多通道分光光度计以及多通道分光光度计用数据处理方法与流程

本发明涉及用光电二极管阵列检测器或ccd线性图像传感器等多通道检测器检测由分光元件进行波长色散所得到的光的多通道分光光度计及其数据处理方法。

背景技术：

多通道分光光度计是如下一种装置：利用分光元件对在将从光源发出的光照射到试样时与该试样相互作用后的光(透射光、荧光发光光等)进行波长色散并检测每个波长的强度，该多通道分光光度计例如在液相色谱仪的检测部中使用(参照专利文献1)。图7表示在液相色谱仪的检测部中使用的多通道分光光度计的一例。从光源1发出的光被凹面镜2会聚并被照射到试样分析室3。在未图示的柱中按时间分离出的试样中的成分与流动相一起流入试样分析室3，在吸收了特定波长的光之后被排出到排出口。透过了试样分析室3的光在被凹面镜4反射并通过狭缝5之后由凹面衍射光栅6进行波长色散，从而被光电二极管阵列检测器(pda检测器)或ccd线性图像传感器等多通道检测器7(以下，称为“检测器7”)检测。

将多个微小的受光元件一维状地排列来构成检测器7，当由凹面衍射光栅6进行波长色散所得到的光入射到检测器7时，用各受光元件同时检测该波长色散光，并转换为与光强度相应的电信号。能够基于来自检测器7的检测信号制作规定波长范围的吸光光谱。

在上述结构的分光光度计中，用各受光元件检测用凹面衍射光栅6进行色散所得到的波长宽度相同且波长范围不同的光。另外，设计为分光光度计的可测定波长范围的上下端的波长λ1、λn的光分别入射到位于检测器7的两端的第一个受光元件和第n个受光元件。由此，能够高精度地检测每个波长的光强度，能够根据所得到的吸光光谱的峰波长和峰强度来进行试样成分的鉴定和浓度的测定。

本来在根据检测器7的检测信号获得的吸光光谱的峰强度的大小与试样成分的浓度之间存在直线性。然而，用各受光元件接收的光未必限于从试样发出且用凹面衍射光栅6进行波长色散而得到的光。例如，在分光光度计的各种光学部件中反射的光作为杂散光入射到受光元件。在这种情况下，各受光元件所接收的光量比本来的波长范围的光量多。特别是在试样成分的浓度高的情况下，在特定的波长范围内吸光度变大，杂散光的光量相对于本来要接收的光量的比率变大，因此杂散光的影响变得显著。因此，以往提出了用于消除这种杂散光对分光分析造成的影响的各种方法。

例如在专利文献1中公开了如下一种方法：在分光分析装置中，使用包括由分离窗分离出的样品系统分析室和参照样品系统分析室的分析室来运算样品系统分析室中的成分浓度。在该方法中，一边使分离窗移动一边检测样品系统分析室和参照样品系统分析室的吸光度，根据分离窗的位移量、样品系统分析室的吸光度以及参照样品系统分析室的吸光度来求出成分浓度。由此，消除了分析室表面的反射成分、由分析室的瑕疵或污染导致的散射成分、由漂浮在样品中的灰尘、悬浊物质等导致的散射成分所引起的杂散光的影响。

在专利文献2中公开了如下一种方法：在使从光源发出的光通过反射镜或半透半反镜后照射到样品、并使从样品发出的光通过反射镜或半透半反镜后入射到受光器的扫描型距离传感器中，消除在用于将来自光源的光取入传感器内的窗部的表面产生的反射光和散射光等杂散光成分的影响。在文献2中，在传感器内配置光吸收体，调整反射镜或半透半反镜的倾斜度等以使杂散光成分朝向光吸收体，由此能够防止杂散光入射到受光器。

专利文献1：日本特开平6-88782号公报

专利文献2：日本特开2005-221336号公报

非专利文献1：michaeke.feinholz，etal.“straylightcorrectionofthemarineopticalsystem”，journalofatomosphericandoceanictechnology，january2009，pp.57-73

