JP2000205951A

JP2000205951A - 光測定装置

Info

Publication number: JP2000205951A
Application number: JP11008693A
Authority: JP
Inventors: Junji Miyazaki; 潤二宮崎; Masao Makiuchi; 正男牧内
Original assignee: SEITAI HIKARI JOHO KENKYUSHO K; SEITAI HIKARI JOHO KENKYUSHO KK
Current assignee: SEITAI HIKARI JOHO KENKYUSHO K; SEITAI HIKARI JOHO KENKYUSHO KK
Priority date: 1999-01-18
Filing date: 1999-01-18
Publication date: 2000-07-28

Abstract

(57)【要約】【課題】微弱光を精度よく測定することのできる高感
度の光測定装置を提供する。【解決手段】溶液注入信号２０を受け複数の溶液を混
合して測定試料セル２に注入し、測定試料セル２内の混
合溶液から発せられ、測定試料セル２を透過した光４を
測定する光測定装置において、測定試料セル２を透過し
た光を受光して積分することにより積分信号５を得る受
光部６と、測定試料セル２に溶液を注入する前の積分信
号である背景信号を記憶しておく背景信号生成部７と、
測定試料セル２に溶液を注入した後の積分信号と背景信
号生成部７に記憶された背景信号との差分の信号を得る
差分器８とを備えた。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、微弱光の測定に好
適な光測定装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】微弱光の測定技術は、生物学、医療、天
文など広範囲な分野への応用が期待され、これを実現す
るための高感度の光測定技術の開発が進められている。
微弱光の測定には、従来、光電子倍増管（ＰＭＴ）が使
用されているが、量子効率が小さく、また冷却が難しい
ため、最近では半導体受光素子の使用が有望視されてい
る。しかし、極めて微弱な光を測定するためには極めて
高感度の受光素子が必要であるが、現在得られる受光素
子の感度では不十分である。しかし、受光素子の感度を
大幅に高めるのは困難である。そこで、微弱な光電流を
長時間積分することにより発光現象を捕捉することので
きる測定方式として、電荷蓄積方式を用いた高感度の光
測定装置が近年使われ始めている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】一般に、微弱光の測定
に用いられる受光素子は、光を照射しなくても暗電流と
呼ばれる電流が生じる。この暗電流は、受光素子を冷却
することにより減少させることが可能であり、光電子増
倍管では−８０℃程度、半導体受光素子では５０Ｋから
１００Ｋ程度に冷却して使用されているが、それでも微
弱光の測定にとっては無視できない量の暗電流が発生す
る。

【０００４】また、電荷蓄積方式の光測定装置におい
て、測定試料の温度、測定試料を保持する測定試料セル
及び溶媒の温度などに依存する熱放射光、いわゆる背景
光が放出され、この背景光が受光素子に入射される。電
荷蓄積方式では、これらの暗電流及び背景光がバックグ
ラウンドノイズとして積分波形に重畳されるため、高感
度光測定に対する障害となっている。

【０００５】近年、活性酸素と、生体の疾患すなわち炎
症・発癌・成人病・老化等との関連についての研究が進
み、活性酸素が微弱光測定の対象として注目され始めて
いる。活性酸素の中でも、波長約１．３μｍの発光特性
を有する一重項酸素は特に発光が微弱でありしかも寿命
が短いために測定が難しい。特に、生体への関与のメカ
ニズムを研究する分野では、増感剤を用いずに直接測定
の可能な高感度光測定装置の開発が待たれている。

【０００６】本発明は、上記の事情に鑑み、微弱光を精
度よく測定することのできる高感度の光測定装置を提供
することを目的とする。

【０００７】

【課題を解決するための手段】上記の目的を達成する本
発明の光測定装置は、所定の溶液注入信号を受けて溶液
を測定試料セルに注入し、測定試料セル内の混合溶液か
ら発せられ測定試料セルを透過した光を測定する光測定
装置において、上記測定試料セルを透過した光を受光し
て積分することにより積分信号を得る受光部と、上記測
定試料セルに溶液を注入する前の積分信号に代わる背景
信号を生成する背景信号生成部と、上記測定試料セルに
溶液を注入した後の積分信号と上記背景信号生成部によ
り生成された背景信号との差分の信号を得る差分器とを
備えたことを特徴とする。

【０００８】ここで、上記背景信号生成部が、上記測定
試料セルに溶液を注入する前の積分信号を記憶してお
き、記憶された積分信号を読み出すことにより背景信号
を生成するものであってもよい。

【０００９】また、上記の本発明の光測定装置が、上記
受光部をリセットするリセット信号を所定周期で繰り返
し発生するリセット信号発生部と、所定のスタート信号
の入力に応じて、上記リセット信号を上記溶液注入信号
として通過させるゲート回路とを備えたものであっても
よい。

【００１０】また、上記の本発明の光測定装置が、上記
ゲート回路の後段に、上記ゲート回路から出力された信
号を遅延させることにより、溶液注入のタイミングを遅
延させる遅延回路を備えたものであってもよい。

【００１１】また、上記の本発明の光測定装置が、上記
測定試料セルに溶液を注入する前の上記受光部から出力
される積分信号に代わるバックグラウンド補正信号を生
成するバックグラウンド補正回路、および上記受光部
と、上記背景信号生成部および上記差分器との間に配置
され上記受光部から出力される積分信号と上記バックグ
ラウンド補正回路から出力されるバックグラウンド補正
信号との差分の信号を得る第２の差分器を備えたもので
あることも好ましい態様である。

【００１２】さらに、上記受光部が、背景光と信号光と
を受光する第１の受光素子と、背景光のみを受光する第
２の受光素子とを備え、これら２つの受光素子で得られ
た各受光信号の差分の信号を出力するものであることも
好ましい態様の一つである。

