CN1461946A - 光热变换光谱分析方法和实施该方法的光热变换光谱分析装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供进行高灵敏度分析的光热变换光谱分析方法、以及尺寸紧凑并且能够实施该光热变换光谱分析方法的光热变换光谱分析装置。激励光和检测光通过会聚透镜会聚地照射在样品上。利用检测光在经过通过激励光的会聚照射形成的热透镜时发生折射导致检测光的强度变化来分析样品。在激励光波长时样品的摩尔吸光系数比在检测光波长时样品的摩尔吸光系数大预定倍数。
Description
技术领域
本发明涉及光热变换光谱分析方法和光热变换光谱分析装置，用于利用通过在样品中形成的热透镜的检测光来分析样品，尤其涉及能够在非常小的空间进行高精度超微量分析的光热变换光谱分析方法和光热变换光谱分析装置。
背景技术
近来，光谱分析已经广泛用作对半导体、生物样品、各种液体样品等进行分析或者测量的方法。但是，采用常规光谱分析方法，在分析非常小空间中的非常少量的物质的情况下，常常需要真空环境作为测量条件。为了获得这样的环境，存在装置必须作成尺寸较大、成本增加的问题。而且还有样品可能被使用的电子束或者离子束损坏或者毁坏的问题。此外，在处理溶液、生物组织等中的非常少量的样品时，必须使用光学显微镜，这使得能够以高空间分辩率进行高精度分析。在这种光学领域中实际使用的仅有的显微镜类型是激光荧光显微镜，因此，分析的目标被限制到激光荧光显微镜荧光分子，这是不方便的。
因此，需要一种分析方法。根据该方法，分析的目标不被限制到荧光分子、不需要真空环境、进行分析时不会接触或者损坏样品、并且能够以高空间分辩率进行高精度分析。
利用由光热变换产生的热透镜效应的光热变换光谱分析方法作为满足这些要求的方法正在引起注意。
光热变换光谱分析方法利用光热变换效应，其中溶液中的溶质吸收会聚照射光并因而发出热能，溶剂的温度被该热能局部地升高，溶剂的折射率因而局部变化，结果在溶剂中形成热透镜。
图4解释了热透镜的原理。
在图4中，激励光经过一个物镜会聚地照射在一个十分小的样品上，从而产生光热变换效应。对于大多数物质而言，温度升高时折射率降低，因此在激励光会聚地照射在其上的样品中，由于在会聚光中心附近的温度升高，折射率降低。由于热扩散，随着相对于会聚光中心的距离增大，温度升高变得较小，因此折射率的降低也变得较小。在光学上，所形成的折射率分布产生与凹透镜完全相同的效应，因此该效应被称作热透镜效应。与凹透镜的放大率相对应的热透镜效应程度与样品的光吸收率成比例。而且，在折射率随着温度增加的情况下，产生类似的效应，但热透镜是凸透镜。
在如上所述的光热变换光谱分析方法中，热扩散，即折射率变化被测量，因此，该方法适合于检测十分小的样品的浓度。
实施如上所述的光热变换光谱分析方法的光热变换光谱分析装置公开在例如日本专利文献No.10-232210中。
在这种光热变换光谱分析装置中，样品被设置在显微镜的物镜下，从激励光源发出的预定波长的激励光被引入显微镜，从而使激励光经过物镜会聚地照射在样品的十分小的区域上。因而形成一个热透镜，热透镜的中心位于会聚光的中心。
而且，从检测光源发出并具有与激励光不同波长的检测光通过显微镜并因而会聚地照射在热透镜上，从而使检测光通过样品中的热透镜并因而发散或者会聚。从样品发出的发散或者会聚检测光用作一个信号光，并且在被检测器检测之前通过会聚透镜和滤光器或者仅仅通过滤光器。被检测的信号光的强度取决于形成在样品中的热透镜的放大率。
