JP2004286577A - Spectrum analyzer for hot lens - Google Patents
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Abstract
Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、小型且つ試料の高精度な分析が可能である熱レンズ分光分析装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
医療診断に必要な測定を患者近傍で行うベッドサイド診断用の分析(POC(point of care )分析)や、河川や廃棄物中の有害物質の分析を河川や廃棄物処理場等の現場で行うことや、食品の調理,収穫,輸入の各現場における汚染検査等の、分析・測定が必要とされる現場もしくは現場の近傍で分析・測定を行うこと(以下、「POC分析等」と総称する)の重要性が注目されている。そして、近年、このようなPOC分析等に適用される検出法や検出装置の開発が重要視されつつある。
【0003】
このようなPOC分析等に適用される検出法や検出装置においては、低コストで分析が行われることと装置が小型であることが要求される。また、医療診断や環境分析においては、国が定める基準値との比較を精度良く行うために、一般的に高感度且つ高精度な分析が行われることが求められる。さらに、分析作業者に検体由来の感染が生じたり、検体間の汚染が発生したりすることを防ぐため、試料を収納する試料セルは使用される毎に使い捨てされることが重要である。そのため、低コストな試料セルとして樹脂製の試料セルが用いられている例もある(特開平12−2675号公報)。
【0004】
また、最近では、10cmから数cm角程度以下のガラスやシリコン製の平板状チップの表面に数十μmから数百μmの溝を刻み、この溝の中で必要な反応,分離,検出をすべて短時間に行うμ−TAS(micro total analysis system) の研究が盛んに行われている(例えば、特開平2−245655号公報)。このμ−TASにおいては、前記溝を有するチップが試料セルとなる。
【0005】
μ−TASを採用することにより、検体量、検出に必要な試薬量、検出に用いる消耗品等の廃棄物、廃液の量がいずれも少なくなる上、検出に必要な時間もおおむね短時間であるという利点があり、このようなμ−TASはPOC分析等に適している。また、低コストで使い捨てのチップの開発を目的として、樹脂でチップを作成する方法(R. M. Mccormick et al., Anal. Chem. Vol.69, 2626−2630, 1997 、特開平2−259557号公報、及び特許第2639087号公報)も提案されている。
【0006】
しかしながら、μ−TASにおいては光路長が数十μmから数百μmと通常の条件と比べて10分の1から100分の1であるため、測定対象物を吸光光度法で検出しようとすると感度不足となるという問題がある。また、μ−TAS以外においても、検体量や試料量を少量とする場合には、それに伴って光路長も短くなるので、前述と同様に感度不足となる。
【0007】
一方、溶液中の色素等の物質が光を吸収して、その緩和過程で発生する熱量を測定する光熱変換分光分析法は、高感度な濃度測定法として知られている。特に、発生した熱により生じた温度分布による屈折率分布を利用する熱レンズ分光分析法は、透過光量を測定する吸光光度法と比較して、100倍以上高感度であることが知られている(例えば、Manabu Tokeshi et al.,J. Lumin. Vol.83−84, 261−264, 1999)。
【0008】
熱レンズ分光分析法においても光路長が短くなると感度は低下するが、ビーム径を0.2〜50μmと従来に比べ約4分の1以下にすることによって、温度勾配が大きくなり、感度が向上することが知られている(Takehiko Kitamori et al., Anal. Sci.Vol.17, s454−s457, 2001 、及び国際公開WO01/55706号公報)。
【0009】
【特許文献1】
特開平12−2675号公報
【特許文献2】
特開平2−245655号公報
【特許文献3】
特開平2−259557号公報
【特許文献4】
特許第2639087号公報
【特許文献5】
国際公開WO01/55706号公報
【非特許文献1】
R. M. Mccormick et al., Anal. Chem. Vol.69, 2626−2630, 1997
【非特許文献2】
Manabu Tokeshi et al.,J. Lumin. Vol.83−84, 261−264, 1999
【非特許文献3】
Takehiko Kitamori et al., Anal. Sci.Vol.17, s454−s457, 2001
【0010】
【発明が解決しようとする課題】
従来、国際公開WO01/55706号公報のようにビーム径が小さいと(0.2〜50μm)、集光レンズの焦点距離も短くなり、光の発散角が大きくなる。そのため、試料セルを透過した光を一旦レンズで平行光に近い状態にして、絞りに導く必要がある。よって、平行光化のためのレンズが必要となるため、系が複雑になるという問題があった。
【0011】
また、分析を終えた試料セルを分析装置から取り外して新しい試料セルを設置すると、通常は、プローブ光の光軸に対する試料セルの傾きが±0.5〜1.0°程度発生する。光軸に対する試料セルの傾きが生じると、前述のような僅かな傾きであっても、熱レンズ信号値は5〜20%変化して誤差を生じる。通常1%以下の精度が要求される医療診断,環境分析などのPOC分析等においては、このような誤差は許容できないレベルである。
【0012】
この傾きを補正するために、光を利用した傾きセンサーを導入することも有効であるが、新たな専用の光学系が必要となる、試料セルに反射膜を設ける必要があるなど、系が複雑になるという欠点があった。
そこで、本発明は前述のような従来の熱レンズ分光分析装置が有する問題点を解決し、小型且つ試料の高精度な分析が可能である熱レンズ分光分析装置を提供することを課題とする。
【0013】
【課題を解決するための手段】
前記課題を解決するため、本発明は次のような構成からなる。すなわち、本発明に係る請求項1の熱レンズ分光分析装置は、励起光の入射によって試料に生じた熱レンズにプローブ光を入射し、その際の前記プローブ光の前記熱レンズによる変化に基づいて前記試料の分析を行う熱レンズ分光分析装置であって、前記試料に入射される前記励起光及び前記熱レンズに入射される前記プローブ光をビーム径0.2〜50μmに集光する集光レンズと、前記試料を収納する試料セルと、前記熱レンズ及び前記試料セルを透過した前記プローブ光を受光し前記プローブ光を検出する検出手段に導く光ファイバと、を備えることを特徴とする。
【0014】
