JP2023019730A - 吸光光度測定装置およびそれを備えた生化学分析装置 - Google Patents

Abstract

【課題】受光部において試料同定に必要な光量の検出を可能にする。
【解決手段】本開示は、複数のＬＥＤと、複数のＬＥＤを同一平面上に備える基板と、複数のＬＥＤから出射した光が直接入射するレンズと、レンズを通過した光が反応セルに入射し、当該反応セルから透過した透過光を通すスリットと、透過光を受光して電流に変換する受光部と、を備え、光がスリットまで到達可能な基板上の有効領域に、複数のＬＥＤは、ＬＥＤの出力、発光面積、及び波長半値全幅に基づいて算出されるパラメータの値が小さい順に、かつ最小のパラメータの値を示すＬＥＤが前記レンズの中心および前記スリットの中心を通る光軸を含むように、配置されている、吸光光度測定装置を提案する。
【選択図】図２

Description

本開示は、吸光光度測定装置およびそれを備えた生化学分析装置に関する。

試料の同定や濃度などの分析技術として、吸光光度測定が知られている。生化学分析においては、この吸光光度測定技術を用いて試料測定が行われる。この点、例えば、被測定物が液体の場合、容器内の上下方向で濃度分布が生じることがあり、それぞれの光が濃度の違う部分を透過すると、測定精度に悪影響を及ぼしてしまうことがある。このため、例えば、特許文献１は、出力波長の異なる２種類の半導体光源を用い、少なくとも２種類の半導体光源を同一パッケージ内に、その出力光軸が交差した後に検出器に収まるように、配置することで、複数の光をほぼ同じ濃度のところを通過させ、容器内の試料濃度の影響を受けにくい状態で検出可能にすることを開示する。また、特許文献１には、「光源からの光以外の不必要な迷光を除去できるので、検査制度を向上させることができる」と記載されている。

特開２００５－３３１４２２号公報

吸光光度測定用の光源として、白色ＬＥＤや紫外ＬＥＤといった複数のＬＥＤを組み合わせた場合、ＬＥＤを設置する位置が非常に重要となる。例えば、上記特許文献１では、検出部における発光の検出のため、２つの光源の距離に関する条件が記載されている。レンズの結像や倍率の関係式から定まる範囲に収まるよう半導体光源を配置することで、受光部にて光量の検出が可能となる。

一方で、ＬＥＤの出力や波長半値全幅、発光面積、指向角などは個別に異なる上、上記のレンズの結像や倍率の関係式から定まる範囲内にＬＥＤを設置しても、検出される光量に位置依存性が生じる。したがって、特許文献１に記載されている２つの光源の距離に関する条件のみでは、配置するＬＥＤの一部で、試料測定に十分な光量の検出（試料同定するのに十分な信号を取得する）が困難となる場合がある。
本開示は、このような状況に鑑み、試料同定に十分な光量の検出を可能とする技術について提案する。

上記課題を解決するために、本開示は、複数のＬＥＤと、複数のＬＥＤを同一平面上に備える基板と、複数のＬＥＤから出射した光が直接入射するレンズと、レンズを通過した光が反応セルに入射し、当該反応セルから透過した透過光を通すスリットと、透過光を受光して電流に変換する受光部と、を備え、光がスリットまで到達可能な基板上の有効領域に、複数のＬＥＤは、ＬＥＤの出力、発光面積、及び波長半値全幅に基づいて算出されるパラメータの値が小さい順に、かつ最小のパラメータの値を示すＬＥＤがレンズの中心およびスリットの中心を通る光軸を含むように、配置されている、吸光光度測定装置を提案する。

本開示に関連する更なる特徴は、本明細書の記述、添付図面から明らかになるものである。また、本開示の態様は、要素及び多様な要素の組み合わせ及び以降の詳細な記述と添付される特許請求の範囲の様態により達成され実現される。なお、本明細書の記述は典型的な例示に過ぎず、本開示の特許請求の範囲又は適用例は如何なる意味においても限定されるものではない。

本開示の技術によれば、受光部にて検出される光量を試料同定（測定）に十分な光量とすることができる。

吸光光度測定装置１００の構成例を示す図である。 実施例１における複数のＬＥＤ（一例として、ＬＥＤ１からＬＥＤ３の３つのＬＥＤ）の配置例を示す図である。 ＬＥＤ１からＬＥＤ３のパラメータＰ／（Ｓ×λ）の値を示す表である。 比較例１によるＬＥＤ配置例を示す図である。 実施例１によるＬＥＤ配置例と比較例１によるＬＥＤ配置例のそれぞれについて、受光部８で取得される発光スペクトルを示す図である。 ＬＥＤ１１およびＬＥＤ１２の特性値を示す表である。 パラメータＰ／（Ｓ×λ）の比較の結果から、実施例１にて示した上記条件１および／または条件２に従って、ＬＥＤ１２→ＬＥＤ１１の順となるように、ＬＥＤ１１およびＬＥＤ１２を配置したときのＬＥＤ配置例を示す図である。 比較例２によるＬＥＤ配置例を示す図である。 実施例２によるＬＥＤ配置例と比較例２によるＬＥＤ配置例のそれぞれについて、受光部８で取得される発光スペクトルを示す図である。 ＬＥＤ１１およびＬＥＤ１２の特性値、および中心波長における受光部８での補正係数を示す表である。 図１０に示す補正されたパラメータＰ／（Ｓ×λ）の比較結果から、実施例１において示した上記条件１または／および条件２に従って、ＬＥＤ１１およびＬＥＤ１２を配置したときのＬＥＤ配置例を示す図である。 実施例３によるＬＥＤ配置例と比較例２によるＬＥＤ配置例のそれぞれについて、縦軸を光電流値とした発光スペクトルを示す図である。 パラメータ（Ｗ／（Ｓ×λ×θ_１／２））の算出に用いる特性値を示す表である。 ＬＥＤ１３からＬＥＤ１７の特性値を示す表である。 図１４に示すパラメータ（Ｗ／（Ｓ×λ×θ_１／２））の比較に基づいて、実施例１に記載の上記条件１または／および条件２に従ってＬＥＤ１３からＬＥＤ１７を配置した結果を示す図である。 比較例３として、ＬＥＤ１３からＬＥＤ１７を共に光軸９に近くなるように配置した場合の配置例を示す図である。 実施例５によるＬＥＤ配置例と比較例３によるＬＥＤ配置例のそれぞれについて、縦軸を光電流値とした発光スペクトルを示す図である。 生化学分析装置の構成例を示す図である。