【００１３】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施形態について
説明する。

【００１４】図１は、本発明の光測定装置の第１の実施
形態を示す概略構成図である。

【００１５】この第１の実施形態の光測定装置１は、複
数の溶液が注入される測定試料セル２、溶液注入信号２
０を受け複数の溶液を混合して測定試料セル２に注入す
る送液駆動装置３、測定試料セル２内の混合溶液から発
せられ測定試料セル２を透過した光４を受光して積分す
ることにより積分信号５を得る受光部６、測定試料セル
２に溶液を注入する前の積分信号を記憶しておき、記憶
された積分信号を読み出すことにより背景信号を生成す
る背景信号生成部７、測定試料セル２に溶液を注入した
後の積分信号と背景信号生成部７により生成された背景
信号との差分信号９を得る差分器８を備えている。

【００１６】試料溶液リザーバ１３には複数種類の溶液
が蓄えられており、測定試料セル２には、送液駆動装置
３により試料溶液リザーバ１３からそれらの溶液が送り
込まれて混合される。ここでは、それらの溶液の混合に
より測定試料セル２の内部では一重項酸素が発生し、そ
れに伴って、１．３μｍの波長の光が発せられるものと
する。測定試料セル２は、恒温の循環水により、通常の
化学反応測定では常温の２５℃の恒温に保たれる。測定
試料セル２は外部からの漏光を防ぐために暗箱１１内に
配置される。

【００１７】受光部６は、受光素子６ａ、リセット回路
６ｂ、および増幅器６ｃからなる。測定試料セル２内の
混合溶液から発せられ測定試料セル２を透過した光４は
受光部６内の受光素子６ａで光電変換されるとともに積
分される。その積分された信号は受光部６内の増幅器６
ｃで増幅されて積分信号５として出力され、表示装置１
０にその測定結果が表示される。受光素子６ａは暗電流
低減のために極低温に冷却する必要があるため、光透過
窓１２ａを有する真空デュア１２内に配置される。

【００１８】受光部６内の受光素子６ａは、積分を開始
する前にリセットされる必要がある。そこで、この光測
定装置１には、リセット信号１５を所定周期で繰り返し
発生するリセット信号発生部１４と、リセット信号１５
を受けて受光部６内の受光素子６ａをリセットするリセ
ット回路６ｂとが備えられている。このリセット信号１
５によるリセットサイクルが積分時間に相当する。この
サイクルタイムは発光の測定時間に合わせて調整できる
ようになっている。

【００１９】また、受光部６と背景信号生成部７との間
には積分信号５の通過をオンオフする第１のゲート回路
１６が備えられており、リセット信号発生部１４と送液
駆動装置３との間にはリセット信号１５の通過をオンオ
フする第２のゲート回路１７およびリセット信号１５を
遅延させる遅延回路１８が備えられている。

【００２０】さらに、本実施形態の光測定装置１には、
操作者が光測定装置１に対して発光測定開始を指示する
スタート信号を入力するためのスタート信号入力装置１
９が備えられている。

【００２１】なお、本実施形態における第２のゲート回
路１７は、本発明にいう「リセット信号を所定のスター
ト信号の入力に応じて溶液注入信号として通過させるゲ
ート回路」に相当するものであり、また、本実施形態に
おける遅延回路１８は、本発明にいう「ゲート回路から
出力された信号を遅延させることにより、溶液注入のタ
イミングを遅延させる遅延回路」に相当するものであ
る。

【００２２】受光部６から出力された積分信号５は、差
分器８、表示装置１０、および第１のゲート回路１６に
送られる。第１のゲート回路１６の制御端子および第２
のゲート回路１７の入力端子は、リセット信号発生部１
４と接続しており、所定のリセットサイクル毎にリセッ
ト信号１５が入力されるようになっている。

【００２３】受光素子６ａが受光する光には、測定試料
セル２内の混合溶液から発せられた信号光以外に、測定
試料セル２及び暗箱１１内から発せられる背景光があ
る。暗箱１１内の試料溶液リザーバ１３に試料溶液をセ
ットするために暗箱１１を開閉するとその暗箱の内部が
外光に曝され、それによる蓄光が原因となって、暗箱１
１を閉じた後も背景光にゆらぎが発生する。そこで、発
光測定の開始前に、すなわち送液駆動装置３による測定
試料セル２への溶液注入を開始する前に、背景光に基づ
く背景信号の波形をモニタしておき、背景信号の波形が
十分に安定したことが確認されてから発光測定を開始す
る必要がある。

【００２４】本実施形態では、この背景信号のモニタ
は、操作者が表示装置１０に表示される背景信号の波形
を監視することにより行われる。背景信号の波形が安定
したか否かの判定基準としては、予想される試料溶液の
発光波形に比して十分に小さな値、例えば、１／１００
以下の値が閾値の目安として用いられる。背景信号の波
形が十分に安定したと判定された場合は、操作者はスタ
ート信号入力装置１９によりスタート信号を入力する。

【００２５】このスタート信号が入力されるまでは、す
なわち操作者による背景光のモニタが行われている間
は、第１のゲート回路１６は開かれており、積分信号５
は第１のゲート回路１６を経由して背景信号生成部７に
送られここに記憶される。背景信号はリセットサイクル
毎に繰り返し背景信号生成部７に上書き記憶されるの
で、背景信号生成部７には常に最新の背景信号が記憶さ
れている。

【００２６】操作者が、背景信号の波形が安定に達した
と判定してスタート信号入力装置１９によりスタート信
号を入力すると、第２のゲート回路１７が開かれ、スタ
ート信号を入力した時点以降にリセット信号発生部１４
で最初に発生したリセット信号１５が第２のゲート回路
１７を通過する。第２のゲート回路１７を通過したリセ
ット信号１５は遅延回路１８に入力される。遅延回路１
８は所定の遅延時間だけ信号の通過を遅延させた後、送
液駆動装置３に溶液注入信号２０を送る。これらの第２
のゲート回路１７および遅延回路１８の作用については
さらに後述する。

