(57)【要約】マルチチャネル蛍光センサは、水中コネクタを備えた防水性ハウジングにおいて結合された光学的モジュール及び電子的モジュールを有する。蛍光センサは、センサの定期的な感度検査のための一体型目盛り校正器を有する。光学的モジュールは1つ又は複数の励起チャネルと、1つ又は複数の発光チャネルとを有し、これらは相互フォーカシングシステムを利用する。この相互フォーカシングシステムの効率を向上するために、励起チャネル及び発光チャネルは、それぞれ、1つ以上の球状レンズを備えたマイクロコリメータを有する。各励起チャネルは発光ダイオード及び光学フィルタを有する。各発光チャネルは、プリアンプを備えたフォトダイオード及び光学フィルタを有する。電子的モジュールは光学的モジュールに直接接続し、ロックインアンプ、電源サプライ、及びA/D変換器及びコネクタを備えたコントローラを含んでいる。目盛り校正器は励起強度に比例する反応を与え、分析される蛍光物質の蛍光スペクトルパラメータと適合する。
2005522668.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
溶液中の蛍光物質を測定するためのマルチチャネル蛍光センサであって、
防水性のハウジングと、
相互フォーカシングシステムに操作的に接続された少なくとも1つの励起チャネル及び少なくとも1つの発光チャネルを有する光学的モジュールと、
防水性のコネクタを有する電子的モジュールであって、該コネクタは水中ケーブルのケーブルコネクタに操作的に接続されており、該ケーブルはマルチチャネル蛍光センサを電源サプライ及び指示装置又はコンピュータに接続する、電子的モジュールと、
を含むマルチチャネル蛍光センサ。
【請求項２】
前記光学的モジュール及び電子的モジュールは、マウンティングラックにおいて結合され、該マウンティングラックは、一辺においてO-リングのための溝を有するフロントプレートを有し、他辺においてO-リングのための溝を有するコネクタホルダを有しており、前記O-リングは、前記防水性のハウジングとともに、前記センサを外部の水から保護することを特徴とする請求項１に記載のマルチチャネル蛍光センサ。
【請求項３】
前記O-リングの少なくとも1つは、耐腐食性材料から作られているか又は耐腐食性材料により被覆されているかの少なくともいずれか一方であり、前記ハウジング及び相互フォーカシングシステムは、有機溶媒に耐性を有する材料から作られており、有機溶媒ベースの目盛り校正溶液に直接浸すことができることを特徴とする請求項２に記載のマルチチャネル蛍光センサ。
【請求項４】
分断された光学的チャネルを含む前記相互フォーカシングシステムを操作的に接続して有するフロントプレートをさらに含んでいることを特徴とする請求項１に記載のマルチチャネル蛍光センサ。
【請求項５】
前記分断された光学的チャネルを含む前記相互フォーカシングシステムは、複数のチャネル部を有する平凸レンズから構成されており、該チャネル部の間に不透明な挿入材を有することにより、各チャネル部の間を光学的に分断することを特徴とする請求項４に記載のマルチチャネル蛍光センサ。
【請求項６】
前記相互フォーカシングシステムの前記分断された光学的チャネルは、前記不透明な挿入材を間置した前記フロントプレート上に固定された複数のくさび型プリズムにより形成されており、該くさび型プリズムの最大厚さは、該くさび型プリズム間の中心点に向かって配置されることを特徴とする請求項５に記載のマルチチャネル蛍光センサ。
【請求項７】
前記少なくとも1つの励起チャネルは、少なくとも1つの発光ダイオード（LED）及び励起光学フィルタを含んでおり、前記少なくとも1つの発光チャネルは、少なくとも1つのフォトダイオード及び発光光学フィルタを含んでいることを特徴とする請求項１に記載のマルチチャネル蛍光センサ。
【請求項８】
前記励起チャネル及び発光チャネルのうち少なくとも1つは、前記励起光学フィルタ又は発光光学フィルタのそれぞれと、前記相互フォーカシングとの間に、コリメータを含むことを特徴とする請求項７に記載のマルチチャネル蛍光センサ。
【請求項９】
前記コリメータは少なくとも1つの球状レンズを含むことを特徴とする請求項８に記載のマルチチャネル蛍光センサ。
【請求項１０】
前記コリメータは少なくとも1つのマイクロロッドレンズを含むことを特徴とする請求項８に記載のマルチチャネル蛍光センサ。
【請求項１１】
前記コリメータは少なくとも1つのマイクロ半球レンズを含むことを特徴とする請求項８に記載のマルチチャネル蛍光センサ。
【請求項１２】
前記コリメータは少なくとも1つのドラムレンズを含むことを特徴とする請求項８に記載のマルチチャネル蛍光センサ。
【請求項１３】
前記少なくとも1つの励起チャネルは2つの発光ダイオード（LED）及び励起光学フィルタを含んでおり、前記少なくとも1つの発光チャネルは2つのフォトダイオード及び発光光学フィルタを含んでおり、前記LEDのそれぞれは430nmから480nmの間に最大発光を有するとともに、410nmから490nmまでの透過帯域を有する前記励起光学フィルタを備えており、前記発光光学フィルタのうち第1の発光光学フィルタは、660nmから740nmまでの透過帯域を有しており、前記発光光学フィルタのうち第2の発光光学フィルタは、410nmから490nmまでの透過帯域を有していることを特徴とする請求項７に記載のマルチチャネル蛍光センサ。
【請求項１４】