このような構成であれば、プローブ光の光軸に対する試料セルの傾きが±1.0°程度生じても、該傾きに由来する熱レンズ信号値の誤差が1%以下に抑制される。プローブ光のビーム径が0.2〜50μmの範囲である場合には、従来はレンズで受光して検出手段へ導く必要があったが、本発明によれば、このような場合にも傾きに由来する熱レンズ信号値の誤差を著しく改善することが可能である。
【0015】
なお、試料セルの傾きとは、試料セルとプローブ光の光軸とのなす角度である。さらに詳述すれば、試料セルの表面うちプローブ光が入射し透過する位置の面と、プローブ光の光軸と、のなす角度である。
また、プローブ光を受光して検出手段へ導く受光部光学系に光ファイバを採用したので、受光部光学系が小型となり、その結果、熱レンズ分光分析装置が小型となる。
【0016】
また、本発明に係る請求項2の熱レンズ分光分析装置は、請求項1に記載の熱レンズ分光分析装置において、前記励起光の光源を半導体レーザー発光手段で構成し、前記プローブ光の光源を別の半導体レーザー発光手段で構成したことを特徴とする。
このような構成であれば、両光源から集光レンズまでの集光レンズ光学系が小型化される。そして、集光レンズ光学系が小型であるとともに、前述のように光ファイバを用いることにより受光部光学系も小型であるので、POC分析等に要求される持ち運び可能な程度に熱レンズ分光分析装置を小型化することが可能である。
【0017】
さらに、本発明に係る請求項3の熱レンズ分光分析装置は、請求項1又は請求項2に記載の熱レンズ分光分析装置において、前記光ファイバのコア径を500〜2000μmとしたことを特徴とする。このような構成であれば、熱レンズ分光分析の感度が優れている。
さらに、本発明に係る請求項4の熱レンズ分光分析装置は、請求項1〜3のいずれかに記載の熱レンズ分光分析装置において、前記試料セルを樹脂で構成したことを特徴とする。
このような構成であれば、ガラス製の場合と比べて樹脂製の試料セルに特有な反りなどにより傾きが生じたとしても、熱レンズ信号の誤差を著しく抑えることが可能である。
【0018】
【発明の実施の形態】
本発明に係る熱レンズ分光分析装置の実施の形態を、図面を参照しながら詳細に説明する。
図1は、本発明の一実施形態である熱レンズ分光分析装置の構成を説明する構成図である。なお、本実施形態は本発明の一例を示したものであって、本発明は本実施形態に限定されるものではない。
【0019】
図1の熱レンズ分光分析装置は、励起光Eの光源であるレーザー発光手段1と、プローブ光Pの光源であるレーザー発光手段2と、励起光E及びプローブ光Pをビーム径0.2〜50μmに集光する1つの集光レンズ5と、試料溶液Sを収納する試料セル6と、プローブ光Pを受光する光ファイバ8と、プローブ光Pを検出する検出手段9と、を備えている。なお、2つの集光レンズを設けて、励起光Eとプローブ光Pとをそれぞれ別の集光レンズで集光する構成とすることもできる。
【0020】
このような熱レンズ分光分析装置においては、励起光Eがレーザー発光手段1から出力されるとともに、プローブ光Pがレーザー発光手段2から出力され、プローブ光Pが反射板3で反射されてビームスプリッタ4に入射される。そして、ビームスプリッタ4において励起光Eとプローブ光Pとが同軸とされ、集光レンズ5に導かれる。
【0021】
この集光レンズ5によってビーム径を0.2〜50μmとされた励起光Eは、試料溶液Sに集光され、これにより図示しない熱レンズが形成される。そして、集光レンズ5によってビーム径を0.2〜50μmとされたプローブ光Pは、前記熱レンズに集光され、熱レンズ効果により発散又は集光される。
試料セル6を透過した励起光E及びプローブ光Pは、励起光カットフィルタ7により励起光Eのみが除去され、熱レンズを透過したプローブ光Pのみが光ファイバ8に受光される。そして、プローブ光Pは、光ファイバ8により検出手段9に導かれて、その発散度又は集光度が測定される。
【0022】
試料セル6に試料溶液Sが収納されている場合と収納されていない場合とにおいて、それぞれ測定を行い、検出手段9の検出値の差を熱レンズ信号とすればよい。通常、この熱レンズ信号は、熱レンズの度、すなわち試料溶液Sの濃度に比例する。
ここで、このような熱レンズ分光分析装置の前記各部品について説明する。
【0023】
励起光Eの光源であるレーザー発光手段1として用いられるレーザーの種類は特に限定されるものではなく、ガスレーザー,固体レーザー等を問題なく用いることができるが、安価であることから半導体レーザーが望ましい。ただし、半導体レーザーを用いる場合には、各光学部品からの反射光が再び励起光Eの光源に入射すると出力変化によるノイズとなるので、半導体レーザーに高周波重畳をかけるか、又は偏光依存ビームスプリッタと4分の1波長板との組み合わせによる光アイソレータを組み込むことが望ましい。なお、レーザーではないが、熱レンズ測定において十分な感度を実現できるならば、発光ダイオードを励起光Eの光源として用いることもできる。
【0024】
また、プローブ光Pの光源であるレーザー発光手段2として用いられるレーザーの種類も特に限定されるものではなく、励起光Eと波長が異なるものであれば、レーザー発光手段1と同様のレーザーを用いることができる。また、発光ダイオードをプローブ光Pの光源として用いることもできる。
さらに、反射板3はプローブ光Pをビームスプリッタ4に導くためのものであり、プローブ光Pの波長において十分な反射率を有するものであれば問題なく用いることができる。ただし、100%に近い反射率であることが望ましい。
【0025】
さらに、ビームスプリッタ4は、励起光Eとプローブ光Pとを同軸にするためのものであり、プローブ光Pに対して反射率が十分高く、励起光Eに対して透過率が十分高いものであればよい。ただし、プローブ光Pに対して100%に近い反射率を有し、励起光Eに対して100%に近い透過率を有することが好ましい。例えば、励起光とプローブ光との波長が異なることを利用するもの、励起光とプローブ光との偏光面が異なることを利用するものなどがあげられる。
【0026】
さらに、集光レンズ5は、試料セル6に収納されている試料溶液Sに励起光Eを集光し、励起光Eによって試料溶液Sに生じた熱レンズにプローブ光Pを集光するためのものである。励起光Eが試料溶液Sに集光されることによって熱レンズが形成され、そこに同軸で透過したプローブ光Pは熱レンズ効果によって発散又は集光される。熱レンズ信号の感度は一般的に集光位置のビーム径が小さくなるほど向上することが知られているので、集光レンズ5の開口数は高いことが望ましい。本実施形態においては、励起光E及びプローブ光Pのビーム径は、集光位置において0.2〜50μmとされる。
【0027】
さらに、試料セル6は、測定する試料溶液Sを収納するためのものである。試料セル6の素材は、励起光E及びプローブ光Pに対して透明であれば特に限定されるものではないが、励起光E及びプローブ光Pの透過率がなるべく高いことが望ましい。例えば、ポリメチルメタクリレート(PMMA),ポリカーボネート(PC),ポリスチレン(PS),シクロオレフィン系樹脂等の樹脂材料やガラスなどがあげられる。また、試料セル6の形状も特に限定されるものではないが、励起光E及びプローブ光Pが入射し透過する位置に平坦面が存在することが好ましい。
