JP2002372506A - 光熱変換分光分析方法、及びその方法を実行する光熱変換分光分析装置 - Google Patents
光熱変換分光分析方法、及びその方法を実行する光熱変換分光分析装置Info
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Classifications
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
- G01N25/00—Investigating or analyzing materials by the use of thermal means
- G01N25/16—Investigating or analyzing materials by the use of thermal means by investigating thermal coefficient of expansion
-
- G—PHYSICS
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- G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
- G01N21/17—Systems in which incident light is modified in accordance with the properties of the material investigated
- G01N21/171—Systems in which incident light is modified in accordance with the properties of the material investigated with calorimetric detection, e.g. with thermal lens detection
-
- G—PHYSICS
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- G01N2021/1712—Thermal lens, mirage effect
Abstract
(57)【要約】
【課題】 高感度な測定ができる光熱変換分光分析方
法、及び該方法を実行する光熱変換分光分析装置を提供
する。 【解決手段】 光熱変換分光分析装置は、励起光用光源
１１１から出射される励起光の光路上で励起光用光源１
１１の近傍に配置されたチョッパー１１２、励起光の進
行方向を変えるミラー１１４、検出光用光源１２０から
の検出光が入射して、励起光と検出光とが同軸にされる
ダイクロイックミラー１１３、適切な色収差を有するレ
ンズ１０、このレンズ１０を３軸に調整可能に保持する
保持具１５から成る。
法、及び該方法を実行する光熱変換分光分析装置を提供
する。 【解決手段】 光熱変換分光分析装置は、励起光用光源
１１１から出射される励起光の光路上で励起光用光源１
１１の近傍に配置されたチョッパー１１２、励起光の進
行方向を変えるミラー１１４、検出光用光源１２０から
の検出光が入射して、励起光と検出光とが同軸にされる
ダイクロイックミラー１１３、適切な色収差を有するレ
ンズ１０、このレンズ１０を３軸に調整可能に保持する
保持具１５から成る。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、集光レンズによっ
て励起光と検出光とを試料に集光照射し、前記励起光の
集光照射によって生成された熱レンズを透過した検出光
の偏向にともなう強度の変化を測定する光熱変換分光分
析方法及び装置に関し、特に微小空間において精度の高
い超微量分析が可能であると共に、任意の場所で簡便な
測定が可能な光熱変換分光分析方法及び装置に関する。
て励起光と検出光とを試料に集光照射し、前記励起光の
集光照射によって生成された熱レンズを透過した検出光
の偏向にともなう強度の変化を測定する光熱変換分光分
析方法及び装置に関し、特に微小空間において精度の高
い超微量分析が可能であると共に、任意の場所で簡便な
測定が可能な光熱変換分光分析方法及び装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】近年、半導体や生体試料、あるいは各種
の液体試料等の分析や測定を行う方法として分光分析方
法が広く利用されてきている。しかし、従来の分光分析
方法では、微小空間での微量な物質あるいは微小な物質
を分析する場合には、測定条件として真空が必要であっ
た。また、電子ビームやイオンビームの利用にともなっ
て、試料が破壊されたり、損傷されたりする等の問題が
あった。
の液体試料等の分析や測定を行う方法として分光分析方
法が広く利用されてきている。しかし、従来の分光分析
方法では、微小空間での微量な物質あるいは微小な物質
を分析する場合には、測定条件として真空が必要であっ
た。また、電子ビームやイオンビームの利用にともなっ
て、試料が破壊されたり、損傷されたりする等の問題が
あった。
【０００３】また、溶液あるいは生体組織中等の超微量
の試料を扱う場合には、高精度で高い空間分解能での分
析ができる、光学領域の顕微鏡の使用が必須である。こ
のような顕微鏡として実際に使用されているのはレーザ
ー蛍光顕微鏡に限られている。したがって、分析の対象
もおのずとレーザー蛍光顕微鏡蛍光分子に限られてい
る。
の試料を扱う場合には、高精度で高い空間分解能での分
析ができる、光学領域の顕微鏡の使用が必須である。こ
のような顕微鏡として実際に使用されているのはレーザ
ー蛍光顕微鏡に限られている。したがって、分析の対象
もおのずとレーザー蛍光顕微鏡蛍光分子に限られてい
る。
【０００４】このような事情から、真空場を必要とする
ことがなく、非接触、非損傷での分析が可能であって、
しかも分析対象が蛍光分子に限られることなく、高精度
