(57)【要約】フローセルは流体サンプルを分析する。フローセル本体は基準物質を含み、流体サンプルを含むために少なくとも１つの中空チャンバを含んでいる。フローセル本体の対向表面は各々少なくとも１つの透明の部分を有している。フローセルボディーを通って横断する光のための光学的経路は、透明の部分によって一部定義される。切り替え機構は、基準測定状態と流体サンプル測定状態との間のフローセルの切り替えを達成するために光学的経路内の基準物質の量を調節する。基準測定状態は第１の光強度測定に対応し、流体サンプル測定状態は第２の光強度測定に対応する。【選択図】図２
2020524265.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
流体サンプルを分析するためのフローセルであって、前記フローセルは、
基準物質を含み、かつ流体サンプルを含むための少なくとも１つの中空チャンバを含むフローセル本体であって、当該フローセル本体は対向する表面を含み、当該対向する表面は各々少なくとも１つの透明の部分を有し、当該フローセル本体を通って横断する光のための光学的経路が、前記透明の部分によって一部定義される、フローセル本体と、
前記光学的経路内に配置された基準物質の量を調節するように動作可能であり、第１の光強度測定に対応する基準測定状態と、第２の光強度測定に対応する流体サンプル測定状態との間のフローセルの切り替えを達成する、切り替え機構と、
を含んでなる流体サンプルを分析するためのフローセル。
【請求項２】
前記基準物質は、流体サンプルと接触する少なくとも１つの部分を有する少なくとも１つの移動可能な要素を含んでなる請求項１に記載のフローセル。
【請求項３】
前記切り替え機構は、少なくとも１つの回転アームを有する回転機構を含んでなる請求項１に記載のフローセル。
【請求項４】
前記切り替え機構は前記回転機構を回転させるように動作可能であり、２つの状態間の切り替えを達成するために透明な桿状体を光学的経路の内外に交互に位置づける、請求項３に記載のフローセル。
【請求項５】
前記回転機構は複数のアームを含み、および各々のアームが透明な桿状体に結合されてなる、請求項３に記載のフローセル。
【請求項６】
隣接したアームの透明な桿状体は異なる長さを持っている、請求項５に記載のフローセル。
【請求項７】
基準物質は透明な桿状体を含んでいる、請求項１に記載のフローセル。
【請求項８】
透明な桿状体はフローセル本体の中心軸の周りを回転可能である、請求項７に記載のフローセル。
【請求項９】
基準物質はさらに第２の透明な桿状体を含み、２つの透明な桿状体が異なる長さをもつ、請求項７に記載のフローセル。
【請求項１０】
前記２つの透明な桿状体は共同して移動可能である、請求項９に記載のフローセル。
【請求項１１】
前記切り替え機構は、前記透明な桿状体を光学的経路の内外に並進移動させるように動作可能である、請求項７に記載のフローセル。
【請求項１２】
前記切り替え機構は、前記光学的経路に実質的に垂直な回転軸の周りを透明な桿状体を回転させるように動作可能である、請求項７に記載のフローセル。
【請求項１３】
基準物質は光学的経路内の流体サンプルの量を置き換えるように移動可能である、請求項１に記載のフローセル。
【請求項１４】
前記切り替え機構はピストン構成を含んでいる、請求項１に記載のフローセル。
【請求項１５】
前記中空チャンバは、流体が当該中空チャンバを通って流れる流路を提供する、入口ポート及び出口ポートを含んでいる、請求項１に記載のフローセル。
【請求項１６】
前記切り替え機構は、前記中空チャンバを通る流体の流れによって起動される、請求項１５に記載のフローセル。
【請求項１７】
前記切り替え機構は、光検知器と同期して動作するモータによって起動される、請求項１に記載のフローセル。
【請求項１８】
前記基準測定状態は第１の光学的経路長に対応し、流体サンプル測定状態は第２の光学的経路長に対応する、請求項１に記載のフローセル。
【請求項１９】
第１の光学的経路長は、光学的経路内の流体サンプルの第１の量に対応し、第２の光学的経路長は、光学的経路内の流体サンプルの第２の量に対応する、請求項１８に記載のフローセル。
【請求項２０】
前記中空チャンバは、光学的経路に固定して位置づけられる、請求項１に記載のフローセル。
【請求項２１】
前記透明の部分は、前記中空チャンバの対向する表面上に配置される前記一対の透明の窓として実施される、請求項１に記載のフローセル。
【請求項２２】
基準物質は流体サンプルとともに中空チャンバ内に配置される、請求項１に記載のフローセル。
【請求項２３】
光学的経路は、第１のレンズと第２のレンズを含むスタティックレンズ構成によって一部定義され、透明の部分は前記スタティックレンズ構成の個々のレンズの間に位置づけることができる、請求項１に記載のフローセル。
【請求項２４】
基準物質は流体サンプルと異なる第２の流体である、請求項１に記載のフローセル。
【請求項２５】
前記フローセル本体は、第２の流体を含む第２の中空チャンバを含んでいる、請求項２４に記載のフローセル。
【請求項２６】
透明の部分は、中空チャンバの対向表面上に配置される第１の対の透明の窓として実施され、前記フローセルはさらに、前記第２の中空チャンバの対向表面上に配置される第２の対の透明の窓を含んでなる、請求項２５に記載のフローセル。
【請求項２７】
流体サンプル測定状態にあるとき、前記一対の透明の窓がスタティックレンズ構成の個々のレンズと一列に並んで、中空チャンバを通る光学的経路を提供し、基準測定状態にあるとき、第２の一対の透明の窓は、第２の中空チャンバを通る光学的経路を提供するためのスタティックレンズ構成の個々のレンズと一列に並ぶ、請求項２６に記載のフローセル。
【請求項２８】
流体サンプルを分析するためのシステムであって、前記システムは、
フローセル本体を含むフローセルであって、当該フローセル本体は基準物質を含み、当該フローセル本体は流体サンプルを含むための少なくとも１つの中空チャンバを含んでなるフローセルと、
光源からフローセル本体を通って光検知器まで光を向けるために少なくとも第１及び第２のレンズを含むスタティック光学構成と、
前記フローセル本体の対向表面上に配置された少なくとも第１および第２の透明表面であって、前記フローセル本体は第１の透明表面と第１のレンズと、そして第２の透明表面と第２のレンズと、を一列に並ぶように位置決めでき、フローセル本体を通る光学的経路が、前記第１及び第２の透明表面とスタティック光学構成によって一部が定義されてなる第１及び第２の透明表面と、
第１の光強度測定に対応する基準測定状態と、第２の光強度測定に対応する流体サンプル測定状態との間のフローセルの切り替えを達成するために、光学的経路内に配置された基準物質の量を調節するために動作可能な切り替え機構と、
を含んでなる流体サンプルを分析するためのシステム。
【請求項２９】
さらに、フローセルを通り抜けるように光をフローセル内に導くための第１の光ファイバーと、フローセルを通り抜けた光を導くための第２の光ファイバーと、を含む光ファイバーを更に含んでなる、請求項２８に記載のシステム。
【請求項３０】
さらに、第１の光ファイバーに結合された光源を含む、請求項２９に記載のシステム。
【請求項３１】
さらに、フローセル本体を通り抜ける光強度の測定のために第２の光ファイバーに結合された前記光検知器を含む、請求項２９に記載のシステム。
【請求項３２】
前記検知器及び切り替え機構は同期して動作するように構成される、請求項３１に記載のシステム。
【請求項３３】
さらに、前記光検知器に結合された少なくとも１つのプロセッサーを含む処理ユニットであって、前記処理ユニットは、フローセルが基準測定状態であるときに、フローセル本体を通り抜ける光強度を示す第１の信号を受け取り、フローセルが流体サンプル測定状態であるときに、フローセル本体を通り抜ける光強度を示す第２の信号を受け取り、そして、受信信号の一部に基づいて流体サンプルの濃度あるいは透過率の少なくとも１つを決定する、ように構成されてなる、処理ユニットを含む、請求項３１に記載のシステム。
【請求項３４】
流体サンプルを分析するためのフローセルであって、前記フローセルは、
流体サンプルを含むための少なくとも１つの中空チャンバと、
中空チャンバの対向表面上に配置された一対の透明の窓であって、透明の窓の各々は中空チャンバを通る光学的経路を定義するために、スタティックレンズ構成の個々のレンズと一列に並んでなる一対の透明の窓と、
流体サンプルと接触する少なくとも１つの部分を有する少なくとも１つの移動可能な要素を含む切り替え機構であって、前記切り替え機構は、少なくとも第１の光学的経路長と第２の光学的経路長との間の中空チャンバを通る光学的経路長を変更するために少なくとも１つの要素を移動させるように動作可能である、切り替え機構と、を含んでなる、
ことを特徴とする流体サンプルを分析するためのフローセル。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
＜関連出願の相互基準参照＞
この出願は、２０１７年６月２０日に出願された米国仮特許出願Ｎｏ．６２／５２２，１２４からの優先権を主張し、その開示全体が参照によって本明細書に組込まれる。