技术实现要素：

发明要解决的问题

在上述多通道分光光度计中，入射到装置内并透过了试样分析室3的光在通过狭缝5之后入射到凹面衍射光栅6。入射到凹面衍射光栅6的光的大部分在由该凹面衍射光栅6进行波长色散后入射到pda检测器7，但一部分光由于凹面衍射光栅6的表面所附着的灰尘等而发生散射，作为杂散光而入射到pda检测器7的各受光元件。在专利文献1、2中记载的方法中，虽然入射到凹面衍射光栅6的杂散光减少，但无法去除在凹面衍射光栅6的表面产生的杂散光。

另外，在用多个受光元件同时检测波长色散光的多通道分光光度计中，有时向各受光元件入射的波长色散光的一部分在被该受光元件的受光面反射之后被其它受光元件检测。这样，被与本来应入射的受光元件不同的其它受光元件检测的波长色散光也是一种杂散光，但在以往的多通道分光光度计中没有考虑这种杂散光。

本发明要解决的问题在于，提供一种在用多个受光元件同时检测波长色散光的情况下能够减轻入射到各受光元件的各种杂散光的影响的多通道分光光度计及其数据处理方法。

用于解决问题的方案

为了解决上述问题而完成的本申请的第一方式所涉及的发明是如下一种多通道分光光度计：将来自试样的光导入分光元件，对通过由该分光元件进行波长色散所得到的波长色散光同时进行检测，该多通道分光光度计的特征在于，具备：

a)多通道型检测器，其具备沿所述分光元件的波长色散方向一维状地配置的多个受光元件；

b)光量计算单元，其根据所述多个受光元件各自的检测信号来计算光量；

c)光谱制作单元，其根据由所述光量计算单元计算出的光量来制作表示波长与光量的关系的光谱；

d)杂散光光量估计单元，其根据所述光谱来估计入射到各受光元件的杂散光的光量；以及

e)光谱校正单元，其从入射到每个受光元件的波长色散光的光量减去被估计为入射到该受光元件的杂散光的光量来校正所述光谱。

在本发明所涉及的多通道分光光度计中，检测器的多个受光元件沿分光元件的波长色散方向一维状地配置，使得分别入射波长范围不同的同一波长宽度的波长色散光。来自分光元件的波长色散光各自被与其波长范围对应的受光元件接收，从受光元件输出与其光量相应的检测信号。能够使用光电二极管阵列检测器(pda检测器)或ccd线性图像传感器等来作为这种检测器。

光量计算单元根据从各受光元件输出的检测信号来计算光量，光谱制作单元根据计算出的光量来制作表示波长与光量的关系的光谱。此时，光谱制作单元根据输出了作为光量源的检测信号的受光元件的位置来确定波长。在这种检测器中，即使入射了与本来应入射到受光元件的波长范围不同的波长范围的光，也无法区分这些光。因而，在来自分光元件的波长色散光的一部分入射到与对应于其波长范围的本来的受光元件不同的其它受光元件的情况下，在本来的受光元件中检测到比实际的光量少的光量，在该其它受光元件中检测到比实际的光量多的光量。

当规定的波长范围的波长色散光入射到与本来应入射的受光元件不同的其它受光元件时，对于其它受光元件而言该波长色散光成为杂散光。在位于附近的多个受光元件之间发生这种现象的可能性高，入射到位于附近的多个受光元件的光的一部分有可能彼此成为其它受光元件的杂散光。也就是说，与本来的受光元件不同的其它受光元件位于附近，入射到其它受光元件的杂散光的光量取决于入射到本来的受光元件的波长色散光的光量。基于根据多个受光元件各自的检测信号计算出的表示各波长色散光的光量与波长的关系的光谱来求出入射到本来的受光元件的波长色散光的光量，因此在本发明中，杂散光光量估计单元根据所述光谱来估计入射到各受光元件的杂散光的光量。

在所述检测器具备用于收容所述多个受光元件的壳体和设置于该壳体的用于将来自所述分光元件的光取入壳体内的窗部的情况下，通过所述窗部入射到所述壳体内的来自分光元件的波长色散光除了入射到与其波长范围对应的本来的受光元件以外，还在受光元件的受光面与所述窗部之间被反射了一次至多次之后作为杂散光入射到与本来的受光元件不同的其它受光元件。不仅由分光元件进行波长色散所得到的光会发生这种现象，由于分光元件的表面所附着的灰尘等而发生散射的通过窗部入射到壳体内的受光元件的光也同样发生这种现象。