【0028】
さらに、励起光カットフィルター7としては、励起光Eを十分に除去できるものであれば問題なく使用することができるが、光学濃度が5以上であるものが好ましい。例えば、色ガラスフィルター,干渉フィルター等があげられる。なお、本実施形態においては、励起光カットフィルター7は光ファイバ8と一体とされているが、別体であっても差し支えない。
【0029】
さらに、光ファイバ8の種類は特に限定されるものではなく、SI(StepIndex)型,GI(Graded Index)型等を用いることができる。また、導波モードは、シングルモード及びマルチモードのいずれでも差し支えない。ただし、曲げに対する許容度が要求される場合には、その許容度が高いことからマルチモードが好ましい。光ファイバ8の材質も特に限定されるものではなく、樹脂製,ガラス製など、いずれも問題なく用いることができる。低コスト化が可能であるという点を考えると、マルチモード導波型のプラスチック製光ファイバが最も好ましい。
【0030】
検出手段9の種類は、プローブ光Pに対して十分な感度を有していれば特に限定されるものではなく、例えばフォトダイオード等があげられる。なお、本実施形態においては、検出手段9は光ファイバ8と一体とされているが、別体であっても差し支えない。
(実施例)
本発明に係る熱レンズ分光分析装置を用いた測定を、実施例により詳細に説明する。図2は本実施例において使用した熱レンズ分光分析装置の構成を説明する構成図である。なお、本実施例においては自作の光学部品が数種使用されているが、同様の特性を有するものであれば市販品を用いても差し支えないことは勿論である。
【0031】
励起光の光源21には、波長635nm、定格出力30mWの半導体レーザー発光装置(LT051PS、シャープ株式会社製)を用いた。また、プローブ光の光源22には、波長780nm、定格出力50mWの半導体レーザー発光装置(ML60114R、三菱電機株式会社製)を用いた。これら半導体レーザーは、図示しない市販のLDドライバー(ALP−6323CA、旭データシステムズ社製)により、出力制御及び電流制御できるようにした。
【0032】
このLDドライバは、同じく図示しないPCIカード(NIPCI 6025E、ナショナルインスツルメンツ社製)を介してパーソナルコンピュータに接続されており、半導体レーザー発光装置の出力や電流,変調周波数はパーソナルコンピュータによって調整できるようになっている。また、励起光の変調周波数は0〜100kHzまで可能となっている。さらに、励起光及びプローブ光ともに350MHzの高周波を重畳し、戻り光により発生するノイズの影響を小さくした。
【0033】
励起光用のコリメータレンズ23には、開口数0.34、焦点距離8mmの自作のレンズを用いた。そして、プローブ光用コリメータレンズ24には、開口数0.39、焦点距離7mmの自作のレンズを用いた。プローブ光用コリメータレンズ24は、図示しないマイクロメータヘッド(MHT3−5、ミツトヨ社製)に取り付けて、マイクロメーターオーダーの分解能で光軸方向に変位できるようにした。なお、変位の方式についてはこの例に限定されるものではない。
【0034】
さらに、励起光用のプリズム25及びプローブ光用のプリズム26には、2つの自作のプリズムの傾斜面同士を対向させたものを用いた。なお、励起光用のプリズム25については、拡大率が3倍となるように2つのプリズム間の角度を調整した。また、プローブ光用のプリズム26については、拡大率が2.6倍となるように2つのプリズム間の角度を調整した。
【0035】
さらに、励起光とプローブ光とを同軸にするためのビームスプリッタ27には、p偏光に対する透過率が100%であり、s偏光に対する反射率が100%である自作の偏光依存ビームスプリッタを用いた。なお、この場合には、励起光はs偏光になっており、プローブ光はp偏光となっているため、このビームスプリッタ27におけるパワーロスは、ほぼ0となっている。
【0036】
さらに、励起光及びプローブ光をビーム径0.2〜50μmに集光する集光レンズ29には、開口数0.2、焦点距離8mmの自作のレンズを用いた。励起光及びプローブ光のビーム径の分析は、図示しないビーム分析機(ビームアライザ13SKP001 SA,メレスグリオ株式会社製)を用いて行った。なお、ビームスプリッタ27を通過した励起光及びプローブ光を集光レンズ29に導くため、前記両光を90°屈折させる自作の反射板プリズム28を使用した。
【0037】
さらに、試料セル30としては、光路長50μmのガラスセル(AB20、ジーエルサイエンス株式会社製)を用いた。
次に、受光部の光学系について説明する。
光ファイバ41は、コア径が500μmであるプラスチック製光ファイバ(SH2001、三菱レイヨン株式会社製)を用いて自作した光ファイバアセンブリである。光ファイバ41の両端のうち、試料セル30に向いた端部には、励起光を十分に除去する励起光カットフィルター(図示せず)が取り付けられており、他端にはSMAコネクタ(図示せず)が取り付けられている。
【0038】
このSMAコネクタは、検出手段である図示しないフォトセンサアンプ(C6386、浜松ホトニクス株式会社製)に接続されており、光ファイバ41で受光されたプローブ光はフォトセンサアンプにおいて光電変換され、電気信号(電圧信号)として出力される。変換された電圧信号は、ゲインが100倍の低雑音プリアンプ(LI−75A、エヌエフ回路ブロック社製)に導かれ(図示せず)、さらに図示しない2位相ロックインアンプ(5610B、エヌエフ回路ブロック社製)に導かれて、励起光の変調周波数と同期する信号のみが抽出され、それが熱レンズ信号値(ロックインアンプの出力)とされる。
【0039】
このロックインアンプは、BNCケーブルを介してコネクタ(CB−50LP,ナショナルインスツルメンツ株式会社製)に接続されており、コネクタからの出力がデータ集録カード(DAQCARD−700、ナショナルインスツルメンツ社製)によってノートパソコンに取り込まれる。ノートパソコンに取り込まれた熱レンズ信号値は、ソフトウェア(LABVIEW5.0、ナショナルインスツルメンツ社製)によって前記ノートパソコンの表示画面に表示されるとともに、熱レンズ信号値及び熱レンズ信号値の経時変化が記録される(いずれも図示せず)。
【0040】
さらに、試料セル30が載置される図示しないステージには、1μmの分解能で光軸方向の位置合わせが可能な自動位置決めステージ(MINI−60X MINI−5P、シグマ光機株式会社製)を用いた。また、図示しないマイクロメータによって、試料セル30の光軸に対する傾きを0.1°の分解能で調整できるようにした。
【0041】
(比較例)
本発明に係る熱レンズ分光分析装置の比較例について、図4を参照しながら説明する。この熱レンズ分光分析装置は、受光部の光学系がレンズにより構成されているものである。
