CN102933943A - 分光光度计 - Google Patents

Abstract

本发明实现改善以Xe闪光灯为代表的间歇发光光源的发光量的利用效率、能够得到良好的S/N比的分光光度计。通过单色仪（10）选择来自作为宽波长范围的单一光源的Xe闪光灯（1）的光中的期望的波长光，使其通过样品（7），通过光检测器（21、22）进行检测，提供给信号处理电路（23）的低通滤波器（24）。通过将Xe闪光灯（1）的发光光度从峰值至成为半值为止的经过时间设为时间常数的延迟单元等作为时间幅度扩展单元的低通滤波器（24），在期间上扩展来自光检测器（21、22）的输出信号的波形。扩展后的期间的波形信号经由放大器（25）、A/D转换电路（26）被提供给计算机（30）。由于能够利用扩展后的期间的波形信号，所以能够提高对全发光光量的利用效率，能够优化S/N比的改善效果。

Description

分光光度计

技术领域

本发明涉及一种对规定波长范围或者特定波长的透过率、反射率等样品的分光测光值进行测量的分光光度计。

背景技术

作为对规定波长范围或者特定波长的透过率、反射率等样品的分光测光值进行测量的分光光度计，存在用于在紫外/可见光区域中对样品的吸收光谱进行测量的紫外/可见光分光光度计。代表性的紫外/可见光光分光光度计例如记载于专利文献1。

在这些分光光度计中，作为光源而安装紫外区域用的氘放电管和可见光区域用的卤素灯这两种光源，根据测量波长域来切换使用这些。然而，需要用于安装两种光源的容积以及用于抑制这些容积的复杂的切换机构，从而无法避免装置整体的大形化和高成本化。

因此，为了实现小型且低成本的分光光度计，例如在专利文献2中记载了一种分光光度计，即通过单一的光源来覆盖从紫外至可见光区域或者从紫外至近红外区域的宽波长范围，不需要多个光源的切换机构。作为这种光源，代表性的有Xe（氙）闪光灯。

Xe闪光灯从紫外区域至近红外区域产生大致连续的发光光谱，能够通过单一的光源来覆盖紫外/可见光区域的分光测量所需的波长域。并且，发热量小于普通卤素灯，因此是有利于分光光度计的小型化的光源。

另一方面，Xe闪光灯的时间发光特性与在时间上连续地发光的氘放电管、卤素灯不同，具有隔着较长无发光期间而反复间歇地进行持续时间短的脉冲状的发光这样的特征。Xe闪光灯的发光量作为脉冲状的发光期间的峰值大于氘放电管、卤素灯，但是作为对多次发光进行平均得到的每个单位时间的平均光量小于这些光源。

因此，在安装了氘放电管和卤素灯两者的分光光度计中，仅将光源部分直接替换为Xe闪光灯，难以保持在以往的分光测量中确保的S/N比。

因此，在专利文献2中记载了以下技术：鉴于这样间歇地发光的光源的时间发光特性，仅在光源的有效发光期间内取入光检测器的输出信号而在无发光期间内不取入光检测器的输出信号，由此改善S/N比。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：日本特开昭61-53527号公报

专利文献2：美国专利第3，810，696号说明书

发明内容

发明要解决的问题

Xe闪光灯的代表性时间发光特性的脉冲状的发光峰值的半值全宽度大约为500ns左右，通常该脉冲状发光大约以20~100Hz左右反复进行。以该时间发光特性为前提，如专利文献2那样，为了仅在脉冲状的发光峰值的半值全宽度相当的有效发光期间内取入光检测器的输出信号，对信号处理电路大致要求10MHz左右的响应频带。

然而，当这样将信号处理电路进行宽频带化时，产生耐噪声性能下降、在放大信号时难以得到大增益这种问题。并且，在使用带复位电路的积分电路的情况下，容易受到来自复位用开关的不需要流入电流的影响，产生因高速开关而产生噪声等缺点。