で、高い空間分解能での分析が可能な分析方法が求めら
れてきた。
ことがなく、非接触、非損傷での分析が可能であって、
しかも分析対象が蛍光分子に限られることなく、高精度
で、高い空間分解能での分析が可能な分析方法が求めら
れてきた。
【０００５】これらの要求を満たす分析方法として、光
熱変換現象による熱レンズ効果を利用した光熱変換分光
分析法が注目されている。
熱変換現象による熱レンズ効果を利用した光熱変換分光
分析法が注目されている。
【０００６】この光熱変換分光分析法は、試料に光を集
光照射したときに試料中の溶質の光吸収に起因してその
後放出される熱エネルギーによって溶媒が局所的に温度
上昇して屈折率が変化し、その結果、熱レンズが形成さ
れるという光熱変換効果を利用するものである。
光照射したときに試料中の溶質の光吸収に起因してその
後放出される熱エネルギーによって溶媒が局所的に温度
上昇して屈折率が変化し、その結果、熱レンズが形成さ
れるという光熱変換効果を利用するものである。
【０００７】図３は、熱レンズの原理の説明図である。
【０００８】図３において、対物レンズを介して励起光
を極微小試料に集光照射すると光熱変換効果が誘起され
る。多くの物質では温度上昇に伴い屈折率が小さくなる
ので、励起光が集光照射された試料は、集光中心ほど温
度上昇により屈折率が低下し、熱拡散により周囲に近付
くほど温度上昇しないので屈折率の低下が少ない。光学
的にはこの屈折率の分布はちょうど凹レンズと同じ効果
を持つので、この効果を熱レンズ効果と呼ぶ。この熱レ
ンズ効果の大きさ、即ち凹レンズの度数は試料の光吸収
度に比例する。また、屈折率が温度に比例して大きくな
る場合は、凸レンズが形成される。
を極微小試料に集光照射すると光熱変換効果が誘起され
る。多くの物質では温度上昇に伴い屈折率が小さくなる
ので、励起光が集光照射された試料は、集光中心ほど温
度上昇により屈折率が低下し、熱拡散により周囲に近付
くほど温度上昇しないので屈折率の低下が少ない。光学
的にはこの屈折率の分布はちょうど凹レンズと同じ効果
を持つので、この効果を熱レンズ効果と呼ぶ。この熱レ
ンズ効果の大きさ、即ち凹レンズの度数は試料の光吸収
度に比例する。また、屈折率が温度に比例して大きくな
る場合は、凸レンズが形成される。
【０００９】このように、上記光熱変換分光分析法は、
熱の拡散、即ち屈折率の変化を観察するものであるの
で、極微小試料の濃度を検出するのに適している。
熱の拡散、即ち屈折率の変化を観察するものであるの
で、極微小試料の濃度を検出するのに適している。
【００１０】上記光熱変換分光分析法を実行する光熱変
換分光分析装置としては、例えば特開平１０−２３２２
１０号公報に記載されたものが提案されている。
換分光分析装置としては、例えば特開平１０−２３２２
１０号公報に記載されたものが提案されている。
【００１１】このような光熱変換分光分析装置において
は、試料は顕微鏡の対物レンズの下方に配置され、励起
光用光源から出力された所定波長の励起光は、顕微鏡に
入射し、この顕微鏡の対物レンズによって試料中の極微
量領域に集光照射される。この集光照射位置を中心に熱
レンズが形成される。
は、試料は顕微鏡の対物レンズの下方に配置され、励起
光用光源から出力された所定波長の励起光は、顕微鏡に
入射し、この顕微鏡の対物レンズによって試料中の極微
量領域に集光照射される。この集光照射位置を中心に熱
レンズが形成される。
【００１２】一方、検出光用光源から出力され、波長が
励起光と異なる検出光は、顕微鏡に入射し、顕微鏡から
出射される検出光は、励起光により試料に形成された熱
レンズに集光照射され、試料を透過して発散又は集光す
る。この試料から発散又は集光して出射された光は信号
光となり、その信号光は、集光レンズ及びフィルタ又は
フィルタを経て検出器によって検出される。検出された
信号光の強度は、試料において形成された熱レンズに応
じたものである。
励起光と異なる検出光は、顕微鏡に入射し、顕微鏡から
出射される検出光は、励起光により試料に形成された熱
レンズに集光照射され、試料を透過して発散又は集光す
る。この試料から発散又は集光して出射された光は信号
光となり、その信号光は、集光レンズ及びフィルタ又は
フィルタを経て検出器によって検出される。検出された
信号光の強度は、試料において形成された熱レンズに応
じたものである。
【００１３】上記検出光に関しては、励起光と同じ周波
数でもよく、また、励起光が検出光を兼ねることもでき
る。一般的には励起光と検出光との周波数を異なるもの
とした場合に良い感度が得られる。
数でもよく、また、励起光が検出光を兼ねることもでき
る。一般的には励起光と検出光との周波数を異なるもの
とした場合に良い感度が得られる。
【００１４】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記従
来の光熱変換分光分析装置は、光源や、測定部や検出部
（光電変換部）の光学系等が複雑にシステムアップされ
ており、大型で可搬性に欠けていた。このため、この熱
レンズ顕微鏡システムを利用した分析や化学反応を行う
際には、その場所や操作が限定される要因になってい
た。
来の光熱変換分光分析装置は、光源や、測定部や検出部
（光電変換部）の光学系等が複雑にシステムアップされ
ており、大型で可搬性に欠けていた。このため、この熱
レンズ顕微鏡システムを利用した分析や化学反応を行う
際には、その場所や操作が限定される要因になってい
た。
【００１５】多くの場合、熱レンズを用いた光熱変換分
光分析法を用いる場合には、励起光の焦点位置と検出光
の焦点位置とが異なっていることが必要となる。図４
は。励起光の光軸方向（Ｚ方向）に関する熱レンズの形
成位置と検出光の焦点位置との説明図であり、（ａ）は
対物レンズが色収差をもつ場合を示し、（ｂ）は対物レ
ンズが色収差をもたない場合を示す。
光分析法を用いる場合には、励起光の焦点位置と検出光