因此，在本发明所涉及的多通道分光光度计具备上述结构的检测器的情况下，所述杂散光光量估计单元具备求出杂散光模型并存储该杂散光模型的存储部，根据该杂散光模型和所述光谱来估计入射到各受光元件的杂散光的光量，其中，该杂散光模型表示通过窗部入射到壳体内的来自分光元件的光在所述受光元件的受光面与所述窗部之间被反射了一次至多次之后作为杂散光被所述受光元件检测的光量。

所述杂散光模型能够用将由分光元件进行波长色散所得到的光的波长及其强度、该波长色散光向受光元件的受光面入射的角度及受光面的反射率、窗部的透射率及反射率等设为参数的数式来表示。另外，也可以将表示由分光元件进行波长色散所得到的光的波长及其强度与由各受光元件检测出的杂散光的光量之间的关系的表设为杂散光模型。

还能够将如下近似式设为杂散光模型：例如针对波长不同的多个单色光，基于在将单色光导入到所述分光元件时从多个受光元件的各个受光元件得到的检测信号，来分别求出单色光作为杂散光所入射到的受光元件的位置以及入射到各受光元件的杂散光的光量相对于入射到受光元件的单色光的总光量的比率，将针对所述多个单色光求出的杂散光所入射到的受光元件的位置和杂散光的光量的比率设为参数。

另外，也可以将如下近似式设为杂散光模型：基于在将透过了吸光光谱已知的试样的多波长光导入到分光元件时从多个受光元件的各个受光元件得到的信号值，来制作表示波长与吸光度的关系的吸光光谱，根据该吸光光谱的形状与已知的所述吸光光谱的形状的差异来估计杂散光所入射到的受光元件的位置以及杂散光的光量相对于入射到受光元件的总光量的比率，将估计出的所述杂散光所入射到的受光元件的位置和所述杂散光的光量的比率设为参数。

本来，成分浓度不同的试样的吸光光谱的作为目标的峰的高度不同，但形状相同。然而，在由受光元件检测出的波长色散光中包含杂散光的情况下，不仅峰的高度不同，形状也不同。特别是，成分浓度越高且吸光度越大的试样，杂散光的光量相对于由受光元件检测出的波长色散光的光量的比率越大，因此上述倾向越显著。

在此，也可以将如下近似式设为杂散光模型：针对成分浓度不同的多个试样的每个试样，基于在将透过了该试样的多波长光导入到分光元件时从所述多个受光元件的各个受光元件得到的信号值，来制作表示波长与吸光度的关系的吸光光谱，根据这些吸光光谱的形状与成分浓度的关系来估计杂散光所入射到的受光元件的位置以及杂散光的光量相对于入射到受光元件的总光量的比率，将估计出的所述杂散光所入射到的受光元件的位置和所述杂散光的光量的比率设为参数。

另外，本申请的第二方式所涉及的发明是用沿分光元件的波长色散方向一维状地配置的多个受光元件检测由所述分光元件进行波长色散所得到的光的光量的多通道分光光度计的数据处理方法，该多通道分光光度计的数据处理方法的特征在于，包括以下步骤：

根据所述多个受光元件各自的检测信号来计算光量，并制作表示波长与光量的关系的光谱；

根据所述光谱来估计入射到各受光元件的杂散光的光量；以及

从入射到每个受光元件的波长色散光的光量减去被估计为入射到该受光元件的杂散光的光量来校正所述光谱。

优选在所述多通道分光光度计具备具有用于收容多个受光元件的壳体和设置于该壳体的用于将来自分光元件的光取入所述壳体内的窗部的多通道型检测器的情况下，求出用数式表现通过窗部入射到壳体内的来自分光元件的光在受光元件的受光面与窗部之间被反射了一次至多次之后作为杂散光被受光元件检测的光量的杂散光模型，根据该杂散光模型和所述光谱来估计入射到各受光元件的杂散光的光量。