以下、本開示の技術の実施例について説明する。なお、本開示の技術は、後述する実施例に限定されるものでなく、その技術思想の範囲において、種々の変形が可能である。また、後述する種々の実施例の説明に使用する各図の対応部分には、同一の符号をつけて示し、重複する説明を省略する。

（１）実施例１
実施例１は、吸光光度測定が可能な３つのＬＥＤによる吸光光度測定装置に関し、例えば、吸光光度測定および生化学分析に対応する波長を備えた３つのＬＥＤを用いて、有効領域とパラメータ（Ｐ／（Ｓ×λ））の算出に基づいて、目標光量を達成可能なＬＥＤ配置を決定することに関する。なお、実施例１による当該パラメータ（ＬＥＤ配置決定パラメータ）は、ＬＥＤの発光面の面直方向における単位面積当たり、単位波長当たり、かつ、単位角度当たりの光量に概ね比例するパラメータであり、複数のＬＥＤの配置を決定する際に依拠すべき値を提供する。

＜吸光光度測定装置の構成例＞
図１は、吸光光度測定装置１００の構成例を示す図である。吸光光度測定装置１００は、複数のＬＥＤ１からＬＥＤ３（実施例１では３個のＬＥＤ）と、基板４と、レンズ５と、検体を含む反応セル６と、スリット７と、受光部８と、を備える。

基板４に固定されたＬＥＤ１からＬＥＤ３は光をレンズ５へ照射する。レンズ５の中心は、ＬＥＤ１からＬＥＤ３の発光面から距離ａ離れている。ＬＥＤ１からＬＥＤ３からレンズ５に入射した光は、レンズ５における屈折の影響を受けながら検体を含む反応セル６へ入射する。

反応セル６は、ＬＥＤ１からＬＥＤ３側表面がレンズ５の中心から距離ｂ離れるように配置されている。反応セル６の光軸９方向の厚みはｔとされる。レンズ５で集光した光の一部は反応セル６および反応セル６中の試料を透過し、一部の光が吸収される。透過後の光は、反応セル６のＬＥＤ１からＬＥＤ３側の表面から距離ｃ離れたスリット７を透過し、受光部８へ到達する。この時、スリット７の穴径はｅとされる。また、受光部８は、受信した光をフォトダイオードなどの変換素子により電流値や電圧値などの信号として出力する。

本実施例の図１において、スリット７の形状は円形だが、取りうる形状として、対称な形状から、非対称な形状など、様々な形状が想定される。また、光軸９とスリット７との関係についても、例えば、本実施例のように、光軸９がスリット７の中心を通ることで、より高い精度での効果が得られるが、必ずしも中心を通らなくてもよく、ＬＥＤ１からＬＥＤ３の配置を工夫することにより、光軸９がスリット７の中心を通る場合と同様の効果が得られる。

＜実施例１による複数のＬＥＤの配置例＞
（i）配置されるＬＥＤの種類について
図２は、実施例１における複数のＬＥＤ（一例として、ＬＥＤ１からＬＥＤ３の３つのＬＥＤ）の配置例を示す図である。図２において、ＬＥＤ１からＬＥＤ３の発光面の面積、形状は、各ＬＥＤ１からＬＥＤ３の面積および形状と一致している。一方、ＬＥＤの発光面の面積、形状は、ＬＥＤチップの面積および形状と異なる場合も想定される。発光面の面積とＬＥＤチップの面積に関する情報は、ＬＥＤ発光時の、輝度計による輝度分布測定や顕微鏡による観察、ＬＥＤの仕様表などによって得られる。

例えば、ＬＥＤ１は紫外ＬＥＤであり、ピークの中心波長を３４０ｎｍに持つ。ＬＥＤ２は白色ＬＥＤであり、励起光由来のピークと蛍光体由来のピークから構成される。励起光由来のピークの中心波長は３８０ｎｍであり、蛍光体由来のピークの中心波長は６００ｎｍである。ＬＥＤ３は赤外ＬＥＤであり、ピークの中心波長は８００ｎｍである。以上の紫外ＬＥＤ、白色ＬＥＤ、赤外ＬＥＤの構成によって、太陽電池材料など、紫外－可視－赤外の幅広い波長域における試料の吸光光度測定が可能となる効果が得られる。なお、各波長域の光を出射するＬＥＤはそれぞれ１つずつ配置するようにしてもよいし、何れかの波長域のＬＥＤを複数個、あるいは各波長域のＬＥＤそれぞれを複数個配置するようにしてもよい。

特に、それぞれのＬＥＤの対応波長として、ＬＥＤ１の発光スペクトルの波長域は３２０ｎｍから３６０ｎｍ、ＬＥＤ２の発光スペクトルの波長域は３６０ｎｍから８２０ｎｍ、ＬＥＤ３の発光スペクトルの波長域は７００ｎｍから９４５ｎｍである。これらのＬＥＤ１からＬＥＤ３を用いることで、生化学分析装置向けの吸光光度測定用光源として利用可能となる効果が得られる。