の焦点位置とが異なっていることが必要となる。図４
は。励起光の光軸方向（Ｚ方向）に関する熱レンズの形
成位置と検出光の焦点位置との説明図であり、（ａ）は
対物レンズが色収差をもつ場合を示し、（ｂ）は対物レ
ンズが色収差をもたない場合を示す。
【００１６】対物レンズ１３０が色収差をもつ場合は、
図４（ａ）に示すように、熱レンズ１３１は、励起光の
焦点位置１３２に形成されると共に、検出光の焦点位置
１３３はΔＬだけ励起光の焦点位置１３２からずれるの
で、この検出光により熱レンズ１３１の屈折率の変化を
検出光の焦点距離の変化として検出できる。一方、対物
レンズ１３０が色収差をもたない場合は、図４（ｂ）に
示すように、検出光の焦点位置１３３は、励起光の焦点
位置１３２に形成される熱レンズ１３１の位置とほぼ一
致する。このため、検出光は熱レンズ１３１によって偏
向しないので熱レンズ１３１の屈折率の変化を検出でき
ない。
図４（ａ）に示すように、熱レンズ１３１は、励起光の
焦点位置１３２に形成されると共に、検出光の焦点位置
１３３はΔＬだけ励起光の焦点位置１３２からずれるの
で、この検出光により熱レンズ１３１の屈折率の変化を
検出光の焦点距離の変化として検出できる。一方、対物
レンズ１３０が色収差をもたない場合は、図４（ｂ）に
示すように、検出光の焦点位置１３３は、励起光の焦点
位置１３２に形成される熱レンズ１３１の位置とほぼ一
致する。このため、検出光は熱レンズ１３１によって偏
向しないので熱レンズ１３１の屈折率の変化を検出でき
ない。
【００１７】しかしながら、顕微鏡の対物レンズは、通
常、色収差をもたないように製造されている。したがっ
て、上記の理由により、検出光の焦点位置１３３は、励
起光の焦点位置１３２に形成される熱レンズ１３１の位
置とほぼ一致し（図４（ｂ））、熱レンズ１３１の屈折
率の変化を検出することができない。このため、測定の
度に、熱レンズが形成される試料の位置を、図５（ａ）
及び図５（ｂ）に示すように、検出光の焦点位置１３３
からずらしたり、図６に示すように、不図示のレンズを
用いて検出光を若干発散又は集光させて対物レンズに入
射させることにより検出光の焦点位置１３３を熱レンズ
１３１からずらしたりしなければならず、手間が掛かる
という問題もある。
常、色収差をもたないように製造されている。したがっ
て、上記の理由により、検出光の焦点位置１３３は、励
起光の焦点位置１３２に形成される熱レンズ１３１の位
置とほぼ一致し（図４（ｂ））、熱レンズ１３１の屈折
率の変化を検出することができない。このため、測定の
度に、熱レンズが形成される試料の位置を、図５（ａ）
及び図５（ｂ）に示すように、検出光の焦点位置１３３
からずらしたり、図６に示すように、不図示のレンズを
用いて検出光を若干発散又は集光させて対物レンズに入
射させることにより検出光の焦点位置１３３を熱レンズ
１３１からずらしたりしなければならず、手間が掛かる
という問題もある。
【００１８】本発明の目的は、高感度な測定ができる光
熱変換分光分析方法、及び該方法を実行する小型の光熱
変換分光分析装置を提供することにあり、さらには、測
定を行うたびに励起光及び検出光双方の焦点位置を調整
する必要がない光熱変換分光分析方法、及び該方法を実
施する小型の光熱変換分光分析装置を提供することにあ
る。
熱変換分光分析方法、及び該方法を実行する小型の光熱
変換分光分析装置を提供することにあり、さらには、測
定を行うたびに励起光及び検出光双方の焦点位置を調整
する必要がない光熱変換分光分析方法、及び該方法を実
施する小型の光熱変換分光分析装置を提供することにあ
る。
【００１９】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、請求項１記載の光熱変換分光分析方法は、集光レン
ズによって励起光と検出光とを試料に集光照射する集光
照射工程と、前記励起光の集光照射によって生成された
熱レンズを透過した検出光の偏向にともなう強度の変化
を測定する測定工程とを有する光熱変換分光分析方法に
おいて、前記励起光と前記検出光との周波数が異なり、
前記集光レンズは、励起光の焦点位置に対する検出光の
焦点位置のずれが、励起光の周波数における共焦点長の
２倍以上かつ３０倍以下であることを特徴とする。
に、請求項１記載の光熱変換分光分析方法は、集光レン
ズによって励起光と検出光とを試料に集光照射する集光
照射工程と、前記励起光の集光照射によって生成された
熱レンズを透過した検出光の偏向にともなう強度の変化
を測定する測定工程とを有する光熱変換分光分析方法に
おいて、前記励起光と前記検出光との周波数が異なり、
前記集光レンズは、励起光の焦点位置に対する検出光の
焦点位置のずれが、励起光の周波数における共焦点長の
２倍以上かつ３０倍以下であることを特徴とする。
【００２０】上記目的を達成するために、請求項２記載
の光熱変換分光分析方法は、集光レンズによって励起光
と検出光とを試料に集光照射する集光照射工程と、前記
励起光の集光照射によって生成された熱レンズを透過し
た検出光の偏向にともなう強度の変化を測定する測定工
程とを有する光熱変換分光分析方法において、前記励起
光と前記検出光との周波数が異なり、前記集光レンズ
は、励起光の焦点位置に対する検出光の焦点位置のずれ
が、励起光の周波数における共焦点長の２倍以上かつ２
５倍以下であることを特徴とする。
の光熱変換分光分析方法は、集光レンズによって励起光
と検出光とを試料に集光照射する集光照射工程と、前記
励起光の集光照射によって生成された熱レンズを透過し
た検出光の偏向にともなう強度の変化を測定する測定工
程とを有する光熱変換分光分析方法において、前記励起
光と前記検出光との周波数が異なり、前記集光レンズ
は、励起光の焦点位置に対する検出光の焦点位置のずれ
が、励起光の周波数における共焦点長の２倍以上かつ２
５倍以下であることを特徴とする。
【００２１】請求項３記載の光熱変換分光分析方法は、