前記少なくとも1つの励起チャネルは2つの発光ダイオード（LED）及び励起光学フィルタを含んでおり、前記少なくとも1つの発光チャネルは2つのフォトダイオード及び発光光学フィルタを含んでおり、前記LEDのうち第1のLEDは、420nmから440nmの間に最大発光を有するとともに、410nmから450nmまでの透過帯域を有する前記励起光学フィルタを備えており、前記LEDのうち第2のLEDは、370nmから380nmの間に最大発光を有するとともに、360nmから390nmまでの透過帯域を有する前記励起光学フィルタを備えており、前記発光光学フィルタのうち第1の発光光学フィルタは、670nmから690nmまでの透過帯域を有しており、前記発光光学フィルタのうち第2の発光光学フィルタは、半値幅が410nmから450nmまでの透過帯域を有していることを特徴とする請求項７に記載のマルチチャネル蛍光センサ。
【請求項１５】
前記少なくとも1つの励起チャネルは3つの発光ダイオード（LED）及び励起光学フィルタを含んでおり、前記少なくとも1つの発光チャネルは2つのフォトダイオード及び発光光学フィルタを含んでおり、前記LEDのうち第1のLEDは、420nmから435nmの間に最大発光を有するとともに、415nmから440nmまでの透過帯域を有する前記励起光学フィルタを備えており、前記LEDのうち第2のLEDは、440nmから475nmの間に最大発光を有するとともに、435nmから455nmまでの透過帯域を有する前記励起光学フィルタを備えており、前記LEDのうち第3のLEDは、450nmから475nmの間に最大発光を有するとともに、450nmから475nmまでの透過帯域を有する前記励起光学フィルタを備えており、前記発光光学フィルタのうち第1の発光光学フィルタは、625nmから645nmまでの透過帯域を有しており、前記発光光学フィルタのうち第2の発光光学フィルタは、645nmから665nmまでの透過帯域を有しており、前記発光光学フィルタのうち第3の発光光学フィルタは、半値幅が665nmから680nmまでの透過帯域を有していることを特徴とする請求項７に記載のマルチチャネル蛍光センサ。
【請求項１６】
前記少なくとも1つの励起チャネルは2つの発光ダイオード（LED）及び励起光学フィルタを含んでおり、前記少なくとも1つの発光チャネルは2つのフォトダイオード及び発光光学フィルタを含んでおり、前記LEDのうち第1のLEDは、430nmから480nmの間に最大発光を有するとともに、410nmから490nmまでの透過帯域を有する前記励起光学フィルタを備えており、前記LEDのうち第2のLEDは、840nmから880nmの間に最大発光を有しており、前記発光チャネルのうち第1の発光チャネルは、660nmから740nmまでの透過帯域を有する光学フィルタを有しており、前記発光チャネルのうち第2の発光チャネルは、840nmから880nmの間に最大感度を有するフォトダイオードを有していることを特徴とする請求項７に記載のマルチチャネル蛍光センサ。
【請求項１７】
マルチチャネル蛍光センサに用いる目盛り校正器であって、少なくとも1つの固体蛍光素子を有するホルダを含んでいる目盛り校正器。
【請求項１８】
前記固体蛍光素子はルビー球状レンズであることを特徴とする請求項１７に記載のマルチチャネル蛍光センサに用いる目盛り校正器。
【請求項１９】
前記固体蛍光素子は、ルビー粉末を充填したエポキシディスクであることを特徴とする請求項１７に記載のマルチチャネル蛍光センサに用いる目盛り校正器。
【請求項２０】
前記少なくとも1つの固体蛍光素子の前部にウインドウをさらに含んでいることを特徴とする請求項１７に記載のマルチチャネル蛍光センサに用いる目盛り校正器。
【請求項２１】
前記ウインドウは青ガラスフィルタを含むことを特徴とする請求項２０に記載のマルチチャネル蛍光センサに用いる目盛り校正器。
【請求項２２】
前記ウインドウはニュートラルデンシティガラスフィルタであることを特徴とする２０請求項に記載のマルチチャネル蛍光センサに用いる目盛り校正器。
【請求項２３】
マルチチャネル蛍光センサに用いる目盛り校正器であって、少なくとも1つのウインドウ、少なくとも1つの光検知器、及び少なくとも1つの発光ダイオード（LED）を有するホルダ含む目盛り校正器。
【請求項２４】
前記光検知器はフォトトランジスタであることを特徴とする請求項２３に記載のマルチチャネル蛍光センサに用いる目盛り校正器。
【請求項２５】
バッテリ及びスイッチをさらに含むことを特徴とする請求項２３に記載のマルチチャネル蛍光センサに用いる目盛り校正器。
【請求項２６】
前記スイッチは、多位置スイッチ及び少なくとも1つの電流制限装置を含むことを特徴とする請求項２５に記載のマルチチャネル蛍光センサに用いる目盛り校正器。
【請求項２７】
前記電流制限装置は少なくとも1つの調整可能な抵抗器を含むことを特徴とする請求項２６に記載のマルチチャネル蛍光センサに用いる目盛り校正器。
【請求項２８】
前記光検知器は少なくとも1つのフォトダイオードであることを特徴とする請求項２３に記載のマルチチャネル蛍光センサに用いる目盛り校正器。
【請求項２９】
前記光検知器は、直列接続された多素子フォトダイオードを含むことを特徴とする請求項２８に記載のマルチチャネル蛍光センサに用いる目盛り校正器。
【請求項３０】
前記光検知器は、直列接続された複数のシリコンフォトダイオードをさらに含んでおり、前記LEDに順方向の光電流を供給することを特徴とする請求項２９に記載のマルチチャネル蛍光センサに用いる目盛り校正器。