（ii）ＬＥＤ配置の決定方法
ここでは、有効領域１０およびパラメータＰ／（Ｓ×λ）を考慮した配置方法およびその結果について説明する。

複数のＬＥＤ１からＬＥＤ３の各発光がスリット７へ到達し、受光部８にて検出されるためには、図２に示す有効領域１０内に複数のＬＥＤ１からＬＥＤ３を設置する必要がある。この有効領域１０は、ＬＥＤ１からＬＥＤ３の発光面の位置と、レンズ５、反応セル６、およびスリット７の配置から算出することができる。算出方法は、次の通りである。目標光量を受光部８にて取得するため、ＬＥＤ１からＬＥＤ３の発光面の結像位置は反応セル６とスリット７の間に設けることができる。加えて、吸光光度測定として反応セル６内の試料に十分な光量の光が透過される必要がある。このため、結像位置とレンズ５中心との距離ｈは、レンズの焦点距離をｆとすると、ｂ≦ｈ≦ｂ＋ｃかつ、レンズの公式として、（１／ａ）＋（１／（ｈ－ａ））＝（１／ｆ）を満たす位置にＬＥＤ発光面を設置することができる（後者の式から、ｈ＝ａ＋（ａ×ｆ）／（ａ－ｆ）となる）。

また、基板４上の有効領域１０は、光軸９を中心として、直径ｄ＝（ｅ×ａ）／（ｈ－ａ）の領域と算出される。この有効領域１０内にＬＥＤ１からＬＥＤ３を設置することで、受光部８にてＬＥＤ１からＬＥＤ３の発光を光量として検出可能となる効果がある。

例えば、吸光光度測定系として、図１上の距離ａ＝３８．２ｍｍ、ｂ＝５４．４ｍｍ、ｃ＝１７．７ｍｍ、ｔ＝６．７ｍｍ、ｅ＝１．８ｍｍ、ｇ＝９ｍｍ、およびレンズ５の焦点距離ｆ＝２４．８ｍｍである場合、ｈ＝１０８．７ｍｍ、有効領域１０はｄ＝０．９７ｍｍとして算出できる。

このような測定系において、空気とは異なる光学媒質が光路上に含まれる場合や、複数の異なる波長の発光が利用される場合、屈折率の違いによって、光路長が変化し、有効領域が変化する可能性がある。例えば、検体を含む反応セル６や反応セル６を温調するための水が光学系上にあると、媒質と空気の屈折率の差と光軸９方向の厚みの積の分、光路長が長くなる。したがって、この場合、図１のｂとｃが大きくなると考えられるため、有効領域は狭くなると想定される。本実施例においては、これらの媒質の違いによる光路長の影響は考慮されている。つまり、反応セル６の材質の屈折率と、想定される試料の中で屈折率が一番高い試料の屈折率に基づいて有効領域の範囲を想定し、各ＬＥＤの配置を決めることができる。光路長の影響を考慮しなくても、有効領域の範囲の算出は可能であるが、異なる媒質の屈折率を踏まえた上で光路長の変化を計算することで、より正確な有効領域の範囲を算出することができる。

本実施例における有効領域の範囲の算出にあたって、発光波長は５５０ｎｍの時を想定した。いずれの波長においても有効領域の範囲の算出は可能である一方、利用するＬＥＤの発光波長域に含まれる波長を用いることで、より正確な有効領域の範囲が算出される。

ＬＥＤ１からＬＥＤ３は基板４に固定されており、ＬＥＤ１からＬＥＤ３の発光面は基板４から各ＬＥＤ１からＬＥＤ３の厚み分離れている。ＬＥＤ発光面とレンズ５の中心との距離はａ離れており、各ＬＥＤ１から３の厚みが均一である場合は、一義的に距離ａを求めることができる。一方で、各ＬＥＤ１から３の厚みにバラつきがある場合も、基板４から各ＬＥＤ１から３の厚みの平均値分離れた位置をＬＥＤ発光面の位置とすることができる。

図３は、ＬＥＤ１からＬＥＤ３のパラメータＰ／（Ｓ×λ）の値を示す表である。ＬＥＤ１からＬＥＤ３それぞれのＬＥＤの特性値として、発光面の面積Ｓ、出力Ｐ、波長半値全幅λをもとに、パラメータＰ／（Ｓ×λ）が算出される。これらの数値は実機の測定または仕様表などから取得することができる値である。実機の測定の場合、発光面の面積Ｓは光学顕微鏡などを用いて測定可能である。また、出力Ｐは発光時のＬＥＤから一定距離離れた位置にパワーメータなどを設置することで測定可能である。そして、主要なピークの中心波長および波長半値全幅λは、分光器などによって測定可能である。

波長半値全幅λについて、スペクトル中のピークの最大値に対し、半分の値となるときの波長間の幅とする。また、主要なピークが複数となる場合は、各ピークの半値全幅の和がＬＥＤの波長半値全幅λであるとする。取得された発光面の面積Ｓ、出力Ｐ、波長半値全幅λから、図３の下段に示すパラメータＰ／（Ｓ×λ）が算出される。このパラメータＰ／（Ｓ×λ）は、ＬＥＤにおける単位立体角、単位面積、単位波長あたりの光軸９方向へ進む光の光量におおむね比例する値として理解される。パラメータＰ／（Ｓ×λ）の大きいＬＥＤと小さいＬＥＤの発光面の端が光軸９に対して同じ距離である場合、パラメータＰ／（Ｓ×λ）の大きいＬＥＤの方が受光部８において、より大きい光量が得られる。

得られたパラメータＰ／（Ｓ×λ）をＬＥＤ１から３で比較すると、パラメータＰ／（Ｓ×λ）はＬＥＤ２、ＬＥＤ３、ＬＥＤ１の順に大きくなる。これらのＬＥＤ１からＬＥＤ３の配置において、吸光光度測定装置および生化学分析装置として測定に必要な目標光量を満たすためには、パラメータＰ／（Ｓ×λ）を基に配置をすることが重要となる。