請求項１又は２記載の光熱変換分光分析方法において、
前記集光レンズはロッドレンズであることを特徴とす
る。
請求項１又は２記載の光熱変換分光分析方法において、
前記集光レンズはロッドレンズであることを特徴とす
る。
【００２２】上記目的を達成するために、請求項４記載
の光熱変換分光分析装置は、集光レンズによって励起光
と検出光とを試料に集光照射し、前記励起光の集光照射
によって生成された熱レンズを透過した検出光の偏向に
ともなう強度の変化を測定する光熱変換分光分析装置に
おいて、前記励起光と前記検出光との周波数が異なり、
前記集光レンズは、励起光の焦点位置に対する検出光の
焦点位置のずれが、励起光の周波数における共焦点長の
２倍以上かつ３０倍以下であることを特徴とする。
の光熱変換分光分析装置は、集光レンズによって励起光
と検出光とを試料に集光照射し、前記励起光の集光照射
によって生成された熱レンズを透過した検出光の偏向に
ともなう強度の変化を測定する光熱変換分光分析装置に
おいて、前記励起光と前記検出光との周波数が異なり、
前記集光レンズは、励起光の焦点位置に対する検出光の
焦点位置のずれが、励起光の周波数における共焦点長の
２倍以上かつ３０倍以下であることを特徴とする。
【００２３】上記目的を達成するために、請求項５記載
の光熱変換分光分析装置は、集光レンズによって励起光
と検出光とを試料に集光照射し、前記励起光の集光照射
によって生成された熱レンズを透過した検出光の偏向に
ともなう強度の変化を測定する光熱変換分光分析装置に
おいて、前記励起光と前記検出光との周波数が異なり、
前記集光レンズは、励起光の焦点位置に対する検出光の
焦点位置のずれが、励起光の周波数における共焦点長の
２倍以上かつ２５倍以下であることを特徴とする。
の光熱変換分光分析装置は、集光レンズによって励起光
と検出光とを試料に集光照射し、前記励起光の集光照射
によって生成された熱レンズを透過した検出光の偏向に
ともなう強度の変化を測定する光熱変換分光分析装置に
おいて、前記励起光と前記検出光との周波数が異なり、
前記集光レンズは、励起光の焦点位置に対する検出光の
焦点位置のずれが、励起光の周波数における共焦点長の
２倍以上かつ２５倍以下であることを特徴とする。
【００２４】請求項６記載の光熱変換分光分析装置は、
請求項４又は５記載の光熱変換分光分析装置において、
前記集光レンズはロッドレンズであることを特徴とす
る。
請求項４又は５記載の光熱変換分光分析装置において、
前記集光レンズはロッドレンズであることを特徴とす
る。
【００２５】
【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態に係る
光熱変換分光分析方法及びその方法を実行する光熱変換
分光分析装置を図面を参照しながら詳細に説明する。
光熱変換分光分析方法及びその方法を実行する光熱変換
分光分析装置を図面を参照しながら詳細に説明する。
【００２６】図１は、本発明の実施の形態に係る光熱変
換分光分析装置の概略構成を示す模式図である。
換分光分析装置の概略構成を示す模式図である。
【００２７】図１において、励起光用光源１１１から出
射される励起光の光路上で励起光用光源１１１の近傍に
は、励起光を変調して熱レンズ信号のＳ／Ｎ比を向上さ
せるためのチョッパー１１２が配置されている。変調さ
れた励起光はミラー１１４によって進行方向を変えられ
た後に、ダイクロイックミラー１１３を通過する。この
ダイクロイックミラー１１３には検出光用光源１２０か
らの検出光が入射する。ダイクロイックミラー１１３に
よって励起光と検出光とが同軸になり、適切な色収差を
有するレンズ１０に導かれる。レンズ１０は、３軸に調
整可能な保持具１５によって保持されている。本実施の
形態においては、レンズ１０は屈折率分布型のロッドレ
ンズである。なお、レンズ１０は所定の色収差を有する
ものならば屈折率分布型のロッドレンズに限られるもの
ではない。
射される励起光の光路上で励起光用光源１１１の近傍に
は、励起光を変調して熱レンズ信号のＳ／Ｎ比を向上さ
せるためのチョッパー１１２が配置されている。変調さ
れた励起光はミラー１１４によって進行方向を変えられ
た後に、ダイクロイックミラー１１３を通過する。この
ダイクロイックミラー１１３には検出光用光源１２０か
らの検出光が入射する。ダイクロイックミラー１１３に
よって励起光と検出光とが同軸になり、適切な色収差を
有するレンズ１０に導かれる。レンズ１０は、３軸に調
整可能な保持具１５によって保持されている。本実施の
形態においては、レンズ１０は屈折率分布型のロッドレ
ンズである。なお、レンズ１０は所定の色収差を有する
ものならば屈折率分布型のロッドレンズに限られるもの
ではない。
【００２８】このロッドレンズ１０は、中心から周辺に
向かって屈折率が連続的に変化する、例えばガラス又は
プラスチック製の円柱状透明体から成る（例えば、特公
昭６３−６３５０２号公報）。
向かって屈折率が連続的に変化する、例えばガラス又は
プラスチック製の円柱状透明体から成る（例えば、特公
昭６３−６３５０２号公報）。
【００２９】ロッドレンズ１０は、中心から周辺に向か
って屈折率が連続的に変化しており、中心軸から半径方
向でｒの距離の位置における屈折率ｎ（ｒ）が、軸上屈
折率をｎ0、２乗分布定数をｇとして、近似的にｒに関
する２次方程式 ｎ（ｒ）＝ｎ0｛１−（ｇ2／２）・ｒ2｝ で表される集束性光伝送体として知られている。
って屈折率が連続的に変化しており、中心軸から半径方
向でｒの距離の位置における屈折率ｎ（ｒ）が、軸上屈
折率をｎ0、２乗分布定数をｇとして、近似的にｒに関
する２次方程式 ｎ（ｒ）＝ｎ0｛１−（ｇ2／２）・ｒ2｝ で表される集束性光伝送体として知られている。
【００３０】ロッドレンズ１０は、その長さｚ0を０＜
ｚ0＜π／２ｇの範囲内で選ぶとき、その結像特性は、
両端面が平坦でありながら通常の凸レンズと同じであ