另外，还能够针对波长不同的多个单色光，基于在将单色光导入到所述分光元件时从多个受光元件的各个受光元件得到的检测信号，来分别求出单色光作为杂散光所入射到的受光元件的位置以及入射到各受光元件的杂散光的光量相对于入射到受光元件的单色光的总光量的比率，根据光谱以及针对多个单色光求出的杂散光所入射到的受光元件的位置及杂散光的光量的比率，来估计入射到各受光元件的杂散光的光量。

还可以基于在将透过了吸光光谱已知的试样的多波长光导入到分光元件时从多个受光元件的各个受光元件得到的信号值，来制作表示波长与吸光度的关系的吸光光谱，根据该吸光光谱的形状与已知的所述吸光光谱的形状的差异来估计杂散光所入射到的受光元件的位置以及杂散光的光量相对于入射到受光元件的总光量的比率，根据所述光谱以及估计出的所述杂散光所入射到的受光元件的位置及所述杂散光的光量的比率，来估计入射到各受光元件的杂散光的光量。

另外，还可以针对成分浓度不同的多个试样的每个试样，基于在将透过了该试样的多波长光导入到分光元件时从多个受光元件的各个受光元件得到的信号值，来制作表示波长与吸光度的关系的吸光光谱，根据这些吸光光谱的形状与成分浓度的关系来估计杂散光所入射到的受光元件的位置以及杂散光的光量相对于入射到受光元件的总光量的比率，根据所述光谱以及估计出的所述杂散光所入射到的受光元件的位置及所述杂散光的光量的比率，来估计入射到各受光元件的杂散光的光量。

发明的效果

根据本发明，在用多个受光元件检测由分光元件进行波长色散所得到的光、并基于该检测结果获得表示波长与光量的关系的光谱的情况下，能够根据所述光谱来估计在分光元件的表面产生的散射光、以及由于由分光元件进行波长色散所得到的光入射到与本来应入射的受光元件不同的其它受光元件而产生的杂散光等各种杂散光的光量，从而校正所述光谱，因此能够减轻杂散光对分光分析造成的影响。

附图说明

图1是本发明的一个实施方式所涉及的多通道分光光度计的主要部分结构图。

图2是直到来自凹面衍射光栅的光入射到受光元件为止的路径的说明图。

图3是表示使波长为250nm的单色光入射到分光元件时的由各受光元件检测出的光量的曲线图(a)以及将(a)的纵轴放大地表示的曲线图(b)。

图4是表示杂散光模型的近似式的说明图。

图5是表示使用波长为254nm的亮线进行杂散光校正所得到的结果的图。

图6是表示通过本实施例所涉及的方法和现有方法进行杂散光校正所得到的结果的图。

图7是以往的多通道分光光度计的主要部分结构图。

具体实施方式

下面，列举具体的实施例来说明本发明所涉及的分光分析装置。图1是表示本实施例所涉及的分光分析装置的主要部分结构的图，图2是在图1中用虚线a包围的部分的放大图。此外，对与已经说明的图7相同或对应的构成要素附加后一位相同的附图标记，并适当省略说明。

本实施例所涉及的分光分析装置的大的特征在于来自光电二极管阵列检测器17的信号的处理方法。即，如图1所示，构成受光元件阵列172的各受光元件的检测信号在被a/d转换器21转换为数字信号之后被输入到控制处理部22。光量计算部221基于被输入到控制处理部22的信号来计算由各受光元件接收到的光量。由光量计算部221计算出的光量与波长相关联地存储于光量计算部221，光谱制作部222基于所存储的光量来制作表示波长与光量的关系的光谱。

在存储部223中存储有表示用各受光元件检测的杂散光的光量的杂散光模型。后文叙述杂散光模型。运算部224基于由光谱制作部222制作出的光谱和杂散光模型来估计入射到各受光元件的杂散光的光量，从而对该光谱进行校正。在本实施例中，运算部作为杂散光光量估计单元和光谱校正单元发挥功能。