パラメータＰ／（Ｓ×λ）の小さいＬＥＤ２、ＬＥＤ３、ＬＥＤ１の順に、次の条件１および／または条件２を満たすよう各ＬＥＤ１から３を有効領域１０に配置する。
条件１：発光面が図２に示す光軸９に近づくように配置する。
条件２：パラメータＰ／（Ｓ×λ）の小さい順に、有効領域１０と複数のＬＥＤ（ＬＥＤ１からＬＥＤ３）の発光面の面積の重なりが大きくなるよう配置する。

具体的には、パラメータＰ／（Ｓ×λ）が最小値を取るＬＥＤの発光面が光軸９を含むように配置される。そして、パラメータＰ／（Ｓ×λ）が次に小さい値を取るＬＥＤが光軸９に２番目に近くなるように配置される。このように、パラメータＰ／（Ｓ×λ）として小さい値を取る順番に光軸に近接して各ＬＥＤを配置する。
以上のように、各ＬＥＤの配置方針決定は、パラメータＰ／（Ｓ×λ）の算出結果に基づいて行われる。

（iii）ＬＥＤ配置結果
図２には上記ＬＥＤ配置決定方法によるＬＥＤ配置結果が示される。ＬＥＤ１からＬＥＤ３に関し、パラメータＰ／（Ｓ×λ）は図３に示されるような値となるため、光軸９上に（光軸９を含むように）ＬＥＤ２が設置され、ＬＥＤ１とＬＥＤ３はＬＥＤ２と隣り合うよう配置される。このとき、光軸９とＬＥＤ２の発光面との距離は０とみなせる。また、光軸９とＬＥＤ１の発光面との距離は、図２に示す光軸９からＬＥＤ１左下の頂点での距離であり、０．３７ｍｍとすることができる。さらに、光軸９からＬＥＤ３の発光面の端までの距離は、図２に示す光軸９からＬＥＤ３左辺までの距離であり、０．３２ｍｍとすることができる。よって、この配置により、光軸９からＬＥＤ発光面の端までの距離がＬＥＤ２、ＬＥＤ３、ＬＥＤ１の順となった。また、図２から、ＬＥＤ２、ＬＥＤ３、ＬＥＤ１の順で有効領域１０との重なりが大きいことが確認できる。

以上から、実施例１において、図２のＬＥＤ１からＬＥＤ３の配置は、条件１および条件２を満たしていることが分かる。加えてこの配置は、以下に示す比較例のような格子状の配置など、規則的な配置でないため、光源部の目視によって顕現性が確認される。

＜比較例１による複数のＬＥＤの配置例＞
図４は、比較例１によるＬＥＤ配置例を示す図である。比較例１は、パラメータＰ／（Ｓ×λ）を考慮せず、ＬＥＤ１からＬＥＤ３を光軸９近傍かつ格子状に配置した例を示している。

ＬＥＤ１からＬＥＤ３は、光軸９近傍へ格子状に並べられている。また、ＬＥＤ１からＬＥＤ３の各発光面上の光軸９に最も近い端から光軸９までの距離は等しくなっている。一方、図２に示すように、実施例１においては、ＬＥＤ１からＬＥＤ３の特性値はそれぞれ異なることから、パラメータを考慮した場合、光軸９から異なる距離にてＬＥＤ１からＬＥＤ３が配置される。

＜実施例１と比較例１の発光スペクトルの比較＞
上述のように、比較例１ではパラメータの大きさを踏まえた配置がなされていない。そこで、実施例１と比較例１の発光スペクトルを比較する。図５は、実施例１によるＬＥＤ配置例と比較例１によるＬＥＤ配置例のそれぞれについて、受光部８で取得される発光スペクトルを示す図である。配置される複数のＬＥＤは実施例１と比較例１とで同一のものが使用される。図５において、横軸は波長（ｎｍ）、縦軸はパワー（μＷ：光束）を示している。

比較例（点線）において、ピークの目標光量が４０μＷである場合に、ＬＥＤ１とＬＥＤ３の発光ピークは目標光量より大きいが、ＬＥＤ２の発光ピークは目標光量を下回ってしまっている。

一方、実施例１（実線）では、比較例１（点線）と比較してＬＥＤ１およびＬＥＤ３のパワーは小さくなる一方で、ＬＥＤ２のパワーが大きくなっている。そして、ＬＥＤ１からＬＥＤ３の全てのピークが目標光量を達成している。これは有効領域１０の設定およびパラメータＰ／（Ｓ×λ）に基づいてＬＥＤを配置したことによる効果と言える。

（２）実施例２
実施例２は、吸光光度測定に対応する波長を備えた２つのＬＥＤ１１およびＬＥＤ１２１２を用い、有効領域とパラメータ（Ｐ／（Ｓ×λ））の算出に基づいて目標光量を達成可能なＬＥＤ配置を決定することに関する。

図６は、ＬＥＤ１１およびＬＥＤ１２の特性値を示す表である。ＬＥＤ１１は紫外ＬＥＤであり、ピークの中心波長を３４０ｎｍに持っている。ＬＥＤ１２は白色ＬＥＤであり、励起光由来のピークと蛍光体由来のピークから構成される。励起光由来のピークの中心波長は３８０ｎｍであり、蛍光体由来のピークの中心波長は６００ｎｍである。ＬＥＤ１１およびＬＥＤ１２の発光面積Ｓ、出力Ｐ、および波長半値全幅λを基に、パラメータ（Ｐ／（Ｓ×λ））を算出すると、パラメータＰ／（Ｓ×λ）はＬＥＤ１２、ＬＥＤ１１の順に大きくなることが分かった。

