JP2006184249A - Thermal lens spectroscopic analyzer - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、微量試料の分析,検出を簡便に行う分析装置等に好適に用いられる熱レンズ分光分析装置に関する。 The present invention relates to a thermal lens spectroscopic analyzer that is suitably used in an analyzer that easily analyzes and detects a trace amount of sample.
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(POU( point of use )分析)や、食品の調理,収穫,輸入の各現場における汚染検査等のような、分析・計測が必要とされる現場又は現場の近傍で分析・計測を行うこと(以下、これらを「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。 Analyzes for bedside diagnosis (POC (point of care) analysis) that performs measurements necessary for medical diagnosis in the vicinity of patients, and analyzes of hazardous substances in rivers and wastes at rivers and waste disposal sites (POU (point of use) analysis), and analysis and measurement at or near the site where analysis and measurement is required, such as contamination inspection at food cooking, harvesting and import sites The importance of (hereinafter collectively referred to as “POC analysis, etc.”) has attracted attention. In recent years, the development of detection methods and detection apparatuses applied to such POC analysis and the like is being emphasized.
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。
このようなPOC分析等に適した検出法としては、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がある。この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おり、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(非特許文献1を参照)。
In the detection method and the detection apparatus applied to such POC analysis and the like, it is required that the analysis is performed at a low cost and the apparatus is small. Moreover, in medical diagnosis and environmental analysis, it is generally required that highly sensitive and highly accurate analysis be performed in order to accurately compare with a reference value determined by the country.
As a detection method suitable for such POC analysis or the like, there is a photothermal conversion spectroscopic method in which a substance such as a dye in a solution absorbs light and measures the amount of heat generated in the relaxation process. This photothermal conversion spectroscopic method is known as a highly sensitive concentration measurement method.In particular, the thermal lens spectroscopic method using the refractive index distribution due to the temperature distribution generated by the generated heat is an absorptiometric method for measuring the amount of transmitted light. It is known that the sensitivity is 100 times higher than the method (see Non-Patent Document 1).
しかしながら、熱レンズ分光分析法を用いた装置(熱レンズ分光分析装置)は、光学台上に光学部品を並べたもの(特許文献1を参照)や顕微鏡を改造したもの(特許文献2を参照)など、従来は大型のものがほとんどであり、POC分析等には適していなかった。また、小型化した熱レンズ分光分析装置として、光学部分を小型にすることを目的に熱レンズが形成される領域でのレーザー光のスポットサイズやレンズ系をロッドレンズ(セルフォックレンズ(商品名))で構成したものが報告されているが(特許文献3〜5を参照)、信号処理部分も含めて考えると必ずしもシステム全体の小型化を実現したとは言えなかった。
However, an apparatus using a thermal lens spectroscopic analysis method (thermal lens spectroscopic analysis apparatus) is one in which optical components are arranged on an optical bench (see Patent Document 1) or a modified microscope (see Patent Document 2). Conventionally, most of them are large, and are not suitable for POC analysis. As a miniaturized thermal lens spectroscopic analyzer, the spot size and lens system of the laser beam in the area where the thermal lens is formed for the purpose of miniaturizing the optical part is a rod lens (selfoc lens (trade name) ) (See
熱レンズ分光分析装置には、光学部分とともに信号処理のためのロックインアンプが必要であるが、このロックインアンプは高価であるとともに重さ及び大きさが携帯に適しているとは言い難い。医療診断,環境分析等のPOC分析等やオンサイト測定においては、光学部分及び信号処理部分を含む分析装置全体が携帯可能な重さ及び大きさであることが強く求められるので、従来の熱レンズ分光分析装置はPOC分析等に適しているとは言えなかった。
そこで、本発明は上記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、高精度な分析を行うことが可能で、且つ、携帯可能な重さ及び大きさ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。
The thermal lens spectroscopic analysis apparatus requires a lock-in amplifier for signal processing together with the optical part. However, this lock-in amplifier is expensive and it is difficult to say that the weight and size are suitable for carrying. In POC analysis such as medical diagnosis and environmental analysis, and on-site measurement, it is strongly required that the entire analyzer including the optical portion and the signal processing portion be portable and heavy, so a conventional thermal lens The spectroscopic analyzer was not suitable for POC analysis or the like.
Therefore, the present invention solves the problems of the conventional thermal lens spectroscopic analysis apparatus as described above, enables high-accuracy analysis, and has a portable weight and size. It is an object to provide an analyzer.