励起光の光源121には、波長635nm、定格出力30mWの半導体レーザー発光装置(LT051PS、シャープ株式会社製)を用いた。また、プローブ光の光源122には、波長780nm、定格出力50mWの半導体レーザー発光装置(ML60114R、三菱電機株式会社製)を用いた。これら半導体レーザーは、図示しない市販のLDドライバー(ALP−6323CA、旭データシステムズ社製)により、出力制御及び電流制御できるようにした。
【0042】
このLDドライバは、同じく図示しないPCIカード(NIPCI 6025E、ナショナルインスツルメンツ社製)を介してパーソナルコンピュータに接続されており、半導体レーザー発光装置の出力や電流,変調周波数はパーソナルコンピュータによって調整できるようになっている。また、励起光の変調周波数は0〜100kHzまで可能となっている。さらに、励起光及びプローブ光ともに350MHzの高周波を重畳し、戻り光により発生するノイズの影響を小さくした。
【0043】
励起光用のコリメータレンズ123には、開口数0.34、焦点距離8mmの自作のレンズを用いた。そして、プローブ光用コリメータレンズ124には、開口数0.39、焦点距離7mmの自作のレンズを用いた。プローブ光用コリメータレンズ124は、図示しないマイクロメータヘッド(MHT3−5、ミツトヨ社製)に取り付けて、マイクロメーターオーダーの分解能で光軸方向に変位できるようにした。
【0044】
さらに、励起光用のプリズム125及びプローブ光用のプリズム126には、2つの自作のプリズムの傾斜面同士を対向させたものを用いた。なお、励起光用のプリズム125については、拡大率が3倍となるように2つのプリズム間の角度を調整した。また、プローブ光用のプリズム126については、拡大率が2.6倍となるように2つのプリズム間の角度を調整した。
【0045】
さらに、励起光とプローブ光とを同軸にするためのビームスプリッタ127には、p偏光に対する透過率が100%であり、s偏光に対する反射率が100%である自作の偏光依存ビームスプリッタを用いた。なお、この場合には、励起光はs偏光になっており、プローブ光はp偏光となっているため、このビームスプリッタ127におけるパワーロスは、ほぼ0となっている。
【0046】
さらに、励起光及びプローブ光をビーム径0.2〜50μmに集光する集光レンズ129には、開口数0.2、焦点距離8mmの自作のレンズを用いた。励起光及びプローブ光のビーム径の分析は、図示しないビーム分析機(ビームアライザ13SKP001 SA,メレスグリオ株式会社製)を用いて行った。なお、ビームスプリッタ127を通過した励起光及びプローブ光を集光レンズ129に導くため、前記両光を90°屈折させる自作の反射板プリズム128を使用した。
【0047】
さらに、試料セル130としては、光路長50μmのガラスセル(AB20、ジーエルサイエンス株式会社製)を用いた。
次に、受光部の光学系について説明する。
試料セル130を透過した励起光及びプローブ光を平行光とするために、受光レンズ131には集光レンズ129と同様のレンズを使用した。なお、受光レンズ131の開口数は、集光レンズ129の開口数以上のものを用いれば問題ない。さらに、励起光をカットするフィルター132には、中心波長780nm,半値幅20nmのレーザーライン干渉フィルター(03FIL056、メレスグリオ株式会社製)を用いた。
【0048】
フィルター132を透過したプローブ光は、ピンホール133により中心部分のみが透過され、焦点距離が10mmのレンズ134(01LPX005、メレスグリオ株式会社製)により検出手段135に集光され、電気信号に変換された。検出手段135には4分割フォトダイオード(S6344、浜松ホトニクス株式会社製)を用いた。本比較例においては、4分割フォトダイオードの各電気信号の和を演算して、その信号を検出手段135からの出力とした。なお、検出手段135には必ずしも4分割フォトダイオードを用いる必要はなく、非分割のフォトダイオードでも問題ない。
【0049】
4分割フォトダイオードからの出力は、自作の回路により電流から電圧に変換された。電流から電圧への変換倍率は1000倍とした。なお、この電流から電圧への変換回路は、変換倍率を1000倍とすれば市販品でも差し支えない。
さらに、変換された電圧信号は、ゲインが100倍の低雑音プリアンプ(LI−75A、エヌエフ回路ブロック社製)に導かれ(図示せず)、さらに図示しない2位相ロックインアンプ(5610B、エヌエフ回路ブロック社製)に導かれて、励起光の変調周波数と同期する電気信号のみが抽出され、それが熱レンズ信号値(ロックインアンプの出力)とされる。
【0050】
このロックインアンプは、BNCケーブルを介してコネクタ(CB−50LP,ナショナルインスツルメンツ株式会社製)に接続されており、コネクタからの出力がデータ集録カード(DAQCARD 700、ナショナルインスツルメンツ社製)によってノートパソコンに取り込まれる。ノートパソコンに取り込まれた熱レンズ信号値は、ソフトウェア(LABVIEW5.0、ナショナルインスツルメンツ社製)によって前記ノートパソコンの表示画面に表示されるとともに、熱レンズ信号値及び熱レンズ信号値の経時変化が記録される(いずれも図示せず)。
【0051】
さらに、試料セル130が載置される図示しないステージには、1μmの分解能で光軸方向の位置合わせが可能な自動位置決めステージ(MINI−60X MINI−5P、シグマ光機株式会社製)を用いた。また、図示しないマイクロメータによって、試料セル130の光軸に対する傾きを0.1°の分解能で調整できるようにした。
【0052】
(分析例)
前述の実施例(光ファイバ受光系)及び比較例(レンズ受光系)の熱レンズ分光分析装置を使用して、濃度5μMのキシレンシアノール水溶液の分析を行った。その際には、試料セルとプローブ光の光軸とのなす角度(試料セルの傾き)を−1°〜+1°の範囲で種々変化させて、熱レンズ信号の測定を行った。なお、励起光の集光位置でのビーム径は3.7μmであり、プローブ光の集光位置でのビーム径は4.5μmである。
【0053】
熱レンズ信号の測定結果を、図3のグラフに示す。このグラフの縦軸の数値は、試料セルの傾きが所定の角度である場合の熱レンズ信号値と、試料セルの傾きが0°である場合の熱レンズ信号値との比である。比較例の熱レンズ分光分析装置を使用した場合は、試料セルの傾きが大きくなると熱レンズ信号値が変化し、試料セルの傾きが+1°の時に約20%の誤差が生じた。これに対して、実施例の熱レンズ分光分析装置を使用した場合は、誤差は1%以内であった。
【0054】
よって、実施例の熱レンズ分光分析装置によれば、試料セルを取り替えた際に試料セルの傾きが発生したとしても高精度な分析が可能であるので、通常1%以下の高精度が要求される医療診断,環境分析などのPOC分析等に適用することができる。
このような差異が生じる理由は、以下のように推測される。レンズで受光する場合には、試料セルの傾きが生じるとレンズ面でプローブ光の光軸がシフトする。そうすると、該受光レンズでプローブ光を絞りに導いた際に受光レンズ自身によって前記シフトが増幅されるので、絞りにおいてズレが大きくなり、熱レンズ信号値が大きく変化してしまう。それに対して、光ファイバで受光する場合には、上記のようなシフトの増幅がなく、光ファイバのコア(絞りに相当する)におけるシフトの影響しかないので、熱レンズ信号値の変化が小さいと思われる。