【請求項３１】
溶液中の蛍光物質を測定するためのマルチチャネル蛍光センサであって、
防水性のハウジングと、
少なくとも1つの励起チャネル、少なくとも1つの発光チャネル、並びに該励起チャネル及び該発光チャネルに対して操作的に配置された相互フォーカシングシステムを有し、該相互フォーカシングシステムを不使用時に保護するための可動性自動清浄システムを有する光学的モジュールと、
防水性のコネクタ手段を有する電子的モジュールであって、該コネクタ手段は、該電子的モジュールを、少なくとも1つの電源サプライ、及び前記電子的モジュールからデータを受信するためのデータ処理装置に通信可能に接続する電子的モジュールと、
を含むマルチチャネル蛍光センサ。
【請求項３２】
前記可動性自動清浄システムは、少なくとも1つの固体蛍光素子を有する内蔵型の目盛り校正器を有することを特徴とする請求項３１に記載のマルチチャネル蛍光センサ。
【請求項３３】
前記固体蛍光素子はルビー球状レンズであることを特徴とする請求項３２に記載のマルチチャネル蛍光センサ。
【請求項３４】
前記可動性自動清浄システムは、少なくとも1つのウインドウ、少なくとも1つの光検知器、及び少なくとも1つの発光ダイオード（LED）を有するホルダを含む内蔵型の目盛り校正器を有することを特徴とする請求項３１に記載のマルチチャネル蛍光センサ。
【請求項３５】
前記光検知器はフォトトランジスタであることを特徴とする請求項３４に記載のマルチチャネル蛍光センサ。
【請求項３６】
バッテリ及びコントロールスイッチをさらに含むことを特徴とする請求項３５に記載のマルチチャネル蛍光センサ。
【請求項３７】
前記コントロールスイッチは、電流制限装置を有する多位置スイッチを含むことを特徴とする請求項３６に記載のマルチチャネル蛍光センサ。
【請求項３８】
前記電流制限装置は少なくとも1つの調整可能な抵抗器を含むことを特徴とする請求項３７に記載のマルチチャネル蛍光センサ。
【請求項３９】
前記光検知器はフォトダイオードであることを特徴とする請求項３４に記載のマルチチャネル蛍光センサ。
【請求項４０】
前記光検知器は、多数の素子が直列接続されたフォトダイオードを含むことを特徴とする請求項３９に記載のマルチチャネル蛍光センサ。
【請求項４１】
請求項４０に記載のマルチチャネル蛍光センサに用いる目盛り校正器であって、前記光検知器は、直列接続された複数のシリコンフォトダイオードをさらに含んでおり、前記LEDに順方向の光電流を供給することを特徴とする目盛り校正器。
【請求項４２】
前記分断された光学的チャネルを有する前記相互フォーカシングシステムは、少なくとも2つの円筒形の穴を含んでおり、該穴は、前記フロントプレートに対して傾斜しており、かつ内部の光学フィルタにより被覆されており、該光学フィルタがウインドウの役割を果たすことを特徴とする請求項４に記載のマルチチャネル蛍光センサ。
【請求項４３】
前記光学フィルタは、80°よりも小さい入射角を有するように設置されることを特徴とする請求項４２に記載のマルチチャネル蛍光センサ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、一般的には、液体内の蛍光性物質を測定するための光学的方法及び機器に関し、より詳しくは、天然水又は様々な溶媒内における葉緑素、色素及び光学的後方散乱の蛍光発光を測定するための方法及び装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
葉緑素は、長期間のモニタリング及び管理プログラムや、短期間の調査研究の目的において、藻類のバイオマスの指標として最も広く用いられている。葉緑素の分解性生物（例えば、フェオフィチンa及びフェオフォリビドa）は、藻類の生理的健康の評価にも用いることができ、その蛍光特性は、葉緑素の濃度に直接関係付けることが可能である。さらに最近では、葉緑素蛍光発光プロセスの生化学的／生物物理学的特性により、藻類のバイオマスをより精確に推定できることに加えて、藻類の光合成（すなわち成長）の速度をほぼ瞬時に推定することが可能となっている。
【０００３】
最近の葉緑素の実験室的分析では、集中的なプロセシングが要求される。色素の濃縮及び抽出のための、有機溶媒を用いたインフィールドにおける又は実験室的ろ過が必要とされる。近年では、クロマトグラフィーによる手法(HPLC)を用いて、個々の色素を精確に溶解させることも行われている。しかしながら、これらの方法は比較的少数の研究グループしか用いていないため、高価で、難易度が高く、商業的実験機関からの入手可能性も制限されている。さらに、現在では、この技法を現場で（in-situ）利用できる可能性は少ないと考えられている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
