。これらのコネクタは低価格で広く入手可能であり、光ファイバーの接続を数ミクロン以内で調整でき、コネクション当りの光損失を0.3ｄＢ以下に抑えることになる。
【００１０】
これまでのＬＣシステムでは、フローセルは大量の光学部品によって照射され、多くのセンチメータの管によってカラムから隔離されており、その結果、かなりの量の“死んだ容積”をもたらしていた。死んだ容積とは、試料が溶媒に分散できる、フロー容積のことである。ファイバーによって結合された光パイプを用いれば、当該光パイプをスペクトロメータから遠く、かつ、カラムの近傍に、あるいはカラムに直接付属させて置くことができる。このことは、死んだスペースが最小化されることを意味する。明らかに、これにより信号強度が増大し、感度が大きくなるとともに、ピークの広がりを減らし、より高い分解能を得ることができる。これは特に、マイクロリットルあるいはサブマイクロリットル（マイクロリッターあるいはそれ以下）の少ないサンプル容積のみが入手可能であって、それらの分散ゆえに測定不可能となる、蛋白代謝にとって重要である。それに加えて、分散が無いのでピークの高さが最大化され、長く、むき出しの、少ない容量の光パイプによって、高い感度が得られる。
【００１１】
更に、光パイプをファイバーに結合するということは、光パイプが光学台から取り外しでき、システムの光源の熱によって影響されないように、容易に熱的に安定させられる場所に置くことができることを意味する。それに加えて、光源自身を光学台から遠くに置くことができ、これによって光源からの熱が光学台内に照射されないことになる。これによってスペクトロメータの熱−機械的許容度を減少させ、光学台の寸法を小さくするので、このことは特に重要である。次に、光学台のコストは非常に下がり、システム製作は簡易化される。低コストファイバーオプティックコネクタによって、部品は互いに簡易に接続され、コンセントを容易に得られる。ファイバーに結合されたシステムは、光パイプのような、システムの要素を、特定の分析用に最適化するために、容易に交換できる。例えば、特定の分析に必要であれば、長い光路長の及び/又は少ない容量の光パイプをシステムに接続できる。更に、必要に応じて、光学フィルタをシステムに加えたり、外したりできる。
【００１２】
一般的に、１０μＬ程度のサンプル量を分析するためには、液体クロマトグラフィー（ＬＣ）が用いられる。マイクロカラム技術にとっては、３から５ナノリッターのような、より少ないサンプル量が望ましい。約１ｃｍの長さで±１０μＬの容積という現行のＬＣフローセルの寸法は、光を吸収するフローセル壁（一般的には金属製）による光相互作用を避ける必要から、断面積に制限があり、その結果として光路長にも制限がある。もし一般的なフローセルの光路長を延ばすと、等価な容積を維持するために、直径と光導入部の開口は小さくされなければならない。しかし、増強された光源をより小さい寸法の焦点に集束させることにより、レイリー領域が減少し、あるいは光の無駄となり、これによって光が急速にセル壁内で屈折して、偽の吸光率及びノイズを発生させることになる。一方、同じ光源を前提とすると、より長いレイリー領域はパワー密度を減少させる。ベールの法則によれば、より低いパワー密度はより低い吸光率信号につながる。基本的に、ここで適用される、熱力学の第二法則に違反することはできないし、当該法則は、輝度保存あるいは照射保存の法則、あるいはラグランジュの不変式に具体化されている。
【００１３】
米国特許第3，954，341号で、ウッフェンハイマは改善された光学特性を持つ液体試料分析器について議論しており、その中で、管状の壁を持った光導管が説明されており、その屈折率は流れ溶液のそれより小さい。この光導波管あるいは光パイプでは、より小さい寸法の照射焦点とそれに付随してより小さいレイリー領域を必要とするより小さい開口が、光をセル内に反射させるセル壁との非吸収相互作用（総内部反射（ＴＩＲ）と呼ばれる）によって提供される。
【００１４】
液体導波管の光パイプ（被覆）は、導波管のコアであるサンプル溶液あるいは試料の屈折率より小さい屈折率を持つ（ｎclad＞ｎcore）材料で作られる必要があることが知られている。ＨＰＬＣで用いられる標準的な試料は、低濃度水溶液（ｎ＝1.333），メタノール溶液（ｎ＝1.328），あるいはアセトニトリル溶液（ｎ＝1.344）である。米国特許第4，867，559号は、光ガイド用に総内部反射（ＴＩＲ）を用いた、吸光度測定用の液体被覆の液体導波管を説明している。ツノダ他が、「応用分光法」誌の163号（１９９０年）に、ＴＩＲ液体導波管用のテフロン（登録商標）被覆（ＰＴＥＥ及びＦＥＰ）の使用を説明している。米国特許第5，184，192号は蛍光測定用のＴＩＲ液体被覆フローセルを説明している。
【００１５】
本発明では、その比較的低い（例えばｎ＝1.294）屈折率，高い透明度，及び少ない散乱によって、光パイプ用としてより良い材料であるテフロン（登録商標）ＡＦの使用を教授する。テフロン（登録商標）ＡＦはＴＦＥテトラフロロエチレン共重合体を伴った、2，2−ビス・トリフロロメチル−4，5−ジフロロ−1，3−ジオキソル（ＰＤＤ）の共重合体の商標名である。ＰＤＤの比率に応じて、広い範囲の合成物及び特性が存在しうる。このことは１９９３年５月１７日、ハワイ州ホノルルで開催された電気化学学会の第１８３回会合で、Ｗ．Ｈ．バックとＰ．Ｒ．レスニックによって発表された“2，2−ビス・トリフロロメチル−4，5−ジフロロ−1，3−ジオキソルに基づいたアモルファス・フロロポリマーの特性”に記載されている。テフロン（登録商標）ＡＦは、入手可能なテフロン（登録商標）の中で、最も低い屈折率を持つ。テフロン（登録商標）ＡＦはまたアモルファス光学特性を持ち、これはＦＥＰ，ＰＦＡ及びＰＴＦＥを含む他のテフロン（登録商標）に比べて低い光学的散乱を持つことに寄与する。米国特許第5，194，192号及び第5，608，517号は、テフロン（登録商標）ＡＦ被覆による液体導波管の設計と製作を説明している。予備的形成品からの牽引や、毛細管を製造するための押し出し工程を含む、プラスティックに一般的に用いられる現行の製造方法が、今テフロン（登録商標）ＡＦ用に使用可能である。テフロン（登録商標）ＡＦの高い引っ張り強さによって、薄い壁の，高圧の毛細管あるいは管状材料がＨＰＬＣへの適用のために使用できる。無被覆、突出製造されたテフロン（登録商標）ＡＦ２４００を用いた吸光度測定は、Ｒ．アルトコルン，Ｉ．コエフ，及びＡ．ゴットレイブによる、「応用分光法」誌Ｖｏｌ．51，Ｎｏ．10，１５５４（１９９７年）の“低屈折率の液体用の導波毛細管セル”に説明されている。彼らは標準ＰＥＥＫ（ポリエチルエチルケトン）のＬＣのＴ字管及び、Ｔ字管及びテフロン（登録商標）ＡＦ導波管内に挿入された光ファイバーを用いた、液体導波管への結合を議論している。