【００２７】送液駆動装置３に溶液注入信号２０が送ら
れると、送液駆動装置３は試料溶液リザーバ１３に蓄え
られた２種類の試料溶液を測定試料セル２に注入する。
試料溶液は測定試料セル２内で混合され、一重項酸素由
来による発光が起こり、この光は受光部６で受光され積
分信号５が出力される。この積分信号５の発光波形は、
操作者により表示装置でモニタされるとともに、差分器
８に入力される。

【００２８】差分器８は、受光部６から出力された積分
信号５と背景信号生成部７に記憶されている背景信号と
の差分を演算する。演算結果である差分信号９は表示装
置１０に送られ表示される。なお、受光部６と差分器８
との間に、図示されない発光波形記憶装置を設けて、差
分器８に入力される積分信号５を一旦記憶し、その記憶
された積分信号５と背景信号生成部７に記憶されている
背景信号との差分を演算するようにしてもよい。

【００２９】図２は、第１の実施形態における積分信号
の波形を示すグラフである。

【００３０】試料溶液は、ＮａＯＣｌ（１００μＭ）、
溶液Ｈ₂Ｏ₂、およびＮａ−Ｐｉバッファー（ＰＨ７．
４）である。溶液Ｈ₂Ｏ₂の濃度は１μＭであり、積分時
間は９秒である。

【００３１】図２に示す波形ａは、ベースライン波形、
すなわち測定試料セルに溶液を注入する前の積分信号で
ある背景信号の出力波形であり、波形ｂは、試料溶液の
発光波形、すなわち測定試料セルに溶液を注入した後の
積分信号の出力波形である。波形ｂは、波形ａに比して
一重項酸素由来の発光分だけ信号レベルは上昇している
が、この波形ｂには暗電流と背景光による背景信号の分
も含まれている。

【００３２】波形ｃは、測定試料セル２（図１参照）に
溶液を注入した後の積分信号５と背景信号生成部７に記
憶された背景信号との差分信号９の波形である。従っ
て、波形ｃは、波形ｂ−波形ａであり、試料溶液の発光
による真の積分波形を提供するものである。

【００３３】図３は、図２に示した測定結果に対し、溶
液Ｈ₂Ｏ₂の濃度を変えた場合の測定結果を示すグラフで
ある。

【００３４】一重項酸素の発生原因である溶液Ｈ₂Ｏ₂の
濃度を図２の場合の１／１０、すなわち０．１μＭに変
更すると、図３に示すように、発光量もそれに比例して
変化しているが、上記と同様にして波形ｃを求めること
により、真の一重項酸素由来の発光量が測定できる。

【００３５】前述のように、暗箱１１のドアの開閉によ
り背景信号のゆらぎが発生するが、暗箱１１のドアを閉
じた後も、送液駆動装置３の準備サイクルにおいて反応
系のゆらぎが生じるので、微弱光の測定においては、こ
のような背景信号のゆらぎが落ち着くまでの安定時間に
ついても考慮する必要がある。

【００３６】図４は、一般的な積分器を用いて構成した
受光部の回路図である。

【００３７】図４に示すように、この受光部１００は、
受光素子１０１、リセットスイッチ１０２、積分コンデ
ンサ１０３、積分器１０４よりなる。リセットスイッチ
１０２が閉じると積分コンデンサ１０３の両端がリセッ
トされ、そのリセットスイッチ１０２が開くことにより
積分が開始される。積分開始後、受光素子１０１からの
光電流は積分コンデンサ１０３に充電され、積分器１０
４の出力電圧として出力される。

【００３８】図５は、半導体受光素子を用いて構成した
受光部の回路図（ａ）および半導体受光素子の等価回路
図（ｂ）である。

【００３９】図５（ａ）に示すように、この受光部１１
０は、半導体受光素子１１１およびリセット回路１１２
よりなる。半導体受光素子１１１は、図５（ｂ）に示す
ように、電流Ｉｐｄを発生する電流源、容量Ｃｐｄを持
つ等価内部コンデンサ、抵抗値Ｒｐｄを持つ等価内部抵
抗よりなる等価回路として表される。電流源からの出力
電流Ｉｐｄは等価内部コンデンサに充電され、その両端
には、Ｖｏｕｔ＝［∫Ｉｐｄｄｔ］／Ｃｐｄの電圧が生じる。

【００４０】電流源は、試料が発光した光を受光しなく
ても、半導体受光素子の暗電流および測定試料セルから
の背景光成分による背景信号を出力する。

【００４１】図６は、図５に示した半導体受光素子によ
り得られる積分信号の波形を示すグラフである。

【００４２】図６に示すように、試料の発光測定が開始
される以前に、半導体受光素子の電流源からは、波形ａ
として示す暗電流および背景光による積分波形が出力さ
れる。試料の発光反応の開始と同時に試料の発光測定を
開始すると、波形ｂとして示す積分波形が出力される。
波形ｂの中には波形ａの成分も含まれているので、波形
ｂ−波形ａを演算することにより測定試料による真の発
光波形ｃが得られる。

【００４３】このように、受光部に半導体受光素子を用
いた場合は、半導体受光素子１１１の等価内部コンデン
サの存在により半導体受光素子自身が積分動作を行うの
で、図４に示した積分器を用いて構成した受光部におけ
る積分コンデンサは必要なくなり、装置を簡素化するこ
とができる。

【００４４】次に、図１に示した第２のゲート回路１
７、遅延回路１８、およびスタート信号入力装置１９の
作用について説明する。

【００４５】図７は、本発明の第１の実施形態における
受光部、および受光部周辺の回路図、図８は、本発明の
第１の実施形態におけるタイムチャート、図９は、本発
明の第１の実施形態による測定波形図である。