葉緑素aの定量に最も広く用いられる現場（in-situ）技術は、分光測定及び蛍光測定による分析方法である。しかしながら、これらの方法は、光学的設計が比較的乏しいため、絶対確度に限界があることから、葉緑素aの分光解像度が低くなってしまう。これらの装置を開発するにあたって問題となるのは、スペクトルの赤色領域において、葉緑素b及びcの吸光及び発光の最大値が葉緑素aのピークに近くなるので、これらの色素が葉緑素の全体容量のうち有意な割合を占める場合にエラーが起こってしまうこと、及びこれらの干渉作用に対する補正が考慮されていないことである。様々な付随色素及び分解生成物や、フミン酸及びフルボ酸の着色剤は、葉緑素a、b及びcに近い波長で発光及び蛍光するので、広帯域の蛍光技術を用いた分析において重大なエラーを生じることにより、さらなるエラーが誘発されるおそれがある。付随色素の干渉作用に加えて、光合成色素の広帯域蛍光分析を用いる場合には、光学的後方散乱（浮遊する無機化合物及び非蛍光性有機化合物）によっても重大なエラーが起こる可能性がある。目盛り校正の際や、蛍光測定プローブの光学的及び電子的設計においては、これらの干渉作用はすべて考慮に入れなければならない。本発明の特許請求の範囲において、蛍光測定プローブの確度及び特異性を高めるのに利用できる新規な光学的設計を記載する。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明の目的は、蛍光測定における光学センサを改良し、かつ感度を向上することである。
【０００６】
本発明の他の目的は、天然サンプルにおいて同時に存在する様々な蛍光物質、例えば、葉緑素a、葉緑素b、葉緑素c、に対するセンサの選択性を向上すること、及び光学的後方散乱などの干渉作用を及ぼす化合物に対して、これらのパラメータを直接測定することにより補正を行うことである。
【０００７】
本発明のさらなる目的は、マルチチャネル蛍光センサの定期的な目盛り校正を行うための新規な方法、及び深い位置において現場で直接的なテストを行うための方法を提供することである。
【０００８】
本発明の上記以外の目的及び利点は、以下の詳細な説明において明らかにする。
【０００９】
【発明の実施の形態】
図１において、マルチチャネル蛍光センサのブロック図を示す。本発明のマルチチャネル蛍光センサ100は、水中ケーブル103のケーブルコネクタと適合する防水性のコネクタ102を備えた防水性のハウジング101を有している。マルチチャネル蛍光センサは、励起チャネル及び発光チャネルを備えた光学的モジュール1と、アナログ及びデジタル電子機器を備えた電子モジュール7とを含んでいる。水中ケーブルは、深い水域における蛍光サンプルの分析を可能にするものであり、電源スイッチ104aを備えた接続ボックス104を有している。接続ボックスはバッテリ105に接続されており、またポート107を通じてデータ処理装置106に接続されている。データ処理装置106及びポート107のような構成部分の実施態様としては、当業者に知られている従来のタイプのいずれを用いてもよい。例えば、データ処理装置には、パーソナルコンピュータ（PC）、携帯型PC、パーソナルデータアシスタント（PDA）、あるいはこれら以外の装置であって、データを受信、操作及び表示する端末の役割を果たすものを用いることができる。ポート107の可能な実施態様には、RS-232、アナログ、SDI12及びRS-485による装置が含まれるが、これらに限られるわけではない。
【００１０】
図２において、マルチチャネル蛍光センサの詳細図を示す。マルチチャネル蛍光センサは、光学的モジュール1を有しており、光学的モジュール1は、フォーカシングシステム2と、光学フィルタ、フォトダイオード及びプリアンプを備えた発光チャネル3及び4と、光学フィルタ及び発光ダイオード（LED）を備えた励起チャネル５及び６とを有する。電子モジュール７は、ロックインアンプ8及び9と、発光ダイオードの電流を調節するジェネレータ10と、温度センサ11と、アナログ-デジタル変換器（A/D）13を有し発光チャネルの出力シグナルを測定するコントローラ12と、マルチチャネル蛍光センサからパーソナルコンピュータにデータを送信するRS-232装置14とを含んでいる。電源サプライ15は、アナログ及びデジタルの電子機器に電圧を供給する。光学的及び電子的モジュールは、防水性コネクタ17を有する防水性ハウジング16内部に設置する。
【００１１】
図３において、光学的モジュールの概略図を示す。図中、断面図A-A及びB-Bは励起チャネル及び発光チャネルの構造を示している。ここに示す光学的モジュールの変形例は、フォーカシングシステム2に用いる2つの発光チャネル（断面図A-A）及び2つの励起チャネル（断面図B-B）である。フォーカシングシステム2は、不透明の挿入材18により分割され、かつ挿入材18に取り付けられた凸レンズからなり、チャネル間を光学的に分断するようになっている。不透明の挿入材18はフロントプレート19に取り付けられており、一実施形態においては、フォーカシングシステム2の凸レンズの取り付け穴周辺部分に形成された切り込みを介して、フォーカシングシステム2をフロントプレート上に定するようになっている。フロントプレート19は、フィルタホルダ20と、LED及びフォトダイオードのハウジング21とに接続されている。これらの3部品は個別のユニットとして作られており、また（例えばスクリュー等を用いて）互いに接続されて、光学的及び電子的部品のための個別のチャネルを形成するようになっている。励起チャネル及び発光チャネルは球状レンズ22からなるマイクロコリメータを有する。光学フィルタ23a、23b、24a及び24bを設置して、分析する物質の励起波長及び発光波長をスペクトル選択できるようにする。O型リング25a及び25bを用いて、励起光が発光チャネル内に直接侵入するのを防ぐ。抗有機溶媒材料（例えばテフロン（登録商標））により被覆されたO型リング26を光学的モジュールのフロントプレートに設置する。励起チャネルは発光ダイオード27を有し、発光チャネルは、プリアンプ29a及び29bとコネクタ30a及び30bとを備えたフォトダイオード28a及び28bを有する。