しかし、検出感度を最適化するための、最適の光照射条件，カップリング設計への考慮，あるいは光収集条件に対して何の考慮もされていない。彼らはまた、屈折率（ＲＩ）感度を最小にする条件も提示していない。彼らは出力ファイバーの開口数0（ＮＡ）及び/又は導波管中のモードについて考慮を払っていない。例えば、テフロン（登録商標）ＡＦが曲げられたとき、モードミキシングが発生する。それゆえ、入力ファイバーによって導波管のより低位のモードが発生させられた場合でさえ、より高位のモードが液体導波管内を伝播する。これらのモードは、入力ファイバーと同じＮＡを持つ出力ファイバーによっては受け入れられない。折り曲げによって、被覆モードもまた誘導され、これらはノイズ源として、より大きい直径の出力ファイバー内に結合されうる。フレキシブルな湾曲した導波管を用いた場合、つまり溶媒の選択によって曲げ損失が変化する場合に問題となる、ＲＩ感度に対して考慮がなされていない。これに加えて、圧力によるＲＩ感度に関して、セル設計への考慮がなされていない。更に、光ファイバーの周囲に、光損失を増加させることがある圧縮継ぎ手が用いられて��る。圧縮継ぎ手はまた、テフロン（登録商標）ＡＦ液体導波管の周囲にも用いられており、これによっても同様に光伝播が制限されうる。後者の場合には、フェルールのシールからの与圧に耐えるために、堅固で大きい直径のテフロン（登録商標）ＡＦが用いられるか、あるいは、テフロン（登録商標）ＡＦ液体導波管の周りにいくつかの外部支持管が付けられない限り高圧動作は排除される。シャオビン・シーとエドワード  Ｓ．ユングの「応用分光法」誌４５，７，1199（１９９１年）に記述されているように、光導波管内の破裂を発生させるテフロン（登録商標）の周りの圧縮が示されている。最後に、露出したテフロン（登録商標）ＡＦ液体導波管の吸光度の温度感度あるいは長期ドリフトについて考慮がなされていない。
【００１６】
試料の量を減らせば、より短い分析時間とより少ない分析コストによる改善された分析が行える。マイクロカラム液体クロマトグラフィー（μＬＣ）及び毛細管電気泳動（ＣＥ）システムは、２５から１００マイクロメータの断面積での、３から１５ナノリッターのオーダのセルの容積を持つ。これまでの超小型設計では、光が液体のフローに直交して照射される、透明マイクロ毛細管を用いていた。この設計では、光が試料と相互作用する距離を大幅に減らす。ベールの法則に従うと、相互作用する距離の減少によって、高い検出感度を得ることが難しくなる。更に、必要とされるμＬＣの寸法になるように、標準液体クロマトグラフィーセルを縮小することが困難である。これに加えて、光入力断面積が小さい程、速く光の焦点を合わせなければならず、これによって光がすぐ焦点から外れ、フローセルの壁によって吸収され散乱させられる。
【００１７】
液体クロマトグラフィーは、均等な、あるいは勾配を持つ溶媒条件の双方で実行される。溶出中には、試料の濃度は時間経過に従って変化し、その結果おおよそガウス分布型の吸光率の変動が生じる。吸光度の総計は、吸光度曲線の下の面積に等しい。計算された吸光度の精度は、吸光度曲線の計算された積分値の精度によって決定される。もし吸光度測定中にバックグラウンド吸光度が変化すれば、曲線の下の面積は吸光度の測定値として、正確さで劣るものとなる。それゆえ、バックグラウンド吸光度は可能な限り安定していることが望ましい。標準のフローセルでは、基線の変化は、溶出中に起こる屈折率の変化によるものである。基線の変化の原因として典型的なのもとしては、フレネル反射，スネルの法則で示されるような屈折誘因損失，あるいは横断係数変化に対応したシュリーレン係数の変化がある。係数の変化は、フローセルを通して透過される光パワーの変化、そして、これによる測定された吸光度の変化を引き起こす。
【００１８】
化学的分析のためのフローセルあるいは光パイプを検定するに際して、材料及び試験方法の指定についての米国標準Ｅ1657−94が、メタノールとシクロヘキサンの二つの溶媒で吸光度が等しくなるアイソベスティック点での吸光度の見かけ上の変化を決定するための方法を規定している。この屈折率（ＲＩ）感度測定は、上記二つの溶媒間の屈折率の差による効果によって、見かけ上の吸収として現れる。屈折（例えばスネルの法則）によって、光パイプに入る、あるいは出る際のカップリング光の効率が変化し、これによって、基線吸光度の変化をもたらすかもしれない。被覆モードもまた誘因され、照射及び見かけ上の吸光度を変化させるかもしれない。更に、光はテフロン（登録商標）ＡＦの壁と相互作用するので、表面品質及びテフロン（登録商標）ＡＦを変化させるいかなる要因に対しても、光パイプの性能が問題となる。他の関連する物理的パラメータとしては、温度，圧力，及びガスパーミアビリティを含む。
【００１９】
本発明の目的及び概要
高い検出感度，高い分解能，高いダイナミックレンジ，低いＲＩ感度，低い熱−機械誘因ノイズを持ち、高い圧力動作を達成し、費用対効果に優れた容易な製造が可能な、ファイバーに結合された液体サンプル分析器を提供することは、本発明の一般的な目的である。
【００２０】
低い散乱とともに高い透過率をもたらす、液体フローセルを含む液体サンプル分析器を提供することは、本発明の別の目的である。
【００２１】
温度変化，圧力変化に対して低い感度を持つ、液体サンプル分析器を提供することは本発明の更なる目的である。
【００２２】
液体サンプル供給源に隣接し、光源と信号処理システムから離れた液体フローセルを持つ、サンプル分析器を提供することは、本発明の別の目的である。
【００２３】
本発明の、前述の及び他の目的は、分離カラムの近傍で、かつ光源から遠くに位置させることができる、フローセルあるいは液体導波管に結合された、光ファイバーケーブルあるいはファイバーに光を当てるために、光ファイバービームコンバイナによって接続されたファイバーに結合された光源を含む、液体サンプル分析器によって達成される。他の光ファイバーケーブルが、フローセルあるいは光パイプからスペクトラムアナライザへ光を伝える。フローセルは液体導波管の形状あるいは管状に作られた光パイプの形状であり、第一の端部と第二の端部を持ち、これらの中をサンプル液が流れる。第一の端部の蓋と第二の端部の蓋は、上記光パイプの上記第一の端部及び上記第二の端部に密閉される。入力液体通路は、光パイプの第一の端部から離されて、上記第一の端部の蓋に形成される。光ファイバーケーブルは上記第一の端部の蓋内に延び、かつ上記第一の端部の蓋に密閉される。そしてその端部は、全ての光ファイバーの光モードが上記光パイプによって捕獲され、それに沿って伝播するように、上記光パイプの上記一つの端部に光学的に結合される。環状の空間が上記光ファイバーケーブルの端部を取り巻き、上記入力通路と上記光パイプの一端の間に延びる。それによって入力された液体は、上記光ケーブルの端部を通り過ぎてサンプル液の円滑な層流を供給するために、上記光ケーブルの上記端部の周りを上記端部に沿って流れ、上記光パイプに流れ込む。出力通路は、液体光パイプの第二の端部から間隔を空けて、上記第二の端部の蓋内に形成される。出力光ケーブルは上記第二の端部の蓋内に延び、かつ、上記端部の蓋に密閉される。そしてその光ケーブルの端部は、上記光パイプに沿って伝播する全ての光モードが出力光ケーブルによって捕捉され、処理システムに伝えられるように、上記光パイプの上記第二の端部に光学的に結合される。環状の空間が、上記出力通路と上記光パイプの第二の端部の間に位置する上記出力光ケーブルの端部を取り巻き、これによって、上記光パイプから流れ出す液体が、上記出力ケーブルの端部を通り過ぎてサンプルの円滑な出力層流を供給するために、上記出力光ケーブルの端部の周りを上記端部に沿って流れる。