【0055】
【発明の効果】
以上のように、本発明の熱レンズ分光分析装置は、小型であり、且つ試料の高精度な分析が可能である。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の熱レンズ分光分析装置の一実施形態を示す構成図である。
【図2】実施例の熱レンズ分光分析装置の構成を説明する構成図である。
【図3】試料セルの傾きと熱レンズ信号値の誤差との相関を示すグラフである。
【図4】比較例の熱レンズ分光分析装置の構成を説明する構成図である。
【符号の説明】
1 レーザー発光手段
2 レーザー発光手段
5 集光レンズ
6 試料セル
8 光ファイバ
9 検出手段
E 励起光
P プローブ光
S 試料溶液
21 励起光の光源
22 プローブ光の光源
29 集光レンズ
30 試料セル
41 光ファイバ[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a thermal lens spectroscopic analyzer that is small and capable of analyzing a sample with high accuracy.
[0002]
[Prior art]
Analysis for bedside diagnosis (POC (point of care) analysis) that performs measurements necessary for medical diagnosis in the vicinity of patients and analysis of harmful substances in rivers and wastes are performed at sites such as rivers and waste disposal sites. Analysis and measurement at or near the site where analysis and measurement is required, such as contamination inspection at each site of cooking, harvesting, and importing food (hereinafter referred to as “POC analysis, etc.” The importance of) is drawing attention. In recent years, development of a detection method and a detection device applied to such POC analysis and the like has been gaining importance.
[0003]
Such detection methods and detection devices applied to POC analysis and the like require that analysis be performed at low cost and that the device be small. Further, in medical diagnosis and environmental analysis, it is generally required that high-sensitivity and high-precision analysis be performed in order to accurately compare with a standard value determined by a country. Furthermore, it is important that the sample cell for storing the sample is thrown away every time it is used, in order to prevent the analysis operator from being infected by the sample or causing contamination between the samples. Therefore, there is an example in which a resin sample cell is used as a low-cost sample cell (Japanese Patent Application Laid-Open No. 12-2675).
[0004]
In recent years, grooves of several tens to several hundreds of μm have been cut on the surface of glass or silicon flat chips of about 10 cm to several cm square or less, and all the necessary reactions, separations, and detections are performed in these grooves. Research on μ-TAS (micro total analysis system) performed in a short time has been actively conducted (for example, JP-A-2-245655). In this μ-TAS, a chip having the groove serves as a sample cell.
[0005]
The use of μ-TAS reduces the amount of a specimen, the amount of a reagent required for detection, the amount of waste such as consumables used for detection, and the amount of waste liquid, and the time required for detection is generally short. This μ-TAS is suitable for POC analysis and the like. For the purpose of developing a low-cost disposable chip, a method of forming a chip with a resin (RM McCormick et al., Anal. Chem. Vol. 69, 2626-2630, 1997, Japanese Patent Laid-Open No. 2-259557) And Japanese Patent No. 2639087) have also been proposed.