【００４６】以下に、図７、図８、および図９を参照し
ながら第１の実施形態における各部の動作について説明
する。

【００４７】先ず、試料発光測定に先立ち、バックグラ
ウンド測定、すなわち、暗電流と背景光による背景信号
の測定が行われる。リセット信号発生部１４（図１参
照）から出力されたリセット信号１５（図７参照）は、
受光部６のリセット回路６ｂに供給され積分信号をリセ
ットするとともに第２のゲート回路１７にも供給され
る。第２のゲート回路１７は、スタート信号入力装置１
９（図１参照）からスタート信号が入力されるまでは閉
じられており、リセット信号１５は遅延回路１８には送
られず、従って送液駆動装置３への溶液注入信号２０の
入力はない。すなわち、バックグラウンド測定時間Ｔ１
（図８参照）中は、測定試料セル２への試料溶液の注入
・混合は禁止されている。

【００４８】このバックグラウンド測定は、リセット信
号発生部１４から出力されるリセット信号１５により受
光部６のリセット回路６ｂがリセットされてから、次に
出力されるリセット信号１５によりリセット回路６ｂが
リセットされるまでの時間、すなわち、図８に示すよう
にバックグラウンド測定時間Ｔ１の間続けて行われ、暗
電流と背景光による背景信号が時間Ｔ１の間積分された
積分信号Ｖｏｕｔが増幅器６ｃから出力され、図８に示
すようなベースライン波形ａが得られる。

【００４９】このバックグラウンド測定は、ベースライ
ン波形ａをモニタしている操作者によるスタート信号入
力が行われるまでは、所定周期で繰り返し行われる。操
作者が、ベースライン波形ａが十分に安定したと判定
し、例えば、ある時刻ｔｓにおいてスタート信号入力装
置１９を操作してスタート信号を入力すると、第２のゲ
ート回路１７が開かれる。第２のゲート回路１７が開か
れた後にリセット信号発生部１４から最初に出力された
リセット信号１５は第２のゲート回路１７を通過して遅
延回路１８に送られ、遅延回路１８により所定の遅延時
間ｔｄだけ遅らされた後、送液駆動装置３に溶液注入信
号２０が送られ測定試料セル２への溶液の注入・混合が
実行され、一重項酸素由来の発光反応が開始される。操
作者により入力されたスタート信号は、第１のゲート回
路１６（図１参照）にも送られ、このスタート信号によ
って第１のゲート回路１６は閉じられ、積分信号５の背
景信号生成部７への上書き記憶は停止される。

【００５０】こうして、図８に示すように、試料発光測
定時間Ｔ２の間、試料発光による受光信号が積分され、
その積分信号Ｖｏｕｔが増幅器６ｃから出力され、差分
器８および表示装置１０に送られる。

【００５１】上記のように、リセット信号１５が遅延回
路１８に入力されてから遅延時間ｔｄだけ遅れて溶液注
入信号２０が出力されるので、積分波形も図８に示すよ
うに、遅延時間ｔｄだけ遅れた時刻から立ち上がり始め
ており、図８の発光波形ｂに示すような途中で屈折した
形の波形が得られる。

【００５２】ところで、このように試料発光のタイミン
グを遅延させているのは、一重項酸素由来の発光は寿命
が短いので、その発光開始時期を明確にする必要がある
からである。電荷蓄積方式において、積分のリセットを
終了し積分を開始する時に、リセット回路６ｂからノイ
ズが発生し、これが積分信号に重畳され測定波形の乱れ
として発光開始時期が明確に捕まえられないことがしば
しばある。そこで、本実施形態では、遅延回路１８を用
いて試料発光測定開始のタイミングを遅延させることに
より、リセット回路のノイズによる影響を回避するよう
にしている。

【００５３】すなわち、図９に示すように、積分開始時
刻ｔ１の直後はベースラインの測定波形ａは、しばらく
の間はリセット回路のノイズ発生している。そこで、積
分開始時刻ｔ１からｔｄ時間だけ経過した時刻ｔ２に溶
液注入信号を出力することにより発光測定波形として波
形ｂが得られ、従って差分器からは、ｔ１からｔ２の間
でほぼ直線に近い波形ｃを得ることができる。

【００５４】なお、以上説明した第１の実施形態の光測
定装置１においては、背景信号生成部７は、測定試料セ
ル２に溶液を注入する前の積分信号を記憶しておき、記
憶された積分信号を読み出すことにより背景信号を生成
するように構成されているが、背景信号生成部７は必ず
しもこのように積分信号を記憶しておき、記憶された積
分信号を読み出すことにより背景信号を生成するもので
ある必要はなく、測定試料セル２に溶液を注入する前の
積分信号に代わる背景信号を生成するものであればよ
い。

【００５５】次に、本発明の第２の実施形態について説
明する。

【００５６】図１０は、本発明の第２の実施形態におけ
る受光部の回路図、図１１は、本発明の第２の実施形態
の受光部に備えられたバックグラウンド補正回路の内部
構造を示す回路図である。

【００５７】図１０に示すように、第２の実施形態の受
光部２６には、図７に示した第１の実施形態における受
光部６とは異なり、バックグラウンド補正回路２７およ
び差動増幅器２８が備えられている。なお、本実施形態
における差動増幅器２８は、本発明にいう第２の差分器
に相当するものである。これら以外の構成は、図７に示
した第１の実施形態におけると同様であり、この図１０
に示す受光部２６が、図７に示す受光部６に代わりその
同じ位置に配置される。

【００５８】バックグラウンド補正回路２７は、測定試
料セル２（図１参照）に溶液を注入する前の受光部２６
から出力される積分信号である背景光に代用されるバッ
クグラウンド補正信号２７ｓを生成するものである。ま
た、差動増幅器２８は、受光素子２６ａと、背景信号生
成部７および差分器８（図１参照）との間に配置され、
受光素子２６ａから出力される積分信号２６ｓとバック
グラウンド補正回路２７から出力されるバックグラウン
ド補正信号２７ｓとの差分信号２８ｓ、すなわち図１０
に示すＶｏｕｔを得るものである。