【００２４】
【詳細な説明】
試料源に隣接できる貫通流の液体導波管あるいは光パイプを持つ、ファイバーに結合された液体サンプル分析システムが、図１で説明される。この分析器には、１９０ｎｍから８００ｎｍのスペクトラム範囲を通して高い輝度レベルを与える、例えばジューテリウム源１１とタングステン源１２をを含んだ二重ランプ光源を含む。光源１１及び１２からの光はレンズ８及び９によって焦点を合わせられ、減衰器１３及び１４によって減衰され、光ファイバー又はケーブル１６及び１７と結合される。タングステン源からの光はフィルタ１８によってフィルタされ、モード制御器１９に供給され、光ファイバー１７ａを介してカップラ２１に結合される。モードカップラは二つのソースからの光を結合する。結合された光は光ファイバー２２に沿ってコリメーティングレンズ２３に伝わり、フィルタと校正手段２４に入力信号を与え、転じてレンズ２７によって光ケーブルあるいはファイバー２６に結合される。ここで詳細に説明するように、モードスクランブラあるいはモードストリッパ２８は光を受信し、本発明の一つの実施例に従って組み立てられた貫通流セル２９及び光パイプ３１に入力信号を与える。貫通流セル２９からの出力光は光ケーブル３４によって分光計３３に結合される。ここで、ファイバー群は、扇状の光ビームを供給することによって典型的な分光計の入力スリットをシミュレートするために、入力開口部３５で扇の形状に配置される。分光計には鏡３６，格子３７，及び検出アセンブリ３８を含む。分光計の動作は、光をその成分周波数帯に分け、波長の関数としての光の振幅を表す出力信号を供給することである。
【００２５】
その中で試料１３が分離カラム４２に供給され、試料の成分が分離される、高圧液体クロマトグラフシステム４１が図１に概略的に図示される。出力される液体は貫通流セル２９への入力として提供され、貫通流セルから出力された液体はリサイクルでき、質量分光計に提供され、あるいはゴミ箱に送られうる。カラムを離れ、フローセル光パイプ３１中を流れる液体は、サンプルの吸光度成分に比例して光を減衰させる。出力光は分光計に供給され、各波長での光強度に比例した出力信号を提供する。出力信号はデータ処理及び記録システム４４に供給され、これらは例えば、出力信号を基準信号と比較し、各波長での吸光度の度数を提供することができる。光ファイバーケーブルを用いることにより、貫通流セル２９を高圧液体クロマトグラフィーカラム４２のかなり近傍に置くことができ、これにより、分離されたサンプルがフローセルに向かって運ばれる間に分散することが無いことが認められる。
【００２６】
図２は、図１のシステムと実質的に同一のシステムを示す。そして、図中では、類似する部品に対しては類似する参照番号が付されている。このシステムでは、入力光強度に対応した基準信号は、カップラ２４からの出力を受信して信号をデータ処理及び記録システム４４に提供する検出器４６によって得られる。このようにして、この基準信号は、光強度のいかなる変動をも補正するために用いられる。
【００２７】
図３は、本発明の、遠くに位置させることが可能な貫通流セルとともに用いることができる、他の分析システムを示す。このシステムでは、光ケーブルあるいはファイバー２６に沿って伝わる光は、ファイバービーム成形器５２，鏡５３，及び走査格子５４を含むモノクロメータ５１に供給される。モノクロメータの役割は、引き続き、異なった波長の光を、貫通流液体セル２９の入力部で接続される光ケーブルあるいはファイバー５６に提供することである。言い換えれば、様々な波長の光が貫通流セルを通過するように走査されるのである。その出力は検出器５７によって検出され、検出器の出力はデータ処理記録システムに提供される。そのデータ処理記録システムは図２の実施例のように、基準信号を受信し、貫通流セル２９を貫通して導かれた光の各波長に対する吸光度の度数を提供するために、その信号を処理する。
【００２８】
図４に、液体サンプル貫通流セル２９が詳細に示されている。このセルは、その中を液体が流れる光パイプ６１を含む。光は光パイプに沿って伝送される。光パイプ及び流れる液体が、それに沿って光をガイドする導波管を形成する。光パイプ６１は管状の構造で、そこを貫通して流れる液体サンプルの屈折率より小さい屈折率を持つ物質でできている。端部の蓋６２と６３は光パイプの端部で密閉される。端部の蓋６２及び６３はポリエチルエチルケトン（ＰＥＥＫ）で作ることができ、端部片６６及び６７を含む。この端部片は光パイプの端部及び端部の蓋まで延び、かつ、端部の蓋と一体となってその端部を密閉する。最大限多数のモードを伝送するためにテフロン（登録商標）ＡＦで被覆されることがある、入力光ファイバーあるいはケーブル２６は、端部の蓋６２内の内腔６９に加圧はめ込みされる。光パイプは、入力ファイバーあるいはケーブルの直径と等しいかあるいはそれより大きい内径を持ち、これによりファイバーの全ての出力モードが光パイプによって捕獲される。光パイプ６１は、低いガスパーミアビリティを持つ材料でできた本体７１に閉じ込められ、端部の蓋６２及び６３で密閉される。本体７１はまた、液体が高圧でフローセル内を流れる場合に光パイプの膨張を防ぐ。図４で示される実施例では、入力光ケーブルは光パイプ６１のコア内に延びる。ここで説明されるように、光ファイバーの端部は、光パイプが光ファイバーによって伝送された全モードを捕獲するように、光パイプに結合されさえすれば良いこと、が理解できるであろう。液体サンプル入力通路７２は端部の蓋６２内に形成され、環状の空間７３で終端する。この環状の空間はファイバーの端部と端部の蓋内の広がった内腔７４との間のギャップによって形成される。このことにより、液体はファイバーの端部に沿って、かつその端部を通過して円滑に流すことができ、光パイプ内への、液体の実質的な層流が存在することになる。光パイプを離れる液体は、出力ファイバー７７と端部の蓋６３との間の環状の空間７６、そして通路７８を貫いて流れる。出力ファイバー３４もまた端部の蓋６３内に形成された内腔７９に加圧はめ込みされる。出力ファイバーは、伝送を最大にするために全ての光出力モードを捕獲すべく、光パイプの直径と同じあるいはそれより大きい直径を持つ。