检测光可以具有与激励光相同的波长，或者激励光可以用作检测光。但是，在激励光和检测光具有不同波长的情况下，通常可以获得更好的灵敏度。
但是，现在还没有研究应当如何选择激励光和检测光的波长以进行高灵敏度的测量。
而且，在如上所述的现有光热变换光谱分析装置中，用于光源、测量部件和检测部件(光电变换部件)的光学系统结构复杂、装置尺寸较大、而且便携性差。因此，在使用光热变换光谱分析装置进行分析或者化学反应时，在光热变换光谱分析装置的安装场所和操作方面存在一些局限。
而且，在如上所述的现有光热变换光谱分析装置中，激励光和检测光经过敞开空间导向样品，因此诸如光源、反射镜和透镜的不同光学系统组件必须固定在坚固的基板上，以使这些组件在测量过程中不移动。而且，一旦光热变换光谱分析装置的安装环境诸如温度发生变化，激励光和检测光的光轴可能移动而不在一条直线上，因此需要用于调节这种移动的夹具。这些夹具也会导致光热变换光谱分析装置变得更大、便携性更差。
在利用热透镜进行光热变换光谱分析的大多数情况下，激励光的焦点位置与检测光的焦点位置应当不同。图5A是一个视图，用于解释在物镜具有象差(chromatic aberration)的情况下由激励光形成的热透镜的形成位置和检测光的焦点位置。图5B是一个视图，用于解释在物镜具没有象差的情况下由激励光形成的热透镜的形成位置和检测光的焦点位置。在图5A和5B中，激励光和检测光具有相互不同的波长。
在如图5A所示的物镜130具有象差的情况下，热透镜131形成在激励光的焦点位置132，由于激励光和检测光的波长差别，检测光的焦点位置133距离激励光的焦点位置132一个量ΔL。检测光因此被热透镜131折射，并且热透镜131的折射率变化因此被检测为检测光的焦距变化。另一方面，在如图5B所示的物镜130没有象差的情况下，检测光的焦点位置133几乎与形成在激励光的焦点位置132的热透镜131的位置相同，检测光不被热透镜131折射，因此不能检测热透镜131的折射率变化。
但是，显微镜的物镜通常制成不具有象差，因此，检测光的焦点位置133几乎与激励光的焦点位置132，即热透镜131的中心位置相同，如上所述(图5B)。不能检测热透镜131的折射率变化。因此，存在这样一个问题：每次测量时，必须麻烦地相对于检测光的焦点位置133移动热透镜的形成位置，如图6A和6B所示，或者在检测光通过物镜之前利用透镜(未示出)使检测光稍微分散或会聚，以使检测光的焦点位置133如图7所示地移离热透镜131。
发明内容
本发明的目的是要提供能够进行高灵敏度分析的光热变换光谱分析方法，以及尺寸紧凑并且能够实施该光热变换光谱分析方法的光热变换光谱分析装置。
为了实现上述目的，本发明提供一种光热变换光谱分析方法，用于利用通过形成在样品中的热透镜的检测光分析样品，该方法包括：会聚照射步骤，利用会聚透镜将激励光和检测光会聚照射在样品上；以及分析步骤，利用检测光在经过通过激励光的会聚照射形成的热透镜时发生折射导致检测光的强度变化来分析样品；其中，在激励光波长时样品的摩尔吸光系数比在检测光波长时样品的摩尔吸光系数大预定倍数。
根据该方法，在激励光波长(频率)时样品的摩尔吸光系数比在检测光波长(频率)时样品的摩尔吸光系数大预定倍数。结果，对于样品的热透镜信号强度与对于样品溶解在其中的溶剂的热透镜信号强度之比(S/B)、以及对于样品的热透镜信号强度与噪音之比(S/N)较高，因此可以进行高灵敏度的光热变换光谱分析。
优选地，在激励光波长时样品的摩尔吸光系数不小于在检测光波长时样品的摩尔吸光系数的5倍。