【００５９】図１１に示すように、このバックグラウン
ド補正回路２７は、定電圧電源２７ａ、ポテンショメー
タ２７ｂ、入力抵抗２７ｃ、リセットスイッチ２７ｄ、
積分コンデンサ２７ｅ、および積分器２７ｆからなる。

【００６０】このバックグラウンド補正回路２７は、図
１０に示す受光部２６内に配置され、定電圧電源２７ａ
で発生した電圧は、操作者により操作されるポテンショ
メータ２７ｂで所望の電圧に調整され入力抵抗２７ｃを
経て積分コンデンサ２７ｅおよび積分器２７ｆに入力さ
れ、積分されたバックグラウンド補正信号２７ｓが、図
１０に示す差動増幅器２８に入力される。なお、このバ
ックグラウンド補正回路２７は、リセット信号１５（図
１０参照）がリセットスイッチ２７ｄに入力されること
によりリセットされるようになっている。

【００６１】差動増幅器２８（図１０参照）は、バック
グラウンド補正回路２７からのバックグラウンド補正信
号２７ｓと、受光素子２６ａからの出力信号２６ｓとの
差分を演算し、その差分信号２８ｓ（Ｖｏｕｔ）を出力
し、このＶｏｕｔが、例えば表示装置１０（図１参照）
に表示される。

【００６２】図１２は、本発明の第２の実施形態におけ
るバックグラウンド補正回路による補正結果の説明図で
ある。

【００６３】図１２（ａ）は、バックグラウンド補正回
路２７から補正信号を出力しなかった場合の第２の差分
器（図１０：差動増幅器２８）からの出力信号２８ｓの
波形Ａを示しており、図１２（ｂ）は、操作者がバック
グラウンド補正回路２７のポテンショメータ２７ｂを操
作して第２の差分器からの出力が波形Ｂのようになるよ
うにバックグラウンド補正回路からの出力を調整した場
合のバックグラウンド補正回路出力および第２の差分器
出力の波形を示している。

【００６４】図１２（ａ）に示すように、バックグラウ
ンド補正回路２７による補正が行われない場合には波形
Ａの出力が受光部２６（図１０参照）から出力されるの
で、受光素子２６ａからの出力信号２６ｓのレベルが極
めて高い場合は、受光部２６から出力信号により、光測
定装置を構成する各回路を飽和させ測定不能に陥る恐れ
がある。そこで、図１２（ｂ）に示すように、バックグ
ラウンド補正回路２７による補正により受光部２６から
波形Ｂのように信号レベル全体を大幅に低下させること
により、回路飽和の危険性が回避され安定した微弱光測
定を行うことができる。

【００６５】なお、このバックグラウンド補正は適切に
行われないと差動増幅器２８の出力Ｖｏｕｔに、背景光
と暗電流に起因する積分信号が残留することになり、後
段の増幅器の増幅率を上げることができなくなる。な
お、差動増幅器２８からの出力Ｖｏｕｔ、すなわちバッ
クグラウンド補正後の出力信号２８ｓは０Ｖであること
が理想的であるが、後段の増幅器の増幅率との兼ね合い
から０Ｖ近傍であればよい。

【００６６】次に、本発明の第３の実施形態について説
明する。

【００６７】通常、背景光と暗電流に起因するベースラ
イン信号は一定出力であるので、その積分波形は直線で
定義することができる。従って、ベースライン信号のう
ちの飽和していない立ち上がり部分の波形を取り出して
その波形の立ち上がりの傾斜を求め、その傾斜を有する
直線波形の補正信号で補正を行うようにすることによ
り、上記の第２の実施形態におけるような人による調整
操作を省くことが可能である。

【００６８】図１３は、本発明の第３の実施形態におけ
る受光部の回路図である。

【００６９】図１３に示すように、第３の実施形態の受
光部３６には、図１０に示した第２の実施形態の受光部
２６におけるバックグラウンド補正回路２７に代わり、
バックグラウンド補正回路３７が備えられている。な
お、この受光部３６におけるバックグラウンド補正回路
以外の構成要素は、図７に示した第１の実施形態および
図１０に示した第２の実施形態におけると同様であるの
で、説明は省略する。

【００７０】この図１３に示す受光部３６が、図７に示
す受光部６および図１０に示す受光部２６に代わりその
同じ位置に配置される。

【００７１】図１４は、本発明の第３の実施形態の受光
部に備えられたバックグラウンド補正回路の回路図であ
る。

【００７２】図１４には、Ａ／Ｄ変換器３７ａ、ＣＰＵ
３７ｂ、Ｄ／Ａ変換器３７ｃ、入力抵抗３７ｄ、リセッ
トスイッチ３７ｅ、積分コンデンサ３７ｆ、および積分
器３７ｇからなるバックグラウンド補正回路３７が示さ
れている。この図１４に示すバックグラウンド補正回路
３７は、図１３に示す受光部３６の内部に配置される。

【００７３】このバックグラウンド補正回路３７では、
差動増幅器３８（図１３参照）の出力３８ｓをＡ／Ｄ変
換器３７ａでデジタル信号に変換しＣＰＵ３７ｂに入力
する。ＣＰＵ３７ｂは、入力信号の単位時間当りの電圧
増加率Ｖｂａｓｅを演算し、それをＤ／Ａ変換器３７ｃ
でアナログ信号に変換して積分器３７ｇに入力する。

【００７４】ここで、差動増幅器２８の増幅率をＡ、積
分器３７ｆの入力抵抗３７ｄの抵抗値をＲｉｎ、積分コ
ンデンサ３７ｆの静電容量をＣｉｎｔとすると、Ｄ／Ａ
変換器３７ｃの電圧Ｖｄａを、Ｖｄａ＝（１／Ａ）×Ｖｂａｓｅ×Ｒｉｎ×Ｃｉｎｔとすることにより、バックグラウンド補正信号３７ｓを
得ることができる。