【００２９】
図１及び図２のモード制御器２８は、屈折率感度（ＲＩ）の問題及び基線ノイズを発生させる、光パイプ中でガイドされない光モードを除去し、高感度を達成するために光パイプ内に注入されたモードを最適化する。最適なモード制御器が、カルフォルニア州アーヴィンのニューポート研究会社から入手でき、マルチモードファイバーに適合させられる。光はファイバー２６の端部８１から光パイプコア内の液体に照射される。図４で示される例では、光パイプの端部は光パイプのコア内に延びている。これによって全ての光モードが捕獲され、光パイプに沿って伝送される。光パイプ及び流れる液体によって作られる液体導波管内を伝送される光は、出力光ファイバー３４の端部８２で収集され、ファイバーに沿って分光光度計あるいはポリクロメータに伝送される。この分光光度計あるいはポリクロメータは波長の関数としての光強度を表す出力信号を提供する。
【００３０】
以下の詳細な説明と分析は、分析器が改善された感度で動作することができるような、光パイプあるいは液体導波管の特性に向けられる。液体導波管内に結合されるより高位のモードは、ノイズ源となりうる。即ち、それらは、試料内を通らずに光パイプ（被覆）内を通り、検出器にバックグラウンドノイズとして伝わる。このことは、比較的短いマルチモード液体導波管の場合に特に正しい。というのは、ガイドされていないモードが除去されるためには、数百メートルから数キロメートル必要だからである。クロマトグラフィーで用いられる光パイプの長さを前提とすると、ガイドされないモードは光パイプによっては除去されない。
【００３１】
導波管が曲げられると、マクロ曲げ損失が発生する。これは、真っ直ぐな液体導波管が、曲げられた液体導波管より多くのモードを維持することを意味する。従って、原則として、曲がった導波管より真っ直ぐな導波管の方が好ましい。曲がった液体導波管をＬＣ用に有効に利用するためには、導波管の形態（真っ直ぐあるいは曲がった）によって維持され、光ファイバー−光パイプ間のインターフェース接続によって効率的に結合され、導波管の表面品質によって維持されるモードが照射されなければならない。ＲＩ感度が問題となる場合には、正しくガイドされたモードを照射し維持することもまた重要である。
【００３２】
被覆モードを除去するためにモード除去器が用いられるかもしれない。導波管係数の関係は、
ｎcore＞ｎTeflonAF＞ｎair
である。液体クロマトグラフィー（ＬＣ）での、一般的なコア溶媒は、水（ｎcore＝1.333），メタノール（ｎcore＝1.328），アセトニトリル（ｎcore＝1.344）である。従って、テフロン（登録商標）ＡＦ２４００（ｎ＝1.294）あるいはテフロン（登録商標）ＡＦ1600（1.31）を光パイプとして用いることができる。光パイプの屈折率が低くなる程、光パイプの受容角度がより大きくなる。これによってより多くの光を光パイプ内に集束させることが可能となり（より大きな受容角度）、吸光度測定のダイナミックレンジ及び光パイプの吸光度感度を増やすことになる。
【００３３】
液体導波管内で伝播可能なモードの範囲は、光パイプの設計及び光パイプ内に照射される光の入射角度に依存する。より高位のモードは液体中でより長い距離を伝わり、吸光度感度を上げるので、光パイプの設計と光照射条件が、より高位のモードの照射及びガイドを規律することになる。もし、より高位のモードでの十分なパワーが存在するのであれば、光パイプへの注入前により低いモードを阻止することにより、光パイプの吸光度感度を上げることができる。液体導波管の受容半角（あるいはカットオフ角度）は次の式で決定される。
【００３４】
θaccept＝arcsin［（１/ｎext）√ｎ12-ｎ22］
ここで、ｎ1及びｎ2は、それぞれコア（溶媒）及び光パイプ（テフロン（登録商標）ＡＦ）の屈折率であり、ｎextは外部媒体あるいはインターフェース材料である。通常は液体導波管の受容角度はｎext無しに、即ち空気インターフェースに対してｎext＝1として与えられる。しかし、液体導波管を伴った状態では、溶媒は何らかの種類の開口部によって、ガイドの中に封じ込められなければならない。先述の表現を用いて、３つの異なったインターフェースに対する受容角度が表１に示される。
【００３５】
表１
0003657900.tif 000002
【００３６】
0003657900.tif 000003
【００３７】
0003657900.tif 000004
【００３８】
（１）  シクロヘキサンでは、より多くの光モードが伝播すること、及び、
（２）  インターフェース物質の屈折率が小さい程、モードの数が大きいこと
が理解できる。前者はクロマトグラフィーによって記録でき、後者は光パイプの設計によって制御できる。光の最適な円錐角度を作るレンズあるいは光ファイバーによって、光を光パイプに結合できる。
【００３９】
本発明は、端部がテフロン（登録商標）ＡＦで被覆されるとともに、その端部が溶媒と密接に接触している、光ファイバーの使用を支持する。この構成において、光ファイバー内への光照射条件及び、テフロン（登録商標）ＡＦを通過して光パイプに入るまでの光ファイバー内での光の伝播角度，が受容角度及び以下のスネルの法則から見出される。
【００４０】
ｎairｓｉｎθair＝ｎfiberｓｉｎθfiber＝ｎAFｓｉｎθacceptance
ここで、ｎairは空気の係数であり、ｎfiberはファイバーコアの屈折率であり、ｎAFはテフロン（登録商標）ＡＦ光パイプの係数である。液体導波管のメタノールと直接接触する光ファイバーであって、その端部にテフロン（登録商標）ＡＦを持つとき，持たないときの光ファイバーにおける、光照射及び伝播条件が表２に示される。
【００４１】
表２  異なるインターフェース材料における光照射θair及び伝播角度
0003657900.tif 000005
【００４２】
ガラスからテフロン（登録商標）ＡＦへの受容角度の増加は小さいように見えるが、それは光パイプに注入できるパワー密度（これは半径に対して二次の関数である）を増加させ、より高位のモードの数を増加させる。ＬＣ光パイプのために用いられる、小さい直径のファイバーへのカップリング用の小さい寸法の焦点が必要とされる場合に、このことはより重要になる。この場合、小さい寸法の焦点を作るために、より俊敏なレンズが必要とされる。それに加えて、ファイバー上のテフロン（登録商標）被覆は反射防止（ＡＲ）被覆として作用し、光パイプ内への照射パワーを更に増加させる。