＜実施例２によるＬＥＤ配置例＞
図７は、パラメータＰ／（Ｓ×λ）の比較の結果から、実施例１にて示した上記条件１および／または条件２に従って、ＬＥＤ１２→ＬＥＤ１１の順となるように、ＬＥＤ１１およびＬＥＤ１２を配置したときのＬＥＤ配置例を示す図である。ＬＥＤ１１の発光面の左辺は光軸９から０．２７５ｍｍ離れている。また、ＬＥＤ１２は光軸９上に発光面が存在することから、光軸９とＬＥＤ１２の発光面との距離は０とみなせる。
従って、ＬＥＤ１１およびＬＥＤ１２の配置は、上記条件１および条件２の基準を満たした配置となっていることが分かる。

＜比較例２によるＬＥＤ配置例＞
図８は、比較例２によるＬＥＤ配置例を示す図である。図８に示すように、比較例２では、ＬＥＤ１１およびＬＥＤ１２が共に光軸９に近くなるように配置した場合の配置となっている。光軸９に最も近い発光面の辺から、光軸９までの距離は共に０．０２５ｍｍである。比較例２では、上記パラメータを算出することもないし、当該パラメータの大小に従ってＬＥＤを配置するものでもない。

＜実施例２と比較例２の発光スペクトルの比較＞
上述のように、比較例２ではパラメータの大きさを踏まえた配置がなされていない。そこで、実施例２と比較例２の発光スペクトルを比較する。図９は、実施例２によるＬＥＤ配置例と比較例２によるＬＥＤ配置例のそれぞれについて、受光部８で取得される発光スペクトルを示す図である。配置される複数のＬＥＤは実施例２と比較例２とで同一のものが使用される。図９において、横軸は波長（ｎｍ）、縦軸はパワー（μＷ：光束）を示している。

点線で示される比較例２の発光スペクトルを見ると、ピークの目標光量に対し、ＬＥＤ１１に由来する中心波長３４０ｎｍのピークは目標光量を十分に超えているが、ＬＥＤ１２に由来する中心波長６００ｎｍのピークは目標光量に到達していないことが確認できる。

一方、実線で示される実施例２の発光スペクトルを見ると、ピークの目標光量に対し、ＬＥＤ１１およびＬＥＤ１２に由来するピークの光量は共に目標光量を超えている。これは、２つのＬＥＤにおいて、実施例１と同様の有効領域の算出と、ＬＥＤ１１およびＬＥＤ１２の特性値より算出したパラメータＰ／（Ｓ×λ）に基づいた配置による効果といえる。

＜ＬＥＤ寿命とＬＥＤ配置の関係＞
一般的にＬＥＤの寿命は、点灯初期から出力７０％となるまでに要する時間として理解される。複数のＬＥＤを用いて、目標光量を達成可能な光源を作製する際、各ＬＥＤの寿命の長さが同等となるときの各ＬＥＤの出力を基にパラメータを算出しＬＥＤ配置を行うことにより、各ＬＥＤの寿命のばらつきの抑制とＬＥＤ光源の長寿命化という効果が得られる。

また、出力７０％未満となった場合の各ＬＥＤの出力を想定し、パラメータの算出およびＬＥＤ配置を行うことによって、各ＬＥＤの寿命後も、より長期間にわたって目標光量を達成可能となる効果が得られる。

（３）実施例３
実施例１および２において、目標光量の値は各波長で一定の値を取るとしているが、対象の波長域において一定の光量値を持つとは限らない。また、図５や図９に示す目標光量はエネルギー［Ｗ］であるものの、測定に用いる受光部８は電流や電圧、光子数などの信号として光量を出力する可能性がある。つまり、光自体はパワー（Ｗ）で表されるが、実際に測定を行う場合には、受光部８はパワー値を出力するのではなく、光の強度を電流値などで出力することがある。このとき、受光部８においてパワー（Ｗ）を電流値（Ａ）に変換するに当たり、波長によって変換効率が変わってしまうという現象が起こりうる。このため、電流値で光の強度を読み取る場合には、変換効率を考慮した上で複数のＬＥＤの配置を最適化する必要がある。例えば、複数のＬＥＤにおいて、パワー（Ｗ）の大きさの順位と光の強度を変換して得られた電流値の大きさの順位が異なる場合がある。

受光部８に利用されるフォトダイオードなどの素子の変換効率（［Ｗ／Ａ］や［Ｗ／Ｖ］など）は波長依存性を持つため、目標光量の大きさもまた波長依存性を持つ場合がある。よって、各波長で目標光量が異なる場合は、対象の波長域に対応するＬＥＤのパラメータＰ／（Ｓ×λ）を、さらに目標光量値または変換効率で割った値を基に、各ＬＥＤの配置を決めることができる。

＜吸光光度測定が可能な２ＬＥＤの吸光光度測定装置＞
実施例３は、吸光光度測定に対応する波長を備えた２つのＬＥＤ１１およびＬＥＤ１２を用い、有効領域とパラメータＰ／（Ｓ×λ）の算出に基づいて、目標光量を目標光電流として達成可能なＬＥＤ配置を決定することに関する。なお、実施例３では、実施例２に対応して２つのＬＥＤを用いている場合について説明するが、実施例１のように３つのＬＥＤや、後述の実施例のように、５つ以上のＬＥＤの場合であっても同様の考え方が適用可能である。また、実施例３による吸光光度測定装置の構成は、実施例１で示した図１のそれと同様である。

＜実施例３によるＬＥＤ配置例＞
ＬＥＤ１１およびＬＥＤ１２から発せられた光は、吸光光度測定装置１００の受光部８によって受講される。受光部８の受光素子が受けるＬＥＤ１１およびＬＥＤ１２の発光は、光量の他に電流や電圧、光子数などの値として出力される。例えば、受光部８の受光素子によって光量が光電流へ変換される場合、受光素子における光電変換比の波長依存性による影響を踏まえて、補正されたパラメータを算出する必要がある。