结果，由于在激励光波长时样品的摩尔吸光系数不小于在检测光波长时样品的摩尔吸光系数的5倍，S/B和S/N是十分的高，因此可以可靠地实现高灵敏度分析。
更优选地，在激励光波长时样品的摩尔吸光系数不小于在检测光波长时样品的摩尔吸光系数的10倍。
结果，由于在激励光波长时样品的摩尔吸光系数不小于在检测光波长时样品的摩尔吸光系数的10倍，S/B和S/N是更高，因此可以更高灵敏度进行分析。
为了实现本发明目的，本发明提供一种光热变换光谱分析装置，用于利用通过形成在样品中的热透镜的检测光分析样品，该装置包括：发出激励光以激励样品形成热透镜的激励光源；发出通过热透镜的检测光的检测光源；会聚激励光并将激励光照射在样品上、并且也会聚检测光使得检测光通过热透镜的会聚透镜；以及利用检测光通过热透镜时发生折射导致的检测光强度变化来分析样品的分析器；其中，在激励光波长时样品的摩尔吸光系数比在检测光波长时样品的摩尔吸光系数大预定倍数。
根据该装置，在激励光波长(频率)时样品的摩尔吸光系数比在检测光波长(频率)时样品的摩尔吸光系数大预定倍数。结果，对于样品的热透镜信号强度与对于样品溶解在其中的溶剂的热透镜信号强度之比(S/B)、以及对于样品的热透镜信号强度与噪音之比(S/N)较高，因此可以进行高灵敏度的光热变换光谱分析。
优选地，在根据本发明的光热变换光谱分析装置中，在激励光波长时样品的摩尔吸光系数不小于在检测光波长时样品的摩尔吸光系数的5倍。
结果，由于在激励光波长时样品的摩尔吸光系数不小于在检测光波长时样品的摩尔吸光系数的5倍，S/B和S/N是十分的高，因此可以更高高灵敏度进行分析。
更优选地，在根据本发明的光热变换光谱分析装置中，在激励光波长时样品的摩尔吸光系数不小于在检测光波长时样品的摩尔吸光系数的10倍。
结果，由于在激励光波长时样品的摩尔吸光系数不小于在检测光波长时样品的摩尔吸光系数的10倍，S/B和S/N是更高，因此可以更高灵敏度进行分析。
优选地，会聚透镜是梯度折射率透镜(gradient refractive index rodlens)。
结果，由于会聚透镜是梯度折射率透镜，会聚透镜可以作得尺寸更小，因此，该装置整体可以尺寸更加紧凑。
更优选地，梯度折射率透镜是棒形透镜。
由于会聚透镜是梯度折射率棒形透镜，会聚透镜可以作得进一步更小，因此，该装置整体可以尺寸更加紧凑，而且光轴对准变得更加容易。
优选地，光热变换光谱分析装置包括将激励光从所述激励光源引导至所述会聚透镜以及将检测光从所述检测光源引导至所述会聚透镜的光纤。
结果，用于光纤用于引导激励光和检测光，激励光和检测光的光轴总是相互同轴。结果，不需要相互调节激励光和检测光的光轴，使用者的工作效率可以提高，也不需要用于调节光轴的夹具，因此该装置的尺寸可以变得更加紧凑。
优选地，会聚透镜固定到所述光纤的一个端部，该端部是沿着激励光和检测光的行进方向的前端。
结果，由于会聚透镜固定到所述光纤的一个端部，该端部是沿着激励光和检测光的行进方向的前端，激励光、检测光和会聚透镜的光轴总是相互同轴。结果，不需要调节激励光、检测光和会聚透镜的光轴，因此可以可靠地提高使用者的工作效率。
优选地，光纤具有以单一模式传送激励光和检测光的特性。
结果，由于光纤以单一模式传送激励光和检测光，由激励光形成的热透镜具有很小的像差，因此可以更高灵敏度进行分析。
通过以下结合附图的详细描述，本发明的上述和其它目的、特征以及优点将变得更加明显。
附图说明
图1是显示根据本发明实施例的光热变换光谱分析装置的结构的示意图；
图2是显示样品的摩尔吸光系数比与灵敏度的关系的图表；
图3是显示样品的吸收光谱的图表；
图4是用于解释热透镜的原理的示意图；