り、平行入射光線によって出射端より、 ｓ0＝ｃｏｔ（ｇｚ0）／ｎ0ｇ の位置に焦点が作られる。
ｚ0＜π／２ｇの範囲内で選ぶとき、その結像特性は、
両端面が平坦でありながら通常の凸レンズと同じであ
り、平行入射光線によって出射端より、 ｓ0＝ｃｏｔ（ｇｚ0）／ｎ0ｇ の位置に焦点が作られる。
【００３１】また、ロッドレンズ１０は、例えば、以下
の方法で製造される。
の方法で製造される。
【００３２】即ち、モル百分率でＳｉＯ2：５７〜６３
％、Ｂ2Ｏ3：１７〜２３％、Ｎａ2Ｏ：５〜１７％、Ｔ
ｌ2Ｏ：３〜１５％を主成分とするガラスでロッドを成
形した後、このガラスロッドを硝酸カリウム塩等のイオ
ン交換媒体中で処理してガラス中のタリウムイオン及び
ナトリウムイオンと媒体中のカリウムイオンとのイオン
交換を行ってガラスロッド内に中心から周辺に向けて連
続的に低減する屈折率分布を与える。
％、Ｂ2Ｏ3：１７〜２３％、Ｎａ2Ｏ：５〜１７％、Ｔ
ｌ2Ｏ：３〜１５％を主成分とするガラスでロッドを成
形した後、このガラスロッドを硝酸カリウム塩等のイオ
ン交換媒体中で処理してガラス中のタリウムイオン及び
ナトリウムイオンと媒体中のカリウムイオンとのイオン
交換を行ってガラスロッド内に中心から周辺に向けて連
続的に低減する屈折率分布を与える。
【００３３】ロッドレンズ１０は円柱状であるので、保
持具１５による保持が容易である。ロッドレンズ１０の
端面がロッドレンズ１０の光軸に対して垂直平面である
ので、励起光及び検出光双方の光軸をロッドレンズ１０
の光軸に容易に合わせることができる。さらに、このロ
ッドレンズ１０は、顕微鏡用対物レンズと比較してかな
り小さいので、装置全体を小型化できる。
持具１５による保持が容易である。ロッドレンズ１０の
端面がロッドレンズ１０の光軸に対して垂直平面である
ので、励起光及び検出光双方の光軸をロッドレンズ１０
の光軸に容易に合わせることができる。さらに、このロ
ッドレンズ１０は、顕微鏡用対物レンズと比較してかな
り小さいので、装置全体を小型化できる。
【００３４】ロッドレンズ１０の下方には、検出するた
めの試料を流す流路付き板状部材２０がＸ−Ｙ試料ステ
ージ１２５上に配設されている。
めの試料を流す流路付き板状部材２０がＸ−Ｙ試料ステ
ージ１２５上に配設されている。
【００３５】流路付き板状部材２０は、３層に重ねられ
ると共に互いに接着されたガラス基板２０１，２０２，
２０３から成り、混合、攪拌、合成、分離、抽出、検出
等に用いられる流路２０４が形成されている。
ると共に互いに接着されたガラス基板２０１，２０２，
２０３から成り、混合、攪拌、合成、分離、抽出、検出
等に用いられる流路２０４が形成されている。
【００３６】この流路付き板状部材２０の材料は耐久
性、耐薬品性の面からガラスが望ましく、細胞等の生体
試料、例えばＤＮＡ解析用としての用途を考慮すると、
耐酸性、耐アルカリ性の高いガラス、具体的には、硼珪
酸ガラス、ソーダライムガラス、アルミノ硼珪酸ガラ
ス、石英ガラス等が好ましい。しかし、用途を限定する
ことによってプラスチック等の有機物を用いることがで
きる。ロッドレンズ１０の励起光の焦点位置は、流路付
き板状部材２０の流路２０４の中に位置する必要があ
る。しかし、ロッドレンズ１０は流路付き板状部材２０
に接触している必要はなく、接触させる場合は板状部材
２０の上部ガラス板２０１の厚みでロッドレンズ１０の
焦点距離を調整できる。上部ガラス板２０１の厚みが足
りない場合は、ロッドレンズ１０と上部ガラス板２０１
との間に焦点距離を調整するためのスペーサーを入れて
もよい。これらの場合は、焦点距離の調整も不要になる
ので、装置をさらに小型化できる。
性、耐薬品性の面からガラスが望ましく、細胞等の生体
試料、例えばＤＮＡ解析用としての用途を考慮すると、
耐酸性、耐アルカリ性の高いガラス、具体的には、硼珪
酸ガラス、ソーダライムガラス、アルミノ硼珪酸ガラ
ス、石英ガラス等が好ましい。しかし、用途を限定する
ことによってプラスチック等の有機物を用いることがで
きる。ロッドレンズ１０の励起光の焦点位置は、流路付
き板状部材２０の流路２０４の中に位置する必要があ
る。しかし、ロッドレンズ１０は流路付き板状部材２０
に接触している必要はなく、接触させる場合は板状部材
２０の上部ガラス板２０１の厚みでロッドレンズ１０の
焦点距離を調整できる。上部ガラス板２０１の厚みが足
りない場合は、ロッドレンズ１０と上部ガラス板２０１
との間に焦点距離を調整するためのスペーサーを入れて
もよい。これらの場合は、焦点距離の調整も不要になる
ので、装置をさらに小型化できる。
【００３７】励起光の焦点位置と検出光の焦点位置との
ずれ（ΔＬ）がどの程度であればよいかについて説明す
る。測定対象物が非常に薄い薄膜の場合には、励起光を
集光照射するのに用いた対物レンズの共焦点長の√３倍
が最適であるという結果が得られている（Analyst, Aug
ust 1995, Vol.120,2053）。共焦点長（Ｉｃ：ｎｍ）
は、Ｉｃ＝π・（ｄ／２）2／λ1で計算される。ここ
で、ｄはｄ＝１．２２×λ 1／ＮＡで計算されるエアリ
ーディスクであり、λ1は励起光の波長（ｎｍ）、ＮＡ
は用いられた対物レンズの開口数である。このΔＬの値
は、励起光の焦点位置と検出光の焦点位置との差を表わ
しているので、検出光の焦点距離が励起光の焦点距離よ
りも長い場合も短い場合も同じ結果になる。
ずれ（ΔＬ）がどの程度であればよいかについて説明す
る。測定対象物が非常に薄い薄膜の場合には、励起光を
集光照射するのに用いた対物レンズの共焦点長の√３倍
が最適であるという結果が得られている（Analyst, Aug
ust 1995, Vol.120,2053）。共焦点長（Ｉｃ：ｎｍ）
は、Ｉｃ＝π・（ｄ／２）2／λ1で計算される。ここ
で、ｄはｄ＝１．２２×λ 1／ＮＡで計算されるエアリ
ーディスクであり、λ1は励起光の波長（ｎｍ）、ＮＡ