并且，Xe闪光灯的时间发光波形通常相对于峰值时刻是前后非对称的，具有超过峰值之后直到发光量变为零为止拉长时间末端这种特征。在这种时间发光波形中仅利用峰值周边的半值全宽度相当的时间幅度的发光量的情况下，与全发光量对应的利用效率低，无法优化改善S/N比的效果。因此，即使在使用Xe闪光灯作为光源的情况下，也难以充分提高S/N比。

本发明的目的在于，实现能够改善以Xe闪光灯为代表的间歇发光光源的发光量的利用效率而得到良好的S/N比的分光光度计以及分光测量方法。

用于解决问题的方案

为了达到上述目的，本发明具有以下结构。

对来自隔着无发光期间而间歇地发光的光源的光进行分光来取出单色光，将取出的单色光照射到样品，将通过的单色光的强度转换为电信号，将上述电信号的时间幅度扩展至比上述光源的一次发光的时间发光曲线的半值宽度长的时间幅度，根据扩展后的时间幅度的信号来算出上述样品的光学特性。

发明的效果

根据本发明，不使信号处理电路的耐噪声性能劣化、并且能够优化间歇地发光的光源的发光量的利用效率而得到良好的S/N比。

附图说明

图1是本发明的实施例1的分光光度计的概要结构图。

图2A是说明Xe闪光灯的时间发光特性的图。

图2B是说明Xe闪光灯的时间发光特性的图。

图3是本发明的实施例2的分光光度计的概要结构图。

图4是表示本发明的实施例2的变形例的图。

图5是本发明的实施例3的分光光度计的概要结构图。

具体实施方式

下面，使用附图说明本发明的实施方式。

实施例1

图1是作为本发明的实施例1的分光光度计的概要结构图。在实施例1中，是用于测量样品的分光测光值的光束的数量为一个单束方式的分光光度计的例子。

在图1中，在光源1中使用Xe闪光灯。使用从光源用电源2提供的光源驱动电流来点亮光源1。

图2A是表示Xe闪光灯的代表性时间发光特性波形的图，图2B是表示来自光源用电源2的光源驱动电流与光源1的时间发光特性的关系的图。在图2A和图2B中，光源1的脉冲状发光峰值的半值全宽度大约为500ns。

在图1中，从光源1发出的光入射到单色仪10。单色仪10被控制为通过根据计算机30的指令来进行动作的波长控制机构11使测量波长λnm的单色光朝向样品7出射。能够在从200nm至1100nm的波长范围内选择测量波长λ。透过了样品7的光在光检测器20中被转换为电信号。在光检测器20中使用硅光电二极管，但是也可以是光电子倍增管、其它检测原理的光检测器。光检测器20的输出信号被导入到信号处理电路23。信号处理电路23的初级由低通滤波器24构成。

在此，如图2A所示，Xe闪光灯的时间发光曲线能够视作在脉冲状发光到达峰值而超过拐点之后大致按照指数函数衰减。即，当将脉冲状发光到达峰值之后的拐点的位置设为时间轴的原点t=0时，使用以下式（1）来表示发光信号波形I₀（t）。

[式1]

I₀（t）=e^-k0t

其中，在式（1）中，k是从该灯的特性得到的常数。

其中，为了使以后的计算更简单，将脉冲状发光的上述拐点的值设为1。

能够视作通过光检测器20捕捉Xe闪光灯所得的发光的信号波形通过低通滤波器24之后得到的信号波形也在到达峰值并超过拐点之后，大致以以下式（2）的方式衰减。在式（2）中，p是比例常数。

[式2]

I（t）=p·e^-kt

此时，大约0.7/k相当于到发出信号波形I（t）取峰值的半值为止的经过时间、即低通滤波器24的时间常数。当考虑峰值波形整体的信号量的总和不变化、即增益=1的低通滤波器时，根据按照t=0~无限大而对式（1）进行积分的结果，成为p=k，因此式（2）成为以下式（3）。

[式3]

I（t）=k·e^-kt

在此，对通过低通滤波器24之后的信号到达峰值而超过拐点之后的区域内的S/N比进行评价。

只要不是必须考虑散粒噪声的微弱光，噪声成分的瞬时值的平均可以与光量无关地是固定的，因此在将I（t）从t=0至t=τ为止进行积分得到的值设为信号S的情况下，与该信号S对应的噪声N的积分时间幅度τ比低通滤波器的时间常数1/k长，因此当视作大致与k和积分时间幅度τ的积的平方根成正比时，成为以下式（4）、（5）。