図１０は、ＬＥＤ１１およびＬＥＤ１２の特性値、および中心波長における受光部８での補正係数を示す表である。実施例１または３にて示したパラメータＰ／（Ｓ×λ）へ補正係数をかけることによって、単位立体角、単位面積、単位波長あたりの光軸９方向へ進む光の光電流値におおむね比例する値として補正されたパラメータを算出することができる。ＬＥＤ１１およびＬＥＤ１２の補正されたパラメータを比較すると、実施例２と同様に、当該パラメータは、ＬＥＤ１２、ＬＥＤ１１の順に大きくなることが分かった。

図１１は、図１０に示す補正されたパラメータＰ／（Ｓ×λ）の比較結果から、実施例１において示した上記条件１または／および条件２に従って、ＬＥＤ１１およびＬＥＤ１２を配置したときのＬＥＤ配置例を示す図である。図１１において、ＬＥＤ１１発光面の左辺は光軸９から０．１７５ｍｍ離れている。また、ＬＥＤ１２は光軸９上に発光面が存在することから、光軸９とＬＥＤ１２の発光面との距離は０と見做すことができる。
なお、実施例３に対する比較例としては、実施例３と実施例２のＬＥＤ配置は類似するので、上述の実施例２に対する比較例２（図８）を挙げることができる。

＜実施例３と比較例２の発光スペクトルの比較＞
図１２は、実施例３によるＬＥＤ配置例と比較例２によるＬＥＤ配置例のそれぞれについて、縦軸を光電流値とした発光スペクトルを示す図である。

図１２において、点線で示す比較例２の発光スペクトルは、図１０の点線で示す比較例２のスペクトル形状とはスペクトル形状は異なることが確認できる。このスペクトル形状の差異が受光部８の受光素子における光電変換比の波長依存性による影響である。

比較例２において、ＬＥＤ１１に由来する中心波長３４０ｎｍのピークは目標光電流を十分に超えているが、ＬＥＤ１２に由来する中心波長６００ｎｍのピークは目標光電流に到達していないことが確認できる。

一方、実線で示される実施例３の発光スペクトルを見ると、ピークの目標光電流に対して、ＬＥＤ１１およびＬＥＤ１２に由来するピークの光量は共に目標光電流を超えている。これは、２つのＬＥＤにおいて、有効領域の算出、ＬＥＤ１１およびＬＥＤ１２の特性値および受光部８の受光素子の光電変換比より算出、および補正されたパラメータＰ／（Ｓ×λ）に基づいたＬＥＤ配置による効果と言える。

（４）実施例４
実施例４は、生化学分析に対応した波長を備える３つのＬＥＤにおいて、有効領域とパラメータＷ／（Ｓ×λ×θ_１／２）の算出に基づいて、目標光量を達成するＬＥＤ配置を決定することに関する。

既に実施例１にて示したＬＥＤ１からＬＥＤ３および光学部材の配置において、図３の表に示した方法以外でもパラメータを算出し、比較することができる。具体的には、発光面の面積Ｓ、全出力Ｗ、波長半値全幅λ、指向角θ_１／２に基づいてパラメータ（Ｗ／（Ｓ×λ×θ_１／２））が算出可能である。実施例１との違いとして、全出力Ｗと指向角θ_１／２がある。全出力Ｗを指向角θ_１／２で割った値は、光軸９方向に進む単位立体角あたりの光量におおむね比例する値であり、また実施例１における出力Ｐにも概ね比例する値となる。

全出力Ｗは、実施例１に示す出力Ｐと異なり、積分球などを用いてＬＥＤを評価することで取得される。また、一般的に全出力Ｗは仕様表に記載された特性値として用いることもできる。指向角θ_１／２は、面直方向を０度としたときに、最大強度の半分となる角度の２分の１の値であり、ＬＥＤにおける角度分布の広がりを示す特性値である。これはゴニオメータなどを用いることで測定することができ、また全出力と同様に、仕様表に記載された特性値として用いることが可能である。

図１３は、パラメータ（Ｗ／（Ｓ×λ×θ_１／２））の算出に用いる特性値を示す表である。図１３に示す特性値からＬＥＤ１からＬＥＤ３のパラメータ（Ｗ／（Ｓ×λ×θ_１／２））を算出し、比較すると、実施例１と同様に、当該パラメータの大きさは、ＬＥＤ２、ＬＥＤ３、ＬＥＤ１の順に大きくなっている。以上から各ＬＥＤの配置方針決定に必要パラメータを、同等またはより高い精度で、算出可能となる。また、当該パラメータ（Ｗ／（Ｓ×λ×θ_１／２））に基づいた配置を行うことにより、ＬＥＤ１からＬＥＤ３すべてのピークが目標光量を達成可能な効果が得られる。

（５）実施例５
実施例５は、吸光光度測定に対応する波長を備える５つのＬＥＤ１３からＬＥＤ１７を用い、有効領域とパラメータ（Ｗ／（Ｓ×λ×θ_１／２））の算出に基づいて目標光量を達成可能なＬＥＤ配置を決定することに関する。

図１４は、ＬＥＤ１３からＬＥＤ１７の特性値を示す表である。ＬＥＤ１３は紫外ＬＥＤであり、ピークの中心波長を３４０ｎｍに持っている。ＬＥＤ１４は青色ＬＥＤであり、ピークの中心波長を４５０ｎｍに持っている。ＬＥＤ１５は白色ＬＥＤであり励起光由来のピークと蛍光体由来のピークから構成される。励起光由来のピークの中心波長は３８０ｎｍであり、蛍光体由来のピークの中心波長は５５０ｎｍである。ＬＥＤ１６は赤色ＬＥＤであり、ピークの中心波長を７１０ｎｍに持っている。ＬＥＤ１７は赤外ＬＥＤであり、ピークの中心波長を８００ｎｍに持っている。