【００７５】この第３の実施形態の補正方式は、人によ
る補正操作を必要とせずに自動的にバックグラウンド補
正を行うことができるので極めて有用であるが、その積
分波形がほぼ直線で近似できる場合にしか採用できない
という制約がある。

【００７６】次に、本発明の第４の実施形態について説
明する。

【００７７】図１５は、本発明の第４の実施形態におけ
るバックグラウンド補正回路の回路図である。

【００７８】図１５には、Ａ／Ｄ変換器４７ａ、補正波
形メモリ４７ｂ、ＣＰＵ４７ｃ、Ｄ／Ａ変換器４７ｄか
らなるバックグラウンド補正回路４７が示されている。
この図１５に示すバックグラウンド補正回路４７は、図
１３に示す受光部３６の内部に配置される。

【００７９】このバックグラウンド補正回路４７は、補
正波形メモリ４７ｂに前回のバックグラウンド補正信号
の波形、すなわち差動増幅器３８の出力３８ｓ（図１３
参照）を記憶させておき、それを用いてバックグラウン
ド補正を行うものである。従って、この補正方式は、第
３の実施形態における補正方式とは異なり、積分波形が
直線状でない場合にも採用することができるが、試料の
発光と同時に溶媒の発熱反応が発生する場合には、溶媒
だけの発熱反応を予め測定しておき、それをベースとし
て補正を行う必要がある。通常、この発熱反応による信
号波形は直線状ではなく、また溶媒によっても波形が異
なるので予め測定しておく必要がある。なお、この補正
方式は、受光素子３６ａからの出力信号３６ｓのレベル
がそれほど高くなく、増幅器が飽和する恐れがない場合
にのみ採用することができる。

【００８０】次に、本発明の第５の実施形態について説
明する。

【００８１】微弱光の測定においては、試料から得られ
た受光信号のレベルは極めて低いため、周辺からのノイ
ズが混入しやすく測定に悪影響を及ぼすことがある。上
記の各実施形態におけるバックグラウンド補正回路から
発生するノイズが受光信号に混入する恐れがあるので、
バックグラウンド補正回路を受光信号ライン付近から少
しでも離れた場所に配置し、かつ電気的に絶縁すること
がノイズ低減対策として有効である。

【００８２】図１６は、本発明の第５の実施形態におけ
るノイズ低減対策を施したバックグラウンド補正回路の
概要図である。

【００８３】図１６に示すように、このノイズ低減型バ
ックグラウンド補正回路５０は、図１１に示したバック
グラウンド補正回路２７のポテンショメータ２７ｂの電
圧出力を光に変換する発光素子５１、発光素子５１から
の光を受光して電気信号に変換する受光素子５２、リセ
ットスイッチ５３、および積分コンデンサ５４を備えて
いる。

【００８４】受光素子５２から出力された信号はリセッ
トスイッチ５３、積分コンデンサ５４を経て補正信号５
７ｓとして差動増幅器３８（図１３参照）に入力され
る。

【００８５】このように構成したノイズ低減型バックグ
ラウンド補正回路を用いることにより、バックグラウン
ド補正量可変回路と受光信号ラインとの間の電気的絶縁
を得ることができるのでノイズの軽減に有効である。そ
れとともに試料測定用の受光素子と同特性の受光素子を
このノイズ低減回路に用いることにより、受光素子の熱
ドリフト等がキャンセルされるという効果も期待でき
る。

【００８６】次に、本発明の第６の実施形態について説
明する。

【００８７】図１７は、本発明の第６の実施形態におけ
るノイズ低減型バックグラウンド補正回路の概要図であ
る。

【００８８】図１７に示すように、このノイズ低減型バ
ックグラウンド補正回路６０は、図１１に示したバック
グラウンド補正回路２７のポテンショメータ２７ｂの電
圧出力を光に変換する発光素子６１、発光素子６１から
の光を搬送する光ファイバ６２、光ファイバ６２で搬送
されてきた光を発する発光端６３、発光端６３からの光
を受光して電気信号に変換する受光素子６４、リセット
スイッチ６５、および積分コンデンサ６６を備えてい
る。

【００８９】発光素子６１から発せられた光を光ファイ
バ６２を介して搬送し、発光端６３からの光を受光素子
６４で受光する。受光素子６４から出力された信号はリ
セットスイッチ６５、積分コンデンサ６６を経て補正信
号６７ｓとして差動増幅器３８（図１３参照）に入力さ
れる。

【００９０】このノイズ低減型バックグラウンド補正回
路６０を用いることにより、バックグラウンド補正回路
と受光信号ラインとを電気的に完全に絶縁することがで
きるので、上記第５の実施形態よりも更にノイズを軽減
することが可能である。

【００９１】次に、本発明の第７の実施形態について説
明する。

【００９２】図１８は、本発明の第７の実施形態におけ
る光測定装置の一部を示す概略構成図である。

【００９３】この第７の実施形態の光測定装置には、図
１８に示すように、２つの測定試料セル９１，９２、お
よびこれら２つの測定試料セル９１，９２に複数の溶液
を混合して注入する送液駆動装置９３が備えられてい
る。この２つの測定試料セル９１，９２のうち、一方の
測定試料セル９１には微弱光を発する試料溶液を含んだ
溶液を注入し、測定試料セル９１に対応する第１の受光
素子７１により、微弱光を発する試料溶液から発せられ
る信号光と背景光との双方を受光するとともに、他方の
測定試料セル９２には微弱光を発する試料溶液を含まな
いブランクの溶液を注入し、測定試料セル９２に対応す
る第２の受光素子７２により背景光のみを受光するよう
に構成されている。