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、前記励起光の光源を構成する第一半導体レーザー発光手段と、前記プローブ光の光源を構成する第二半導体レーザー発光手段と、前記熱レンズを透過した前記プローブ光を受光してその光強度に応じた電気信号を出力する受光手段と、前記電気信号を処理し分析結果を出力する信号処理手段と、前記第一半導体レーザー発光手段及び前記信号処理手段に共通して使用される変調信号を発生させる変調信号発生手段と、を備えることを特徴とする。 In order to solve the above problems, the present invention has the following configuration. That is, the thermal lens spectroscopic analysis apparatus according to claim 1 of the present invention is configured to make the probe light enter the thermal lens generated in the sample by the incidence of the excitation light, and based on the change of the probe light by the thermal lens at that time. A thermal lens spectroscopic analyzer for analyzing the sample, the first semiconductor laser light emitting means constituting the light source of the excitation light, the second semiconductor laser light emitting means constituting the light source of the probe light, and the thermal lens A light receiving means for receiving the probe light that has passed through and outputting an electrical signal corresponding to the light intensity; a signal processing means for processing the electrical signal and outputting an analysis result; the first semiconductor laser light emitting means; Modulation signal generating means for generating a modulation signal used in common with the signal processing means.
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、前記変調信号発生手段は、前記第一半導体レーザー発光手段,前記第二半導体レーザー発光手段,前記受光手段と前記信号処理手段との間のインターフェイス機能を兼ね備え、該インターフェイス機能においては入力されるアナログ信号をデジタル信号に変換して出力することを特徴とする。
The thermal lens spectroscopic analysis apparatus according to
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、前記第一半導体レーザー発光手段及び前記第二半導体レーザー発光手段が組み込まれた半導体レーザー発光ユニットを備えるとともに、該半導体レーザー発光ユニットは縦85mm,横80mm,高さ25mmの直方体内に収納可能な形状であることを特徴とする。
Furthermore, the thermal lens spectroscopic analysis apparatus according to
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3に記載の熱レンズ分光分析装置において、前記半導体レーザー発光ユニットと、前記受光手段と、前記第一半導体レーザー発光手段及び前記第二半導体レーザー発光手段の出力を制御する電気部品類と、前記受光手段から出力された電気信号を加工する信号加工部品と、が組み込まれた光学ユニットを備えるとともに、該光学ユニットは縦200mm,横140mm,高さ85mmの直方体内に収納可能な形状であることを特徴とする。
Furthermore, the thermal lens spectroscopic analyzer according to
さらに、本発明に係る請求項5の熱レンズ分光分析装置は、請求項1〜4のいずれか一項に記載の熱レンズ分光分析装置において、前記受光手段は、前記熱レンズを透過した前記プローブ光を受光する受光部と、受光した前記プローブ光を検出してその光強度に応じた電気信号を出力する検出部と、を備えており、前記受光部は、前記熱レンズを透過した前記プローブ光を受光して前記検出部に導く光ファイバーを備えることを特徴とする。
Furthermore, the thermal lens spectroscopic analyzer according to
さらに、本発明に係る請求項6の熱レンズ分光分析装置は、請求項5に記載の熱レンズ分光分析装置において、前記プローブ光の光路を変化させる光路変化手段を前記光ファイバーの受光面の手前に配したことを特徴とする。
さらに、本発明に係る請求項7の熱レンズ分光分析装置は、請求項1〜6のいずれか一項に記載の熱レンズ分光分析装置において、バッテリーにより作動可能となっていることを特徴とする。
Furthermore, the thermal lens spectroscopic analyzer according to
Furthermore, the thermal lens spectroscopic analyzer according to claim 7 of the present invention is characterized in that the thermal lens spectroscopic analyzer according to any one of claims 1 to 6 is operable by a battery. .
本発明の熱レンズ分光分析装置は、高精度な分析を行うことが可能であるとともに、小型・軽量であるため携帯可能である。 The thermal lens spectroscopic analyzer of the present invention can carry out highly accurate analysis, and is portable because it is small and lightweight.
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。
本実施形態の熱レンズ分光分析装置は、熱レンズ測定を行う光学部分と、熱レンズ信号の処理を行う信号処理部分とで構成されている。まず、光学部分について、図1を参照しながら説明する。
Embodiments of a thermal lens spectroscopic analyzer according to the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
The thermal lens spectroscopic analysis apparatus according to the present embodiment includes an optical part that performs thermal lens measurement and a signal processing part that performs thermal lens signal processing. First, the optical part will be described with reference to FIG.