は用いられた対物レンズの開口数である。このΔＬの値
は、励起光の焦点位置と検出光の焦点位置との差を表わ
しているので、検出光の焦点距離が励起光の焦点距離よ
りも長い場合も短い場合も同じ結果になる。
【００３８】しかしながら、上記ΔＬの最適値は励起光
と検出光とが同一の周波数であり、試料が対物レンズの
共焦点長に対して厚くない場合に得られたものである。
と検出光とが同一の周波数であり、試料が対物レンズの
共焦点長に対して厚くない場合に得られたものである。
【００３９】現在、化学反応を微小空間で行うための集
積化技術が、化学反応の高速性や微少量での反応、オン
サイト分析等の観点から注目され、世界的に精力的に研
究が進められている。
積化技術が、化学反応の高速性や微少量での反応、オン
サイト分析等の観点から注目され、世界的に精力的に研
究が進められている。
【００４０】上記の集積化技術の１つとして、小さなガ
ラス基板等に作製した微細な流路の中で試料の混合、反
応、分離、抽出、検出の全てを行うことを目指したもの
がある。これらは、分離だけを目的としたような単一の
機能のみで用いられてもよく、また、複合して用いられ
てもよい。
ラス基板等に作製した微細な流路の中で試料の混合、反
応、分離、抽出、検出の全てを行うことを目指したもの
がある。これらは、分離だけを目的としたような単一の
機能のみで用いられてもよく、また、複合して用いられ
てもよい。
【００４１】分離のみを目的としたものとして、極微量
のタンパクや核酸等を分析する電気泳動装置が提案され
ている。これは互いに接合された２枚のガラス基板から
なる流路付き板状部材を備えている（例えば、特開平８
−１７８８９７号公報）。
のタンパクや核酸等を分析する電気泳動装置が提案され
ている。これは互いに接合された２枚のガラス基板から
なる流路付き板状部材を備えている（例えば、特開平８
−１７８８９７号公報）。
【００４２】これらに用いられる板状部材に作製された
流路は、溶液を液体の特性を維持して流す必要があるこ
とから、深さは通常５０〜１００μｍ程度である。この
流路を測定対象物が流れている状態で光熱変換分光分析
を実施することは、測定対象の厚みが励起光の共焦点長
に対して非常に厚いことを意味する。例えば、波長５３
２ｎｍの励起光をＮＡ（開口数）０．４の対物レンズで
集光した場合の共焦点長は、３．９μｍであるが、流路
の厚みはその１０倍以上あることになる。このように測
定対象物が共焦点長に対して厚い場合は、前記の薄膜の
場合と比較すると、熱レンズを形成する薄膜が厚み方向
に数多く積層した状態と同じになり、最終的にはその積
分値になるので、薄膜の場合よりも励起光と検出光との
焦点位置のずれの最適値は大きなものとなることが予想
される。但し、励起光と検出光との焦点位置のずれがあ
まりに大きくなると、励起光によって生成される熱レン
ズを透過する検出光の量が少なくなりすぎて検出感度が
低下するので、光熱変換分光分析方法に使用する対物レ
ンズが有する色収差、すなわち、励起光の焦点位置と検
出光の焦点位置との差（ΔＬ）は、励起光の共焦点長の
２倍〜３０倍までが望ましく、より望ましくは２倍〜２
５倍である。より一層望ましいのは３倍〜２５倍であ
る。
流路は、溶液を液体の特性を維持して流す必要があるこ
とから、深さは通常５０〜１００μｍ程度である。この
流路を測定対象物が流れている状態で光熱変換分光分析
を実施することは、測定対象の厚みが励起光の共焦点長
に対して非常に厚いことを意味する。例えば、波長５３
２ｎｍの励起光をＮＡ（開口数）０．４の対物レンズで
集光した場合の共焦点長は、３．９μｍであるが、流路
の厚みはその１０倍以上あることになる。このように測
定対象物が共焦点長に対して厚い場合は、前記の薄膜の
場合と比較すると、熱レンズを形成する薄膜が厚み方向
に数多く積層した状態と同じになり、最終的にはその積
分値になるので、薄膜の場合よりも励起光と検出光との
焦点位置のずれの最適値は大きなものとなることが予想
される。但し、励起光と検出光との焦点位置のずれがあ
まりに大きくなると、励起光によって生成される熱レン
ズを透過する検出光の量が少なくなりすぎて検出感度が
低下するので、光熱変換分光分析方法に使用する対物レ
ンズが有する色収差、すなわち、励起光の焦点位置と検
出光の焦点位置との差（ΔＬ）は、励起光の共焦点長の
２倍〜３０倍までが望ましく、より望ましくは２倍〜２
５倍である。より一層望ましいのは３倍〜２５倍であ
る。
【００４３】光熱変換分光分析方法に用いる励起光強度
が小さい場合、測定対象物の濃度が低い場合等は、励起
光の焦点位置から離れた部分にできる熱レンズの度数が
小さくなるため、測定対象物の厚み全体を積分した熱レ
ンズ効果が小さくなることが予想される。このような場
合は、ΔＬを上記の値よりも小さくすることが望まし
い。よって、ΔＬは２倍〜２５倍が望ましく、より望ま
しいのは３倍〜２５倍であり、さらに望ましいのは３倍
〜２０倍である。
が小さい場合、測定対象物の濃度が低い場合等は、励起
光の焦点位置から離れた部分にできる熱レンズの度数が
小さくなるため、測定対象物の厚み全体を積分した熱レ
ンズ効果が小さくなることが予想される。このような場
合は、ΔＬを上記の値よりも小さくすることが望まし
い。よって、ΔＬは２倍〜２５倍が望ましく、より望ま
しいのは３倍〜２５倍であり、さらに望ましいのは３倍
〜２０倍である。
【００４４】屈折率分布型のロッドレンズを使用してど
の程度の色収差が得られるかを例示する。用いる屈折率
分布型ロッドレンズには、日本板硝子株式会社のＳＥＬ
ＦＯＣレンズカタログに記載されているＳＬＨレンズを
用いる。このカタログには直径１．８ｍｍでの特性が記
載されているので、それを直径１ｍｍに換算して使用す
る。
の程度の色収差が得られるかを例示する。用いる屈折率
分布型ロッドレンズには、日本板硝子株式会社のＳＥＬ
ＦＯＣレンズカタログに記載されているＳＬＨレンズを