【００９４】受光部７０では、これら２つの受光素子７
１，７２から得られた各受光信号の差分の信号を演算す
ることにより、背景光の分が取り除かれた信号光のみを
取り出すことができる。なお、受光部７０からの信号を
処理する背景信号生成部、差分器、表示装置その他の部
分は図１に示した光測定装置１と同様であるので、図１
８では図示省略してある。

【００９５】図１９は、本発明の第７の実施形態におけ
る受光部の回路図である。

【００９６】図１９に示すように、この受光部７０に
は、背景光と信号光とを受光する第１の受光素子７１、
および背景光のみを受光する第２の受光素子７２が互い
に逆極性で並列に接続された状態で備えられており、こ
れら２つの受光素子７１，７２の受光信号から得られた
差分信号７３が差動増幅器７６に入力される。差動増幅
器７６には、差分信号７３とともにバックグラウンド補
正回路７５からのバックグラウンド補正信号７５ｓが入
力され、それらの差分信号７７が出力される。バックグ
ラウンド補正回路７５および差動増幅器７６は、図１０
に示した受光部２６におけるバックグラウンド補正回路
２７および第２の差分器２８と同様のものである。ま
た、２つの受光素子７１，７２と並列に接続されたリセ
ット回路７４は、図７に示したリセット回路６ｂと同様
のものである。

【００９７】このように、２つの受光素子７１，７２の
受光信号から得られた差分信号７３は、暗電流と背景光
による背景信号の成分がキャンセルされているので、１
つの受光素子を用いた受光部と比べて、本実施形態の受
光部７０におけるバックグラウンド信号は、１／１０〜
１／１００に軽減されており、より高感度の光測定装置
を実現することができる。更に高感度を追求するため
に、２つの受光素子の暗電流のばらつきの差によるバッ
クグラウンド信号成分の補正を行うことも有効である。

【００９８】次に、本発明の第８の実施形態について説
明する。

【００９９】図２０は、半導体受光素子の暗電流が温度
に依存して変化する様子を示すグラフである。

【０１００】通常、半導体受光素子の暗電流は温度に依
存して変化する。例えば、図２０に示す如く、半導体受
光素子の温度を５０Ｋ、１８０Ｋ、２００Ｋ、…、３０
０Ｋというように上昇させるに従い、半導体受光素子の
暗電流のレベルは次第に増加する。そこで、本発明の第
８の実施形態では、半導体受光素子の温度を制御するこ
とにより２つの半導体受光素子間の暗電流のアンバラン
スを解消するようにしている。

【０１０１】なお、この第８の実施形態の光測定装置
も、第７の実施形態と同様、図１８に示すように、２つ
の測定試料セル９１，９２、およびこれら２つの測定試
料セル９１，９２に複数の溶液を混合して注入する送液
駆動装置９３が備えられており、これに対応して、受光
部８０は、背景光と信号光とを受光する第１の受光素子
８１と、背景光のみを受光する第２の受光素子８２とを
備え、これら２つの受光素子８１，８２で得られた各受
光信号の差分の信号を出力するよう構成されている。

【０１０２】図２１は、本発明の第８の実施形態におけ
る受光部の回路図である。

【０１０３】図２１に示す受光部８０には、背景光と信
号光とを受光する第１の半導体受光素子８１、背景光の
みを受光する第２の半導体受光素子８２、第１の半導体
受光素子８１および第２の半導体受光素子８２の温度を
それぞれ制御する吸・発熱素子８３，８４および温度制
御回路８５，８６、リセット回路８７，８８、および差
動増幅器８９が備えられている。なお、本実施形態にお
ける差動増幅器８９は、本発明にいう第２の差分器に相
当するものである。

【０１０４】半導体受光素子の温度を制御する発熱素子
として、電力消費による発熱体を用いてもよいし、吸・
発熱素子として、ペルチェ効果を使ったペルチェ素子を
用いてもよい。

【０１０５】このように構成したことにより、２つの半
導体受光素子８１，８２の温度を個別に制御することが
できるので、２つの半導体受光素子８１，８２間の暗電
流のアンバランスによる極微弱光の測定出力信号のアン
バランスが解消される。

【０１０６】以上説明した各実施形態には、受光素子と
して半導体受光素子を用いた例を示しているが、受光素
子は必ずしも半導体受光素子に限られるものではなく、
例えば光電子増倍管を用いても同様の効果を上げること
ができる。

【０１０７】なお、上記の各実施形態では、測定試料セ
ルに１つ又は複数の溶液を注入する方式の光測定装置に
ついて説明したが、このほかに、すでに測定試料セルに
入っている溶液に、新たに試薬を加える方式の光測定装
置についても本発明を適用することができる。

【０１０８】

【発明の効果】以上説明したように、本発明の光測定装
置によれば、微弱光を精度よく測定することのできる高
感度の光測定装置を実現することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の光測定装置の第１の実施形態を示す概
略構成図である。