[0006]
However, in μ-TAS, the optical path length is several tens μm to several hundred μm, which is 1/10 to 1/100 as compared with normal conditions. There is a problem of shortage. In addition to the μ-TAS, when the sample amount or the sample amount is small, the optical path length is shortened accordingly, and the sensitivity becomes insufficient as described above.
[0007]
On the other hand, photothermal conversion spectroscopy, in which a substance such as a dye in a solution absorbs light and measures the amount of heat generated in the relaxation process, is known as a highly sensitive concentration measurement method. In particular, thermal lens spectroscopy using a refractive index distribution based on a temperature distribution generated by generated heat is known to be 100 times or more more sensitive than an absorptiometry that measures the amount of transmitted light. (For example, Manabu Tokeshi et al., J. Lumin. Vol. 83-84, 261-264, 1999).
[0008]
In thermal lens spectroscopy, the sensitivity decreases as the optical path length decreases, but the temperature gradient increases and the sensitivity improves by reducing the beam diameter to 0.2 to 50 μm, which is about one-fourth or less of the conventional value. (Takehiko Kitamori et al., Anal. Sci. Vol. 17, s454-s457, 2001, and International Publication WO 01/55706).
[0009]
[Patent Document 1]
JP-A-12-2675
[Patent Document 2]
JP-A-2-245655
[Patent Document 3]
JP-A-2-259557
[Patent Document 4]
Japanese Patent No. 2639087
[Patent Document 5]
International Publication WO01 / 55706
[Non-patent document 1]
R. M. McCormick et al. , Anal. Chem. Vol. 69, 2626-2630, 1997
[Non-patent document 2]
Manabu Tokyoshi et al. , J. et al. Lumin. Vol. 83-84, 261-264, 1999
[Non-Patent Document 3]
Takehiko Kitamori et al. , Anal. Sci. Vol. 17, s454-s457, 2001
[0010]
[Problems to be solved by the invention]
Conventionally, when the beam diameter is small (0.2 to 50 μm) as in International Publication WO 01/55706, the focal length of the condenser lens is short, and the divergence angle of light is large. Therefore, it is necessary to bring the light transmitted through the sample cell into a state close to parallel light by a lens and guide the light to the stop. Therefore, a lens for parallel light conversion is required, and there is a problem that the system becomes complicated.
[0011]
Further, when the sample cell after the analysis is removed from the analyzer and a new sample cell is installed, the inclination of the sample cell with respect to the optical axis of the probe light usually occurs about ± 0.5 to 1.0 °. If the inclination of the sample cell with respect to the optical axis occurs, the thermal lens signal value changes by 5 to 20% even if the inclination is slight as described above, causing an error. Usually, such errors are unacceptable in medical diagnosis, POC analysis such as environmental analysis, etc., which require accuracy of 1% or less.
[0012]
In order to correct this tilt, it is effective to introduce a tilt sensor using light, but the system is complicated, for example, a new dedicated optical system is required, and a reflective film must be provided on the sample cell. Had the disadvantage of becoming
Therefore, an object of the present invention is to solve the problems of the conventional thermal lens spectrometer described above and to provide a thermal lens spectrometer which is small and capable of analyzing a sample with high accuracy.
[0013]
[Means for Solving the Problems]
In order to solve the above problem, the present invention has the following configuration. That is, the thermal lens spectroscopic analyzer according to claim 1 of the present invention is configured such that probe light is incident on a thermal lens generated in a sample by the incidence of excitation light, and based on a change of the probe light by the thermal lens at that time. A thermal lens spectrometer for analyzing the sample, wherein the condenser lens focuses the excitation light incident on the sample and the probe light incident on the thermal lens to a beam diameter of 0.2 to 50 μm. And a sample cell for storing the sample, and an optical fiber for receiving the probe light transmitted through the thermal lens and the sample cell and guiding the probe light to detection means for detecting the probe light.
[0014]
With such a configuration, even if the inclination of the sample cell with respect to the optical axis of the probe light occurs by about ± 1.0 °, the error of the thermal lens signal value resulting from the inclination is suppressed to 1% or less. In the case where the beam diameter of the probe light is in the range of 0.2 to 50 μm, it has conventionally been necessary to receive light with a lens and guide it to the detection means. The resulting thermal lens signal value error can be significantly improved.
[0015]
Note that the tilt of the sample cell is an angle between the sample cell and the optical axis of the probe light. More specifically, it is the angle between the surface of the sample cell surface where the probe light is incident and transmitted and the optical axis of the probe light.
In addition, since the optical fiber is used for the light receiving unit optical system that receives the probe light and guides the probe light to the detection unit, the light receiving unit optical system becomes small, and as a result, the thermal lens spectroscopic analyzer becomes small.
[0016]
A thermal lens spectrometer according to a second aspect of the present invention is the thermal lens spectrometer according to the first aspect, wherein a light source of the excitation light is constituted by a semiconductor laser light emitting unit, and a light source of the probe light is provided. It is characterized by comprising another semiconductor laser light emitting means.
With such a configuration, the condenser lens optical system from both light sources to the condenser lens is reduced in size. Since the condensing lens optical system is small and the light receiving unit optical system is small by using an optical fiber as described above, the thermal lens spectroscopic analyzer is required to be portable enough for POC analysis and the like. Can be reduced in size.
[0017]
Furthermore, a thermal lens spectrometer according to claim 3 of the present invention is characterized in that, in the thermal lens spectrometer according to claim 1 or 2, the core diameter of the optical fiber is 500 to 2000 μm. I do. With such a configuration, the sensitivity of the thermal lens spectral analysis is excellent.
Furthermore, a thermal lens spectrometer according to
With such a configuration, it is possible to significantly suppress the error of the thermal lens signal even if the sample cell made of resin is tilted due to warpage or the like as compared with the case made of glass.