如图2所示，光电二极管阵列检测器17由收容在壳体171内的受光元件阵列172和用于堵塞壳体171的开口的石英制的窗板173构成。用凹面衍射光栅16进行波长色散所得到的光通过窗板173入射到受光元件阵列172的受光面。沿凹面衍射光栅16的波长色散方向排列n个受光元件pd(pd1～pdn)来构成受光元件阵列172。在用凹面衍射光栅16进行波长色散所得到的光中，以最短的波长为中心波长的波长范围的光入射到第一个受光元件pd1，以最长的波长为中心波长的波长范围的光入射到第n个受光元件pdn。另外，向各受光元件pd入射同一波长宽度的光。

例如在图2中用箭头l1所示的那样，用凹面衍射光栅16进行波长色散所得到的规定的波长范围的光通过窗部173被导入壳体171内，入射到处于与该波长范围相应的位置的受光元件pd的受光面。此时，入射到受光元件pd的受光面的波长色散光的一部分被该受光面反射，再被窗板173反射，由此作为杂散光入射到与本来应入射的受光元件pd不同的受光元件pd而被该受光元件pd检测。

此外，用凹面衍射光栅16进行波长色散所得到的光作为杂散光入射到与本来的受光元件pd不同的受光元件pd的现象并不限于被受光元件pd的受光面和窗板173分别反射了一次的情况，在被受光元件pd的受光面和窗板173分别反射了两次以上的情况下也会发生上述现象。

用凹面衍射光栅16进行波长色散所得到的光作为杂散光所入射到的受光元件pd的位置由从凹面衍射光栅16通过窗板173入射到受光元件阵列172的受光面的角度(入射角)、窗板173与受光元件阵列172的受光面之间的距离等决定。另外，入射到各受光元件pd的杂散光的光量由来自凹面衍射光栅16的光的光量、窗板173的透射率或反射率、受光元件阵列172的受光面的反射率等决定。

例如，图3的(a)和(b)示出在试样分析室13中未收容试样的状态下将来自发出波长为250nm的单色光的光源11的光通过凹面镜12、试样分析室13、凹面镜14、狭缝15导入到凹面衍射光栅16时被受光元件pd检测出的结果。图3的(a)和(b)的纵轴表示光量，横轴表示本来向检测出该光量的受光元件pd入射的波长色散光的波长范围的中心波长，图3的(b)是将图3的(a)的用虚线包围的区域a放大后的图。当将波长为250nm的单色光导入到凹面衍射光栅16时，该光本来作为中心波长为250nm的受光元件pd的检测信号被输出。因而，单色光的光量应该仅在横轴为“250nm”的位置出现，但由图3的(a)和(b)可知，实际上也分布于250nm以外的波长(在图3的(b)中用虚线包围的圆形区域b内出现的小的峰)。

这种峰所表示的光量与由于通过受光元件pd的受光面和窗板173进行的不期望的反射而入射到与本来的受光元件pd不同的受光元件pd的杂散光的光量相当。此外，在以下的说明中，将圆形区域b内的光量分布称为杂散光光谱。在本实施例中，首先针对各种波长的单色光求出这种杂散光光谱，根据杂散光光谱的结果求出下述的信息(a)～(c)。然后，根据这些信息求出用数式(杂散光分布矩阵)表现杂散光分布的杂散光模型。

(a)来自凹面衍射光栅16的入射光的波长与杂散光的产生位置的关系

(b)杂散光的光量相对于来自凹面衍射光栅16的入射光的光量的比率

(c)来自凹面衍射光栅16的入射光的波长和杂散光的扩散方式

在此，单色光的波长为入射光的波长。另外，能够根据以单色光的波长为中心波长的受光元件的检测信号来求出入射光的光量。能够根据检测到杂散光的受光元件pd的位置和该受光元件pd的检测信号、即杂散光光谱，来求出杂散光的产生位置、杂散光的光量以及杂散光的扩散方式。

例如，下述式(1)是表示将测定出的光谱定义为ymeas、将不存在杂散光的情况下的光谱定义为y、将杂散光光谱定义为ysl时的这些参数的关系的式子。将杂散光分布矩阵d乘以不存在杂散光的情况下的光谱y来获得杂散光光谱ysl。

ymeas＝y+ysl＝y+d·y＝[i+d]·y···(1)