图5A是一个视图，用于解释在物镜具有象差的情况下由激励光形成的热透镜的形成位置和检测光的焦点位置；
图5B是一个视图，用于解释在物镜具没有象差的情况下由激励光形成的热透镜的形成位置和检测光的焦点位置；
图6A是一个视图，用于解释在现有光热变换光谱分析装置中检测热透镜的折射率变化的方法，并且显示了由激励光形成的热透镜的形成位置位于检测光的焦点位置向着物镜一侧的情况；
图6B是一个视图，用于解释在现有光热变换光谱分析装置中检测热透镜的折射率变化的方法，并且显示了由激励光形成的热透镜的形成位置位于检测光的焦点位置远离物镜一侧的情况；以及
图7是一个视图，用于解释在现有光热变换光谱分析装置中检测热透镜的折射率变化的方法，并且显示了检测光利用插入检测光光程的凹透镜发散、从而使检测光的焦点位置比激励光的焦点位置更远的情况。
具体实施方式
以下将参照附图对根据本发明实施例的光热变换光谱分析方法和实施该方法的光热变换光谱分析装置进行详细描述。但是，应注意的是，本发明并不局限于该实施例。
图1是显示根据本发明实施例的光热变换光谱分析装置的结构的示意图。
在图1中，根据本发明的光热变换光谱分析装置具有透镜组件10，其中设置有梯度折射率棒形透镜102(会聚透镜)。如下将要描述的以单一模式传送激励光和检测光的光纤101从激励光和检测光的入射侧(即从图1上部)插入透镜组件10。光纤101是仅具有单一传送模式的单一模式光纤，其插入透镜组件10的一端与梯度折射率棒形透镜102的端面连接。梯度折射率棒形透镜102会聚激励光并将会聚的激励光照射在样品上以形成热透镜，如下所述，并且还会聚检测光以使检测光通过热透镜。
为了使光纤101的外径扩大到与梯度折射率棒形透镜102的外径基本上相同，外径与梯度折射率棒形透镜102的外径相同的箍圈103与梯度折射率棒形透镜102串联地设置，光纤101的前端穿过箍圈103的中心。光纤101通过箍圈103固定在位，梯度折射率棒形透镜102和箍圈103通过套筒104固定在位。这里，光纤101和梯度折射率棒形透镜102可以作成相互紧密接触，或者在它们之间形成间隙。这样制成的透镜组件10可以通过夹具30固定在一个位置，使得从梯度折射率棒形透镜102发出的光入射在形成通道的板状部件20上，如下所述。
梯度折射率棒形透镜102具有例如由玻璃或者塑料制成的透明圆柱体，并且使得折射率从其中心向着其周边连续地变化(例如参见日本专利申请No.63-63502)。这种透镜已经公知地用作会聚光传送体，其在沿着径向方向相对于中心轴线的距离r处的折射率n(r)由如下二次方程式给出：
n(r)＝n0{1-(g2/2)·r2}
其中，n0表示中心轴线处的折射率，g表示二次分布常数。
如果梯度折射率棒形透镜102的长度z0选择处于0＜z0＜π/2g的范围内，即使梯度折射率棒形透镜102具有平端面，梯度折射率棒形透镜102将显示与普通凸透镜相同的成像特征。当平行光束入射在梯度折射率棒形透镜102上时，焦点将形成在相对于光束从其发出的梯度折射率棒形透镜102的端面距离s0处的位置，这里：
s0＝cot(gz0)/n0g
这种梯度折射率棒形透镜102例如可采用如下方法制造。
首先由主要组成物为SiO2∶57～63摩尔百分比、B2O3∶17～23摩尔百分比、Na2O∶5～17摩尔百分比和Tl2O∶3～15摩尔百分比的玻璃制成一个棒。随后在诸如硝酸钾的离子交换介质中对玻璃棒进行处理，从而在玻璃中的铊离子和钠离子与介质中的钾离子之间进行离子交换，因而在玻璃棒中形成折射率从玻璃棒中心沿着径向向外连续减小的折射率分布。