【００１２】
図４ａから４ｅにおいて、フォーカシングシステムの変形例を示す。本発明において実施可能なフォーカシングシステムの例として、6個、8個及び9個のチャネルを備えたフォーカシングシステムを示している（図４ａ、４ｂ及び４ｃ）。凸レンズ31をフロントプレート19に接着し、不透明な挿入材18により分割して、数個の分離した光学的チャネルを形成する。図４ｄ及び４ｅに示すプリズム式フォーカシングシステムは、光学的モジュールのフロントプレートに接着したプリズムくさび32からなり、不透明な挿入材18により分割して、数個の分離した光学的チャネルを形成する。不透明な挿入材18の切り込みは凸レンズ31又はプリズムくさび32の深さよりも深くして、光学的チャネルを完全に光学的に分断する必要がある。本発明の光学的設計によれば、同一の小さい体積にフォーカスされた複数個の光学的チャネルが提供される。これは、複数個の光学的チャネルが同一の凸レンズ31又はプリズムくさび32の一部だからである。
【００１３】
相互フォーカシングシステムの他の変形例では、フロントプレートに対して傾斜しかつ内部の光ファイバにより被覆された少なくとも2つの円筒形の穴を介して、光学フィルタを複数個の窓に分断することにより、分断された光学的チャネルが形成される。性能を最適化するために、光学フィルタは80°より小さい入射角を有するように設置する。
【００１４】
液体組成分中の異なる成分を分析する必要があるときには、励起チャネル及び発光チャネルの数が異なるようにしてもよい。最良の感度及び選択性を得るためには、成分の蛍光スペクトルを分析した後に、マルチチャネル蛍光センサに用いる光学フィルタの最適なスペクトル範囲を選択しなければならない。例えば、サンプル中に同時に存在する葉緑素a(Chl a)、葉緑素b(Chl b)及び葉緑素c(Chl c)については、励起スペクトル及び発光スペクトルの差を利用して、個別に測定することができる。図５は、90%アセトン溶液中における各種の葉緑素変種の典型的な蛍光スペクトルを示す。図中、Eは励起スペクトルを表し、Fは発光スペクトルを表している。表１において、最適な光学フィルタ及び推奨されるLEDを示す。
【００１５】
【表１】
2005522668.tif 000003
本発明のマルチチャネル蛍光センサの他の応用例は、サンプルの調整又は葉緑素aの励起を必要としない、水中の葉緑素aの濃度のモニタリングである。抽出した葉緑素と生きている現場の葉緑素とでは、蛍光スペクトルが異なるため、このような応用例の光学的設計には若干の違いがある。図６において、水中及び90%アセトン溶液中の藻類サンプルからの葉緑素の典型的な蛍光スペクトルを示す。水中の葉緑素aに最適な発光フィルタは、660nmから740nmまでの透過帯域を有するものである。
【００１６】
光学的後方散乱（浮遊する無機化合物及び非蛍光性有機化合物）により、重大なエラーが起こる可能性がある。後方散乱した励起光は、発光フィルタにより完全にはブロックされず、サンプル内の葉緑素でない物質からの粒子状散乱に相応したシグナルを与えてしまう。マルチチャネル蛍光測定器において光学的後方散乱チャネルを追加し、蛍光チャネルのシグナルから光学的後方散乱に相応するシグナルを減じることにより、光学的後方散乱シグナルの補正を行うことができる。光学的後方散乱チャネルは、フォトダイオードと、葉緑素チャネルの励起フィルタの透過範囲を透過する発光フィルタとを用いて作成することができる。また、国際基準ISO7027“水質 − 混濁度の決定”により推奨されているものと同様の赤外法を用いて、水サンプルの混濁度を測定してもよい。ISO7027によれば、波長860nm及び帯域60nmでの散乱放射線を測定することにより、混濁度を測定することになっている。少なくとも一実施形態にかかるマルチチャネル蛍光センサは、840nmから880nmの波長において最大の発光をする赤外GaAlAsLEDを備えた励起チャネルと、840nmから880nmの波長において最大の感度を有するGaAlAsフォトダイオードを備えた発光チャネルとを有している。これら以外のLED及びフォトダイオードを、適切な帯域の光学フィルタとともに用いることも可能である。
【００１７】
マルチチャネル蛍光センサが、混濁度測定及び混濁度補正のための光学的後方散乱チャネルを有していると、混濁度が分かっている標準サンプルを用いて目盛り校正を行うことができる。例えば、カリフォルニア州Redwood CityのAPSアナリティカル・スタンダード社の、NISTトレーサブル混濁度標準試料を用いることができる。
【００１８】
本発明のマルチチャネル蛍光センサでは、葉緑素の濃度が分かっている溶液を用いて目盛り校正する。水溶液サンプル中の葉緑素濃度を検査する方法は、以下の引用文献に説明されている。これらの引用文献はいずれも参照により本明細書中に含まれるものである。
【００１９】
Standard Methods For The Examination Of Water And Wastewater, American Public Health Association. 1989, 17th ed. American Public Health Association, Washington D.C.