在此，l表示单位矩阵。另外，杂散光分布矩阵d如下所示，是根据上述信息(a)～(c)求出的杂散光模型的一例。

[式1]

此外，在上述矩阵d中，“m”和“λ”表示在该部分包含一个或多个行或列。

如图4所示，杂散光分布矩阵d的第j列(d1，j，…，di，j，…，dn，j)表示将与受光元件阵列172的第j个受光元件pdj对应的波长λj的单色光照射到试样分析室13时的杂散光分布。也就是说，“dj，j”的值表示用波长为λj的单色光本来应入射的受光元件pdj检测出的光量的大小，除此以外的值表示作为杂散光被检测出的光量的大小。另外，各杂散光的光量用将入射到凹面衍射光栅16的单色光的光量设为1时的比率来表示。

能够基于对y求解下述式(2)所得到的下述式(3)来求出基于上述矩阵式(1)对杂散光的光量进行校正后的光谱。

ymeas＝[i+d]·y···(2)

y＝[i+d]^-1·ymeas…(3)

在本实施例所涉及的多通道分光光度计中，在存储部223中存储有杂散光分布矩阵d和上述式(3)，运算部224根据由光谱制作部222制作出的光谱、杂散光分布矩阵以及式(3)来求出校正后的光谱。

图5和图6示出使用上述式(3)实际进行杂散光校正所得到的结果。

图5示出使用波长为254nm的汞灯的亮线进行杂散光校正所得到的结果。实线l2表示校正前的光谱，实线l3表示校正后的光谱。由图5可知，校正前，除了在波长254nm附近看到峰以外，还在波长240nm附近看到了峰，但通过校正使该峰变小(用箭头p表示。)。

图6示出根据用本实施例的方法校正后的光谱求出样品中的成分浓度的结果以及不校正光谱就求出样品中的成分浓度的结果(现有方法)。在图中，实线l4表示本实施例的结果，实线l5表示现有方法的结果。在此，使用了咖啡因的甲醇溶液作为样品。咖啡因浓度为11mg/l、22mg/l、44mg/l这三个浓度，各个浓度的波长272nm的吸光度理想为0.5au、1au、2au。

在咖啡因浓度为11mg/l、22mg/l的样品中，无论在现有方法和实施例方法中的哪一个方法中吸光度都为0.5au、1.0au，但在44mg/l的浓度下，在本实施例的校正方法中吸光度为2.0au，与此相对地，在现有的校正方法中吸光度为1.9au。基于此确认了以下内容：即使在成分浓度高且吸光度高的区域，也能够在本实施例中准确地求出浓度。

此外，本发明并不限定于上述实施例。

例如，在上述实施例中，示出了将矩阵式用作杂散光模型的例子，但也可以将针对各种波长的单色光求出的杂散光光谱存储于存储部223，进行从所获得的光谱减去杂散光光谱的处理来校正光谱。另外，也可以根据杂散光光谱求出上述的信息(a)～(c)，将以这些信息为参数的近似式设为杂散光模型。

也可以基于在将透过了吸光光谱已知的试样的多波长光导入到分光元件时从所述多个受光元件的各个受光元件得到的信号值，来制作表示波长与吸光度的关系的吸光光谱，根据该吸光光谱的形状与所述已知的吸光光谱的形状的差异来求出上述的信息(a)～(c)，将以这些信息为参数的近似式设为杂散光模型。

也可以针对成分浓度不同的多个试样的每个试样，基于在将透过了该试样的多波长光导入到分光元件时从多个受光元件的各个受光元件得到的信号值，来制作表示波长与吸光度的关系的吸光光谱，根据这些吸光光谱的形状与成分浓度的关系来求出上述的信息(a)～(c)，将以这些信息为参数的近似式设为杂散光模型。

附图标记说明

1、11：光源；2、12：凹面镜；3、13：试样分析室；4、14：凹面镜；5、15：狭缝；6、16：凹面衍射光栅；7：多通道检测器；17：光电二极管阵列检测器；172：受光元件阵列；173：窗板；pd：受光元件。