由于梯度折射率棒形透镜102的端面是平的，光纤101可以容易地安装，而且梯度折射率棒形透镜102的光轴和光纤101的光轴可以容易地对齐。此外，由于梯度折射率棒形透镜102是实心圆柱体，透镜组件10作为整体也可以容易地制成实心圆柱形。结果，使用夹具30夹持透镜组件10是十分容易。另外，由于梯度折射率棒形透镜102在尺寸上比显微镜物镜小得多，该装置整体上可以制作成更加紧凑。
将光纤101制成单一模式光纤的原因是，当采用光热变换光谱分析方法检测样品中的十分少量的溶质时，优选地是尽最大可能地使激励光变窄，从而增加用于光热变换的能量，并使由激励光形成的热透镜中的象差较小。
用于产生热透镜的激励光优选地具有高斯分布。来自单一模式光纤101的激励光将总是具有高斯分布，因此激励光的焦点尺寸较小。此外，在由激励光形成的热透镜的尺寸较小的情况下，为了使通过热透镜的检测光的量尽可能多，优选地也是使检测光尽可能变窄。从这点出发，对于光纤而言也是优选地以单一模式传送激励光和检测光。
能够传送激励光和检测光的任何类型的光纤可用作光纤101，但在使用多模式光纤的情况下，从光纤发出的光将不具有高斯分布，所发出的光带将根据不同条件诸如光纤101的弯曲状态而变化，因此不可能获得稳定的输出光。因此，光纤101优选地如上所述是单一模式光纤。
在光纤101的与插入透镜组件10的端部相对的端部附近设置有激励光源105、检测光源106、调制器107、和两波长多路传送元件108。激励光源发出激励光以激励样品，检测光源发出通过热透镜以分析样品的检测光，调制器用于调制激励光，两波长多路传送元件用于多路传送激励光和检测光。激励光通过光纤101a从激励光源105导向两波长多路传送元件108，检测光通过光纤101b从检测光源106导向两波长多路传送元件108。应注意的是，代替使用两波长多路传送元件108，可以通过在导入光纤101之前采用二向色反射镜使激励光和检测光相互同轴。
通过两波长多路传送元件108多路传送的激励光和检测光经过光纤101传送、进入透镜组件10、从梯度折射率棒形透镜102射出、并入射在形成通道的板状部件20上。形成通道的板状部件20包括相互粘结在一起的三块玻璃基板201，202和203。通道204形成在玻璃基板202中，以便在样品上进行混合、搅拌、合成、分离、萃取、检测等。
从耐用性和耐化学性而言，形成通道的板状部件20优选地由玻璃制成，而且考虑到处理诸如细胞样品的生物样品的情况，例如进行DNA分析的情况，优选地使用具有高耐酸性和耐碱性的玻璃，具体地是硼硅酸盐玻璃、钠钙玻璃、铝硼硅酸盐玻璃、石英玻璃等。但是，如果用途被相应地限制，可以替代地使用有机物，例如塑料。
玻璃基板201，202和203可以使用粘合剂例如，诸如丙烯酸粘合剂或环氧树脂粘合剂的有机粘合剂、或者无机粘合剂粘结在一起。粘合剂可以例如是紫外线固化形、热固化形或者两部分形(其中，当两个液体部分混合在一起时发生固化)。替代地，玻璃基板201，202和203可以通过热熔合熔结在一起。
用于检测检测光的光电变换器401设置在朝向透镜组件10的位置，使得形成通道的板状部件20位于透镜组件10和光电变换器401之间，并且使得光电变换器401朝向通道204。从激励光和检测光中仅仅选择性地传送检测光的波长滤光器402设置在形成通道的板状部件20与光电变换器402之间。此外，为了仅仅部分检测光被选择性地传送，其上形成有小孔的部件可以另外地设置在检测光的光程上处于光电变换器401上游的位置。由光电变换器401获得的信号被送到锁定放大器403，以便与用于调制激励光的调制器107同步，并且随后被计算机404分析，从而对样品进行分析。