Measuring Chlorophyll and Phaeophytin: Whom Should you Believe?, Axler, R.P. and C.J. Owen. 1194, Lake and Reservoir. Management, 8(2): 143-151.
ローダミン溶液を蛍光発光の代理標準試料として用いて、マルチチャネル蛍光センサの目盛り校正の妥当性確認を行うことができる。本発明は、マルチチャネル蛍光センサの目盛り校正を定期的にテストするために、固体目盛り校正器を使用することも含んでいる。本発明の目盛り校正器は、1又は複数の固体蛍光要素を備えたホルダを含んでいる。図７は、典型的なルビーの蛍光スペクトルを示す。ルビーの蛍光スペクトルは650nmから始まり、690nm付近において最大となり、700nmから750nmにおいて広帯域を有する。ルビーの蛍光スペクトルの全体的な分布は、非常に広帯域であるローダミンの蛍光発光よりも、葉緑素の蛍光スペクトルの分布により近似している。ルビー試料の寿命が無制限であるのに対して、ローダミン標準試料の寿命は非常に限られている。
【００２０】
図８ａ及び８ｂにおいて、本発明による、ルビーを用いる葉緑素目盛り校正器のいくつかの実施形態を示す。ルビー球状レンズを備えた固体目盛り校正器（図８ａ）は、ホルダ34を有しており、ルビー球状レンズ35は調整可能なディスクホルダ36に取り付けられている。ウインドウフィルタ37は色ガラスから作られており、ルビー球状レンズの前方に配置されてこれを保護するようになっている。
【００２１】
図８ｂにおいて、葉緑素目盛り校正器の他の実施形態を示す。ホルダ34は、ルビー粉末を充填したエポキシディスク38を有している。エポキシ内のルビー粉末の濃度は、特定の葉緑素濃度に対して一定の蛍光反応を与えるように選択することができる。
【００２２】
上記の通り、ルビー球状レンズ又はルビー粉末を充填したエポキシを備えた葉緑素目盛り校正器は、非常に安定しており利便性が高い。これらは受動的装置として働き、励起チャネルからの光のスペクトル範囲を葉緑素のスペクトル範囲に近いものに変更することにより、励起チャネルからの光を発光チャネルへの光に変換する。
【００２３】
図９ａにおいて、フォトダイオード及びLEDを備えた能動的な葉緑素目盛り校正器を示す。該校正器のホルダ39は、ウインドウ40と、フォトダイオード41、LED42及びバッテリ43を搭載した調整可能なディスクホルダ45とを備えている。該校正器の前部表面にはスイッチ44があり、マルチチャネル蛍光センサにおいて目盛り校正を行う際に、スイッチが自動的にオンになるように構成することができる。
【００２４】
本発明によれば、フォトダイオード及びLEDを備えた葉緑素目盛り校正器の電子回路にはいくつかの変形例がある。図９ｂは、LED42、バッテリ43、スイッチ44、フォトトランジスタ46及び電流制限抵抗器47を含む回路図を示す。前記目盛り校正器では、マルチチャネル蛍光センサにおいて目盛り校正を行う際に、ユーザが読み取りを調整できるようになっている。
【００２５】
図９ｃは、複数の目盛り校正点を有することが可能な回路図を示す。この回路は、LED42、バッテリ43、スイッチ44、フォトトランジスタ46、多位置スイッチ48及び複数の調整可能な抵抗器49を含んでいる。この目盛り校正器は、それぞれが個別に調整可能な複数の目盛り校正点を有しており、マルチチャネル蛍光センサの作動範囲全般にわたって目盛り校正をチェックすることができる。
【００２６】
図９ｄは、LED42を通過する光電流を受容するための直列接続された複数のフォトダイオード50を含む回路図を示す。抵抗器47は電流制限抵抗器として働く。バッテリの必要はない。前記フォトダイオードは、直列接続された多素子フォトダイオードのセグメントであってもよい。
【００２７】
図９ａから９ｄにおいて、光検知器及びLEDを用いた葉緑素目盛り校正器の実施態様を示したが、上記の実施態様は本発明の構成部分を実現するための一方法でしかなく、上記以外にも本発明に適用可能な光学的、電磁気的、赤外、紫外、マイクロ波、RFその他のエネルギー伝送／検知システムが存在することが、当業者は本発明の開示にから理解することができる。
【００２８】
マルチチャネル蛍光センサの光学素子は、生物付着や不純物の沈着のため、作動中に汚染されることがある。図１０ａは、フォーカシングシステム2を備えたマルチチャネル蛍光センサ33を示しており、フォーカシングシステム2は、開いた位置及び閉じた位置を有する自動清浄システム51を有する。自動清浄システムが開いた位置において、マルチチャネル蛍光センサは正常に動作することができる。自動清浄システムが閉じた位置52（破線で示す）においては、作動していない間のフォーカシングシステムを汚染から保護する。本発明によれば、自動清浄システムは、受動的又は能動的目盛り校正器と組み合わせることができる。図１０ｂは、マルチチャネル蛍光センサに用いる、内蔵型ルビー目盛り校正器を備えた自動清浄システムを示す。回転シャフト53により駆動される自動清浄システム51は、柔軟な保護材55により包囲されたウインドウ54を有しており、回転中にウインドウをスクラッチから保護するようになっている。前記柔軟な保護材は、回転中には清浄体の役割を果たし、マルチチャネル蛍光センサが作動していない間にはフォーカシングシステム部を被覆する密閉材の役割を果たしている。自動清浄システムの内部には、ウインドウ54の後方にルビー球状レンズが取り付けられている。自動清浄システムが閉じた位置のときに、ルビー目盛り校正器はフォーカシングシステムの前面の中心に位置するようになっている。この位置において、センサの目盛り校正をチェックすることが可能となる。