【００４３】
明らかに、光はレンズ８及び９によって、適切な受容角度で、光ファイバー内に照射されなければならない。光パイプ内への光（損失）であるカップリング外れを防止するために、光導波管内のモードミキシングは最小限に抑えられなければならない。高い開口数（ＮＡ）でのモードミキシングあるいは大きい受容角度のファイバーは、許容された、ファイバーのより高いモードに光をシフトさせることになる。これらのより高位のモードは、メタノールで充填された光パイプ内にはガイドされないが、シクロヘキサンで充填された場合にはガイドされるようにすることができる。これは、屈折率あるいはＲＩ感度に影響し、逆相クロマトグラフィーでの基線のドリフトを助長する。もし必要であれば光を液体導波管に導く前に、いくつかのより高位のモードを除去するために、モード除去器を用いることができる。ＨＰＬＣでは、波長が１９０ｎｍから８００ｎｍの光が使用される。紫外線（１９０ｎｍから４００ｎｍ）は、通常、光ファイバーを光学的に暗化し、使用すためには吸収しすぎる状態にする。これは感光と呼ばれる。非感光性の光ファイバーがアリゾナ州・フェニックスのポリマイクロ・テクノロジー社から入手可能である。これは高純度シリカ（時には欠損が補償されている）のコアと、重金属がドープされたシリカあるいはテフロン（登録商標）ＡＦの被覆で作られている。現在、空気インターフェースを基準とし、図３の受容角度におけるＮＡが0.22，0.33，及び0.66の、３つのファイバーが入手可能である。0.33ＮＡファイバーを使用すると、メタノールを液体コアとする光パイプ内に、より多くのガイドされたモードを照射することができる。
【００４４】
表３.  光ファイバー仕様の表
0003657900.tif 000006
【００４５】
屈折率感度（ＲＩ）は、ＨＰＬＣ等級メタノールのコアのために、次いでシクロヘキサンのコアのために、２８０ｎｍでの光パイプの照射Ｔによって決定される。これらの吸光度（Ａ＝ｌｏｇ［１/Ｔ］）の差がＲＩを示す。
【００４６】
ＲＩ＝ＡMeOH-Ａcyclo＝ｌｏｇ［１/ＴMeOH］-ｌｏｇ［１/Ｔcycl］
吸光度,フレネル反射,屈折,シュレリエン効果,及び他の要因が、各溶媒での照射を決定する。メタノールの吸光度とシクロヘキサンの吸光度は２８０ｎｍにおいて非常に近い値であり、係数に依存する要因のみが、検出器信号を決定する際に意味を持ってくる。許容できるＲＩ感度値は通常等価基線偏移の１０ｍＡＵ以下であり、小さい程好ましい。ＭｅＯＨ導波管とシクロヘキサン導波管の照射の違いである２％が、ＲＩとして８．７ｍＡＵを生み出すことになる。
【００４７】
クリティカル角度は係数に依存するため、ＲＩ感度は光パイプ内に照射されたモードに依存する。通常のθ1を基準とした場合の光の角度が、クリティカル角度θcより大きいとき、即ち、θ1＞θcあるいはθ1-θc＞０であるとき、スネルの法則は液体コアテフロン（登録商標）ＡＦ被覆インターフェースにおいて満足されない。θ1は以下のようにスネルの法則から決定される。
【００４８】
θ1＝90-θr＝arccos（ｎi/ｎ1sinθi）
液体導波管の外側の入射角がθiであり、屈折率がｎiである。クリティカル角度は、
θcritical＝arcsin（ｎ2/ｎ1）
である。
【００４９】
図５は、ｎi＝１での、３つの異なった液体コアでのθ1-θc対θ1のプロットである。θ1-θc＞のとき、全ての光が完全に内部反射され、ガイドされる。θ1-θc＜のときには、光はインターフェースで屈折及び反射し、それらの光線について照射損失が増加する。これは、シクロヘキサンで起こるよりも小さな入射角あるいは受容角で、ＭｅＯＨ及びＨ2Ｏで起こり、これを超えるとＲＩが増加する。
【００５０】
二つの異なった液体導波管でのカップリング損失の違いを理解する別の方法は、光ファイバーにについての、それらの開口数のミスマッチを通して観察することである。各溶媒は特有のＮＡ＝√（ｎ12-ｎ22）を持った液体導波管を形成する。ＮＡミスマッチで結合された導波管（ファイバーから液体への導波管）の照射は、Ｔ＝［ＮＡ1/ＮＡ22］である。ＮＡミスマッチの吸光率はこれにより、
Ａ＝ｌｏｇ［（ＮＡsolvent/ＮＡfiber）2］
と表現できる。もし照射ファイバーＮＡが溶媒ＮＡより小さければ、損失あるいは見かけの吸光率はゼロである。照射を最大とするために、より大きなＮＡを持った受信導波管を持つことが好ましい。更に、各溶媒は液体導波管に対して異なったＮＡを作り出し、これによってＲＩ感度に影響を与えうる。メタノールあるいはシクロヘキサンとテフロン（登録商標）ＡＦ（２４００）導波管間のＮＡは、それぞれ0.3と0.6である。表４は、これらの条件での、有効吸光率とそれによるＲＩ感度を示す。
【００５１】
表４．開口数（ＮＡ）ミスマッチによる有効吸光率（Ａ）と１ＲＩ感度
0003657900.tif 000007
【００５２】
これらの観察は、ＲＩ感度を最小にし、光カップリングを最大にするための、以下の設計に必要な配慮につながる。
【００５３】
ＮＡInOF≦ＮＡLW≦ＮＡOutOF
ここで、ＮＡInOF，ＮＡLW，ＮＡOutOFは、それぞれ入力光ファイバー，液体導波管，及び出力光ファイバーの開口数である。これに加えて、最大カップリングのためには、入力光ファイバーの直径ｄInOFは液体導波管の内腔ｄLwのそれと同じ、あるいは小さくなければならないし、出力光ファイバーの直径ｄOutOFは、液体導波管の内腔のそれと同じか、あるいは大きくなければならない。
【００５４】
ｄInOF≦ｄLW≦ｄOutOF
ＲＩを決定する他の要因は、光ファイバーとテフロン（登録商標）ＡＦ光パイプの内腔間の近接である。これまでの設計では、溶媒が光パイプに流入し、これから流出できるように、ギャップが存在する。ギャップ長ｚ，二つのファイバー間の係数ｎ0，開口数ＮＡ，半径ｒでの吸光度は、
Ａ＝ｌｏｇ［1/（1-ｚＮＡ/2ｒｎ0）］
である。ギャップはｎ0＝1.328のＭｅＯＨあるいは、ｎ0＝1.426のシクロヘキサンのいずれかによって満たされるので、ギャップが存在するときには光損失の違いが発生することがあり、これはＲＩ効果につながる。許容されうるＲＩ値を得るためには、光パイプの直径，光ファイバーの直径，及びそれらの開口数が整合するときに、光ファイバーを、光パイプの内腔から0.010インチ（〜ＲＩの６ｍＡＵ）以内に保つことが好ましい。
【００５５】
他に、吸光率が
Ａ＝ｌｏｇ［1/（1-（8ｎ0sinθ）/（3πＮＡ））］
で表される場合に、ＲＩの発生源は角度のミスアラインメントである。ここで、θは光パイプの光軸に対するファイバー軸の角度である。７ｍＡＵ以下のＲＩ感度を得るために、角度のミスアラインメントは１度以下に保持されるべきである。もし光ファイバーが光パイプに挿入されるのであれば、液体が通過できる隙間が無ければならない。この隙間によって角度のミスアラインメントが発生しうるので、光をファイバーへ入射し、その光が光パイプに入射することによっては、必ずしも角度のミスアラインメントによる光損失、あるいは角度のミスアラインメントによるＲＩ感度の問題を排除し切れない。