根据该实施例的光热变换光谱分析装置，梯度折射率棒形透镜102安装在传送激励光和检测光的光纤101的前端。结果，每次测量时不需要调节激励光、检测光和梯度折射率棒形透镜102的光轴，而且也不需要用于使光轴对准的夹具和坚固基板，因此，使用者的工作效率可以提高，而且光热变换光谱分析装置的尺寸可以更加紧凑。
由梯度折射率棒形透镜102聚焦的激励光的焦点位置必须处于形成通道的板状部件20的通道204中。梯度折射率棒形透镜102不必与形成通道的板状部件20接触，但在梯度折射率棒形透镜102与形成通道的板状部件20接触的情况下，梯度折射率棒形透镜102的焦点位置可以形成通道的板状部件20的上部玻璃基板201的厚度进行调节。在上部玻璃基板201的厚度不充足的情况下，用于调节梯度折射率棒形透镜102的焦点位置的分隔件可以插入在梯度折射率棒形透镜102与上部玻璃基板210之间。在激励光的焦点位置按照这种方式提前固定在形成通道的板状部件20的通道204中的情况下，就不需要随后对焦点位置进行调节，因此，光热变换光谱分析装置可以尺寸变得更加紧凑。
梯度折射率棒形透镜102设置成，使得由于象差，检测光的焦点位置相对于激励光的焦点位置稍微移动一个量ΔL(参看图5)。
共焦点长度Ic(nm)可以通过Ic＝π·(d/2)2/λ1，其中，d表示爱里斑并且由d＝1.22×λ1/NA，λ1表示激励光的波长(nm)，NA表示梯度折射率棒形透镜102的数值孔径(numerical aperature)。在使用光纤的情况下，从光纤发出的光的数值孔径较小，并且如果使用具有大数值孔径的梯度折射率棒形透镜102，那么在计算时必须使用光纤的数值孔径来代替梯度折射率棒形透镜102的数值孔径。
如上所述的量ΔL随着将对其进行测量的样品的厚度而变化。当对其厚度小于共焦点长度的样品进行测量时，最优选地是量ΔL等于
量ΔL表示检测光的焦点位置与激励光的焦点位置的差的绝对值，因此，无论检测光的焦距比激励光的焦距长或者短，结果都是相同的。
如果光纤101的前端制成球形形状或类似形状并且这将成为一个透镜，这将可以使激励光和检测光变窄，而不需要在光纤101的前端安装单独的透镜。但是，在这种情况下，几乎没有任何象差，因此激励光和检测光的焦点位置几乎重合。这将导致热透镜信号几乎检测不到的问题。而且，如果光纤101的前端制成透镜，那么该透镜可能具有高的彗形像差，因而还具有激励光和检测光的焦点位置太大的问题。在该实施例中，单独的梯度折射率棒形透镜102被安装在光纤101的前端。
在该实施例中，使用梯度折射率棒形透镜102，但是没有这种限制，可以使用具有所需象差的任何透镜。
目前，鉴于化学反应的迅速性、使用非常小的量进行反应的需要、在线分析等等，在非常小的空间进行化学反应的集成工艺正在引起注意，有关该工艺的研究正在全世界努力地进行着。
作为这种化学反应集成工艺的示例，存在用于在小的玻璃基板或类似物上形成的非常小的通道中对液态样品进行混合、反应、分离、萃取和检测的装置。这种装置可以具有单一功能的使用，例如仅仅用于分离，也可以具有组合功能来使用。
作为从以上功能中仅仅用于分离的装置的示例，已经开发出了对十分少量的蛋白质和核酸等进行分析的电泳装置。该装置具有形成通道的板状部件，它包括结合在一起的两个玻璃基板(例如参看日本专利文献No.8-178897)。
形成在用于这种装置的形成通道的板状部件中的通道一般具有大约50到100μm的深度，这使得样品溶液可以流动同时保持液体特性。由于光热变换光谱分析是在样品溶液流过通道的这种状态下进行的，被分析的样品量是十分少，因此分析必须以十分高的灵敏度进行。