【００２９】
図１１は、LED目盛り校正器を内蔵したマルチチャネル蛍光センサに用いる自動清浄システムを示す。マルチチャネル蛍光センサ33の前方端におけるフォーカシングシステム2は、自動清浄システム51が開いた位置のときに測定可能な開いた状態となり、自動清浄システムが閉じた位置52のときにはカバーされて保護された状態となる。回転シャフト53により駆動される自動清浄システム51は、柔軟な保護材55により包囲されたウインドウ54を有する。ウインドウ54は、フォトダイオード57及びLED58を有するコンパートメントをカバーする。自動清浄システムが開いた位置のときには、マルチチャネル蛍光センサは通常の作動をすることができる。自動清浄システムが閉じた位置のときには、スイッチ59が電子機器をオンにする。この位置において、LED目盛り校正器は、フォーカシングシステムの前面に存在し、センサの目盛り校正を検査することができる。スイッチ59は二重動作スイッチであり、電子機器をオフにするためには、目盛り校正器が一度ターンしてスイッチ59をもう一度押さなければならない。バッテリ60は、この電子機器に電源を供給する。バッテリ60は、防水性のリード61によりカバーされた防水性のコンバートメント内に置かれる。
【００３０】
以下において、水溶液中の葉緑素aの濃度を測定するための後方散乱補正を備えたマルチチャネル蛍光センサを例として用いながら、マルチチャネル蛍光センサの動作を説明する。本実施形態のマルチチャネル蛍光センサは、2つの同一の励起チャネルを有しており、これらの励起チャネルは、430nmから480nmまでの間に最大発光を有する発光ダイオード（LED）と、410nmから490nmまでの間に透過帯域を有する励起光学フィルタとを有している。第1の発光チャネルは、フォトダイオードと、660nmから740nmまでの間に透過帯域を有する光学フィルタとを有しており、第2の発光チャネルは、フォトダイオードと、430nmから480nmまでの間に透過帯域を有する光学フィルタとを有している。
【００３１】
2つの同一の励起チャネルを2度用いることにより、シグナル対雑音比を増加させる。660nmから740nmまでの透過帯域を有する発光チャネルにより、水中の葉緑素aからの蛍光シグナルを測定する。430nmから480nmまでの透過帯域を有する発光チャネルにより、散乱光の強度を測定する。この散乱光は、水サンプル中の葉緑素以外の粒子からの光学的後方散乱に相応するものである。葉緑素以外の粒子からの光学的後方散乱が発生するシグナルを、蛍光シグナルの補正に用いることにより、混濁による後方散乱シグナルを原因とする蛍光シグナル成分を除去する。発光チャネル及び励起チャネルのそれぞれには2つの球状レンズがあり、これらによりLEDからの発光をコリメートし、フォーカシングシステムからの発光をフォトダイオードに向かわせる。LEDはジェネレータ10（図２参照）からパルス電流を受けて、青色スペクトル範囲において光パルスを発光する。各励起チャネル（図３参照）において、LED27からの光は励起フィルタ24を通過した後、2つの球状レンズ22を通過し、適切な不透明の挿入材18により制限されたフォーカシングシステム2のセグメントを通過する。フォーカシングシステム2のすべてのセグメントは、同一のレンズの一部であるので、すべての励起チャネル及び発光チャネルは、フォーカシングシステム前方の同一の小さい体積に精確にフォーカスされる。この小さい体積における物質の蛍光発光は、高い光学的効率を有するフォトダイオードに伝達される。第1の発光チャネルは、葉緑素aの濃度に比例する蛍光シグナルを第1のフォトダイオード28aに伝達する。第2の発光チャネルは、水サンプルの光学的後方散乱に比例するシグナルを第2のフォトダイオード28bに伝達する。プリアンプ29a及び29bは、フォトダイオードから発されるパルス状の光電流を増幅し、パルス状の電圧シグナルをロックインアンプ8及び9（図２参照）に送出する。前記ロックインアンプ及び温度センサ11からの出力シグナルは、アナログ/デジタル変換器（A/D）13の入力に接続されている。葉緑素の蛍光発光は温度変化によって大きく変動するため、温度測定及び温度補正は非常に重要である。
【００３２】
マルチチャネル蛍光センサの他の実施例は、2つの発光ダイオード（LED）及び励起光学フィルタを備えた少なくとも1つの励起チャネルと、2つのフォトダイオード及び発光光学フィルタを備えた少なくとも1つの発光チャネルとを含む1つのシステムを有している。第1のLEDは、420nmから440nmまでの間に最大発光を有し、410nmから450nmまでの透過帯域を有する励起発光フィルタを備えている。第2のLEDは、370nmから380nmまでの間に最大発光を有し、360nmから390nmまでの透過帯域を有する励起発光フィルタを備えている。第1の発光光学フィルタは、670nmから690nmまでの透過帯域を有し、第2の発光光学フィルタは、半値幅が410nmから450nmまでの透過帯域を有している。