図１４のＬＥＤ１３からＬＥＤ１７の発光面積Ｓ、出力Ｐ、および波長半値全幅λを基にパラメータ（Ｗ／（Ｓ×λ×θ_１／２））を算出すると、パラメータ（Ｗ／（Ｓ×λ×θ_１／２））はＬＥＤ１５、ＬＥＤ１３、ＬＥＤ１６、ＬＥＤ１７、ＬＥＤ１４の順に大きくなることが分かる。

＜実施例５によるＬＥＤ配置例＞
図１５は、図１４に示すパラメータ（Ｗ／（Ｓ×λ×θ_１／２））の比較に基づいて、実施例１に記載の上記条件１または／および条件２に従ってＬＥＤ１３からＬＥＤ１７を配置した結果を示す図である。図１５において、ＬＥＤ１３における辺から光軸９までの距離は０．２１ｍｍ、ＬＥＤ１４における頂点から光軸９までの距離は０．２６ｍｍ、ＬＥＤ１５は発光面上に光軸９が存在するため、発光面と光軸９との距離は０と見做せる。そして、ＬＥＤ１６における頂点から光軸９までの距離は０．２２ｍｍ、ＬＥＤ１７における辺から光軸９までの距離は０．２５ｍｍである。

＜比較例３によるＬＥＤ配置例＞
図１６は、比較例３として、ＬＥＤ１３からＬＥＤ１７を共に光軸９に近くなるように配置した場合の配置例を示す図である。各ＬＥＤから光軸９までの距離として、ＬＥＤ１３とＬＥＤ１５における頂点から光軸９までの距離は０．０２１ｍｍ、ＬＥＤ１４およびＬＥＤ１６における頂点から光軸９までの距離は０．２ｍｍである。また、ＬＥＤ１７における辺から光軸９までの距離は０．０２５ｍｍである。比較例３の配置例は、光軸９の周りにＬＥＤが密集した配置であるが、パラメータ（Ｗ／（Ｓ×λ×θ_１／２））の大小に従った配置ではない。

＜実施例５と比較例３の発光スペクトルの比較＞
図１７は、実施例５によるＬＥＤ配置例と比較例３によるＬＥＤ配置例のそれぞれについて、縦軸を光電流値とした発光スペクトルを示す図である。

図１７において点線で示す比較例３の発光スペクトルを見ると、ピークの目標光量に対して、ＬＥＤ１３、ＬＥＤ１４、ＬＥＤ１６、およびＬＥＤ１７に由来する中心波長３４０ｎｍ、４５０ｎｍ、７１０ｎｍ、および８００ｎｍのピークは目標光量を十分に超えているが、ＬＥＤ１５に由来する中心波長５５０ｎｍのピークは目標光量に到達していないことが確認できる。

一方、図１７において実線で示される実施例５の発光スペクトルを見ると、ＬＥＤ１３からＬＥＤ１７に由来する発光の各ピークが目標光量を超えていることが確認される。これは、５つのＬＥＤにおいて、有効領域の算出とＬＥＤ１３からＬＥＤ１７の特性値から算出されたパラメータ（Ｗ／（Ｓ×λ×θ_１／２））に基づいてＬＥＤ配置を決定したことによる効果と言える。

＜５つ以上のＬＥＤを配置する場合の本実施例のメリット＞
目標光量や目標光電流を達成するＬＥＤの配置方法として、ＬＥＤの個数が２から４個の場合には、配置するＬＥＤの個数が少なく、想定される並べ方のパターンも少ない。また、全ＬＥＤの光軸近傍への配置が容易であることから、上述の比較例１および２のようにパラメータを検討せず、光軸近傍への配置と微調整によって目標光量を達成可能な配置方法を見つけることができる可能性がある。

一方、ＬＥＤの個数が５個以上である場合には、配置のパターンが複雑化し、全ＬＥＤを光軸近傍に近づけることは困難となる。このため、光軸近傍に配置するＬＥＤの優先順位を設ける必要がある。このような場合において、パラメータに基づくＬＥＤ配置はより高い精度で目標光量を達成することができる。

（６）実施例６
実施例６は、実施例１から実施例５で説明した吸光光度測定装置１００の生化学分析装置への適用に関する。

図１８は、実施例６による生化学分析装置の構成例を示す図である。生化学分析装置２００は、制御部２０１と、前処理部２０２と、分注部２０３と、上述の吸光光度測定装置１００を備える測定・検出部２０４と、を備える。

前処理部２０２では、混合容器２０５内で試料と試薬との混合、遠心、攪拌、恒温反応などが測定の前処理として適宜行われる。分注部２０３では、前処理後の混合容器内の試料が、分注装置２０６により反応セル２０７に分注される。なお、反応セル２０７中にて混合容器２０５中での前処理と同様の作業が行われ、混合容器２０５および分注装置２０６を必要としない生化学分析装置もある。測定・検出部２０４では、反応セル２０７が吸光光度測定装置１００を用いて評価される。前処理から測定・検出までの動作を制御部２０１にて制御および自動化することで、連続的かつ効率的に生化学分析を行うことができる。
以上のような構成を採ることにより、実施例１から実施例５による吸光光度測定装置１００を用いて生化学分析装置を構成することができる。