【０００２】
本発明は流体を分析するためのフローセルおよび関連するシステムに関する。
【背景技術】
【０００３】
溶質濃度測定は周知のビール・ランベルトの法則を使用し、この法則は、溶液の特定の経路長を通って伝達される光強度によって溶質分子密度と分子吸収断面係数を関連づける。一様な溶質濃度の場合は、関係は以下のように表現することができる。
【０００４】
【数１】
2020524265.tif 000003
【０００５】
ここに、Ｉ０はサンプリングされた溶液に入る光強度であり、Ｉ１はサンプリングされた溶液を出る光強度であり、αは分子吸収断面係数であり、ｃは、測定されたサンプル中の溶質分子の分子密度である。（「数密度」または「濃度」とも言う）、また、ｌは、測定されたサンプル中の光線によって横断された光学的経路の長さである。
【０００６】
Ｉ１が測定され、Ｉ０、αおよびｌが既知である場合、濃度ｃは方程式（１）を使用して計算することができる。単純性のために、溶媒は透明であると仮定される。また、溶媒によって引き起こされた光および／または溶質分子の如何なる散乱影響も存在しないか或いは無視できると仮定される。
【０００７】
実験用機器では、流体の中で既知の溶質の未知の濃度を測定するために使用される慣例は、最初に光透過率を測定することである。光透過率は、光検知器を使用して、２つの測定状態を介して方程式（１）から、比Ｉ１／Ｉ０と定義される。状態Ａと呼ばれる第１の測定状態でＨ、光は、光検知器の信号出力によって光学的経路中にサンプルがない状態で測定され、（「基準測定信号」と呼ばれ）Ｉ０に比例する。そして、状態Ｂと呼ばれる第２の測定状態では、光は、光検知器の信号出力によって光学的経路中のサンプルと共に測定され、（「サンプル測定信号」と呼ばれ）Ｉ１に比例する。濃度を測定するこの方法論を用いる場合、正確に進入光強度Ｉ０を知る必要はない、なぜなら進入光強度が光透過率（Ｉ１／Ｉ０）で相殺するからである。
【０００８】
一列に（ｉｎ−ｌｉｎｅ）流動液体サンプルを測定する場合、上記状態ＢおよびＡのような光学的経路から流体サンプルを導入し除去することは通常厄介であり、非実用的である。より広く使用される代替の方法は光スイッチング方法に依存し、この方法はまず光線を、流体サンプルを通って移動させ、ついで流体サンプルを含まない第２の光学的経路を通って移動させる。この光切り替え方法は実施するのがより簡単である、なぜなら、サンプル有りとサンプル無しの測定の間の切り替えが、流体の流れの外側の光学要素を制御することにより、光学的に行われるからである。上記状態Ａの通路は、空気または真空を通す通路、溶質の無い同じ溶媒、或いは同じ溶媒と、正確に知られた濃度の同じ溶質材料又は知られた透過率の如何なる他の物質とから製造された溶液を通す通路であり得る。このように、状態Ａ及びＢにおける光検知器の信号出力は得られ、またＩ１／Ｉ０に等しい基準サンプルの既知の透過率に訂正された信号出力の比は、上記の方程式（１）から濃度ｃを得るために使用することができるか、あるいはαおよび経路の長さｌについての知識を使用することにより、類似の方程式を使用することができる。
【０００９】
図１Ａおよび１Ｂは、そのような光学的な切替方法を実施する典型的な概略図を例証する。光源１２は光線を生成する。当該光線は第１のレンズ２４ａによって向けられ、基準流体（図１Ａ−状態  Ａ）あるいは流体サンプル（図１Ｂ−状態Ｂ）のいずれかを通過する。基準流体又は流体サンプルを出る光線は、光検知器１４に当たる前に第２のレンズ２４ｂを通される。状態Ａ（図１Ａ）において、１対の切り替えミラー９０ａおよび９０ｂは移動され、その結果、第１のレンズ２４ａによって向けられた光源１２からの光線は、第１の切り替えミラー９０ａから反射され、第１の固定ミラー９２ａから離れて基準流体を通り抜け、ついで、光線は第２の固定ミラー９２ｂから反射され、第２のレンズ２４ｂを経て第２の切り替えミラー９０ｂから離れ、光検知器１４に至る。状態Ｂ（図１Ｂ）において、一対の切り替えミラー９０ａおよび９０ｂは移動され、その結果、光源１２からの光線は第１のレンズ２４ａによって向けられ、流体サンプルを通り抜け、ついで、光線は第２のレンズ２４ｂを通り抜け光検知器１４に至る。破線９４は、状態ＡおよびＢの光線によって横断される光学的経路を表わす。光源１２が光の指向性光線を生成する場合、図１Ａおよび１Ｂで例証された実施例では、第１のレンズ２４ａが省略され得ることに注意すること。
【００１０】
そのような光学的切り替え方法および他の概念的に同様の方法の１つの欠点は、切り替え機構が２つの異なる光学的経路で異なる外部光学要素を使用することである。図１Ａおよび１Ｂのスキームでは、基準信号（図１Ａ）を測定する場合、ミラー９０ａ、９０ｂ、９２ａおよび９２ｂは、サンプルから光学的経路を逸らすために使用される。その結果、２つの経路を出る光は、一般的にサンプルの存在或いは不存在のみならず、光学列で使用される光学要素の反射率および／または透過率によって影響を受ける。その結果、基準信号およびサンプル測定信号の比率は、望まれるようなサンプル透過率と単に等しくない。実際、比率はさらに他のファクター、例えばｉ）状態、ＡおよびＢにおいて使用されるミラーの反射率、およびｉｉ）二つの光線の異なる形状又は状態ＡおよびＢで光線が移動する異なる距離による、状態ＡおよびＢの信号出力中の幾何学的な光学効果を含み得る。
【００１１】
光検知器１４によって生成されたサンプル測定信号は以下のように表現することができる。
【００１２】
【数２】
2020524265.tif 000004
【００１３】
また、光検知器１４によって生成された基準測定信号は以下のように表現することができる。
【００１４】
【数３】
2020524265.tif 000005
【００１５】
ここに、ＩＬＳは光源１２の光強度出力、τ１はサンプル測定状態（すなわち、状態Ａ）で使用される光学要素の光学的スループット、τ０は基準測定状態（つまり状態Ｂ）で使用される光学要素の光学的スループット、τＳは流体サンプルの光学的スループット、τＲは基準物質の光学スループットＲは光検知器１４の応答である。上記の方程式（２）および（３）において量ρｍを信号の比として定義すること、すなわち、１／Ｓ０、比ρｍは以下のように表現することができる。
【００１６】
【数４】
2020524265.tif 000006
【００１７】
比τ１／τ０が知られている場合、および基準物質透過率τＲが知られている場合、所望の希望の未知数、τｓは、濃度ｃの情報を含み、方程式（４）を転置することにより得られる。原則として、量τ１とτ０はこの目的を達成するために測定され得る。しかしながら、そのような測定が追加の光学切り替え要素の要求により高価であると同時に厄介で非実用的であるという事実に加えて、他の光学的経路ではなく１つの光学的経路で使用される光学要素に時間とともに生じるあらゆる変更（例えば、状態Ｂではなく状態Ａで使用される切り替えミラー）は、濃度測定に誤差を引き起こすだろう。そのような変化の一例は、ミラー９０ａ、９０ｂ、９２ａおよび９２ｂの１つ以上の反射率の変化であり得、反射するミラー面上のダストあるいは他の粒子状物質の経年変化あるいは蓄積による。そのような光学切り替え機構を実施する場合、現在のプラクティスは、容易に光学要素のそのような一時的な変更を補うことができない。測定システム変更に対する補償は測定システム自体を特徴づけるために専門の個別の較正手順を使用してのみ行うことができる。そのような較正手順は、典型的には較正を行なうために生産ラインから測定システムのシャットダウン或いは一時的除去を要求し、濃度測定の効率を下げる。単純性のために上記処理は、移動距離におけるｆナンバーにおける変形あるいは違いを考慮にいれないが、ｆナンバーにおける変形あるいは違いは存在するかもしれず、否定的に目標達成に影響するかもしれない。
【発明の概要】
【００１８】
本発明は、溶質の濃度を決定するために、フローセルのチャンバ内の流体サンプル、例えば溶媒や溶質の化学的溶液を分析するためのフローセルを含む、フローセルおよび光学的分析システムに向けられている。当該分析は、フローセルを通り抜ける光、すなわち２つの測定状態での流体サンプルを通り抜ける光を測定することにより行なわれる。フローセルおよび／または光学的分析システムは切り替え機構を含み、当該切り替え機構は、フローセルのチャンバの外の光学的分析システムの光学要素のいずれも移動させないで、２つの測定状態の間でフローセルを切り替える、これによって、測定誤差を低減する。２つの状態の間の切り替えはフローセル内に含まれたので、基準物質の量の調節によって影響され、フローセルを通る光学的経路内に配置される。
【００１９】
特定の実施形態で、基準物質は化学的に安定な材料、例えばサファイアまたは石英から構成された透明な桿状体で実施され、光学的分析システムおよびフローセルの操作上の特性が、長期間に亘って維持されることを可能にする。２つの状態の間でフローセルを切り替えることによる特定の実施形態で、フローセルを通る光によって横断される光学的経路の長さは、（幾何学的な経路の長さは同じままかもしれないが）２つの光学的経路長の間で切り替えられる。２つの経路長の間での切り替えを引き起こす要素はフローセル自体内に含まれ、これによって、そのような要素を外部汚染にさらす可能性を減少させる。