【００３３】
他の実施態様では、マルチチャネル蛍光センサは、3つの発光ダイオード（LED）及び励起光学フィルタを含む少なくとも1つの励起チャネルと、2つのフォトダイオード及び発光光学フィルタを含む少なくとも1つの発光チャネルとを有している。第1のLEDは、420nmから435nmの間に最大発光を有し、415nmから440nmまでの透過帯域を有する励起光学フィルタを備えている。第2のLEDは、440nmから475nmの間に最大発光を有し、435nmから455nmまでの透過帯域を有する励起光学フィルタを備えている。第3のLEDは、450nmから475nmの間に最大発光を有し、450nmから475nmまでの透過帯域を有する励起光学フィルタを備えている。第1の発光光学フィルタは、625nmから645nmまでの透過帯域を有し、第2の発光光学フィルタは、645nmから665nmまでの透過帯域を有し、第3の発光光学フィルタは、半値幅が665nmから680nmまでの透過帯域を有している。
【００３４】
さらに他の実施態様では、マルチチャネル蛍光センサは、2つの発光ダイオード（LED）及び励起光学フィルタを含む少なくとも1つの励起チャネルと、2つのフォトダイオード及び発光光学フィルタを含む少なくとも1つの発光チャネルとを含むよう形成されている。第1のLEDは、430nmから480nmの間に最大発光を有するとともに、410nmから490nmまでの透過帯域を有する励起光学フィルタを備えており、第2のLEDは、840nmから880nmの間に最大発光を有している。第1の発光チャネルは、660nmから740nmまでの透過帯域を有する光学フィルタを有しており、第2の発光チャネルは、840nmから880nmの間に最大感度を有するフォトダイオードを有している。
【００３５】
A/D変換器13により測定される電圧は、以下の式に従い、実際の葉緑素、温度及び混濁度を示す示度に変換される。
【００３６】
温度（℃） = 54 × （VtTemp − 0.325）
混濁度（NTU） = 74.6 × （VtTurb − V0Turb）
葉緑素a（ppb） = K × [（VtChl − V0Chl） - 0.004 × （VtTurb − V0Turb）] ×
[1 + 0.011 × （温度（℃）− 20）]
上式において、
VtTemp = 温度チャネルからの電圧、
VtTurb = 混濁度チャネルからの電圧、
V0Turb = ゼロ（0）NTUでの混濁度チャネルからの電圧、
VtChl = 葉緑素チャネルからの電圧、
V0Chl = ゼロ（0）ppbでの葉緑素チャネルからの電圧、
K = 水中の葉緑素aに対して170となる目盛り校正定数、
である。
【００３７】
上記の式中の目盛り校正係数は、水中の葉緑素aの測定に最適化された特定のマルチチャネル蛍光センサの目盛り校正において、温度変化によるシグナル変化に対する補正及び混濁度補正を伴って用いる例を示しているに過ぎない。
【００３８】
添付図面を参照しながら、本発明の好ましい実施形態について詳細に説明したが、当業者にとっては、様々な変形例や修正例が明らかである。そのような変形例及び修正例は、特許請求の範囲において定義される本発明の範囲に含まれるものである
【図面の簡単な説明】
【図１】
マルチチャネル蛍光センサ及びこれとパーソナルコンピュータとの接続を示すブロック図である。
【図２】
マルチチャネル蛍光センサを概略的に示すブロック図である。
【図３】
マルチチャネル蛍光センサの光学的モジュールを示す概略図である。
【図４】
図４ａから４ｅは、光学的モジュールに用いるフォーカシングシステムの他の変形例を示す概略図である。
【図５】
90%アセトン溶液における様々な葉緑素組成分の典型的な蛍光スペクトルを示すグラフである。
【図６】
水溶液及び90%アセトン溶液内の藻類サンプルから得られる、典型的な葉緑素の蛍光スペクトルを示すグラフである。
【図７】
ルビーの典型的な蛍光スペクトル示すグラフである。
【図８】
図８ａ及び８ｂは、ルビー球状レンズを備えた葉緑素目盛り校正器を示す概略図である。
【図９】
図９ａから９ｄは、フォトダイオード及びLED葉緑素イミテータを備えた葉緑素目盛り校正器を示す概略図である。
【図１０】
図１０ａ及び１０ｂは、ルビー目盛り校正器を内蔵したマルチチャネル蛍光センサに用いる自動清浄システムを示す概略図である。
【図１１】
図１１ａ及び１１ｂは、LED目盛り校正器を内蔵したマルチチャネル蛍光センサに用いる自動清浄システムを示す概略図である。
【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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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【国際調査報告】
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