在光热变换光谱分析时，激励光也可用作检测光。但是，如果采用具有不同波长的激励光和检测光，可以提高灵敏度。因此，为了在如上所述的细小通道中进行测量，优选地使激励光和检测光具有不同的波长。
以下将描述应如何选择激励光和检测光的波长以进行高灵敏度的光热变换光谱分析。激励光被吸收激励光的物质吸收的量越多，变换成热能的量越多，因此热透镜效应越大，光热变换光谱分析的灵敏度也就越高。激励光的波长因此是从能够被样品吸收的波长中选择。另一方面，检测光用于测量由激励光形成的热透镜的放大率，因此，优选地是检测光不会有助于热透镜的形成。检测光的波长优选地是从很少被样品吸收的波长来选择。
但是，一些物质在很宽波长范围内吸收光。在这种物质的情况下，也考虑到溶剂的吸收，可能难于选择样品不吸光的波长。此外，如果仅仅是单一物质由特定装置来检测，能相对容易地满足以上条件。但是，在使用其中的激励光和检测光的波长不能改变的一个装置来检测具有不同吸收光谱的多种物质的情况下，难于使上述条件满足所有样品。
本发明的发明人发现，如果激励光和检测光的波长选择成在激励光波长时样品的摩尔吸光系数不小于在检测光波长时样品的摩尔吸光系数的5倍，利用热透镜效应的光热变换光谱分析可以高灵敏度进行。而且，本发明的发明人还发现，如果激励光和检测光的波长选择成在激励光波长时样品的摩尔吸光系数不小于在检测光波长时样品的摩尔吸光系数的10倍，测量的灵敏度可以进一步提高。通过维持在激励光波长时样品的摩尔吸光系数与在检测光波长时的摩尔吸光系数之间的这种关系，可以使用其中的激励光和检测光的波长不能改变的单一装置对多种物质以高灵敏度进行测量。
图2是显示样品的摩尔吸光系数比与灵敏度的关系的图表，摩尔吸光系数比是在激励光波长时样品的摩尔吸光系数与在检测光波长时样品的摩尔吸光系数之比。图3是显示样品的吸收光谱的图表。
图2显示了在改变在激励光波长时摩尔吸光系数与在检测光波长时摩尔吸光系数之比的情况下，利用热透镜的光热变换光谱分析的灵敏度是如何变化的示例。对于该示例的测量可以在如下条件下进行。
使用酸性蓝29(CAS No.5850-35-1)作为样品，它具有602nm的峰值吸收波长，并且在该波长时具有大约17,000的摩尔吸光系数。
其吸收光谱显示在图3中的样品是酸性蓝29。制备包含不同浓度的酸性蓝29的水溶液，对于每种水溶液，通过形成在水溶液中的热透镜的预定波长的检测光的强度(热透镜信号强度)被作为第一检测光强度测量，通过水(即，空白)的预定波长的检测光的强度被作为第二检测光强度测量。随后，所测量的第一检测光强度与包含噪音的第二检测光强度进行比较。第一检测光强度与第二检测光强度可以清楚地相互区别的最小浓度被当作对于该波长的检测光的最低可检测浓度。
对于不同波长重复该过程，确定每一波长的最低可检测浓度。
在日本板硝子株式会社的SELFOC透镜目录中所列的SLH透镜被用作物镜。能够以单一模式传送波长为500nm及之上的光的光纤被固定到该透镜上，波长为635nm的激励光和任何波长的检测光在使用二向色反射镜使得同轴之后被导入光纤。任何一种浓度的酸性蓝29的水溶液被放入形成通道的板状部件20的0.1mm深的通道204中，这被用作一个小池。ND滤光器被插入检测光的光程中，从而调节检测光的强度对于所有波长是相同的。在测量过程中激励光和检测光的强度在射出SELFOC透镜的位置对于激励光为3.5mW、对于检测光为0.25mW。