【００２０】
本発明の実施形態の教示によれば、流体サンプルを分析するためのフローセルが提供される。フローセルは次のものを含む。基準物質を含み、流体サンプルを含むための少なくとも１つの中空チャンバを含むフローセル本体であって、該フローセル本体は対向表面を含み、該対向表面は各々少なくとも１つの透明部分を有し、前記フローセル本体を通って横断する光の光学的経路は、一部透明部分によって定義されてなるフローセル本体と、第１の光強度測定に対応する基準測定状態と第２の光強度測定に対応する流体サンプル測定状態との間のフローセルの切り替えを達成するために光学的経路内に配置された基準物質の量を調節するために操作可能な切り替え機構と、を含む。
【００２１】
随意に、基準物質は、流体サンプルと接触する少なくとも一部分を有する少なくとも１つの移動自在の要素を含む。
【００２２】
随意に、切り替え機構は、少なくとも１つの回転アームを有する回転機構を含む。
【００２３】
随意に、切り替え機構は、２つの状態の間で切り替えを達成するために、光学的経路の内と外で交互に透明な桿状体を位置づけるための回転機構を回転するように動作可能である。
【００２４】
随意に、回転機構は複数のアームを含み、各々のアームが、当該アームに結合された透明な桿状体を有する。
【００２５】
随意に、隣接したアームの透明な桿状体は、異なる長さを持っている。
【００２６】
随意に、基準物質は透明な桿状体を含んでいる。
【００２７】
随意に、透明な桿状体はフローセル本体の中心軸の周りを回転可能である。
【００２８】
随意に、基準物質はさらに第２の透明な桿状体を含み、２つの透明な桿状体は異なる長さである。
【００２９】
随意に、２つの透明な桿状体は共同で移動可能である。
【００３０】
随意に、切り替え機構は、光学的経路の内と外で桿状体を併進移動させるために動作可能である。
【００３１】
随意に、切り替え機構は光学的経路に実質的に垂直な回転軸の周りに透明な桿状体を回転させるために動作可能である。
【００３２】
随意に、基準物質は光学的経路中の一定量の流体サンプルを置き換えるように移動可能である。
【００３３】
随意に、切り替え機構はピストン構成を含んでいる。
【００３４】
随意に、中空チャンバは流体が中空チャンバを通って流れるための流路を提供する入口ポートおよび出口ポートを含んでいる。
【００３５】
随意に、切り替え機構は、中空チャンバを通る流体の流れによって起動される。
【００３６】
随意に、切り替え機構は、光検知器と同期して作動するモータによって起動される。
【００３７】
随意に、基準測定状態は第１の光学的経路長に対応し、流体サンプル測定状態は第２の光学的経路長に対応する。
【００３８】
随意に、第１の光学的経路長は、光学的経路中の第１の量の流体サンプルに対応し、第２の光学的経路長は、光学的経路中の第２の量の流体サンプルに対応する。
【００３９】
随意に、中空チャンバは、光学的経路の中で固定して位置づけられる。
【００４０】
随意に、透明の部分は中空チャンバの対向表面に配置された１対の透明の窓として実施される。
【００４１】
随意に、基準物質は流体サンプルと一緒に中空チャンバ中に配置される。
【００４２】
随意に、光学的経路は、第１レンズおよび第２レンズを含むスタティックレンズ構成によってさらに一部が定義され、透明の部分はスタティックレンズ構成のそれぞれのレンズ間で位置決めされる。
【００４３】
随意に、基準物質は流体サンプルと異なる第２の流体である。
【００４４】
随意に、フローセル本体は、第２の液体を含む第２の中空チャンバを含んでいる。
【００４５】
随意に、透明の部分は第１の一対の透明の窓として実施され、当該透明な窓は中空チャンバの対向表面に配置され、前記フローセルは、第２の中空チャンバの対向表面上に随意に配置される第２の一対の透明の窓をさらに含む。
【００４６】
随意に、流体サンプル測定状態にあるとき、前記一対の透明の窓は、中空チャンバを通る光学的経路を提供するためにスタティックレンズ構成のそれぞれのレンズと一列に並び、基準測定状態にあるとき、第２の一対の透明の窓は、第２の中空チャンバを通る光学的経路を提供するためにスタティックレンズ構成のそれぞれのレンズと一列に並ぶ。
【００４７】
本発明の教示の実施形態に従って、流体サンプルを分析するためのシステムが提供される。前記システムは、フローセル本体を含むフローセルであって、該フローセルは基準物質を含み、流体サンプルを含むために少なくとも１つの中空チャンバを含んでなる、フローセルと、光源からフローセル本体を通って光検知器まで光を向けるために少なくとも第１及び第２のレンズを含むスタティック光学構成と、前記フローセル本体の対向表面上に配置された少なくとも第１および第２の透明表面であって、前記フローセル本体は第１の透明表面と第１のレンズと、そして第２の透明表面と第２のレンズと、を一列に並ぶように位置決めでき、フローセル本体を通る光学的経路が、前記第１及び第２の透明表面とスタティック光学構成によって一部が定義されてなる第１及び第２の透明表面と、基準物質の量を調節するために動作可能な切り替え機構であって、当該基準物質は、第１の光強度測定に対応する基準測定状態と第２の光強度測定に対応する流体サンプル測定状態との間でフローセルの切り替えを達成する光学的経路内に配置されてなる切り替え機構と、を含む。
【００４８】
随意に、前記システムはさらに、フローセルを通り抜けるようにフローセルへ光を導くための第１の光ファイバーと、フローセルを通り抜けた光を導くための第２の光ファイバーとを含む光ファイバー構成を含む。
【００４９】
随意に、前記システムはさらに、第１の光ファイバーに結合された光源を含む。
【００５０】
随意に、前記システムはさらに、フローセル本体を通り抜ける光強度の測定のために第２の光ファイバーに結合された光検知器を含む。
【００５１】
随意に、検知器と切り替え機構は同期して作動するように構成される。
【００５２】
随意に、前記システムはさらに、前記光検知器に結合された少なくとも１つの処理装置を含む処理ユニットであって、前記処理ユニットは、フローセルが基準測定状態であるときに、フローセル本体を通り抜ける光強度を示す第１の信号を受け取り、フローセルが流体サンプル測定状態であるときに、フローセル本体を通り抜ける光強度を示す第２の信号を受け取り、そして、受信信号の一部に基づいて流体サンプルの濃度あるいは透過率の少なくとも１つを決定する、ように構成される処理ユニットを含む。
【００５３】
本発明の教示の実施形態によれば、流体サンプルを分析するためのフローセルが提供される。フローセルは、流体サンプルを含むための少なくとも１つの中空チャンバと、中空チャンバの対向表面上に配置された一対の透明の窓であって、透明の窓の各々は中空チャンバを通る光学的経路を定義するために、スタティックレンズ構成のそれぞれのレンズと一列に並んでなる透明の窓と、流体サンプルと接触する少なくとも１つの部分を有する少なくとも１つの移動可能な要素を含む切り替え機構であって、前記切り替え機構は、少なくとも第１の光学的経路長と第２の光学的経路長との間の中空チャンバを通る光学的経路長を変更するために少なくとも１つの要素を移動させるように動作可能である、切り替え機構を含む。
【００５４】
もし本明細書に別段定義されなかったならば、本明細書で使用される技術的および／または科学的な用語は、すべて本発明が関係する技術における当業者によって一般に理解されるものと同じ意味を有する。本明細書に記述されたものに類似しているか、或いは等価である方法および材料は本発明の実施形態の実施又は試験で使用され得るが、典型的な方法および／または材料は以下に記載される。紛争の場合には、定義を含む特許明細書が調整するであろう。加えて、材料、方法および実施例はあくまでも例証であり、また必ずしも制限することは意図されない。
【図面の簡単な説明】
【００５５】
本発明のいくつかの実施形態は、添付図面を参照して、一例として本明細書に記載される。図面を詳細に特別に参照して、示された詳細な点が一例として本発明の実施形態の例証となる説明の目的のためにあることが強調される。この点において、図面で得られた記載は、本発明の実施形態が如何にして実行されるかについて当業者に明らかにする。ここで注意が図面に向けられ、同じような参照数字又は符号は、対応する要素又は同じような要素を示す。
【図１Ａ】図１Ａは溶質の濃度の測定のための先行技術の光学的切り替えスキームの概略図である。
【図１Ｂ】図１Ｂは溶質の濃度の測定のための先行技術の光学的切り替えスキームの概略図である。
【図２】図２は、本発明の実施形態にしたがって、溶質の濃度を決定するために溶媒と溶質から形成された流体サンプルを分析するためのフローセルを含むシステムの概略図である。
【図３】図３は、切り替え機構を有するフローセルを含むフローセル組立体の等角図であり、回転切り替え機構として実施され、当該回転切り替え機構は、溶媒及び溶質から形成された流体溶液サンプルを分析するために２つの測定状態の間で切り替え、本発明の実施形態にしたがって、溶質の濃度を決定する。