[0018]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
An embodiment of a thermal lens spectroscopic analyzer according to the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
FIG. 1 is a configuration diagram illustrating a configuration of a thermal lens spectrometer according to an embodiment of the present invention. Note that the present embodiment is an example of the present invention, and the present invention is not limited to the present embodiment.
[0019]
The thermal lens spectrometer of FIG. 1 includes a laser light emitting means 1 as a light source of the excitation light E, a laser light emitting means 2 as a light source of the probe light P, and a beam diameter of 0.2 to 0.2 mm. It comprises one condensing lens 5 for condensing light to 50 μm, a
[0020]
In such a thermal lens spectroscopic analyzer, the excitation light E is output from the laser light emitting means 1, the probe light P is output from the laser light emitting means 2, and the probe light P is reflected by the reflector 3 to form a beam splitter. 4 is incident. Then, the excitation light E and the probe light P are made coaxial in the
[0021]
The excitation light E having a beam diameter of 0.2 to 50 μm by the condenser lens 5 is condensed on the sample solution S, thereby forming a thermal lens (not shown). The probe light P having a beam diameter of 0.2 to 50 μm by the condensing lens 5 is condensed on the thermal lens and diverged or condensed by the thermal lens effect.
Only the excitation light E is removed from the excitation light E and the probe light P transmitted through the
[0022]
When the sample solution S is stored in the
Here, the respective components of such a thermal lens spectroscopic analyzer will be described.
[0023]
The type of laser used as the laser light emitting means 1 as a light source of the excitation light E is not particularly limited, and a gas laser, a solid-state laser, or the like can be used without any problem, but a semiconductor laser is preferable because it is inexpensive. . However, when a semiconductor laser is used, if the reflected light from each optical component again enters the light source of the excitation light E, it becomes noise due to a change in output, so that high-frequency superposition is applied to the semiconductor laser or a polarization dependent beam splitter and It is desirable to incorporate an optical isolator in combination with a quarter-wave plate. It should be noted that a light emitting diode can be used as a light source of the excitation light E, although it is not a laser, if sufficient sensitivity can be realized in the thermal lens measurement.
[0024]
Further, the type of laser used as the laser light emitting means 2 as a light source of the probe light P is not particularly limited, and a laser similar to the laser light emitting means 1 is used as long as the excitation light E has a different wavelength. be able to. Further, a light emitting diode can be used as a light source of the probe light P.
Further, the reflecting plate 3 guides the probe light P to the
[0025]
Further, the
[0026]
Further, the condenser lens 5 focuses the excitation light E on the sample solution S stored in the
[0027]
Further, the
[0028]
Further, as the excitation light cut filter 7, any filter that can sufficiently remove the excitation light E can be used without any problem, but a filter having an optical density of 5 or more is preferable. For example, a color glass filter, an interference filter and the like can be mentioned. In the present embodiment, the excitation light cut filter 7 is integrated with the optical fiber 8, but may be separate.
[0029]
Further, the type of the optical fiber 8 is not particularly limited, and an SI (Step Index) type, a GI (Graded Index) type, or the like can be used. The waveguide mode may be either a single mode or a multimode. However, when the bending tolerance is required, the multi-mode is preferable because the tolerance is high. The material of the optical fiber 8 is not particularly limited, and any of resin, glass, and the like can be used without any problem. Considering that the cost can be reduced, a multi-mode waveguide type plastic optical fiber is most preferable.
[0030]
The type of the detection means 9 is not particularly limited as long as it has sufficient sensitivity to the probe light P, and examples thereof include a photodiode. In the present embodiment, the detection means 9 is integrated with the optical fiber 8, but may be separate.
(Example)
The measurement using the thermal lens spectrometer according to the present invention will be described in more detail with reference to examples. FIG. 2 is a configuration diagram illustrating the configuration of the thermal lens spectrometer used in the present embodiment. In this embodiment, several kinds of self-made optical components are used, but it is a matter of course that a commercially available optical component having similar characteristics may be used.
[0031]
As the
[0032]
The LD driver is connected to a personal computer via a PCI card (NIPCI 6025E, manufactured by National Instruments), also not shown, and the output, current, and modulation frequency of the semiconductor laser light emitting device can be adjusted by the personal computer. ing. Further, the modulation frequency of the excitation light can be from 0 to 100 kHz. Furthermore, a high frequency of 350 MHz was superimposed on both the excitation light and the probe light to reduce the influence of noise generated by the return light.
[0033]
As the
[0034]
Further, as the
[0035]
Furthermore, a self-made polarization dependent beam splitter having a transmittance of 100% for p-polarized light and a reflectance of 100% for s-polarized light was used as the
[0036]
Furthermore, a self-made lens having a numerical aperture of 0.2 and a focal length of 8 mm was used as the
[0037]
Further, as the
Next, the optical system of the light receiving section will be described.
The
[0038]
This SMA connector is connected to a not-shown photosensor amplifier (C6386, manufactured by Hamamatsu Photonics KK), which is a detecting means, and the probe light received by the
[0039]
This lock-in amplifier is connected to a connector (CB-50LP, manufactured by National Instruments Co., Ltd.) via a BNC cable, and the output from the connector is connected to a notebook computer by a data acquisition card (DAQCARD-700, manufactured by National Instruments Co., Ltd.). It is taken in. The thermal lens signal value taken into the notebook personal computer is displayed on the display screen of the notebook personal computer by software (LABVIEW 5.0, manufactured by National Instruments), and the thermal lens signal value and the temporal change of the thermal lens signal value are recorded. (Neither is shown).
[0040]
Further, as a stage (not shown) on which the
[0041]
(Comparative example)
A comparative example of the thermal lens spectrometer according to the present invention will be described with reference to FIG. In this thermal lens spectroscopic analyzer, the optical system of the light receiving section is constituted by a lens.
As the
[0042]
The LD driver is connected to a personal computer via a PCI card (NIPCI 6025E, manufactured by National Instruments), also not shown, and the output, current, and modulation frequency of the semiconductor laser light emitting device can be adjusted by the personal computer. ing. Further, the modulation frequency of the excitation light can be from 0 to 100 kHz. Furthermore, a high frequency of 350 MHz was superimposed on both the excitation light and the probe light to reduce the influence of noise generated by the return light.