熱レンズ分光分析装置の光学部分は、励起光Eの光源である第一レーザー発光手段1と、プローブ光Pの光源である第二レーザー発光手段2と、励起光E及びプローブ光Pを集光する集光レンズ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ー8(本発明の構成要件である受光部に相当する)と、プローブ光Pを検出してその光強度に応じた電気信号を出力する受光素子9(本発明の構成要件である検出部に相当する)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してもよい。
The optical part of the thermal lens spectroscopic analyzer condenses the first laser light emitting means 1 that is the light source of the excitation light E, the second laser light emitting means 2 that is the light source of the probe light P, and the excitation light E and the probe light P.
このような熱レンズ分光分析装置の光学部分においては、励起光Eが第一レーザー発光手段1から出力されるとともに、プローブ光Pが第二レーザー発光手段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。
In the optical part of such a thermal lens spectroscopic analyzer, the excitation light E is output from the first laser light emitting means 1, the probe light P is output from the second laser light emitting means 2, and the probe light P is reflected by the reflector. 3, and is incident on the
この集光レンズ5によって小さいビーム径に集光された励起光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によって小さいビーム径に集光されたプローブ光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のみが光ファイバー8の受光面に受光される。そして、プローブ光Pは、光ファイバー8により受光素子9に導かれて、その発散度又は集光度が測定される。
The excitation light E condensed to a small beam diameter by the
The excitation light E and the probe light P that have passed through the
試料セル6に試料を含む溶液(試料溶液S)が収納されている場合と、試料を含まない溶液が収納されている場合とにおいて、それぞれ測定を行い、受光素子9から出力される電気信号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光学部分の前記各部品について説明する。第一半導体レーザー発光手段1,第二半導体レーザー発光手段2,反射板3,ビームスプリッタ4,及び集光レンズ5は、一体的なユニットとされている(以降は、このユニットを「半導体レーザー発光ユニット」と称する)。この半導体レーザー発光ユニットの形状は特に限定されるものではないが、熱レンズ分光分析装置を携帯可能とするためには、縦85mm,横80mm,高さ25mmの直方体内に収納可能な形状であることが好ましい。
When the
Here, each part of the optical part of such a thermal lens spectroscopic analyzer will be described. The first semiconductor laser light emitting means 1, the second semiconductor laser light emitting means 2, the
励起光Eの光源である第一レーザー発光手段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、熱レンズ分光分析装置を携帯可能とするため及び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。 The type of laser used as the first laser emission means 1 which is the light source of the excitation light E is not particularly limited, and a gas laser, a solid laser or the like can be used without any problem, but a thermal lens spectroscopic analyzer is carried. Semiconductor lasers are desirable because they are possible and inexpensive. However, in the case of using a semiconductor laser, since reflected light from each optical component is incident on the light source of the excitation light E again, it becomes noise due to output change. Therefore, high frequency superposition is applied to the semiconductor laser, or a polarization-dependent beam splitter is used. It is desirable to incorporate an optical isolator in combination with a quarter wave plate. Although not a laser, a light-emitting diode can be used as the light source of the excitation light E as long as sufficient sensitivity can be realized in the thermal lens measurement.
また、プローブ光Pの光源である第二レーザー発光手段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、第一レーザー発光手段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。
Further, the type of laser used as the second laser emission means 2 that is the light source of the probe light P is not particularly limited, and is the same as that of the first laser emission means 1 as long as the wavelength is different from the excitation light E. The laser can be used. A light emitting diode can also be used as a light source for the probe light P.