【図４】図４は、本発明の実施形態にしたがって、フローセル組立体のモータを示す図３に類似した等角図である。
【図５】図５は、本発明の実施形態にしたがって、フローセルの正面から取られた図３のフローセルの等角図である。
【図６】図６は、本発明の実施形態にしたがって、フローセルの正面カバーが除去されて切り替え機構の要素を明らかにしている、図５に類似した等角図である。
【図７】図７は、本発明の実施形態による、図６に類似したフローセルの他の等角図である。
【図８】図８は、本発明の実施形態にしたがってフローセルの背後から取られた図３のフローセルの等角図である。
【図９】図９は、本発明の実施形態による、図３の切り替え機構と図４のフローセル組立体のモータの相互接続の等角図である。
【図１０】図１０は、本発明の実施形態による、図３の切り替え機構と図４のフローセル組立体のモータの相互接続の等角図である。
【図１１】図１１は、本発明の実施形態による、図６、７、９および１０の切り替え機構の透明桿状体の等角図である。
【図１２Ａ】図１２Ａは、本発明の実施形態による流体サンプル測定状態で示される図２のフローセルの概略図である。
【図１２Ｂ】図１２Ｂは、本発明の実施形態による基準測定状態で示される図２のフローセルの概略図である。
【図１３Ａ】図１３Ａは、本発明の実施形態による流体サンプル測定状態で示される回転可能な透明な桿状体として切り替え機構を実施するフローセルの概略図である。
【図１３Ｂ】図１３Ｂは、本発明の実施形態による基準測定状態で示される回転可能な透明な桿状体として切り替え機構を実施するフローセルの概略図である。
【図１４Ａ】図１４Ａは、本発明の実施形態による流体サンプル測定状態で示される、摺動桿状体として切り替え機構を実施するフローセルの概略図である。
【図１４Ｂ】図１４Ｂは、本発明の実施形態による基準測定状態で示される、摺動桿状体として切り替え機構を実施するフローセルの略図である。
【図１５Ａ】図１５Ａは、本発明の実施形態による流体サンプル測定状態で示される回転可能なアームとして切り替え機構を実施するフローセルの概略図である。
【図１５Ｂ】図１５Ｂは、本発明の実施形態による基準測定状態で示される回転可能なアームとして切り替え機構を実施するフローセルの概略図である。
【図１６Ａ】図１６Ａは、本発明の実施形態による流体サンプル測定状態で示される、２重の滑る桿状体構成として切り替え機構を実施するフローセルの概略図である。
【図１６Ｂ】図１６Ｂは、本発明の実施形態による、基準測定状態で示される、２重の滑る桿状体構成として切り替え機構を実施するフローセルの概略図である。
【図１７Ａ】図１７Ａは、本発明の実施形態による流体サンプル測定状態で示されるピストン構成として切り替え機構を実施するフローセルの概略図である。
【図１７Ｂ】図１７Ｂは、本発明の実施形態による、基準測定状態で示されるピストン構成として切り替え機構を実施するフローセルの概略図である。
【図１８Ａ】図１８Ａは、本発明の実施形態による流体サンプル測定状態で示される流体サンプルを含む一方のチャンバと共に、２つの共同で移動可能なチャンバにフローセル本体を細分化されたフローセルの概略図である。
【図１８Ｂ】図１８Ｂは、本発明の実施形態による基準測定状態で示される基準流体を含む他方のチャンバと共に、２つの共同で移動可能なチャンバにフローセル本体を細分化されたフローセルの概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００５６】
本発明はフローセルおよび光学的分析システムに向けられ、それらは、フローセルのチャンバの流体サンプルを分析するためのフローセルを含み、流体の物理的特性、例えば流体の透過性を測定することにより、流体中の成分の濃度を決定する。
【００５７】
本発明によるフローセルおよび光学的分析システムの原理および動作は、明細書に添付の図面を参照してさらによく理解され得る。
【００５８】
本発明は、ガスや種々のタイプの液体を含む種々のタイプの流体、例えば、溶媒と溶質から構成される化学的溶液）の多種類に適用可能であり、フローセル及び光学的分析システムは溶質の濃度を決定するために使用される。
【００５９】
本発明の少なくとも１つの実施形態について詳細に説明する前に、本発明が、構造及び構成要素の配置および／または以下の説明への詳細な説明で述べられた方法および／または図面及び／又は実施例において例証された詳細な点に必ずしも限定されないことは理解されるべきである。本発明は他の実施形態で実施可能又は他の種々の方法で実施或いは実行されることができる。最初に、この明細書の全体にわたって方向について、例えば正面と背面、時計方向及び反時計方向などについて言及されている。これらの方向の言及は、本発明及びその実施形態を例証するための一例である。
【００６０】
ここで、図面を参照して、図２は、システムの概略図を示し、当該システムは、一般に参照符号１０が指定され、本開示の実施形態にしたがって構築され、実施され、流体サンプル、例えば、溶媒及び溶質の化学的溶液を分析するためのシステムで、溶質の濃度を決定する。概して言えば、システム１０は、流体サンプルおよび少なくとも基準物質を含むフローセル３０を含み、前記システム１０は、光源１２、例えば光でフローセル３０を照射するためのハロゲン・ランプを含み、前記システム１０は、フローセル３０を通り抜ける光を検知するための光検知器１４を含み、また前記システム１０は、光源１２からの光をフローセル３０に導くために、そしてフローセル３０を通り抜けた光を前記光検知器１４に導くための光伝達組立体を含む。図２で例証された概略図は、システム１０の様々な可能な概略図のうちの１つである。
【００６１】
特定の実施形態では、フローセル３０は、化学的送達配管構成（図示せず）に直接組み込まれる。例えば、フローセル３０は回転経路で提供され得るものであり、該回転経路は化学溶液タンクに接続されたそのような配管構成によって形成される。
【００６２】
光伝達組立体１７は、第１の光ファイバー１８ａ、第２の光ファイバー１８ｂ、およびスタティック光学組立体２２を含んでいる。当該スタティック光学組立体２２は第１のスタティックレンズ２４ａと第２のスタティックレンズ２４ｂを含んでいる。この明細書の文脈で、「スタティック」という用語は、システム１０とフローセル３０の構成要素に関して言及されるが、一般的に決められた位置に固定され、移動しない要素を言う。図２にはひとつのレンズとして表わされているが、レンズ２４ａおよび２４ｂの各々は、実際には２以上のレンズのセットであり得る。第１の光ファイバー１８ａは光源１２に接続され、光源１２からの光を第１のレンズ２４ａを通ってフローセル３０内に導く。第１のレンズ２４ａは光源１２からの光を平行にするために作用し、光はフローセル３０内を進む。第２の光ファイバー１８ｂは光検知器１４に接続され、フローセル３０を通り抜けて、第２のレンズ２４ｂに集光された光を光検知器１４に導く。
【００６３】
光学組立体２２のレンズ２４ａおよび２４ｂは、それフローセル３０の透明の部分４０ａおよび４０ｂと一列に並び得、透明部分４０ａおよび４０ｂは、フローセル３０を通り抜ける光に、入口表面と出口表面を提供する。レンズ２４ａおよび２４ｂは、フローセル３０の透明部分と共に、フローセル３０を通り抜ける光源１２からの光のための光学的経路５６（即ち、光学的経路）を定義する。
【００６４】
本開示のその後の部分に更に詳細に述べられるように、フローセル３０の透明部分４０ａおよび４０ｂは、透明の窓の形で実施され得、当該透明の窓は、フローセル３０の、対向して配置される表面の部分を占める。代替的に、そのような対向して配置される表面の全体或いは略全体は透明であり得る。単純性のために、本明細書の残りの全体にわたって、透明部分４０ａおよび４０ｂは透明の窓４０ａおよび４０ｂと相互に交換可能に呼ばれる。しかしながら、そのような窓は、フローセル３０の、それぞれ対向して配置される表面の小さな部分に厳格に制限されず、フローセル３０の、それぞれ対向して配置される表面の全体或いは略全体を含み得ることは明らかである。
【００６５】
フローセル３０は第１の測定状態と第２の測定状態との間で、フローセル３０の切り替えるための切り替え機構４６と、システム１０を含んでいる。この明細書の文脈内で、第１の測定状態は、相互に交換可能に「流体サンプル測定状態」、「サンプル測定状態」と言い、第２の測定状態は相互に交換可能に「基準測定状態」あるいは「較正状態」と言う。特定の実施形態では、２つの状態の間の切り替えは、基準物質の量を調節する切り替え機構４６によって影響され、基準物質は光学的経路５６に配置され、それはアナロジーによってフローセル３０を通る光によって横断される光学的経路の長さを調節し、更なるアナロジーによって流体サンプルの量、あるいは流体サンプルの厚さを調節し、流体サンプルは光学的経路内に存在する。特定の実施形態では、基準物質は透明な桿状体であり、特定の実施例において、桿状体は化学的に安定した材料、例えばサファイア、石英から構成され得る。サファイアからの、そのような透明桿状体の構成は、分析下の流動サンプルは、活動的な化学的溶液であるという状況でフローセル３０に安定性を提供し得る。他の実施形態において、基準物質は、溶質のない流体、同じ溶媒と、正確に知られた濃度の同じ溶質材料とから製造された同じ溶媒、或いは知られた透過率の流体（例えば、空気または脱イオン水）であり得る。