[式4]

$S={\∫}_0^{\mathrm{\τ}}I\left(t\right)\mathrm{dt}$

[式5]

N=α·（kτ）^1/2

当作为这些比求出S/N比时，成为以下式（6）。

[式6]

S/N比=（1-e^-kτ）/{（α·（kτ）^1/2}

在用τ对式（6）进行微分得到的值成为0的时刻，式（6）变得最大。此时，成为以下式（7）。

[式7]

2kτ+1=e^kτ

在kτ大约为1.25时满足式（7），因此大致根据1.25/k，能够得出使S/N比最大化的积分时间τ。关于此时的S/N比的最大值，根据式6可知，如果kτ为固定，则与k的值无关地取固定的值。

即，将适合于构成信号处理电路的时间常数设为0.7/k，与该k一致地按照τ=1.25/k的积分时间对低通滤波器24的信号进行积分而使用，由此能够始终以优化了的S/N比来得到测光值。

例如，在时间常数=10μs时，设为积分时间=18μs即可。但是，该积分时间是Xe闪光灯的时间发光曲线或者使其信号波形通过低通滤波器24之后得到的信号波形到达峰值而超过拐点之后的区域相关的积分。实际的积分处理需要从之前的Xe闪光灯的发光开始时刻起开始，因此需要加上从发光开始起到达峰值而至拐点为止的时间，在时间常数=10μs的情况下，例如，将积分时间设定为25μs。

根据这些结果，在实施例1中将低通滤波器24的时间常数设为10μs。此时的响应频带最高为100kHz，与响应于Xe闪光灯的时间发光曲线的宽频带的信号处理电路相比，有利于在耐噪声性能、信号放大时确保大增益。

该低通滤波器24同时还具有信号放大作用。关于上述积分处理，能够通过在信号处理电路中的低通滤波器24的后级设置积分电路来实现，也能够通过在放大低通滤波器24的输出信号之后使用A/D转换器来转换为数字数据，通过数字加法处理来实现。

在本实施例1中，低通滤波器24的输出信号通过放大器25被放大至充分的信号电压之后，通过A/D转换器26转换为数字数据，被取入到计算机30。将由A/D转换器26将输入信号转换为数字数据的采样周期设为1μs。A/D转换器26按照设定为与低通滤波器24的时间常数大致相等或者比该时间常数短的采样间隔，大致周期性地将信号处理电路23的输出信号转换为数字量。

在计算机（光学特性计算单元）30中使用将光源1的每一次脉冲状发光加上发光开始后25μs期间产生的数字数据的结果，算出与样品7有关的分光测光值、例如透过率、吸光度等光学特性。

即，在将25μs期间产生的25个数字数据设为D0~D24时，使用以下式（8）示出的相加结果。

[式8]

$\mathrm{Ds}=\underset{i=0}{\overset{24}{\mathrm{\Σ}}}\mathrm{Di}$

在本实施方式1中，将单色仪10和样品7配置成从单色仪10出射的单色光入射到样品7，但是即使使从光源1发出的白色光提前入射到样品7、将透过了样品7的光引导到单色仪10而使其单色光化，也与上述得到的S/N比的改善效果相同。

在这种本实施例1中，不需要加宽信号处理电路的响应频带，就能够实现能够在式（6）中期望的优化的S/N比。

也就是说，根据本发明的实施例1，通过单色仪选择来自作为宽波长范围的单一光源的Xe闪光灯1的光中的期望的波长光，使其通过样品7，通过光检测器7进行检测。然后，通过将从Xe闪光灯1的发光光度的峰值至成为半值为止的经过时间设为时间常数的延迟单元等作为时间幅度扩展单元的低通滤波器24，在期间上扩展来自光检测器7的输出信号的波形，利用扩展的期间的波形信号。由此，能够提高对全发光光量的利用效率，能够优化S/N比的改善效果。