Further, the reflecting
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。
Further, the
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、高感度を得るためには集光レンズ5の開口数は大きいことが望ましい。ただし、開口数を大きくして集光の程度を強くすると、プローブ光Pを受光する光ファイバー8の受光面と試料セル6との間の距離が短くなるため、試料セル6の形状に制限が生じたり、プローブ光Pを受光する光ファイバー8の受光面と試料セル6との間の距離のわずかな変化が熱レンズ測定に大きな影響を与えるおそれがある。
Further, the condensing
前記光学部分の部品のうち半導体レーザー発光ユニット以外のものとしては、試料セル6,励起光カットフィルター7,光ファイバー8,及び受光素子9があるが、半導体レーザー発光ユニットと、励起光カットフィルタ7,光ファイバー8,及び受光素子9とは、一つの基台に取り付けられて一体的なユニットとされている(以降は、このユニットを「光学ユニット」と称する)。この光学ユニットの形状は特に限定されるものではないが、熱レンズ分光分析装置を携帯可能とするためには、縦200mm,横140mm,高さ85mmの直方体内に収納可能な形状であることが好ましい。
Among the components of the optical part, there are a
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り、光学ユニットに対して着脱可能であることが好ましい。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。
The
また、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は光ファイバー8と一体とされているが、別体であっても差し支えない。
The excitation light cut filter 7 can be used without any problem as long as the excitation light E can be sufficiently removed, but preferably has an optical density of 5 or more. For example, a color glass filter, an interference filter and the like can be mentioned. In this embodiment, the excitation light cut filter 7 is integrated with the
さらに、光ファイバー8の種類は特に限定されるものではなく、SI(Step Index)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。光ファイバー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ーが最も好ましい。
Furthermore, the type of the
さらに、受光素子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があげられる。また、受光素子9が光増幅機能を備えていれば、光ファイバー8による光量の減衰を補ってノイズを低減することができる。ただし、光増幅機能を備える受光素子は、サイズが大きくなる場合がある。本実施形態においては、受光素子9は光ファイバー8と一体とされているが、別体であっても差し支えない。また、試料セル6の近傍でスペース的な問題が発生しないのであれば、光ファイバー8を用いることなく受光素子9でプローブ光Pを直接受光してもよい。
Furthermore, the type of the
なお、光ファイバー8の取り付け方向は、半導体レーザー発光ユニットから出射され試料セル6(熱レンズ)を透過したプローブ光Pを受光できれば、特に限定されるものではない。ただし、図1のように、プローブ光Pが試料セル6を透過する際の進行方向に沿って光ファイバー8を配置すると、光学部分(光学ユニット)のサイズが大きくなるため、熱レンズ分光分析装置を携帯可能な大きさとする上で支障となるおそれがある。光ファイバー8を湾曲した状態で配置する方法も採用可能であるが、光ファイバー8の曲げに対する許容度の影響から、光学部分の小型化に限界が生じる。
The direction in which the
そこで、図2(同一又は相当する部分には図1と同一の符号を付してある)に示すように、プローブ光Pが試料セル6を透過する際の進行方向に対してほぼ直角をなすように光ファイバー8を配置した上、プリズム,ミラー等の光路変化手段10を光ファイバー8の受光面の手前に配することが好ましい。このようにして、試料セル6を透過したプローブ光Pの光路を光路変化手段10により屈曲させ、プローブ光Pを光ファイバー8の受光面に導くようにすれば、光学部分のサイズを小さくすることができる。もちろん、光ファイバー8を用いることなく受光素子9でプローブ光Pを直接受光してもよく、その場合は光ファイバー8の曲げに対する許容度を考慮する必要はない。
Therefore, as shown in FIG. 2 (the same or corresponding parts are given the same reference numerals as in FIG. 1), the probe light P is substantially perpendicular to the traveling direction when the probe light P passes through the
なお、図2においては、励起光Eがビームスプリッタ4によりプローブ光Pと同軸とされており(反射板は用いていない)、また、励起光E及びプローブ光Pの入射角度の関係が図1の場合とは逆になっているが、このような構成であっても熱レンズ分光分析装置としての動作には問題はない。この場合のビームスプリッタ4は、プローブ光Pに対して透過率が十分高く、励起光Eに対して反射率が十分高い方がよいことは言うまでもない。
In FIG. 2, the excitation light E is coaxial with the probe light P by the beam splitter 4 (no reflector is used), and the relationship between the incident angles of the excitation light E and the probe light P is shown in FIG. However, even with such a configuration, there is no problem in the operation as a thermal lens spectroscopic analyzer. Needless to say, the
次に、熱レンズ分光分析装置の信号処理部分について説明する。信号処理部分は、受光素子9から出力された電気信号を処理する信号処理手段(例えばパーソナルコンピュータ)と、第一半導体レーザー発光手段1及び信号処理手段に共通して使用される変調信号を発生させる変調信号発生手段と、を備える。この変調信号発生手段は、第一半導体レーザー発光手段1,第二半導体レーザー発光手段2,受光素子9と信号処理手段との間のインターフェイス機能を兼ね備え、該インターフェイス機能においては、入力されるアナログ信号をデジタル信号に変換して出力する。この変調信号発生手段が、例えば信号処理手段が備えるスロット等に挿入可能な形態を有していれば、熱レンズ分光分析装置の小型化に対して有効である。