【００６６】
一般に、システム１０の構成要素のすべては、切り替え機構４６及び切り替え機構４６を駆動する構成要素を除いて、スタティックな構成要素である。フローセル３０に入る平行にされた光線は、フローセル３０によって発散も収斂もしない、それは光線がシステム１０の光学表面のすべてと平行か或いは直角であることを意味し、本開示のその後の部分に更に詳細に述べられるように、システム１０は、レンズ２４ａ及び２４ｂ、部分４０ａ及び４０ｂ、および切り替え機構４６の様々な表面を含んでいる。しかしながら、フローセル３０に入る光は、必ずしも平行にされず、光線は斜角でシステム１０の光学表面に当たる他の実施例が可能であることに注意されたい。
【００６７】
システム１０は、２つの測定状態における光検知器１４によって生成された信号に基づいて流体サンプルの透過率および濃度を計算するアルゴリズムを実行するために光検知器１４に結合された処理ユニット１６をさらに含む。処理ユニット１６は、記憶媒体、例えば、メモリなどに結合された少なくとも１つの処理装置を含んでいる。処理装置は、マイクロプロセッサー、ＡＳＩＣ、ＤＳＰ、ＦＰＧＡ、ステート・マシン（ｓｔａｔｅ  ｍａｃｈｉｎｅ）およびマイクロコントローラを含むが、これらに限定されない任意の数のコンピュータ処理装置であり得る。そのような処理装置はコンピュータ可読可能な媒体を含むか、或いは通信され得、当該コンピュータ可読媒体は、処理装置によって実行される時、処理装置に動作を実行させるプログラムコードあるいは命令セットを格納する。コンピュータ可読媒体の種類は、電子式、光学式、磁気式或いはコンピュータ可読命令を処理装置に提供し得る他の記憶装置又は伝送装置を含むが、限定されない。処理ユニット１６によって実行されるアルゴリズムと計算は、本開示のその後の部分に更に詳細に述べられる。
【００６８】
光学組立体２２、光源１２および光検知器１４はフローセル組立体の一部としてフローセル３０と共に埋め込まれ得、放射源１２および光検知器１４のそれぞれのレンズ２４ａおよび２４ｂとの直接の結合を提供し、これによって光ファイバー１８ａおよび１８ｂの必要性を回避することに注意されたい。
【００６９】
継続して図２を参照しつつ、ここで図３−１０、即ち、本開示の実施形態にしたがってフローセル３０及びその対応する構成要素の実施例に言及する。図３および４に示されるように、フローセル３０はフローセル組立体２０の一部として実施され、フローセル組立体は、光学組立体２２、切り替え機構４６を起動するためのモータ２６を保持するモータハウジング２７、およびフローセル３０、光学組立体２２およびモータハウジング２７を適所に保持するためのホルダー２８を含み、フローセル組立体２０全体が光源１２および光検知器１４に従って一列に設置されることを可能にする。限定しない特定の実施例によれば、モータ２６はステッパー電動機として実施され、切り替え機構４６に階段状の切り替え能力を提供する。
【００７０】
光学組立体２２は、さらに入力構成２３ａおよび出力構成２３ｂを含んでいる。入力構成２３ａはレンズ２４ａおよび光入力ポート２５ａを含み、光入力ポート２５ａは、入力導光要素（例えば、光ファイバー）を通って光源１２からの光を受け入れ、レンズ２４ａを介してフローセル３０に光を導く。出力構成２３ｂはレンズ２４ｂおよび光出力ポート２５ｂを含み、光出力ポート２５ｂは、フローセル３０およびレンズ２４ｂを通過した後に光を受け取り、出力導光要素（例えば、光ファイバー）を介して光を光検知器１４に導く。レンズ２４ａは代替的に入力構成２３ａから分離してもよく、例えば、レンズ２４ａは、光源１２と入力導光要素の間に配置され得る、ことに注意されたい。同様に、レンズ２４ｂは出力構成２３ｂから分離していてもよく、例えば、レンズは、光検知器１４と出力導光要素の間に配置され得る。
【００７１】
フローセル３０は、対向して配置される表面、すなわち正面側表面３８ａ及び背面側表面３８ｂが設けられたフローセル本体３２を含んでいる。フローセル３０は、正面側表面３８ａがレンズ２４ａに近接して位置づけられ、背面側表面３８ｂがレンズ２４ｂに近接して位置づけられるように配置される。正面側表面３８ａは、フローセル本体３２の正面カバー３６の一部として形成される。
【００７２】
より良くフローセル３０の構成要素を説明するために、図５および８は、フローセル組立体２０から分離されたフローセル３０の等角図を例証しており、当該等角図は、それぞれフローセル３０の正面及び背面から取られ、図６及び図７は、削除された正面カバー３６と共にフローセル３０を例証している。流体サンプルと基準物質を含むために、中空チャンバ３４はフローセル本体３２の内部に提供される。特定の実施形態では、中空チャンバ３４は、光学的経路５６に固定して位置づけられる。
【００７３】
図５および８を参照すると、透明の窓４０ａおよび４０ｂは、略円形の形状であり得、それぞれ表面３８ａおよび３８ｂに配置される。具体的には、透明の窓４０ａは正面側の表面３８ａに配置され、レンズ２４ａと一列に並び透明の窓４０ｂは背面側表面３８ｂに配置され、レンズ２４ｂと一列に並ぶ。透明の窓４０ａおよび４０ｂは、光源１２によって放射された光のスペクトルにおいて透明な材料から構成される。
【００７４】
フローセル本体３２には、入口ポート４２および出口ポート４４がさらに設けられ、フローセル３０のチャンバ３４を通って流れる流体サンプル用の流路を提供する。流体サンプルは入口ポート４２経由でフローセル３０に導入され、出口ポート４４経由でフローセルから出される。化学溶液タンクに接続された化学溶液配管構成によって形成された回転経路でフローセル３０が提供される実施形態で、ポート４２および４４は、回転経路を通る流体サンプルの流れを促進する。そのような実施形態では、入口ポート４２は化学溶液配管構成の入力部分を経て化学溶液タンクから流体サンプルを受け入れ得、化学溶液配管構成は、反対側の端部で化学溶液タンクおよび入口ポート４２に相互接続され、出口ポート４４は、化学溶液配管構成の出力部分を経てフローセル３０から放出された流体をサンプタンクに供給し得（あるいは化学溶液タンクに再回転され得）、化学溶液配管構成は、サンプタンク（あるいは化学溶液タンク）と、その反対の端部で出口ポート４４に相互接続される。
【００７５】
ポート４２および４４には、一方向弁構成がそれぞれ取り付けられ得、ポート４２および４４を通るバックフローを防ぎ、フローセル３０を通る流体サンプルの一方向の流れを保証する。
【００７６】
図３−１０に例証されたフローセル３０の実施例では、切り替え機構４６は中空チャンバ３４の内部に配置されて、回転機構４８として実施される。とくに図６および７を参照すると、回転機構４８は、外方に伸びるアーム部５０を備えた回転自在の基部４９を含み、アーム部は流体サンプルと接している。回転可能なアーム部５０は、それぞれ例えば、基準物質として作用するサファイアまたは石英から構成された透明桿状体５２を有し、アーム部に取り付けられている。
【００７７】
図９および１０に示されるように、正面側表面５５および背面側表面５７を含んでいる。アーム部５０の各々は、基部４９の正面側表面５５から基部４９の背面側表面５７まで伸びる隙間（図示せず）を含み得、それぞれのアーム部５０への桿状体５２の取り付けを有効にする。それぞれの隙間と桿状体の５２の対は、対応した寸法にされ、桿状体５２がそれぞれの隙間に摺動自在に位置づけられるか或いは挿入されることを可能にする。桿状体５２は、光学的セメントなどを介して、それぞれの隙間の適所に保持され得る。
【００７８】
基部４９の正面側表面の重心は、（図７に見られるように）フローセル本体３２の中空チャンバ３４の中心軸５４と一列に並び、モータ２６によって起動された時、基部４９が中心軸５４の周りを回転することを可能にしている。その結果、回転機構４８のアーム部５０、したがって桿状体５２は、基部４９が回転すると中心軸５４の周りを回転する。
【００７９】
ここで図９および１０、モータ２６及び基部４９の相互接続に言及する。第１の端部領域５３ａおよび第２の端部領域５３ｂを有する駆動軸５１は、モータ２６を基部４９と接続し、フローセル本体３２の中空チャンバ３４の中心軸５４に沿って伸びる。第１の端部５３ａは、基部４９の中央部分（例えば図示されない隙間）を通って外方に伸び、第２の端部５３ｂは、フローセル本体３２の背部表面３８ｂから外方に伸びる。モータ２６は、駆動軸５１を回転させることにより回転させる回転機構４８を起動させ、駆動軸５１は基部４９を回転させ、それによって中心軸５４周りのアーム部５０および桿状体５２の回転（例えば、階段状の回転（ｓｔｅｐｐｅｄ  ｒｏｔａｔｉｏｎ））を引き起こす。桿状体５２の誘起された回転によって透明桿状体５２の端部を断続的に透明の窓と一列に並ばせ、桿状体５２の光学経路５６の内と外への切り替え可能な位置づけを生ぜしめる。特定の実施形態によれば、光検知器１４およびモータ２６、したがって回転機構４８は同期され、その結果、光検知器１４が適切な時に光強度の測定を実行する。しかしながら、特定の実施形態において、光検知器１４とモータ２６との間の同期は必要ではなく、例えば実施において同期信号の獲得および処理は必要でないことに注意すること。