此外，在上述实施例1中，信号处理电路23还可以构成为在低通滤波器24的后级具备积分电路以及清除在该积分电路中累积的电荷的复位电路。

上述积分电路对在光源1的一次发光的时间发光曲线中仅在与从发光开始起发光强度到达峰值之后衰减至第二规定强度以下为止的期间对应的积分时间中通过了低通滤波器24的电信号进行积分。然后，A/D转换器26在上述积分时间结束之后紧接着将与在积分电路中累积的电荷量对应的电信号转换为数字数据，之后，复位电路清除在积分电路中累积的电荷。

实施例2

接着，说明本发明的实施例2。图3是作为本发明的实施例2的分光光度计的概要结构图。本实施例2的光学系统以及至A/D转换器26为止的信号处理系统与实施例1相同，因此省略说明。

例如，如日本特开2008-58239号公报所述那样，已知以下的技术，即在使用将多个包含噪声的信号相加而得到的结果来算出测光值的情况下，相对地降低噪声等级高的信号的贡献量，由此改善S/N比。

具体地说，是以下技术：将各信号乘以加权系数的结果相加，根据各信号包含的相对噪声等级来改变分别相乘的加权系数。在要相加的各信号所包含的噪声量的期望值在统计上相等的情况下，“噪声等级相对高的信号”是指即“有效信号成分相对小的信号”。

低通滤波器24的输出信号表示图2A示出的时间变化波形，因此将具有与该波形中的积分时间内的强度变化相似的值的排列的加权系数列设为{Ci}（i=0~24）。在此，各i与A/D转换器26的采样周期对应。另外，{Ci}使用以最大值成为1的方式标准化的值。在本实施例2中，代替按照实施例1的式（8）算出的积分值，使用以下式（9）。

[式9]

$D^{\′}s=\underset{i=0}{\overset{24}{\mathrm{\Σ}}}(\mathrm{Ci}\·\mathrm{Di})$

如果Xe闪光灯光源1、光源用电源2及其控制条件、低通滤波器24相同，则上述{Ci}在每次发光时大致始终表示相同形状，因此在本实施例2中，对于{Ci}，将使它们数值化得到的值作为计算机30的外部存储器即加权系数表31而保存使用。

另外，作为实施例2的变形例，还能够在每一次脉冲状的发光时通过实测得到{Ci}。图4示出该情况下的结构例。

在图4中，在紧接着光源1之后放置光束分离器12，将从光源1发出的光的一部分引导到第二光检测器21。第二光检测器21使用与第一光检测器20相同的光检测器。第二光检测器21的输出信号经过第二信号处理电路27被引导到第二A/D转换器28。

第二信号处理电路27和第二A/D转换器28分别与第一信号处理电路23和第一A/D转换器26相同。来自第二A/D转换器28的数字数据被取入到计算机30，生成加权系数{Ci}。其它结构与实施例1相同。

在上述图3或者图4的任一方式中，均能够比实施例1更进一步改善S/N比。

实施例3

接着，说明本发明的实施例3。图5是作为本发明的实施例3的分光光度计的概要结构图。

在实施例1和实施例2中，是用于测量样品的分光测光值的光束数量为一个的单束方式的分光光度计。

与此相对，本实施例3是具备样品侧和参照侧的两个光束的双束方式的分光光度计的示例，是将实施例1或者实施例2的信号处理应用于双束方式的分光光度计的示例。

本实施例3的光学系统中的从光源1至单色仪10为止的部分与实施例1相同，因此省略说明。

在图5中，从单色仪10出射的波长λ的单色光被光束分离器12进行二分割，一个作为样品侧光束13而入射到样品7。样品7以后的第一光检测器20、第一信号处理电路23以及第一A/D转换器24与实施例1相同，因此省略说明。

被光束分离器12分割的另一个光束在平面镜15上反射，作为参照侧光束14入射到参照用样品8。透过了参照用样品8的光通过第二光检测器21被转换为电信号。第二光检测器21使用与第一光检测器相同的光检测器。第二光检测器21的输出信号经过第二信号处理电路27被引导到第二A/D转换器28。第二信号处理电路27和第二A/D转换器28分别与第一信号处理电路23和第一A/D转换器26相同。