[0043]
As the
[0044]
Further, as the excitation
[0045]
Further, a self-made polarization dependent beam splitter having a transmittance of 100% for p-polarized light and a reflectance of 100% for s-polarized light was used as the
[0046]
Further, a self-made lens having a numerical aperture of 0.2 and a focal length of 8 mm was used as the
[0047]
Further, as the
Next, the optical system of the light receiving section will be described.
The same lens as the
[0048]
The probe light transmitted through the
[0049]
The output from the four-division photodiode was converted from current to voltage by a home-built circuit. The conversion ratio from current to voltage was 1000 times. The current-to-voltage conversion circuit may be a commercially available product provided that the conversion magnification is 1000 times.
Further, the converted voltage signal is guided to a low-noise preamplifier (LI-75A, manufactured by NF Circuit Block Co., Ltd.) with a gain of 100 times (not shown), and further a two-phase lock-in amplifier (5610B, NF circuit) not shown. (Made by Brock Co., Ltd.), and only an electric signal synchronized with the modulation frequency of the excitation light is extracted.
[0050]
This lock-in amplifier is connected to a connector (CB-50LP, manufactured by National Instruments Co., Ltd.) via a BNC cable, and the output from the connector is connected to a notebook computer by a data acquisition card (DAQCARD 700, manufactured by National Instruments Co., Ltd.). It is captured. The thermal lens signal value taken into the notebook personal computer is displayed on the display screen of the notebook personal computer by software (LABVIEW 5.0, manufactured by National Instruments), and the thermal lens signal value and the temporal change of the thermal lens signal value are recorded. (Neither is shown).
[0051]
Further, as a stage (not shown) on which the
[0052]
(Example of analysis)
The xylene cyanol aqueous solution having a concentration of 5 μM was analyzed using the thermal lens spectrometers of the above-described example (optical fiber light receiving system) and comparative example (lens light receiving system). At that time, the thermal lens signal was measured by variously changing the angle (tilt of the sample cell) between the sample cell and the optical axis of the probe light in the range of -1 ° to + 1 °. The beam diameter at the position where the excitation light is focused is 3.7 μm, and the beam diameter at the position where the probe light is focused is 4.5 μm.
[0053]
The measurement result of the thermal lens signal is shown in the graph of FIG. The numerical value on the vertical axis of this graph is the ratio between the thermal lens signal value when the tilt of the sample cell is at a predetermined angle and the thermal lens signal value when the tilt of the sample cell is 0 °. When the thermal lens spectrometer of the comparative example was used, the thermal lens signal value changed as the inclination of the sample cell increased, and an error of about 20% occurred when the inclination of the sample cell was + 1 °. On the other hand, when the thermal lens spectrometer of the example was used, the error was within 1%.
[0054]
Therefore, according to the thermal lens spectrometer of the embodiment, even if a tilt of the sample cell occurs when the sample cell is replaced, high-precision analysis is possible, and high accuracy of usually 1% or less is required. It can be applied to medical diagnosis, POC analysis such as environmental analysis, and the like.
The reason for such a difference is presumed as follows. When light is received by a lens, the optical axis of the probe light shifts on the lens surface when the sample cell is tilted. Then, when the probe light is guided to the stop by the light receiving lens, the shift is amplified by the light receiving lens itself, so that the shift in the stop becomes large, and the thermal lens signal value greatly changes. On the other hand, when light is received by the optical fiber, the shift is not amplified as described above, and there is only the influence of the shift in the core (corresponding to the diaphragm) of the optical fiber. Seem.
[0055]
【The invention's effect】
As described above, the thermal lens spectroscopic analyzer of the present invention is small and can analyze a sample with high accuracy.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a configuration diagram showing one embodiment of a thermal lens spectroscopic analyzer of the present invention.
FIG. 2 is a configuration diagram illustrating a configuration of a thermal lens spectrometer according to an embodiment.
FIG. 3 is a graph showing a correlation between a tilt of a sample cell and an error of a thermal lens signal value.
FIG. 4 is a configuration diagram illustrating a configuration of a thermal lens spectrometer according to a comparative example.
[Explanation of symbols]
1 Laser emitting means
2 Laser emission means
5 Condensing lens
6. Sample cell
8 Optical fiber
9 Detection means
E Excitation light
P probe light
S sample solution
21 Excitation light source
22 Probe light source
29 Condensing lens
30 sample cell
41 Optical fiber
Claims (4)
前記試料に入射される前記励起光及び前記熱レンズに入射される前記プローブ光をビーム径0.2〜50μmに集光する集光レンズと、前記試料を収納する試料セルと、前記熱レンズ及び前記試料セルを透過した前記プローブ光を受光し前記プローブ光を検出する検出手段に導く光ファイバと、を備えることを特徴とする熱レンズ分光分析装置。A thermal lens spectroscopic analyzer that analyzes the sample based on a change in the probe light caused by the thermal lens, wherein the probe light is incident on the thermal lens generated in the sample by the incidence of the excitation light,
A condenser lens for condensing the excitation light incident on the sample and the probe light incident on the thermal lens to a beam diameter of 0.2 to 50 μm, a sample cell containing the sample, the thermal lens, An optical fiber for receiving the probe light transmitted through the sample cell and guiding the probe light to detection means for detecting the probe light.
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Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
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Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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RU2463568C1 (en) * | 2011-05-11 | 2012-10-10 | Учреждение Российской академии наук Ордена Ленина и Ордена Октябрьской Революции Институт геохимии и аналитической химии им. В.И. Вернадского РАН (ГЕОХИ РАН) | Apparatus for thermal lens spectroscopy |
CN105510234A (en) * | 2015-12-31 | 2016-04-20 | 合肥知常光电科技有限公司 | Optical fiber sensing-based laser excitation heat wave signal detection device |
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2003
- 2003-03-20 JP JP2003078656A patent/JP2004286577A/en active Pending
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