【００８０】
基部４９の回転が時計方向あるいは反時計方向のいずれかの回転であり得、部分的及び／又は非連続回転であり得ることに注意されたい。モータ２６がステッパー電動機として実施される非限定的な実施例において、ステッパー電動機は、階段状の回転を時計方向及び反時計方向で可能にするように制御することができる。他の非限定的な実施例において、モータ２６は、回転の方向を逆転するリミットスイッチに達し得る。
【００８１】
図９および１０は駆動軸５１の形態で機械的リンクを介して基部４９とのモータ２６のインターフェースを例証するが、他の機械的リンクが可能であることは当業者に明らかであり、該機械的リンクは、例えば、ギヤ、クランクおよび／または当該技術で公知の他の機械的リンク構成を含むリンクを含む。
【００８２】
桿状体５２の一例の構成は図１１に例証され、図１１は、長さＬと円形のベースの直径Ｄを有する略円筒状の構造として桿状体５２の１つを表している。桿状体５２の円形のベース部は、透明の窓４０ａおよび４０ｂと略同じ寸法である。桿状体５２の各々は、長さＬの桿状体５２の各々が、フローセル本体３２の正面側表面３８ａから背面側表面３８ｂに向かって伸びるように配向される。回転機構４８の回転は、桿状体５２の円形のベース部が透明の窓４０ａおよび４０ｂと断続的に一列に並ぶようにされる。透明の窓４０ｂと桿状体５２の１つと一列に並ぶことは、例証の明瞭さのために図７に示される。図面は３つの回転自在のアーム部５０を有する回転機構４８を示し、アーム部５０に付けられた桿状体５２は等しい長さを有しているが、回転機構４８が、付けられた単一の桿状体を有する１つの回転可能なアーム部を含む他の実施例も可能であることに注意されたい。代替的に、回転機構４８は２つの回転可能なアーム部を含み得、アーム部に取り付けられた桿状体は、中心軸５４の寸法と異なる長さである。例えば、アーム部の１つには１５ミリメートル（ｍｍ）の桿状体が取り付けられ得、別のアーム部には５ｍｍの桿状体が取り付けられ得る。さらに、回転機構４８は同一か異なる長さの桿状体を有する隣接するアームについて、３を超える回転可能なアーム、例えば６つのアームを含み得る。例えば、第１のアーム部には１５ｍｍの桿状体が取り付けられ得、第１のアーム部に隣接する第２のアーム部には５ｍｍの桿状体が取り付けられ得、第２のアーム部に隣接する第３のアーム部には１５ｍｍの桿状体が取り付けられ得る。このように、流体サンプルを通る光学経路の長さは、光学経路に位置づけられた桿状体の長さにしたがって切り替えられる。
【００８３】
ここまで記載した実施形態は、モータ２６によって回転するように起動された回転機構４８として実施される切り替え機構４６に関係するものであるが、電動モータによらない力で少なくとも一部回転させるために回転機構４８を起動する他の実施形態も可能である。そのような実施形態では、フローセル３０の中空チャンバ３４を通す流体サンプルの流れによって回転させるために回転機構４８が起動され得る。例えば、回転機構４８はタービンのような機構として設計され得、その場合、アーム部５０は、流れに誘起される回転に適応するためにどれに輪郭が形成され表面を含むか、あるいは、アーム５０に加えて、輪郭が形成されたブレードが基部４９に接続されて、流れに誘起される回転に適応する。モータ、例えばモータ２６は、回転機構４８の回転速度を安定させ、かつ光検知器１４との同期を支持するために利用され得る。
【００８４】
流体サンプル測定状態は、桿状体５２が光学通路５６に位置づけられていない（すなわち、窓４０ａおよび４０ｂと一列に並ばない）状況に対応する。この状況で、流体サンプルだけが光学的経路５６に位置づけられ、それによってフローセル３０を通り抜けると、光源１２からの光線は流体サンプルを通り抜け、第１の光学的経路長を通って流体サンプルを横断する光線に帰着する。
【００８５】
基準測定状態は、桿状体５２のうちの１つが光学的経路５６に位置づけられたとき（すなわち、窓４０ａおよび４０ｂと一列に並んだとき）に対応し、いくつかの流体サンプルと桿状体５２の両方が光学的経路５６に位置づけられることに帰着する。この状況で、流体サンプルおよび桿状体５２の一部の両方は、光学的経路５６に位置づけられ、光線がフローセル３０を通り抜けると光源１２からの光線によって横断され、光線が第１の経路長より短い、第２の光学的経路長を介して流体サンプルを横断することに帰着する。これは、光線が桿状体５２の断面より狭いという事実により、したがって、光線の全体が桿状体５２を通り抜ける前にフローセル３０内の少量の流体サンプルを通り抜け、ついで、フローセル３０を出る前に少量の流体サンプルを再び通り抜ける。
【００８６】
類似性によって、光学的経路５６内の桿状体５２の１つの位置決めは、光学的経路５６外の流体サンプルのうちのいくつかと置き換え、それによって、流体サンプル測定状態の光学的経路５６内の流体サンプルの量に対して基準測定状態の光学的経路５６内の流体サンプルの量を減らす。そのため、基準測定状態および流体サンプル測定状態は、光学的経路５６内の流体サンプルの異なる厚さに対応する。
【００８７】
フローセル３０が流体サンプル測定状態であるとき、第１の光強度測定が行なわれ、フローセル３０が基準測定状態であるとき、第２の光強度測定が行なわれる。異なる光学的経路長に対して行なわれた２つの測定に基づいて、流体サンプルの溶質の透過率および濃度は、処理ユニット１６によって計算される。
【００８８】
引き続き図２−１０を参照しながら、ここで図１２Ａおよび１２Ｂ、即ち２つの測定状態の間で切り替えられたときのフローセル３０の概略図を参照すると、２つの測定状態のフローセル３０を通り抜ける光によって横断された光学的経路の長さの変化が結果として生ずる。図１２Ａおよび１２Ｂの流体サンプルはクロスハッチングされた領域によって表わされる。
【００８９】
図１２Ａは流体サンプル測定状態に対応し、桿状体５２のいずれもが光学的経路５６内に位置づけられないように、切り替え機構４６が切り替えられ、光学的経路５６内の流体サンプルの厚さＴ１に帰着する。
【００９０】
流体サンプル測定状態の光学的経路５６内の流体サンプルの厚さＴ１は、ほぼ窓４０ａおよび４０ｂの間の距離として類似的に理解され得る。
【００９１】
図１２Ｂは基準測定状態に対応し、切り替え機構４６は光学的経路５６内の桿状体５２の１つの位置を決めるために切り替えられ、光学的経路５６中の流体サンプルの厚さＴ２（厚さＴ１未満）に帰着する。
【００９２】
次のパラグラフは処理ユニット１６によって実行されるアルゴリズムによって行なわれる、２つの測定状態において光検知器１４によって生成された信号に基づく流体サンプルの透過率および濃度の計算について述べる。Ｓ１とＳ２は、それぞれフローセル３０が流体サンプル測定状態および基準測定状態である時、光検知器１４によって測定された光強度の信号出力である。Ｓ１は以下のように表現することができる。
【００９３】
【数５】
2020524265.tif 000007
【００９４】
ここでＩ０は光学システムを入力する光線の強度である。更に、Ｓ２は以下のように表現することができる。
【００９５】
【数６】
2020524265.tif 000008
【００９６】
方程式（５）および（６）において、ｋ１およびｋ２は比例定数であり、それぞれの切り替え状態における光学系のスループットおよび光検知器１４の応答を説明する。方程式（２）−（４）に関して記載された例に反して方程式（５）および（６）の右辺をそれぞれ乗じる定数τ１とτ２の差は、３つの主な理由でかなり減少され得る。第１に、２つの状態における光線によって横断された幾何学的な光学的経路は、基準状態における透明な桿状体の存在に起因する無視できる違いはあるものの、一般に同一である。光学的経路の比較的一定の幾何学的形状は、両方の測定状態で使用される光学組立体２２の同じ光学的特性による。第２に、桿状体５２は、桿状体５２の表面に被覆される抗反射材料からなる１つ以上の層で製造することができ、それらは、光線（すなわち、中心軸５４に垂直）によって横断され、桿状体５２をその光学スループットの減少にほとんど効果をなくす。第３に、光学要素の劣化によるスループットの時間変化は、両方の測定状態で同一の効果を有する。
【００９７】
方程式（５）および（６）を用い、単純性のためにｋ１とｋ２の間の差は無視できることを仮定し、変数ｃは、例えば、比率Ｓ１／Ｓ２の自然対数をとることにより解ける。従って、濃度ｃは以下のように表現することができる。
【００９８】
【数７】
2020524265.tif 000009
【００９９】
基準測定状態で、基準物質（すなわち桿状体５２）が光学的経路５６に位置づけられ得、その結果、光学的経路５６に存在した流体サンプルのほほすべてが桿状体５２によって置き換えられ、光学的経路５６の中に液体を本質的に残さない（すなわちＴ２≒０）ことに注意すること。代替的に、基準物質（すなわち桿状体５２）は光学的経路５６に位置づけられ得、桿状体５２の端部とフローセル３０の最も近い対応する透明な表面との間に残余の量の流体を残す。流体の任意のそのような残余量は対応する光学スループットを持ち、等しく上記信号の方程式を乗じるであろう、したがって、信号の比率計算で相殺するであろう。