来自第一A/D转换器26的数字数据以及来自第二A/D转换器28的数字数据均被取入到计算机30，按照式（8）或者式（9）对各自进行相加，算出以参照用样品8为基准的样品7的分光测光值。

由此，在双束方式的分光光度计的结构中，也能够得到与实施例1或者实施例2相同的S/N比的改善效果。

此外，在上述示例中，作为光源使用了Xe闪光灯，但是在本发明中作为光源除了使用Xe闪光灯以外还能够使用脉冲激光器、激光二极管。

附图标记说明

1：光源；2：光源用电源；7：样品；8：参照用样品；10：单色仪；11：波长控制机构；12：光束分离器；13：样品侧光束；14：参照侧光束；15：平面镜；20、21：光检测器；23、27：信号处理电路；24：低通滤波器；25：放大器；26、28：A/D转换器；30：计算机；31：加权系数表。

Claims (16)

1.提供一种分光光度计，其特征在于，具备：

光源（1），其隔着无发光期间而间歇地发光；

单色仪（10），其对来自上述光源（1）的光进行分光而取出单色光；

第一光检测器（20），其将由上述单色仪（10）取出的单色光被照射到样品并通过的单色光的强度转换为电信号；

第一信号处理单元（23），其具有时间幅度扩展单元（24），该时间幅度扩展单元（24）具有比上述光源（1）的一次发光的时间发光曲线的半值幅度长的时间常数，扩展从上述光检测器（20）输出的信号的时间幅度；以及

光学特性计算单元（30），其根据从上述信号处理单元（23）输出的信号，算出上述样品的光学特性。

2.根据权利要求1所述的分光光度计，其特征在于，

上述时间幅度扩展单元（24）是低通滤波器，上述信号处理单元（23）具有放大器（25），该放大器（25）对从上述低通滤波器输出的信号进行放大。

3.根据权利要求2所述的分光光度计，其特征在于，

具备第一A/D转换器（26），该第一A/D转换器（26）对由上述信号处理单元（23）的放大器（25）放大的信号进行AD转换，上述光学特性计算单元（30）根据通过该第一A/D转换器（26）转换为数字数据的信号来算出上述样品的光学特性。

4.根据权利要求3所述的分光光度计，其特征在于，

上述低通滤波器（24）的时间常数是在上述光源的一次发光的时间发光曲线中与从发光开始起在发光强度到达峰值之后衰减到第一规定强度以下为止的时间幅度对应的值。

5.根据权利要求3所述的分光光度计，其特征在于，

上述A/D转换器（26）按照设定为与上述低通滤波器（24）的时间常数大致同等或者比该时间常数短的采样间隔，大致周期性地将上述信号处理单元（23）的输出信号转换为数字量。

6.根据权利要求5所述的分光光度计，其特征在于，

上述光学特性计算单元（30）使用在上述光源（1）的一次发光的时间发光曲线中从发光开始到衰减至发光强度到达峰值后的第二规定强度以下为止的期间内包含的采样时刻所得到的一系列数字数据，算出上述样品的光学特性。

7.根据权利要求6所述的分光光度计，其特征在于，

上述光学特性计算单元（30）在根据上述一系列数字数据算出上述样品的光学特性时，以信号强度越大的数字数据更有助于算出测光值的方式，将各个数字数据乘以预先确定的加权系数，从而算出上述样品的光学特性。

8.根据权利要求7所述的分光光度计，其特征在于，

应用于上述一系列数字数据中的各个数据的加权系数被决定为与在上述光源的一次发光的时间发光曲线中与上述各个数据的采样时刻对应时刻所对应的发光强度成正比。

9.根据权利要求3所述的分光光度计，其特征在于，

上述信号处理单元（23）在上述低通滤波器（24）的后级具有积分电路、清除在该积分电路中累积的电荷的复位电路，上述积分电路在与在上述光源的一次发光的时间发光曲线中从发光开始起在发光强度到达峰值之后衰减至第二规定强度以下为止的期间对应的积分时间内对通过了上述低通滤波器（24）的电信号进行积分，上述A/D转换器（26）在紧接着上述积分时间结束之后将与在上述积分电路中累积的电荷量对应的电信号转换为数字数据之后，上述复位电路清除在上述积分电路中累积的电荷。