【図２】第１の実施形態における積分信号の波形を示す
グラフである。

【図３】図２に示した測定結果に対し、溶液Ｈ₂Ｏ₂の濃
度を変えた場合の測定結果を示すグラフである。

【図４】一般的な積分器を用いて構成した受光部の回路
図である。

【図５】半導体受光素子を用いて構成した受光部の回路
図（ａ）および半導体受光素子の等価回路図（ｂ）であ
る。

【図６】図５に示した半導体受光素子により得られる積
分信号の波形を示すグラフである。

【図７】本発明の第１の実施形態における受光部、およ
び受光部周辺の回路図である。

【図８】本発明の第１の実施形態におけるタイムチャー
トである。

【図９】本発明の第１の実施形態による測定波形図であ
る。

【図１０】本発明の第２の実施形態における受光部の回
路図である。

【図１１】本発明の第２の実施形態の受光部に備えられ
たバックグラウンド補正回路の内部構造を示す回路図で
ある。

【図１２】本発明の第２の実施形態におけるバックグラ
ウンド補正回路による補正結果の説明図である。

【図１３】本発明の第３の実施形態における受光部の回
路図である。

【図１４】本発明の第３の実施形態の受光部に備えられ
たバックグラウンド補正回路の回路図である。

【図１５】本発明の第４の実施形態におけるバックグラ
ウンド補正回路の回路図である。

【図１６】本発明の第５の実施形態におけるノイズ低減
対策を施したバックグラウンド補正回路の概要図であ
る。

【図１７】本発明の第６の実施形態におけるノイズ低減
型バックグラウンド補正回路の概要図である。

【図１８】本発明の第７の実施形態における光測定装置
の一部を示す概略構成図である。

【図１９】本発明の第７の実施形態における受光部の回
路図である。

【図２０】半導体受光素子の暗電流が温度に依存して変
化する様子を示すグラフである。

【図２１】本発明の第８の実施形態における受光部の回
路図である。

【符号の説明】

１光測定装置２測定試料セル３送液駆動装置４光５積分信号６受光部６ａ受光素子６ｂリセット回路６ｃ増幅器７背景信号生成部８差分器９差分信号１０表示装置１１暗箱１２真空デュア１２ａ光透過窓１３試料溶液リザーバ１４リセット信号発生部１５リセット信号１６，１７ゲート回路１８遅延回路１９スタート信号入力装置２０溶液注入信号２６受光部２６ａ受光素子２６ｂリセット回路２６ｓ積分信号２７バックグラウンド補正回路２７ａ定電圧電源２７ｂポテンショメータ２７ｃ入力抵抗２７ｄリセットスイッチ２７ｅ積分コンデンサ２７ｆ積分器２７ｓバックグラウンド補正信号２８差動増幅器２８ｓ出力信号３６受光部３７バックグラウンド補正回路３７ａＡ／Ｄ変換器３７ｂＣＰＵ３７ｃＤ／Ａ変換器３７ｄ入力抵抗３７ｅリセットスイッチ３７ｆ積分コンデンサ３７ｇ積分器３７ｓバックグラウンド補正信号３８差動増幅器３８ｓ出力４７バックグラウンド補正回路４７ａＡ／Ｄ変換器４７ｂ補正波形メモリ４７ｃＣＰＵ４７ｄＤ／Ａ変換器５０ノイズ低減型バックグラウンド補正回路５１発光素子５２受光素子５３リセットスイッチ５４積分コンデンサ５７ｓ補正信号６０ノイズ低減型バックグラウンド補正回路６１発光素子６２光ファイバ６３発光端６４受光素子６５リセットスイッチ６６積分コンデンサ６７ｓ補正信号７０受光部７１，７２受光素子７３差分信号７４リセット回路７５バックグラウンド補正回路７５ｓバックグラウンド補正信号７６差動増幅器７７差分信号８０受光部８１，８２受光素子８３，８４吸・発熱素子８５，８６温度制御回路８７，８８リセット回路８９差動増幅器９１，９２測定試料セル９３送液駆動装置１００受光部１０１受光素子１０２リセットスイッチ１０３積分コンデンサ１０４積分器１１０受光部１１１半導体受光素子１１２リセット回路

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続きＦターム(参考） 2G020 AA03 CA01 CB03 CB21 CB42 CD13 CD24 CD38 2G043 BA09 CA09 EA10 EA13 FA07 KA01 LA01 MA01 MA03 MA12 NA01 NA13 2G059 AA06 BB12 CC07 EE01 EE06 FF08 HH01 KK01 MM01 NN01 NN08 2G065 AA11 AB02 AB19 BA02 BA18 BA36 BA37 BB02 BC15 BC22 BC28 BC33 BC35 CA01 CA12 CA17 CA19 CA21 DA01

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】所定の溶液注入信号を受けて溶液を測定
試料セルに注入し、該測定試料セル内の混合溶液から発
せられ該測定試料セルを透過した光を測定する光測定装
置において、前記測定試料セルを透過した光を受光して積分すること
により積分信号を得る受光部と、前記測定試料セルに溶液を注入する前の積分信号に代わ
る背景信号を生成する背景信号生成部と、前記測定試料セルに溶液を注入した後の積分信号と前記
背景信号生成部により生成された背景信号との差分の信
号を得る差分器とを備えたことを特徴とする光測定装
置。
【請求項２】前記背景信号生成部が、前記測定試料セ
ルに溶液を注入する前の積分信号を記憶しておき、記憶
された積分信号を読み出すことにより背景信号を生成す
るものであることを特徴とする請求項１記載の光測定装
置。
【請求項３】前記受光部をリセットするリセット信号
を所定周期で繰り返し発生するリセット信号発生部と、所定のスタート信号の入力に応じて、前記リセット信号
を前記溶液注入信号として通過させるゲート回路とを備
えたことを特徴とする請求項１記載の光測定装置。
【請求項４】前記ゲート回路の後段に、該ゲート回路
から出力された信号を遅延させることにより、溶液注入
のタイミングを遅延させる遅延回路を備えたことを特徴
とする請求項３記載の光測定装置。
【請求項５】前記測定試料セルに溶液を注入する前の
前記受光部から出力される積分信号に代わるバックグラ
ウンド補正信号を生成するバックグラウンド補正回路、
および前記受光部と、前記背景信号生成部および前記差
分器との間に配置され前記受光部から出力される積分信
号と前記バックグラウンド補正回路から出力されるバッ
クグラウンド補正信号との差分の信号を得る第２の差分
器を備えたことを特徴とする請求項１記載の光測定装
置。
【請求項６】前記受光部が、背景光と信号光とを受光
する第１の受光素子と、背景光のみを受光する第２の受
光素子とを備え、これら２つの受光素子で得られた各受
光信号の差分の信号を出力するものであることを特徴と
する請求項１記載の光測定装置。