【０１００】
モータで回転させるために起動されるか、フローセル３０の中空チャンバ３４を通る流体サンプルの流れによって引き起こされる回転機構として実施される切り替え機構に関係する実施形態についてここまで記述したが、切り替え機構が様々な他の機構として実施される他の実施例も可能である。次のセクションは、切り替え機構４６の様々な実施に向けられたいくつかの実施形態について述べる。明瞭さと簡明さのために、レンズ２４ａおよび２４ｂが切り替え機構４６の様々な実施に向けられた実施形態を例証する図で示されないことは注目される。しかしながら、レンズ２４ａおよび２４ｂ（あるいは均等な光学要素）が、そのような実施形態に同様に存在することは当業者によって理解されるに違いない。特定の実施形態によれば、例えば、光源１２が方向性をもつ光線（例えばレーザー）を生成する光源である実施形態においてレンズ２４ａが存在しないことはさらに注目される。さらにそのような実施形態では、レンズ２４ｂがさらに存在しないか、或いは光検知器１４に光を集光させるために存在し得ることに注意すること。
【０１０１】
ここで図１３Ａおよび１３Ｂ、切り替え機構４６の他の実施形態に言及する。図１３Ａおよび１３Ｂの切り替え機構４６は透明な桿状体６０を含んでおり、それは、中空チャンバ３４に配置され、基準物質として作用する。桿状体６０は、一次元で比較的厚く、二次元で比較的薄く、前記厚い次元と薄い次元に垂直な三次元に沿って軸芯の周りを回転可能である。更に、桿状体６０の回転軸は光学的経路５６に垂直で、当該紙面に垂直か、或いは平行である。桿状体６０は、例えばサファイアか石英、あるいは他の透明かつ不活性な材料から構成される。桿状体６０は、一般に平行六面体として形成され、その結果、両方の切り替え状態において、光学的経路に存在する桿状体６０の表面が互いに平行である。特定の限定しない実施例において、桿状体６０は形状において立方形である（すなわち長方形の直平行六面体）。桿状体６０は図１１で示された桿状体５２に類似し得、長さＬは、円形のベースの直径Ｄより著しく大きい（即ち、Ｌ＞＞Ｄ）。結果として、切り替え機構４６は桿状体６０を回転させ、その結果、第１の位置では、長さＬが、透明の窓４０ｂに向かって透明の窓４０ａから伸び、そして、第２の位置では、長さＬは、第１の位置にあるときの長さＬが伸びる方向に垂直な方角に伸びる。
【０１０２】
図で示されなかったが、桿状体６０は、図９および１０に例証されたモータ２６に類似したモータに駆動軸或いは連接棒を介して接続され得、当該駆動軸或いは連接棒は、桿状体６０の回転を引き起こす。桿状体６０の回転は、流体サンプルを通る光線によって横断された光学的経路の長さを変化させる。
【０１０３】
最初に図１３Ａを参照すると、フローセル３０は流体サンプル測定状態で示され、切り替え機構４６は桿状体６０を回転させるために切り替えられ、その結果、桿状体６０のより薄い方の次元は、窓４０ａおよび４０ｂの間に位置づけられる。図１２Ａで概略的に示されるのに類似して、これは、光学的経路５６内の流体サンプルの厚さＴ１に帰着する。
【０１０４】
ここで図１３Ｂを参照すると、フローセル３０は基準測定状態で示され、切り替え機構４６は桿状体６０を回転させるために切り替えられ、その結果、桿状体６０のより厚い方の次元が窓４０ａおよび４０ｂの間に位置づけられ、言いかえれば、長さＬが透明の窓４０ａおよび４０ｂの間に伸びる。図１２Ｂで概略的に示さるのに類似して、これは、光学的経路５６内の流体サンプルの厚さＴ２に帰着する。
【０１０５】
ここで図１４Ａおよび１４Ｂ、切り替え機構４６の他の実施形態に言及する。図１４Ａおよび１４Ｂの切り替え機構４６は、切り替え機構が、例えばサファイアあるいは石英から構成された透明な桿状体６２を含み、それは中空チャンバ３４に配置され、基準物質として作用する点において、図１３Ａおよび１３Ｂを参照して記載された切り替え機構の構成に似ている。桿状体６２は円筒形であり得、あるいは他の形状のベース面を持ち得窓４０ａおよび４０ｂの形状に対応する。桿状体６０の回転運動を使用する先の実施形態の切り替え機構と異なり、本実施形態の切り替え機構は、窓４０ａおよび４０ｂと一列に並ぶこと、及び一列に並ばないことに切り替え可能に桿状体６２を摺動するように構成され、これにより、桿状体６２の線形並進運動によって光学的経路５６内に、および光学的経路５６外に桿状体６２を移動させる。線形の並進運動は、モータ２６に類似し得るモータ（図示せず）に桿状体６２を接続する駆動軸６４によって引き起こされる。駆動軸６４は、例えば、フローセル３０の外への流体サンプルの漏出を防ぐために液体シールによって密閉されるフローセル本体３２の側部の１つに形成された隙間を介して中空チャンバ３４の内外に、摺動させるのに動さ可能である。
【０１０６】
図１４Ａおよび１４Ｂは、図３−８に例証されたフローセル３０に比して、フローセル３０をより概略的な図を例証していることに注意すること。図１４Ａおよび１４Ｂの中で例証されたフローセルは、本実施形態に特有の切り替え機構を除いて、図３−８に例証されたフローセルの同じ一般的な特徴を有すると理解されるに違いない。加えて、図１４Ａおよび１４Ｂのフローセルは、より明確に本実施形態の切り替え機構の構成要素を説明するために、カバーが除去されて示される。そのため、窓４０ｂだけが図１４Ａおよび図１４Ｂで示される。
【０１０７】
最初に図１４Ａを参照すると、フローセル３０は流体サンプル測定状態で示され、切り替え機構４６は窓４０ａおよび４０ｂと一列に並ばないように桿状体６２を位置づけるために切り替えられ、したがって、光学的経路から外れる。図１２Ａで概略的に示されるのに類似して、これは、光学的経路５６内の流体サンプルの厚さＴ１に帰着する。
【０１０８】
ここで図１４Ｂを参照すると、フローセル３０は基準測定状態で示され、切り替え機構４６は窓４０ａおよび４０ｂと一列に並んで桿状体６２を位置決めするために切り替えられ、したがって光学的経路に入る。図１２Ｂで概略的に示されるのに類似して、これは、光学的経路内の流体サンプルの厚さＴ２に帰着する。
【０１０９】
図１４Ａおよび１４Ｂの直線的に移動可能な駆動軸６４が回転可能なアーム６７と取り替えられ得、当該アーム６７は図１５Ａおよび１５Ｂの中で例証されるように、光学的経路の内外で桿状体６２の移動を引き起こすようにフローセル本体３２の内部で部分的に回転する。
【０１１０】
ここで図１６Ａおよび１６、切り替え機構４６の他の実施形態に言及する。図１６Ａおよび１６Ｂの切り替え機構４６は、図１４Ａおよび１４Ｂを参照して記載された切り替え機構の構成に似ている。図１６Ａおよび１６Ｂの切り替え機構４６は特に駆動軸６５を利用し、図１４Ａおよび１４Ｂの実施形態に類似して、基準物質の線形の並進運動を有効にする。しかしながら、本実施形態は二重の摺動桿状体構成を利用しており、それは、図１４Ａおよび１４Ｂの実施形態に述べられているような単一の透明な桿状体の代わりに、（長さＲ１の）第１の透明な桿状体６６と、（長さＲ２＞Ｒ１の）第２の透明な桿状体６８を含んでいる。桿状体６６および６８は、駆動軸６５に共同で接続され、その結果桿状体６６および６８が一致して移動する。切り替え機構４６は、光学的経路の内外に、桿状体６６および６８を交互に位置づけるように横に駆動軸６５を移動させ、２つの異なる経路長の間の光学的経路の長さを切り替える。先に記載された実施形態のように、駆動軸６５は、モータ２６に類似し得るモータ（図示せず）に接続される。
【０１１１】
最初に図１６Ａを参照すると、フローセル３０は流体サンプル測定状態で示され、切り替え機構４６は、第１の方向に駆動軸６５を横に、したがって光学的経路内に移動させることによって窓４０ａおよび４０ｂと一列に並んで第１の桿状体６６を位置決めするように切り替えられる。同時に、第２の桿状体６８は４０ａと４０ｂと一列に並ばないで移動される。図１２Ａで概略的に示されるのに類似して、これは、光学的経路内の流体サンプルの厚さＴ１に帰着する。
【０１１２】
ここで図１６Ｂを参照すると、フローセル３０は基準測定状態で示され、第１の方向とは反対の第２の方向に駆動軸６５を横に、したがって光学的経路内に移動させることにより、窓４０ａおよび４０ｂと一列に並んで第２の桿状体６８を位置決めするために、切り替え機構４６が切り替えられる。同時に、第１の桿状体６６は４０ａと４０ｂと一列に並ばないで移動される。図１２Ｂの中で概略的に示されるのに類似して、これは、光学的経路内の流体サンプルの厚さＴ１未満の厚さＴ２に帰着する。
【０１１３】
二重の桿状体構成を使用するとき、定数ｋ１およびｋ２がよりよく均等になり得ることに注意すること。これは、流体サンプル、即ち２つの切り替え状態における桿状体の界面から与えられている光損失の同一の量による。
【０１１４】
切り替え機構４６が中空チャンバ３４の内部に配置される実施形態における基準物質として透明な桿状体或いは桿状体を使用することは特に有利であり得ることは、注目される。中空チャンバ３４を通る流体サンプルの流れは、入口ポート４２および出口ポート４４経由で、如何なる粒子又は物質を除去するために桿状体（即ち、円形ベース部）の端面を洗い流し、掃除するために作用し得、当該粒子又物質は、経時的に横断面上に付着し得る。