Next, the signal processing part of the thermal lens spectrometer will be described. The signal processing part generates a signal for processing the electrical signal output from the light receiving element 9 (for example, a personal computer) and a modulation signal used in common with the first semiconductor laser light emitting means 1 and the signal processing means. Modulation signal generating means. This modulation signal generating means also has an interface function between the first semiconductor laser light emitting means 1, the second semiconductor laser light emitting means 2, the
このような構成によれば、大型であるロックインアンプを用いることなく、熱レンズ分光分析装置を構成することができるので、熱レンズ分光分析装置の重さ及び大きさを携帯可能なものとすることができる。また、受光素子9から出力された電気信号により、熱レンズによるプローブ光Pの変化を直接読み取ることは、ノイズの問題から困難である。そこで、変調信号発生手段で発生させた変調信号の周波数に応じて励起光Eの強度を変動させて(ON・OFFを切り替えて)、熱レンズの大きさを前記周波数で変動させる。すると、プローブ光Pの強度も前記周波数で変動することとなる。そして、前記変調信号に同期するプローブ光Pの変化のみを、前記信号処理手段により取り出すことで、熱レンズ信号に対するノイズの影響を除去することができる。
According to such a configuration, the thermal lens spectroscopic analyzer can be configured without using a large lock-in amplifier, so that the weight and size of the thermal lens spectroscopic analyzer can be carried. be able to. Further, it is difficult to directly read the change of the probe light P by the thermal lens by the electric signal output from the
この熱レンズ分光分析装置の駆動源は特に限定されるものではないが、熱レンズ分光分析装置を携帯可能とするためには、熱レンズ分光分析装置がバッテリーにより作動可能となっていることが好ましい。このバッテリーは、熱レンズ分光分析装置に内蔵されていてもよいし、内蔵されていなくてもよい。また、第一レーザー発光手段1,第二レーザー発光手段2と信号処理手段とを、共通のバッテリーで駆動してもよい。
このような熱レンズ分光分析装置は、光学部分とともに信号処理部分も小型であるので、小型・軽量であり携帯可能である。
The driving source of the thermal lens spectroscopic analyzer is not particularly limited, but in order to make the thermal lens spectroscopic analyzer portable, it is preferable that the thermal lens spectroscopic analyzer is operable by a battery. . This battery may or may not be built in the thermal lens spectroscopic analyzer. Further, the first laser light emitting means 1, the second laser light emitting means 2 and the signal processing means may be driven by a common battery.
Since such a thermal lens spectroscopic analyzer has a small signal processing part as well as an optical part, it is compact and lightweight and portable.
〔実施例〕
以下に実施例をあげて、本発明をさらに具体的に説明する。図3は、本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り、図4は、図3の熱レンズ分光分析装置のうち光学部分(光学ユニット)の構成を説明する図である。なお、本実施例の熱レンズ分光分析装置の構成は前述とほぼ同様であるので、同様の部分の説明は省略し、異なる部分のみ説明する。また、本実施例において使用されるレンズ等の光学部品は、同様の特性を有するものであれば、市販品でも自作のものでも差し支えない。
〔Example〕
The present invention will be described more specifically with reference to the following examples. FIG. 3 is a configuration diagram illustrating the configuration of the thermal lens spectroscopic analysis apparatus of the present embodiment, and FIG. 4 is a diagram illustrating the configuration of an optical portion (optical unit) in the thermal lens spectroscopic analysis apparatus of FIG. is there. Since the configuration of the thermal lens spectroscopic analyzer of the present embodiment is almost the same as that described above, the description of the same part is omitted and only the different part will be described. In addition, optical components such as lenses used in the present embodiment may be commercially available or made by themselves as long as they have similar characteristics.
本実施例の熱レンズ分光分析装置は、熱レンズ測定を行う光学部分(光学ユニット)と、熱レンズ信号の処理を行う信号処理部分と、で構成されている。バッテリー等の電源は、内蔵していてもよいし、内蔵していなくてもよい。
光学ユニットは、半導体レーザー発光ユニットと、プローブ光を受光して検出しその光強度に応じた電気信号を出力する受光手段と、第一半導体レーザー発光手段及び第二半導体レーザー発光手段の出力を制御する電気部品類(レーザードライバー)と、受光手段から出力された電気信号を増幅する等の加工を行う信号加工部品と、を備えている。
The thermal lens spectroscopic analyzer of the present embodiment includes an optical part (optical unit) that performs thermal lens measurement and a signal processing part that performs thermal lens signal processing. A power source such as a battery may be built in or may not be built in.