【００５６】
曲げによってコア被覆インターフェースへの光の入射角度が変わり、総合内部反射の状態を変え、これによって、カップリング外れあるいは損失を増加させる。曲げ損失はまた、導波管中の液体に応じて液体導波管において変化し、これはＲＩ感度の問題を引き起こす。これに加えて、液体導波管を冷却することにより、より高位のモードのカップリング外れを引き起こし、検出感度を減少させる。更に、光は被覆内を伝播しうるので、出力ファイバーによってノイズとして捕獲されうる。被覆モードは、検出感度とダイナミックレンジを減少させる基線ノイズ源になりうるので、回避されるべきである。もし液体導波管が輪状にされるなら、その曲げ角度において、そして結果として生じるモードミキシングにおいて損失が多大とならないモードまで、モード制御器によって入力モードが減らされなければならない。
（１）フレネル反射，（２）ＮＡ不整合，（３）距離的分離，（４）角度のミスアラインメント，及び（５）曲げ損失、を含む前記の係数依存の吸光度の差は、蓄積的なＲＩを引き起こす。光パイプがこれらの係数依存の損失を回避できるように設計されていない限り、ＲＩ感度（及びそれによる基線の撹乱）は受け入れ難い程に高い。
【００５７】
光ファイバーの受容半角の方程式によると、半角として12.9度あるいはそれ以下が許容される。マルチモード光ファイバーでは、より大きい角度も許容されるが、液体導波管では許容されないかもしれない。それに加えて、モデル化された物理的条件では、ＲＩについて許容される公差は、直径0.020インチから0.022インチの間ある。更に、より大きい直径（＞0.02インチ）への偏りの方が、より小さい直径（＜0.02）より好ましい。この公差は、光パイプを先細にすることが可能であり、もしかすると望ましいことをも示す。同様の部品が図４と同じ参照番号で示される、図６の例によって示すと、光パイプ６１の入力部の直径は0.022インチであり、出力部のそれは0.022インチである。このようにして、同等の直径の、入力及び出力光ファイバー２６及び３４を使用することができる。
【００５８】
帯域のブロードニング及び光散乱を引き起こす乱流を避けるために、光パイプを通じての層流を維持することが重要である。液体注入が光入射を妨げないこともまた重要である。これまでの光パイプとフローセルでは、液体は入力開口部に平行に、あるいは光路と垂直に注入され、その後液体導波管内に向けて鋭く折れ曲げられていた。
【００５９】
ファイバーに結合された光パイプのケースでは、光パイプの壁に沿ったオリフィスは、液体導波管を通じて光路を維持する総合内部反射プロセスにとって有害である。更に、入力管の直径は通常、ミリリットルの容量の光パイプでは0.010であり、0.020の直径の光パイプへの0.010の穴の場合には、かなりの数の壁部分を取り除くことが要求される。
【００６０】
より良いアプローチが図４に示される。最初の設計では、端部の蓋とテフロン（登録商標）ＡＦ光パイプの間のシールが、ＰＥＥＫの先端上で、テフロン（登録商標）ＡＦを半径方向に圧縮することによって作られる。液体は初め、光ファイバーの周りを流れることによって液体の導波管に入る。液体導波管内に対称的に入る前に液体が完全に光ファイバーを包むように、液体は多岐管あるいは環状の空間に入る。この設計あるいは、ここで説示されたことによって想像できる他の設計によって、密閉及び液体導波管の連続性及び総内部反射プロセスを壊すことなく液体及び光の導入が達成できる。
【００６１】
ＨＰＬＣシステムのポンプはほとんどの場合、溶媒の粘性の変化に応じて出力圧力が変化するように、一定のフローモードで動作する。勾配溶出中にもまた、粘性が変化する。圧力変化は粘性の変化に直接比例している。テフロン（登録商標）ＡＦは圧力変化によって膨張しうるので、光パイプのコアの直径は変化しうる。これらの変化は本体７１によって最小化できる。光パイプの光入力端では、圧力により引き起こされる膨張が光受容開口を増やすが、光出力端の膨張は光損失を増加させうる。もしテフロン（登録商標）ＡＦの光入力端が、最初に光ファイバーによって注入された全てのモードを捕獲すれば、膨張が与える影響は少ししか無いが、圧力減少による収縮はカップリングに影響しうる。光が、テフロン（登録商標）ＡＦ光パイプから出力光ファイバーへ結合される部分では、圧力増加はガイドが光ファイバーより大きく膨張する原因となりうる。逆位相勾配の最中に起こりうるガイドの直径の増加は、テフロン（登録商標）ＡＦの内腔とカップリング外れした光ファイバーの間の直径のミスマッチを引き起こすことがある。
【００６２】
光出力端でのテフロン（登録商標）ＡＦ光パイプのわずかな収縮は、光パイプからファイバーへ結合された光には、わずかな変化しか与えない。上記条件の多くの組合せは、光パイプの設計及び圧力変化の範囲によって起こりうる。そしてＲＩ感度と圧力依存の短期ノイズを発生しうる。圧力変化を考慮するために補正された、前記の開口数及び直径の不一致を用いて、光パイプの圧力過敏性を避けることができる。これに加えて、モードを制御することによって、圧力による光パイプの感度を制御することもできる。
【００６３】
モードを制御することは、クロマトグラフィーの実施に使用される、液体導波管の動作を最適化する上で最も重要である。モード制御器によって、全てのＲＩ問題が取り扱われ、かつ制御される。即ち、光ファイバーに注入された光の入力円錐角度を制御することによって、システム中を伝播するモードを選択することができる。これは、可変アイリス，空間ブロッキングフィルタ，回折素子、あるいはこれらの素子の組合せによる可変レンズシステムによって達成可能である。これに加えて、光が光ファイバーに注入された後に、不必要なより高位のモードを除去するために、ファイバーモード除去器を用いることができる。
【００６４】
いくつかの光源では、光パワーはモード帯域中を通じて均一に分配されない。空間的に均一な光源を作るために、きつく巻かれた光ファイバー内でモードミキシングあるいはモードスクランブリングを行うことができる。
【００６５】
モードミキシングは、光源が非均一のときに重要である。ＬＣに使用されるタングステン−ハロゲンランプにおいては、通常これに該当する。均一のビームを発生することは、高い強度のホットスポットによる光漂白を防止するために役立つ。モードミキシングは通常、図１から図３の１９に示されるようにファイバーを巻きつけることによって、あるいは、ファイバーの短い区間に沿って鋭い曲げを加えることによって達成される。