根据图2，如果在激励光波长时酸性蓝29的摩尔吸光系数不小于在检测光波长时酸性蓝29的摩尔吸光系数的5倍，最低可检测浓度不超过2.5×10-6mol/l；如果在激励光波长时酸性蓝29的摩尔吸光系数不小于在检测光波长时酸性蓝29的摩尔吸光系数的10倍，最低可检测浓度不超过5×10-7mol/l。结果，如果在激励光波长时摩尔吸光系数不小于在检测光波长时摩尔吸光系数的5倍，对于样品的热透镜信号强度与对于溶剂的热透镜信号强度之比(S/B)以及对于样品的热透镜信号强度与噪音之比(S/N)较高，因此可以进行高灵敏度的光热变换光谱分析。而且，如果在激励光波长时摩尔吸光系数不小于在检测光波长时摩尔吸光系数的10倍，可以进行具有更高灵敏度的光热变换光谱分析。
根据本发明，激励光和检测光的波长选择成使得如上所述地满足合适的关系，因此可进行高灵敏度测量。此外，梯度折射率棒形透镜用作物镜，而且光纤用于将激励光和检测光从各自光源引导至梯度折射率棒形透镜的光学系统中。因此光轴不会移离而不在一条直线上，不需要每次测量时调节激励光、检测光和梯度折射率棒形透镜的光轴，使用者的工作效率可以提高。而且，不需要提供夹具用于调节光轴，因此该装置的尺寸可以制作成更加紧凑。
Claims (11)
1、一种光热变换光谱分析方法，用于利用通过形成在样品中的热透镜的检测光分析样品，该方法包括：
会聚照射步骤，利用会聚透镜将激励光和检测光会聚照射在样品上；以及
分析步骤，利用检测光在经过通过激励光的会聚照射形成的热透镜时发生折射导致检测光的强度变化来分析样品；
其中，在激励光波长时样品的摩尔吸光系数比在检测光波长时样品的摩尔吸光系数大预定倍数。
2、如权利要求1所述的光热变换光谱分析方法，其特征在于，在激励光波长时样品的摩尔吸光系数不小于在检测光波长时样品的摩尔吸光系数的5倍。
3、如权利要求1所述的光热变换光谱分析方法，其特征在于，在激励光波长时样品的摩尔吸光系数不小于在检测光波长时样品的摩尔吸光系数的10倍。
4、一种光热变换光谱分析装置，用于利用通过形成在样品中的热透镜的检测光分析样品，该装置包括：
发出激励光以激励样品形成热透镜的激励光源；
发出通过热透镜的检测光的检测光源；
会聚激励光并将激励光照射在样品上、并且也会聚检测光使得检测光通过热透镜的会聚透镜；以及
利用检测光通过热透镜时发生折射导致的检测光强度变化来分析样品的分析器；
其中，在激励光波长时样品的摩尔吸光系数比在检测光波长时样品的摩尔吸光系数大预定倍数。
5、如权利要求4所述的光热变换光谱分析装置，其特征在于，在激励光波长时样品的摩尔吸光系数不小于在检测光波长时样品的摩尔吸光系数的5倍。
6、如权利要求4所述的光热变换光谱分析装置，其特征在于，在激励光波长时样品的摩尔吸光系数不小于在检测光波长时样品的摩尔吸光系数的10倍。
7、如权利要求4所述的光热变换光谱分析装置，其特征在于，所述会聚透镜是梯度折射率透镜。
8、如权利要求7所述的光热变换光谱分析装置，其特征在于，所述梯度折射率透镜是棒形透镜。
9、如权利要求4所述的光热变换光谱分析装置，其特征在于，包括将激励光从所述激励光源引导至所述会聚透镜以及将检测光从所述检测光源引导至所述会聚透镜的光纤。
10、如权利要求9所述的光热变换光谱分析装置，其特征在于，所述会聚透镜固定到所述光纤的一个端部，该端部是沿着激励光和检测光的行进方向的前端。
11、如权利要求9所述的光热变换光谱分析装置，其特征在于，所述光纤具有以单一模式传送激励光和检测光的特性。
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