（７）まとめ
（i）本開示の吸光光度測定装置では、複数のＬＥＤを載置する基板上に、そこにＬＥＤを配置すれば受光部（あるいはスリット）に光が到達するとされる有効領域が規定される。このとき、当該有効領域に、複数のＬＥＤは、ＬＥＤの出力、発光面積、及び波長半値全幅に基づいて算出されるパラメータ（Ｐ／（Ｓ×λ）やＷ／（Ｓ×λ×θ_１／２））の値が小さい順に、かつ最小のパラメータの値を示すＬＥＤがレンズの中心およびスリットの中心を通る光軸を含むように、配置される。また、複数のＬＥＤは、当該パラメータの値が小さい順に有効領域における専有面積が大きくなるように配置される。このように複数のＬＥＤを基板上に配置することにより、受光部が検出する、各波長光のピーク光量が目標光量を超えるので、反応セルに収容した測定対象の試料を正確に同定することが可能となる。

複数のＬＥＤは、例えば、紫外領域に波長を有する少なくとも１つの第１種ＬＥＤ（第１種ＬＥＤ群：波長帯は３２０ｎｍから３８０ｎｍ）と、可視光領域に波長を有する少なくとも１つの第２種ＬＥＤ（第２種ＬＥＤ群：波長帯は３６０ｎｍから８２０ｎｍ）と、赤外領域に波長を有する少なくとも１つの第３種ＬＥＤ（第３種ＬＥＤ群：波長帯は７００ｎｍから８５０ｎｍ）と、を含むように構成することができる。このような波長帯のＬＥＤを用いることにより、様々な種類の試料を同定することができる吸光光度測定装置を提供することができる。

（ii）上記有効領域の幅（径）ｄは、以下のように求めることができる。吸光光度測定装置の構成要素に関し、複数のＬＥＤの発光面からレンズ中心までの距離をａ、レンズの焦点距離をｆ、レンズの中心から反応セルの表面までの距離をｂ、反応セルの表面からスリットの距離をｃ、スリットの幅をｅと規定する。このとき、複数のＬＥＤの発光面からレンズによる発光の結像位置までの距離をｈとすると、ｈ＝ａ＋（ａ×ｆ）／（ａ－ｆ）、かつｂ≦ｈ－ａ≦ｃである。そして、有効領域の幅をｄは、ｄ＝（ｅ×ａ）／（ｈ－ａ）によって算出することができる。このように、上記有効領域の幅ｄは、各光学的条件から一意に求めることができるため、複数のＬＥＤを上述のルール（実施例１で述べた条件１および条件２）に従って配置し、反応セルに収容した測定対象の試料を正確に同定することが可能となる。

１、２、３、１１、１２、１３、１４、１５、１６、１７ ＬＥＤ
４ 基板
５ レンズ
６ 反応セル
７ スリット
８ 受光部
９ 光軸
１０ 有効領域
１００ 吸光光度測定装置
２０１ 制御部
２０２ 前処理部
２０３ 分注部
２０４ 測定・検出部
２０５ 混合容器
２０６ 分注装置
２０７ 反応セル

Claims (8)

1. 複数のＬＥＤと、
   前記複数のＬＥＤを同一平面上に備える基板と、
   前記複数のＬＥＤから出射した光が直接入射するレンズと、
   前記レンズを通過した光が反応セルに入射し、当該反応セルから透過した透過光を通すスリットと、
   前記透過光を受光して電流に変換する受光部と、を備え、
   光が前記スリットまで到達可能な前記基板上の有効領域に、前記複数のＬＥＤは、ＬＥＤの出力、発光面積、及び波長半値全幅に基づいて算出されるパラメータの値が小さい順に、かつ最小のパラメータの値を示すＬＥＤが前記レンズの中心および前記スリットの中心を通る光軸を含むように、配置されている、吸光光度測定装置。
2. 請求項１において、
   前記複数のＬＥＤは、さらに、前記パラメータの値が小さい順に前記有効領域の専有面積が大きくなるように配置されている、吸光光度測定装置。
3. 請求項１において、
   前記複数のＬＥＤは、紫外領域に波長を有する少なくとも１つの第１種ＬＥＤと、可視光領域に波長を有する少なくとも１つの第２種ＬＥＤと、赤外領域に波長を有する少なくとも１つの第３種ＬＥＤと、を含む、吸光光度測定装置。
4. 請求項３において、
   前記第１種ＬＥＤの波長帯は３２０ｎｍから３８０ｎｍであり、
   前記第２種ＬＥＤの波長帯は３６０ｎｍから８２０ｎｍであり、
   前記第３種ＬＥＤの波長帯は７００ｎｍから８５０ｎｍである、吸光光度測定装置。
5. 請求項１において、
   前記複数のＬＥＤの発光面からレンズ中心までの距離をａ、前記レンズの焦点距離をｆ、前記レンズの中心から前記反応セルの表面までの距離をｂ、前記反応セルの表面から前記スリットの距離をｃ、前記スリットの幅をｅとしたとき、
   前記複数のＬＥＤの発光面からレンズによる発光の結像位置までの距離をｈとすると、ｈ＝ａ＋（ａ×ｆ）／（ａ－ｆ）、かつｂ≦ｈ－ａ≦ｃであり、
   前記有効領域の幅をｄとすると、ｄ＝（ｅ×ａ）／（ｈ－ａ）である、吸光光度測定装置。
6. 請求項１において、
   前記複数のＬＥＤの１つから一定距離離れた位置から光量測定系により測定した出力をＰ、発光面積をＳ、波長半値全幅をλとしたとき、対応するＬＥＤの前記パラメータはＰ／（Ｓ×λ）で表される、吸光光度測定装置。
7. 請求項５において、
   前記複数のＬＥＤの１つの全出力をＷ、指向角をθ_１／２、発光面積をＳ、波長半値全幅をλとすると、対応するＬＥＤの前記パラメータはＷ／（Ｓ×λ×θ_１／２）で表される、吸光光度測定装置。
8. 請求項１から７のいずれか一項に記載の吸光光度測定装置を備える、生化学分析装置。
   

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