【００６６】
広く拡散された光は、もしそれが試料によって吸収されずにその後検出システムに入った場合には、システムのノイズを増す。光損失は、液体テフロン（登録商標）ＡＦインターフェースが“光学的に滑らか”でない場合に起こる散乱によって発生する。アルクトーン他によって議論されているように、内表面品質もまた、溶媒によっては、損失差を生むことがある。これらの差は、ＲＩ効果を発生させる。例えば、もし二つの溶媒の散乱損失による照射差が1.1％であれば、これは-５ｍＡＵに相当するＲＩ感度につながる。散乱は、粗さを波長の二乗で除したものに比例する。より短い波長は、より散乱しやすい。テフロン（登録商標）ＡＦのラム押し出しにおける内部表面品質は、押し出しダイの表面品質及び押し出し工程制御によって達成される。カリフォルニア州サンディエゴのバイオジェネラル社は0.0003インチ以下あるいは7マイクロメータ以下の表面偏差を報告している。この偏差は、ＬＣで使用される最も短い波長に比べて非常に大きい。その代わりに、予備的形成品からのテフロン（登録商標）ＡＦの牽引によれば、予備的形成品の品質及び製造条件に依存する表面品質が得られる。発表文献で認められる散乱損失はＵＶ波長、特に長距離液体導波管でのＵＶ波長、にとっては容認できないので、製造方法及び工作機械器具、あるいはテフロン（登録商標）ＡＦの後処理を改善して、内部表面粗さを減らす必要がある。テフロン（登録商標）ＡＦ光パイプの内部表面品質を制御する方法がいくつかある。表面粗さを減らすために、テフロン（登録商標）ＡＦ管は超平滑マンドレル上に押し出されることができる。テフロン（登録商標）ＡＦが硬化させられた後、マンドレルとの関係でテフロン（登録商標）ＡＦを熱的に膨張させるために加熱することによって、マンドレルから除去することができる。押し出し後に、マンドレルを用いて内部表面粗さを減らすこともまた可能である。この工程でテフロン（登録商標）ＡＦは、最初に内腔を拡張するために加熱され、次に内腔内に超平滑マンドレルが挿入される。テフロン（登録商標）ＡＦがマンドレル周辺で若干収縮するように、テフロン（登録商標）ＡＦの温度は低下させられる。テフロン（登録商標）ＡＦが高温状態で、加熱せずに流れるようにするために、十分な時間が与えられる。テフロン（登録商標）ＡＦがマンドレルの表面に整合するように、テフロン（登録商標）ＡＦの流れを援助するために、圧力もまた加えられることがある。その後上述のように、マンドレルは加熱工程を経て、取り除かれる。この分野で、表面を平滑化するために他に行われている方法として、内腔中を加工処理したスラリーが通過する方法，あるいはプラズマエッチングが含まれる。
【００６７】
テフロン（登録商標）ＡＦ光パイプの厚さは、光パイプへの一過性の光波の透過よりも厚くなるように調整されなければならない。光パイプ内への電磁界の減衰は
Ｅ＝Ｅ0ｅｘｐ（-δ/ｄp）
のように表される。ここで、δはインターフェース表面からの距離である。透過深さｄpは光波長λ及び入射角θの関数である。ここで、
ｄp＝λ[2*ｐｉ*（ｎ2core*ｓｉｎ2θ-ｎ2cladd）]1/2
である。透過深さは波長の増加とともに増加し、入射角の減少とともに減少する。λ＝589ｎｍ，入射角85°において、ｎcore＝1.328でｎclad＝1.294の場合、電界Ｅは、距離δ＝ｄp＝3.4ミクロメータにおけるその初期値の1/ｅに減少する。一般的に、より短い波長とより高位のモードでは、より小さい透過深さとなる。要求される光学的厚さは非常に薄いことがわかる。一般的に、特性透過深さｄpの１０倍の光パイプ被覆厚さ
ｄclad≧10×ｄp
が用いられる。緩衝器あるいは外部支持部材無しの場合、動作時の圧力範囲に順応させるためには、テフロン（登録商標）ＡＦの被覆厚は増やされなければならない。例えば、もし最大内圧が500ｐｓｉであって、破裂圧の３倍の壁厚を確保したいとすると、壁厚はほぼ0.028インチでなければならない。更に、一定のフローレートシステムでの粘度変化に起因する圧力変化が、光パイプの直径を増加させる。
【００６８】
液体源とのインターフェースでは、層流を維持するために液体の自由な流れが許容されなければならないし、光ファイバーインターフェースを貫通する光パワーの流れを妨げてはならない。今の図１の例では、以上の全ては、光ファイバーと隣接部材間のインターフェース嵌めによって達成される。光フィールドを撹乱するための圧力が高すぎる場合には、ファイバーは、いずれの圧縮法でもガスケットシールとして機能するテフロン（登録商標）によって被覆されることがある。テフロン（登録商標）の柔軟性はシリカガラスファイバーの圧縮を最小化し、これによって光フィールドの撹乱を避けることができる。被覆は緩衝器あるいは付加層となりうる。
【００６９】
テフロン（登録商標）ＡＦは非常に高いパーミアビリティーを持つ。事実、テフロン（登録商標）ＡＦ２４００は現在ＨＰＬＣガス抜き用のガス抜き材料として使用されている。テフロン（登録商標）２４００のガスパーミアビリティは、ポリカーボネートのような従来のポリマーより、２桁以上大きい。ポリ１-トリメチルシリル-１-プロピン、あるいはＰＴＭＳＰが、テフロン（登録商標）ＡＦを超えるガスパーミアビリティを持つ唯一の材料である。ガスの内部拡散は吸光度測定値を変えてしまうことがある。ガスの内部拡散効果は、溶媒のフローレート、外部圧力及びテフロン（登録商標）ＡＦの長さに依存する。ＬＣでは高いフローレートが一般的に用いられるため、光パイプは非常に長くなければならないことから、光パイプが真空中に置かれることが要求される。従って、非常に低い吸光率の測定のためには、真空閉じ込めが適切である。
【００７０】
導波管の直径はμＬＣ，ＬＣ，及びＣＥでの適用のために調整されうる。直径に対する制限は、光ファイバーと液体導波管間の相互接続からのみ発生する。それは、ファイバーコアの直径は、使用される波長で最も長い波長の光を伝播できなければならないということである。例えば、ＬＣでは、典型的な波長範囲は１９０ナノメーターから８００マイクロメータである。λ＝８００ｎｍファイバー用の最小コア直径は、１２．５ミクロンであり、光パイプ直径は約２５ミクロンである。従って、ファイバー結合された最小のテフロン（登録商標）ＡＦ内径は約１０ミクロンとなる。容積１０ｎＬで直径１０ミクロンのμＬＣでは、長さは12.74ｍｍである。これは、従来のμＬＣ吸光度測定セルより約１０倍長い。広い帯域を持つ光を小さいコアに結合することは、色消しレンズを用いても難しいが、適切な反射面を用いることによって達成可能である。ＬＣセルでは、通常の容積は１０から１５マイクロリッターである。ファイバー入力を用いる際のテフロン（登録商標）ＡＦ内腔への制限はまた、光ファイバーにのみ依存する。ファイバーの代わりにウインドーが用いられるならば、テフロン（登録商標）ＡＦの内腔の直径は、光導波管の開口数及び焦点寸法あるいはテフロン（登録商標）ＡＦの内腔の直径によって支配される。内腔の直径として同じ１０ミクロンを用い、同じ１０マイクロリッターの容積を用いると、セル長は約１２７メーターとなる。このようなセルは超低吸光度検出としての用途に用いることができ、テフロン（登録商標）ＡＦ吸光度液体導波管のスケーラビリティーを示す。一般的に、１１マイクロリッターの容積のセルは0.5ｍｍの直径と５０ｍｍの長さを持ち、標準フローセルの５倍の感度を与える。