The optical unit controls the output of the semiconductor laser light emitting unit, the light receiving means for receiving and detecting the probe light, and outputting an electric signal corresponding to the light intensity, and the first semiconductor laser light emitting means and the second semiconductor laser light emitting means. Electric parts (laser driver) to be performed, and signal processing parts for performing processing such as amplifying an electric signal output from the light receiving means.
また、信号処理部分は、信号処理手段であるパーソナルコンピュータと、第一半導体レーザー発光手段,第二半導体レーザー発光手段,受光手段とパーソナルコンピュータとを連結するインターフェイス部と、で構成されている。このインターフェイス部は、受光手段から出力されるアナログ信号をデジタル信号に変換して、パーソナルコンピュータに取り込ませる機能を備えるとともに、前述の変調信号発生手段としての機能も備えている。なお、半導体レーザー発光ユニットは、縦85mm,横80mm,高さ25mmの直方体状のケースに収められている。また、半導体レーザー発光ユニットと、受光手段と、第一半導体レーザー発光手段及び第二半導体レーザー発光手段の出力を制御する電気部品類と、受光手段から出力された電気信号を増幅する等の加工を行う信号加工部品とが組み込まれた光学ユニットは、縦200mm,横140mm,高さ70mmの直方体状のケースに収められている。なお、図3には示されていないが、電気部品類は、インターフェイス部を介してパーソナルコンピュータにより動作をコントロールできる形態とすることも可能である。 The signal processing part is composed of a personal computer which is signal processing means, and a first semiconductor laser light emitting means, a second semiconductor laser light emitting means, a light receiving means, and an interface unit which connects the personal computer. The interface unit has a function of converting an analog signal output from the light receiving unit into a digital signal and taking it into a personal computer, and also has a function as the above-described modulation signal generating unit. The semiconductor laser light emitting unit is housed in a rectangular parallelepiped case having a length of 85 mm, a width of 80 mm, and a height of 25 mm. In addition, the semiconductor laser light emitting unit, the light receiving means, the electrical parts for controlling the outputs of the first semiconductor laser light emitting means and the second semiconductor laser light emitting means, and processing such as amplifying the electric signal output from the light receiving means An optical unit incorporating a signal processing component to be performed is housed in a rectangular parallelepiped case having a length of 200 mm, a width of 140 mm, and a height of 70 mm. Although not shown in FIG. 3, the electrical components can be configured so that the operation can be controlled by a personal computer via the interface unit.
パーソナルコンピュータにおける信号処理は、従来のロックインアンプにおいて使用されているアルゴリズムをソフトウエア上に流用すればよい。励起光の変調のため及び信号処理の際に励起光の変調に対して同期を取るために使用されるクロックについては、パーソナルコンピュータに搭載されているクロックをそのまま流用してもよいが、信号処理や別ソフトウエアの稼働状況によってはクロック信号に揺らぎが発生し、それによってうまく同期が取れない場合がある。このような場合には、本発明のようにインターフェイス部に変調信号発生手段としての機能を保持させることにより、前記問題点を解決することができる。 For signal processing in a personal computer, an algorithm used in a conventional lock-in amplifier may be applied to software. As for the clock used for modulating the excitation light and for synchronizing with the modulation of the excitation light during signal processing, the clock mounted in the personal computer may be used as it is, but the signal processing Depending on the operating status of other software, the clock signal may fluctuate, and synchronization may not be achieved. In such a case, the problem can be solved by causing the interface unit to retain the function as the modulation signal generating means as in the present invention.
励起光の光源21(第一半導体レーザー発光手段)には、波長658nm、定格出力60mWの半導体レーザー発光装置(ML101J17、三菱電機株式会社製)を用いた。また、プローブ光の光源22(第二半導体レーザー発光手段)には、波長782nm、定格出力80mWの半導体レーザー発光装置(DL−7140−201S、三洋電機株式会社製)を用いた。これら半導体レーザー発光装置は、自作のレーザードライバー(LDドライバー)により、出力制御及び電流制御ができるようになっている。実際の出力の調整は、半導体レーザー発光装置に設けられている可変抵抗の値を変更することにより行うことができる。 As the excitation light source 21 (first semiconductor laser light emitting means), a semiconductor laser light emitting device (ML101J17, manufactured by Mitsubishi Electric Corporation) having a wavelength of 658 nm and a rated output of 60 mW was used. Further, a semiconductor laser light emitting device (DL-7140-201S, manufactured by Sanyo Electric Co., Ltd.) having a wavelength of 782 nm and a rated output of 80 mW was used for the probe light source 22 (second semiconductor laser light emitting means). These semiconductor laser light emitting devices can perform output control and current control by a self-made laser driver (LD driver). The actual output can be adjusted by changing the value of the variable resistor provided in the semiconductor laser light emitting device.