【０１１５】
切り替え機構４６の上述の実施例のすべてにおいて、関係のある透明な桿状体（例えば、桿状体５２、桿状体６０、桿状体６２など）は、既知の透過率を有する透明な桿状体によって、あるいは代替的にチャンバに置き換えられ得る。当該チャンバは、溶質のない流体サンプル、同じ溶媒と正確に知られた濃度の同じ溶質材料とから製造された溶液、あるいは既知の透過率を持つ流体（例えば、空気または脱イオン水）を含むことは注目される。そのようなチャンバは、光源１２によって放射された光のスペクトルにおいて透明な材料から構成された表面を有する。
【０１１６】
ここで、図１７Ａおよび１７Ｂ、切り替え機構４６の他の実施例に言及する。図１７Ａおよび１７Ｂの切り替え機構４６はピストン構成７０を含み、ピストン構成７０は固定された透明の窓７２および移動可能な透明の窓７４を含んでいる。透明の窓７２および７４は互いに平行で、例えば、サファイアまたは石英などの光源１２によって放射された光のスペクトルにおいて透明である材料から構成される。固定された透明の窓７２は、フローセル本体３２の正面表面又は背部表面のいずれか１つに近位して位置づけられ、透明の窓４０ａおよび４０ｂと一列に並ばされる。移動可能な透明の窓７４は、固定された透明の窓７２に向かって、或いは固定された透明の窓７２から遠ざかって、直線状に制御可能に移動自在であり、透明の窓４０ａおよび４０ｂと一列に並ぶ。移動自在の透明の窓７４の制御された移動は、光学的経路中の流体サンプルの量を有効に調節し、２つの異なる経路長間の光学的経路の長さを有効に切り替える。移動可能な透明の窓７４の移動は、モータ２６に類似し得るモータ（図示せず）によって制御され得る。
【０１１７】
最初に図１７Ａを参照すると、フローセル３０は、流体サンプル測定状態で示され、最大の距離Ｄ１で固定された透明の窓７２から遠ざかって移動可能な透明の窓７４を位置付けるために、切り替え機構４６が切り替えられる。図１２Ａで概略的に示されるのに類似して、これは、光学的経路内の流体サンプルの厚さＴ１に帰着する。
【０１１８】
ここで図１７Ｂを参照すると、フローセル３０は基準測定状態で示され、最小の距離Ｄ２で固定された透明の窓７２に近づくように移動自在の透明の窓７４を位置づけるために、切り替え機構４６は切り替えられる。図１２Ｂで概略的に示されるのに類似して、これは、光学的経路内の流体サンプルの厚さＴ２に帰着する。
【０１１９】
ここまで記載した実施形態は、基準物質とともに流体サンプルを含む単一の中空チャンバを有するフローセルに関し、切り替え機構は、光学的経路内の基準物質の量あるいは光学的経路内の流体サンプルの量を調節するのであるが、基準物質と流体サンプルが個別のチャンバに配置される他の実施形態も可能である。
【０１２０】
ここで、図１８Ａおよび１８Ｂ、フローセル本体３２が２つの個別のチャンバ、第１の中空チャンバ３４および第２の中空チャンバ３５に細分化されるフローセル３０の実施形態に言及する。図２乃至１６Ｂを参照して上述したものに類似して、流体サンプルは入口ポートと出口ポートを介して第１の中空チャンバ３４を通って流れる。溶質のない流体サンプル、同じ溶媒と正確に知られた濃度の同じ溶質材料から製造された溶液、あるいは既知の透過率をもつ流体（例えば、空気または脱イオン水）と同一の溶媒として実施され得る基準物質は、第２の中空チャンバ３５に含まれている。先の実施形態に記載されたのに類似して、透明の窓４０ａおよび４０ｂの対は、第１の中空チャンバ３４の対向する表面に配置される。第２の中空チャンバ３５は、第２の中空チャンバ３５の対向面上に配置される一対の透明の窓４１ａおよび４１ｂを含む。切り替え機構４６は、中空チャンバ３４および３５を相互に連結させる駆動軸８０を含んでおり、その結果、中空チャンバ３４および３５は横に一体的に移動する。切り替え機構４６は横に駆動軸８０を移動させ、交互に中空チャンバ３４および３５を位置決めし、それによって、光学的経路の内外に流体サンプルと基準物質とを交互に位置決めする。先に記載された実施形態のように、駆動軸８０は、モータ２６に類似し得るモータ（図示せず）に接続され得る。
【０１２１】
最初に図１８Ａを参照すると、フローセル３０は流体サンプル測定状態で示され、光学的経路内の第１の中空チャンバ３４の位置を決めし、同時に第２の中空チャンバ３５を光学的経路の外に移動させるために、切り替え機構４６が切り替えられる。
【０１２２】
ここで図１８Ｂを参照すると、フローセル３０は基準測定状態で示され、光学的経路内の第２の中空チャンバ３５の位置を決めるために、切り替え機構４６が切り替えられる、同時に第１の中空チャンバ３４を光学的経路の外に移動させる。
【０１２３】
ここまで記載した殆どの実施形態は、例えば駆動軸に接続されたステッパーモータなどのモータによって少なくとも一部起動される様々な切り替え機構に少なくとも一部分関係しているが、代替のアクチュエータおよび駆動装置が、開示された切り替え機構、例えば空気式アクチュエータ（例えば、空気で動作するピストン構成）或いは磁気アクチュエータ、油圧アクチュエータを起動させるために使用される他の実施形態も可能である。そのようなアクチュエータは、また、光学的経路の内外での基準物質の部分的および／または非連続的回転或いは移動を実行し得る。
【０１２４】
本発明の実施形態のシステムおよび／または装置の実施例は、選択されたタスクを手動で、自動で、或いはそれらの組み合わせで、実行すること、或いは完結すること、を含むことができる。本発明のシステムおよび／または装置の実施形態の実際の装置化および装備によれば、いくつかの選択されたタスクは、ハードウェアによって、又はソフトウェアによって、又はファームウェアによって、若しくはそれらの組み合わせによって、オペレーティング・システムを使用して実施することができた。
【０１２５】
本明細書に使用されているように、単数形、「ａ」、「ａｎ」および「ｔｈｅ」は、文脈が明確に他の方法で規定していない限り、複数の引用を含んでいる。
【０１２６】
「典型的」という用語は本明細書において「一例、事例あるいは例証としての役割を果たす」ことを意味するために使用される。「典型的」と記載された実施形態はいずれも、他の実施形態よりも好適である、或いは有利であると必ずしも解釈されない、および／または他の実施形態からの特徴の組み込みを排除しない。
【０１２７】
別々の実施形態の文脈で明確性のために記載された本発明の特定の特徴は、単一の実施形態において組み合わせて提供され得ることは、認識される。逆に、簡潔さのために、単一の実施形態の文脈で記載された本発明の様々な特徴は、別々にあるいは任意の適切なサブコンビネーションで提供されるかもしれない、あるいは、本発明の他の如何なる記載された実施形態において適切なものとして提供されるかもしれない。様々な実施形態の文脈で記載された特定の特徴は、実施形態がそれらの構成要素なしには無効であるということがない限り、それらの実施形態の必須の特徴と考えることはできない。
【０１２８】
本発明はその特定の実施形態と共に記載したが、多くの代替、変更および変形が当業者には明白になるであろうことは明白である。従って、添付の特許請求の範囲の精神および広い範囲に属するそのような代替、変更および変形をすべて包含することが意図される。
【図１Ａ】
2020524265.tif 000010
【図１Ｂ】
2020524265.tif 000011
【図２】
2020524265.tif 000012
【図３】
2020524265.tif 000013
【図４】
2020524265.tif 000014
【図５】
2020524265.tif 000015
【図６】
2020524265.tif 000016
【図７】
2020524265.tif 000017
【図８】
2020524265.tif 000018
【図９】
2020524265.tif 000019
【図１０】
2020524265.tif 000020
【図１１】
2020524265.tif 000021
【図１２Ａ】
2020524265.tif 000022
【図１２Ｂ】
2020524265.tif 000023
【図１３Ａ】
2020524265.tif 000024
【図１３Ｂ】
2020524265.tif 000025
【図１４Ａ】
2020524265.tif 000026
【図１４Ｂ】
2020524265.tif 000027
【図１５Ａ】
2020524265.tif 000028
【図１５Ｂ】
2020524265.tif 000029
【図１６Ａ】
2020524265.tif 000030
【図１６Ｂ】
2020524265.tif 000031
【図１７Ａ】
2020524265.tif 000032
【図１７Ｂ】
2020524265.tif 000033
【図１８Ａ】
2020524265.tif 000034
【図１８Ｂ】
2020524265.tif 000035
【国際調査報告】
2020524265.tif 000036
2020524265.tif 000037
2020524265.tif 000038