【００７１】
テフロン（登録商標）ＡＦ２４００の熱膨張の体積膨張係数は301ｐｐｍ/℃である。熱によって引き起こされるテフロン（登録商標）ＡＦの膨張は、ＬＣ機器の動作温度範囲では、光パイプの直径に対して大きな影響は与えない。しかし、ＲＩ問題を引き起こす、熱による溶媒の係数変化は、技術常識として知られている（米国特許第4，192，614号参照）。米国特許第4，192，614号を類推して、光パイプの外側部は、テフロン（登録商標）ＡＦが迅速に熱平衡に達するように援助する、大きな熱容量を持つ、鉄，真鍮，アルミニウム等の熱伝導性の材料内に包まれなければならない。しかし、我々は液体導波管は無拘束であることを希望するので、テフロン（登録商標）ＡＦは、導電性のグリース，あるいはシリコン接着剤あるいはゲル，あるいは他の適切な材料を介して、金属容器と熱的に接触するようにされなければならない。更に、米国特許第4，192，614号に示されるように、液体をフローセルに伝えるパイプは熱伝導性の材料で作られるべきであり、入力液が熱平衡になるように、光パイプの外側体と接触されうる。
【００７２】
ＬＣでは、多くの異なった苛酷な化学物質が用いられるので、光パイプは不活性の材料で作られなければならない。これに加えて、ＬＣによる蛋白質の定量測定では、鉄のように、蛋白質を変性しない材料が要求される。テフロン（登録商標）ＡＦとＰＥＥＫは、ここで説明される光パイプの製造に用いられる、非常に不活性な材料である。いくつかの場合には、重金属ドープの融解石英によって作られた光ファイバーが、特定の用途に用いられる溶媒によって腐食される場合がある。しかし光ファイバーは、この潜在的な問題を避けるために、テフロン（登録商標）ＡＦによって被覆されうる。
【００７３】
図４に示されるように、入力光ファイバーは光パイプの内腔内まで延びる必要は無い。入力光ファイバーは、溶液の最も低い屈折率、及び光ファイバーと光パイプコアの直径に依存する臨界距離内にあれば良く、大体0.004インチかそれ以下である。図７は、その入力端が入力ファイバー２６の端部から離れた、光パイプ６１を示す。ファイバーの支持部８６はシール８７によって、光パイプ３１へシールされる。光ファイバーの端部２６は、サンプル液が光パイプ中に流入できるように、距離ｄcだけ離される。距離ｄcは光パイプ３１の内径より大きくてはならず、溶媒の屈折率に依存する。
【００７４】
物理的寸法を最小にするとともに、より長い光路を与えるために、光パイプは曲げられたり、環状にされたりする。環状の光パイプ８８を持つ液体サンプル分析システムが図８に概説されている。ここで、図４の部品に類似する部品には、図４のと同じ参照番号が用いられている。上述のように、入力モードはＲＩを最小にするように調整されなければならない。
【００７５】
試料源に隣接して置くことが可能で、光源，光素子，及び信号処理エレクトロニクスから遠く位置し、液体導波管あるいは光パイプを持ち、貫通流セルを持つファイバー結合の分析システムが提示される。高ＮＡで、液体コアの、総内部反射によって光をガイドする緩衝器無しの液体貫通流セルを持ち、試料の吸光度を決定するための、高性能液体クロマトグラフィー（ＨＰＬＣ），毛細管液体クロマトグラフィー（μＬＣ），及び毛細管電気泳動（ＣＥ），毛細管電気クロマトグラフィー（ＣＥＣ），超臨界液体クロマトグラフィー（ＳＦＣ），フロー注入分析（ＦＩＡ）及び関連技術に用いられる、新規な方法及び構造が教示される。貫通流セルとしては、高い吸光度感度，低散乱ノイズ，高照射効率，低ＲＩ感度，圧力変動及びガスパーミアビリティに対して低感度であって、押し出しされたテフロン（登録商標）ＡＦ管から、あるいはテフロン（登録商標）ＡＦの予備形成品からの牽引によって容易に製造できる、光パイプを含む。本発明の一つの実施例では、光パイプは、吸光度感度を増加させるより高位のモードに対して最適化され、低いＲＩ感度を持ち、高い照射効率と低散乱ノイズを持ち、温度変化及び圧力変化に対して比較的鈍感であり、広い圧力範囲で動作し、圧力変化とガスパーミアビリティに対して低い感度を持ち、押し出しされたテフロン（登録商標）ＡＦ管から、あるいはテフロン（登録商標）ＡＦの予備形成品からの牽引によって容易に製造できる。テフロン（登録商標）ＡＦは非常にに透明で散乱しないため、本発明の更なる実施例では、蛍光測定を用いることもできる。
【００７６】
本発明の特定の実施例についての前述の記述は、例示及び説明の目的のために示されてきた。それらは網羅的であることを意図したものでも、本発明を、正確に開示された形式にのみ限定することを意図したものでもない。そして、明らかに、上記の教示に照らして、多くの改良と変化が可能である。実施例は、本発明の原理及びその実際の適用を最も良く説明し、それによって他の当業者が本発明を最も良く実施できるようにするために選択され説明されてきた。そして、特定の用途に適した、様々な改良を伴った様々な実施例が熟慮されている。本発明の範囲は、ここに添付された特許請求の範囲及びその均等物によって規定されることが意図されている。
【図面の簡単な説明】
本発明は、添付図面と共に読むことにより、詳細な説明によって更に明確に理解できるであろう。そしてその図面として：
【図１】は、本発明の一つの実施例に従った液体分析システムの構成図である。
【図２】は、基準信号検出器を採用した液体分析システムの構成図である。
【図３】は、モノクロメータを採用した液体分析システムの構成図である。
【図４】は、図１から図３に示された液体分析システムで使用するための貫通流液体セルの拡大断面図である。
【図５】は、３つの異なった液体コアでのθi-θc対θ1のプロットである。
【図６】は、図１から図３に示されたタイプの分析システムで使用するための、先細の光パイプを持つ貫通流液体セルの拡大断面図である。
【図７】は、光パイプ内への光の結合のために異なった配置を持つ、貫通流セルの入力部の断面図である。
【図８】は、ループ状の光パイプを採用した液体貫通流セルの構成図である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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