用いる。このカタログには直径１．８ｍｍでの特性が記
載されているので、それを直径１ｍｍに換算して使用す
る。
【００４５】流路付き板状部材の材質がパイレックス
（登録商標）ガラス、流路上の厚み（上部ガラス２０１
の厚み）が０．１８ｍｍ、流路の深さ０．１ｍｍ、屈折
率分布ロッドレンズＳＬＨの直径１ｍｍ、実際にレンズ
中を光が透過する有効径０．７ｍｍ、ロッド長１．７ｍ
ｍ、励起光波長４８８ｎｍ、検出光波長６３３ｎｍ、励
起光の焦点位置が流路の真中とした場合に得られる励起
光と検出光との焦点位置差（ΔＬ）は４５μｍである。
このときの焦点位置でのＮＡは０．４６で、励起光での
共焦点長は２．７μｍである（ΔＬは共焦点長の１７
倍）。
（登録商標）ガラス、流路上の厚み（上部ガラス２０１
の厚み）が０．１８ｍｍ、流路の深さ０．１ｍｍ、屈折
率分布ロッドレンズＳＬＨの直径１ｍｍ、実際にレンズ
中を光が透過する有効径０．７ｍｍ、ロッド長１．７ｍ
ｍ、励起光波長４８８ｎｍ、検出光波長６３３ｎｍ、励
起光の焦点位置が流路の真中とした場合に得られる励起
光と検出光との焦点位置差（ΔＬ）は４５μｍである。
このときの焦点位置でのＮＡは０．４６で、励起光での
共焦点長は２．７μｍである（ΔＬは共焦点長の１７
倍）。
【００４６】図２に、ΔＬと光熱変換分光分析方法での
信号強度の関係の一例を示す。これは、下記の条件で測
定した場合のものである。
信号強度の関係の一例を示す。これは、下記の条件で測
定した場合のものである。
【００４７】対物レンズとして色収差のないＮＡ０．４
の顕微鏡対物レンズを用い、励起光はそのまま対物レン
ズに導き、検出光は対物レンズに入射する以前に発散又
は集光させることによって焦点位置を変化させている。
試料にはサンセットイエローを１０-4モルの濃度で溶解
した水溶液を０．１ｍｍ厚みの溝に入れたものを使用
し、励起光の波長は５３２ｎｍ、検出光の波長は６３３
ｎｍである。励起光の焦点位置を溝の中心に固定し、検
出光の焦点位置をその位置から光軸方向にずらしながら
光熱変換分光分析方法で得られる信号強度を測定してプ
ロットした。
の顕微鏡対物レンズを用い、励起光はそのまま対物レン
ズに導き、検出光は対物レンズに入射する以前に発散又
は集光させることによって焦点位置を変化させている。
試料にはサンセットイエローを１０-4モルの濃度で溶解
した水溶液を０．１ｍｍ厚みの溝に入れたものを使用
し、励起光の波長は５３２ｎｍ、検出光の波長は６３３
ｎｍである。励起光の焦点位置を溝の中心に固定し、検
出光の焦点位置をその位置から光軸方向にずらしながら
光熱変換分光分析方法で得られる信号強度を測定してプ
ロットした。
【００４８】図２においては、信号強度が最高になるの
はΔＬが約６０μｍとなった場合で、これは励起光にお
ける共焦点長の約１５倍である（励起光に対する共焦点
長３．９μｍ）。得られた信号強度が最高強度の１／２
以上となる領域は、ΔＬが励起光における共焦点長の４
倍から２７倍までであった。
はΔＬが約６０μｍとなった場合で、これは励起光にお
ける共焦点長の約１５倍である（励起光に対する共焦点
長３．９μｍ）。得られた信号強度が最高強度の１／２
以上となる領域は、ΔＬが励起光における共焦点長の４
倍から２７倍までであった。
【００４９】上述の流路付き板状部材２０の流路２０４
に面する位置であって、図１に示したロッドレンズ１０
に対向する位置には、励起光と検出光とを分離し、検出
光のみを選択的に透過させる波長フィルタ１１６及び該
波長フィルタ１１６を透過した検出光を検出する光電変
換器１１７が配置されている。光電変換器１１７の手前
には、検出光の一部のみを透過させるためのピンホール
を挿入してもよい。光電変換器１１７によって得られ、
プリアンプ１２１によって増幅された信号は、チョッパ
ー１１２と同期させるために、ロックインアンプ１２２
に送られ、その後、コンピュータ１２３で解析される。
に面する位置であって、図１に示したロッドレンズ１０
に対向する位置には、励起光と検出光とを分離し、検出
光のみを選択的に透過させる波長フィルタ１１６及び該
波長フィルタ１１６を透過した検出光を検出する光電変
換器１１７が配置されている。光電変換器１１７の手前
には、検出光の一部のみを透過させるためのピンホール
を挿入してもよい。光電変換器１１７によって得られ、
プリアンプ１２１によって増幅された信号は、チョッパ
ー１１２と同期させるために、ロックインアンプ１２２
に送られ、その後、コンピュータ１２３で解析される。
【００５０】本発明の実施の形態によれば、ロッドレン
ズ１０は、用いる励起光及び検出光の波長並びに測定に
用いる流路付き板状部材２０内の流路２０４のディメン
ジョン他に適した色収差量を有しているため、高感度の
測定ができると共に、外部に励起光又は検出光の焦点位
置を調整するための光学系を設置する必要がなくなるこ
とによって装置を小型化できる。
ズ１０は、用いる励起光及び検出光の波長並びに測定に
用いる流路付き板状部材２０内の流路２０４のディメン
ジョン他に適した色収差量を有しているため、高感度の
測定ができると共に、外部に励起光又は検出光の焦点位
置を調整するための光学系を設置する必要がなくなるこ
とによって装置を小型化できる。
【００５１】
【発明の効果】以上詳細に説明したように、請求項１記
載の光熱変換分光分析方法、及び請求項４記載の光熱変
換分光分析装置によれば、励起光と検出光との周波数が
異なり、集光レンズは、励起光の焦点位置に対する検出
光の焦点位置のずれが、励起光の周波数における共焦点
長の２倍以上かつ３０倍以下であるので、十分な信号強
度がえられ、この結果、高感度な測定ができる。
載の光熱変換分光分析方法、及び請求項４記載の光熱変
換分光分析装置によれば、励起光と検出光との周波数が
異なり、集光レンズは、励起光の焦点位置に対する検出
光の焦点位置のずれが、励起光の周波数における共焦点
長の２倍以上かつ３０倍以下であるので、十分な信号強