このLDドライバーは、インターフェイス部であるPCIカード(DAQCard6062E、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,変調周波数をパーソナルコンピュータによって調整できる機能を備えている。また、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。 This LD driver is connected to a personal computer via a PCI card (DAQCard6062E, manufactured by National Instruments) as an interface unit, and has a function of adjusting the output, current, and modulation frequency of the semiconductor laser light emitting device by the personal computer. ing. In addition, a high frequency of 350 MHz is superimposed on both the excitation light and the probe light to reduce the influence of noise generated by the return light.
励起光用のコリメータレンズ23には、有効径5mm、焦点距離20mm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、有効径5mm、焦点距離25mmのレンズを用いた。
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26には、p偏光に対する透過率がほぼ100%であり、s偏光に対する反射率がほぼ100%である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26におけるパワーロスは、ほぼ0となっている。
As the
Further, a polarization-dependent beam splitter having a transmittance of about 100% for p-polarized light and a reflectance of about 100% for s-polarized light was used as the
さらに、励起光及びプローブ光を集光する集光レンズ27には、開口数0.1、焦点距離25mmのレンズを用いた。この集光レンズ27は、プローブ光用コリメータレンズ24と同一の光学特性を有している。なお、ビームスプリッタ26を通過した励起光及びプローブ光を集光レンズ27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。
Further, a lens having a numerical aperture of 0.1 and a focal length of 25 mm was used as the condensing
また、半導体レーザー発光装置は温度等の影響を受けて出力パワーが変動し、出力パワーの変動は熱レンズ信号の変動につながるため、熱レンズ検出系に半導体レーザ発光装置を用いる場合は何らかの安定化手段を取ることが望ましい。図4に示すように、本実施例においては出力パワーの安定化のために励起光,プローブ光ともにフロントモニタを採用している。励起光は反射率4%のビームスプリッタ31でSi PINフォトダイオード32(S2506−02、浜松ホトニクス株式会社製)に導かれ、出力がモニターされて変動を抑制するフィードバックが施される。プローブ光についても同様に、ビームスプリッタ33でSi PINフォトダイオード34に導かれ、出力がモニターされて変動を抑えるフィードバックが施される。
Also, the output power fluctuates due to temperature and other factors in the semiconductor laser light emitting device, and fluctuations in the output power lead to fluctuations in the thermal lens signal, so there is some stabilization when using the semiconductor laser light emitting device in the thermal lens detection system. It is desirable to take measures. As shown in FIG. 4, in this embodiment, a front monitor is employed for both the excitation light and the probe light in order to stabilize the output power. The excitation light is guided to the Si PIN photodiode 32 (S2506-02, manufactured by Hamamatsu Photonics Co., Ltd.) by the
次に、前記受光手段に使用されている光学系について説明する。試料セルを透過した励起光は、光ファイバーの受光面の手前に設置された図示しない励起光カットフィルター(03FCG115、メレスグリオ社製)により除去される。そして、励起光カットフィルターを透過したプローブ光は、コア径500μmの光ファイバーにより受光素子に導かれ、電気信号に変換される。なお、受光素子には、プリアンプ付きSiフォトダイオード(S7998、浜松ホトニクス株式会社製)を用いた。ただし、受光素子の種類は、プローブ光を光強度に応じた電気信号に変換するものであれば、特に限定されない。 Next, an optical system used for the light receiving means will be described. Excitation light that has passed through the sample cell is removed by an excitation light cut filter (03FCG115, manufactured by Melles Griot) (not shown) installed in front of the light receiving surface of the optical fiber. The probe light that has passed through the excitation light cut filter is guided to the light receiving element by an optical fiber having a core diameter of 500 μm and converted into an electrical signal. Note that a Si photodiode with a preamplifier (S7998, manufactured by Hamamatsu Photonics Co., Ltd.) was used as the light receiving element. However, the type of the light receiving element is not particularly limited as long as it converts the probe light into an electric signal corresponding to the light intensity.