10.根据权利要求3所述的分光光度计，其特征在于，具备：

第二光检测器（21），使从上述单色仪（10）出射的单色光的一部分分支并作为第二光束而取出，直接或者在通过参照用样品之后提供给第二光检测器（21）；

第二信号处理电路（27），其用于对上述第二光检测器（21）的输出信号进行处理，与上述信号处理单元（23）大致同等；以及

第二A/D转换器（28），其将上述第二信号处理单元（27）的输出信号转换为数字数据，其中

上述光学特性计算单元（30）根据从上述第一A/D转换器（26）和第二A/D转换器（28）得到的数字数据算出上述样品的光学特性。

11.根据权利要求10所述的分光光度计，其特征在于，

上述光学特性计算单元（30）将从上述第一A/D转换器（26）得到的一系列数字数据中的各个数据乘以被决定为与在与各个数据的采样时刻同一时刻从上述第二A/D转换器（28）得到的数字数据的强度成正比的加权系数，来算出上述样品的光学特性。

12.根据权利要求3所述的分光光度计，其特征在于，具备：

光束分离器（12），其配置在上述光源（1）的后边；

第二光检测器（21），通过上述光束分离器（12）使从上述光源（1）发出的光的一部分分支，作为第二光束而提供给第二光检测器（21）；

第二信号处理电路（27），其用于对上述第二光检测器（21）的输出信号进行处理，与第一信号处理单元（23）大致同等；以及

第二A/D转换器（28），其与上述第一A/D转换器（26）大致同等，其中

上述光学特性计算单元（30）根据从上述第一和第二A/D转换器（26、28）得到的数字数据的组算出上述样品的光学特性。

13.根据权利要求3所述的分光光度计，其特征在于，具备：

光束分离器（12），其配置在上述光源（1）的后边；

第二光检测器（21），通过上述光束分离器（12）使从上述光源（1）发出的光的一部分分支，作为第二光束而提供给第二光检测器（21）；

第二信号处理电路（27），其用于对上述第二光检测器（21）的输出信号进行处理，与第一信号处理单元（23）大致同等；以及

第二A/D转换器（28），其与上述第一A/D转换器（26）大致同等，其中

上述光学特性计算单元（30）将从上述第一A/D转换器（26）得到的一系列数字数据中的各个数据乘以被决定为与在与上述各个数据的采样时刻同一时刻从上述第二A/D转换器（28）得到的数字数据强度成正比的加权系数，算出上述样品的光学特性。

14.一种光测量装置，具有：光学系统，其具有隔着无发光期间而间歇地发光的光源（1）；光检测器（20），其检测从上述光源（1）发出的光；光信号处理电路（23），其对上述光检测器（20）的输出信号进行处理，其特征在于，

具备具有比上述光源（1）的一次发光的时间发光曲线的半值宽度长的时间常数的低通滤波器（24），通过上述低通滤波器（24）仅使上述光检测器（20）的输出信号中的低频成分通过，提供给上述光信号处理电路（23）。

15.根据权利要求14所述的光测量装置，其特征在于，

在上述低通滤波器（24）的后边，具备积分电路、清除在积分电路中累积的电荷的复位电路，上述积分电路在与在上述光源的一次发光的时间发光曲线中从发光开始起发光强度到达峰值之后衰减至规定强度以下为止的期间对应的积分时间内对通过了上述低通滤波器的电信号进行积分。

16.一种分光测量方法，其特征在于，

对来自隔着无发光期间而间歇地发光的光源的光进行分光来取出单色光，

将由上述单色仪取出的单色光照射到样品，将所通过的单色光的强度转换为电信号，

将上述电信号的时间幅度扩展为比上述光源的一次发光的时间发光曲线的半值宽度长的时间幅度，

根据上述扩展后的时间幅度的信号，算出上述样品的光学特性。

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