度がえられ、この結果、高感度な測定ができる。
【００５２】請求項２記載の光熱変換分光分析方法、及
び請求項５記載の光熱変換分光分析装置によれば、励起
光と検出光との周波数が異なり、集光レンズは、励起光
の焦点位置に対する検出光の焦点位置のずれが、励起光
の周波数における共焦点長の２倍以上かつ２５倍以下で
あるので、信号強度はより大きく、この結果、より高感
度な測定ができる。
び請求項５記載の光熱変換分光分析装置によれば、励起
光と検出光との周波数が異なり、集光レンズは、励起光
の焦点位置に対する検出光の焦点位置のずれが、励起光
の周波数における共焦点長の２倍以上かつ２５倍以下で
あるので、信号強度はより大きく、この結果、より高感
度な測定ができる。
【００５３】請求項３記載の光熱変換分光分析方法及び
請求項６の光熱変換分光分析装置によれば、集光レンズ
はロッドレンズであるので、励起光及び検出光の焦点位
置の調整をするための光学系を省略でき、また、これに
よって装置の小型化ができることとなる。
請求項６の光熱変換分光分析装置によれば、集光レンズ
はロッドレンズであるので、励起光及び検出光の焦点位
置の調整をするための光学系を省略でき、また、これに
よって装置の小型化ができることとなる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態に係る光熱変換分光分析装
置の概略構成を示す模式図である。
置の概略構成を示す模式図である。
【図２】ΔＬと光熱変換分光分析方法での信号強度の関
係の一例を示す図である。
係の一例を示す図である。
【図３】熱レンズの原理の説明図である。
【図４】検出光の光軸方向（Ｚ方向）に関する熱レンズ
の形成位置と検出光の焦点位置との説明図であり、
（ａ）は対物レンズが色収差をもつ場合を示し、（ｂ）
は対物レンズが色収差をもたない場合を示す。
の形成位置と検出光の焦点位置との説明図であり、
（ａ）は対物レンズが色収差をもつ場合を示し、（ｂ）
は対物レンズが色収差をもたない場合を示す。
【図５】光の光軸方向（Ｚ方向）に関する熱レンズの形
成位置と検出光の焦点位置の説明図であり、（ａ）は、
熱レンズが検出光の焦点位置に関してレンズ側に形成さ
れた場合、（ｂ）は、熱レンズが検出光の焦点位置に関
してレンズの反対側に形成された場合を示す。
成位置と検出光の焦点位置の説明図であり、（ａ）は、
熱レンズが検出光の焦点位置に関してレンズ側に形成さ
れた場合、（ｂ）は、熱レンズが検出光の焦点位置に関
してレンズの反対側に形成された場合を示す。
【図６】従来の光熱変換分光分析装置における熱レンズ
の屈折率の変化を検出する方法の説明図である。
の屈折率の変化を検出する方法の説明図である。
１０ ロッドレンズ ２０ 流路付き板状部材 １１１ 励起光用光源 １１２ チョッパー １１３ ダイクロイックミラー １１６ 波長フィルタ １１７ 光電変換器 １２０ 検出光用光源 １２１ プリアンプ １２２ ロックインアンプ １２３ コンピューター ２０１，２０２，２０３ ガラス基板 ２０４ 流路
フロントページの続き (72)発明者 服部 明彦 大阪府大阪市中央区北浜４丁目７番28号 日本板硝子株式会社内 (72)発明者 北森 武彦 東京都文京区本郷２丁目32番地２−304 (72)発明者 渡慶次 学 神奈川県川崎市高津区坂戸３−２−１ Ｆターム(参考） 2G040 AA02 AB07 AB08 BA24 CA12 CA23 EA06 EA11 EB02 EC04
Claims (6)
- 【請求項１】 集光レンズによって励起光と検出光とを
試料に集光照射する集光照射工程と、前記励起光の集光
照射によって生成された熱レンズを透過した検出光の偏
向にともなう強度の変化を測定する測定工程とを有する
光熱変換分光分析方法において、前記励起光と前記検出
光との周波数が異なり、前記集光レンズは、励起光の焦
点位置に対する検出光の焦点位置のずれが、励起光の周
波数における共焦点長の２倍以上かつ３０倍以下である
ことを特徴とする光熱変換分光分析方法。 - 【請求項２】 集光レンズによって励起光と検出光とを
試料に集光照射する集光照射工程と、前記励起光の集光
照射によって生成された熱レンズを透過した検出光の偏
向にともなう強度の変化を測定する測定工程とを有する
光熱変換分光分析方法において、前記励起光と前記検出
光との周波数が異なり、前記集光レンズは、励起光の焦
点位置に対する検出光の焦点位置のずれが、励起光の周
波数における共焦点長の２倍以上かつ２５倍以下である
ことを特徴とする光熱変換分光分析方法。 - 【請求項３】 前記集光レンズはロッドレンズであるこ
とを特徴とする請求項１又は２記載の光熱変換分光分析
方法。 - 【請求項４】 集光レンズによって励起光と検出光とを
試料に集光照射し、前記励起光の集光照射によって生成
された熱レンズを透過した検出光の偏向にともなう強度
の変化を測定する光熱変換分光分析装置において、前記
励起光と前記検出光との周波数が異なり、前記集光レン
ズは、励起光の焦点位置に対する検出光の焦点位置のず
れが、励起光の周波数における共焦点長の２倍以上かつ
３０倍以下であることを特徴とする光熱変換分光分析装
置。 - 【請求項５】 集光レンズによって励起光と検出光とを
試料に集光照射し、前記励起光の集光照射によって生成
された熱レンズを透過した検出光の偏向にともなう強度
の変化を測定する光熱変換分光分析装置において、前記
励起光と前記検出光との周波数が異なり、前記集光レン
ズは、励起光の焦点位置に対する検出光の焦点位置のず
れが、励起光の周波数における共焦点長の２倍以上かつ
２５倍以下であることを特徴とする光熱変換分光分析装
置。 - 【請求項６】 前記集光レンズはロッドレンズであるこ
とを特徴とする請求項４又は５記載の光熱変換分光分析
装置。
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