図5は、熱レンズ分光分析装置全体における信号の流れを示す図である。フォトダイオード(受光素子)からの出力信号は、フォトダイオードに直接バンプ接続実装されたプリアンプ(前述の信号加工部品に相当する)によりI/V変換されて出力され、且つその交流成分のみACアンプにより増幅され出力されるが、さらにノイズ除去を目的としてアンチエイリアシングフィルタ(fc=10kHz)を通過して出力され、SMBケーブルを介してパーソナルコンピュータとのインターフェイス部に送られる。フォトダイオードからの出力信号は、このインターフェイス部において12−Bitの精度でA/D変換された後、信号処理手段としてのパーソナルコンピュータに送られる。このパーソナルコンピュータは携帯を想定するのであればノート型が好ましいが、特に限定されるものではなくデスクトップ型でも構わない。 FIG. 5 is a diagram illustrating a signal flow in the entire thermal lens spectroscopic analyzer. The output signal from the photodiode (light receiving element) is I / V converted by a preamplifier (corresponding to the signal processing component described above) mounted directly on the photodiode by bump connection, and only the AC component is output by the AC amplifier. Amplified and output, but further passes through an anti-aliasing filter (fc = 10 kHz) for the purpose of noise removal, and is output to an interface unit with a personal computer via an SMB cable. The output signal from the photodiode is A / D converted at 12-bit accuracy in this interface unit, and then sent to a personal computer as signal processing means. If this personal computer is assumed to be portable, a notebook type is preferable. However, the personal computer is not particularly limited and may be a desktop type.
パーソナルコンピュータに取り込まれた熱レンズ信号は、ソフトウェア(LABVIEW6.0、ナショナルインスツルメンツ社製)によって、ロックインアンプに用いられるアルゴリズムと同等の信号処理がなされ、パーソナルコンピュータの表示画面に表示され、信号値及び信号値の経時変化が記録される。ここで、ロックインアンプと同様の信号処理のためには、励起光を変調する変調信号に同期した変調信号を利用する必要がある。 The thermal lens signal captured by the personal computer is subjected to signal processing equivalent to the algorithm used for the lock-in amplifier by software (LABVIEW 6.0, manufactured by National Instruments) and displayed on the display screen of the personal computer. And the change over time of the signal value is recorded. Here, in order to perform signal processing similar to that of the lock-in amplifier, it is necessary to use a modulation signal synchronized with the modulation signal for modulating the excitation light.
パーソナルコンピュータ内部にはクロック機能が備えられており、このクロック機能を励起光の変調及び信号処理のための同期信号に用いることは可能であるが、前述したようにロックインアンプと同様の機能は容易に実現されない。すなわち、パーソナルコンピュータから受け取るクロック信号は、パーソナルコンピュータが行う各種処理に影響を受けるため、ロックインアンプと同等の精密な信号処理に用いるには不適である。そこで、フォトダイオードからの出力をA/D変換しパーソナルコンピュータに取り込むために設けたインターフェース部に、クロック発信源としての機能も備えさせることにより、前述のような問題点が解決された。 The personal computer has a clock function, and this clock function can be used as a synchronization signal for excitation light modulation and signal processing. Not easily realized. That is, since the clock signal received from the personal computer is affected by various processes performed by the personal computer, it is unsuitable for use in precise signal processing equivalent to a lock-in amplifier. Thus, the above-mentioned problems have been solved by providing an interface unit provided for A / D converting the output from the photodiode and taking it into a personal computer, also with a function as a clock transmission source.
分析に際しては、試料セルとして光路長2mmのガラスセル(株式会社水戸理科ガラス製)を用い、試料として濃度5μmol/Lのブリリアントグリーン水溶液を用いた。図6に分析結果の一例を示す。図6のグラフには、本実施例の結果(パーソナルコンピュータ上のソフトウェアで信号処理を行ったもの)と、市販のハードウェアであるロックインアンプ(5610B、NF回路ブロック社製) で信号処理を行った場合の結果とを、プロットしてある。図6から分かるように、いずれの場合もほぼ同様の結果が得られた。 In the analysis, a glass cell (manufactured by Mito Rika Glass Co., Ltd.) having an optical path length of 2 mm was used as a sample cell, and a brilliant green aqueous solution having a concentration of 5 μmol / L was used as a sample. FIG. 6 shows an example of the analysis result. In the graph of FIG. 6, the signal processing is performed by the result of this embodiment (the signal processing is performed by software on the personal computer) and the lock-in amplifier (5610B, manufactured by NF Circuit Block) which is a commercially available hardware. The results when plotted are plotted. As can be seen from FIG. 6, almost the same result was obtained in any case.
1 第一レーザー発光手段
2 第二レーザー発光手段
6 試料セル
8 光ファイバー
9 受光素子
10 光路変化手段
E 励起光
P プローブ光
21 励起光の光源
22 プローブ光の光源
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 1st laser light emission means 2 2nd laser light emission means 6
Claims (7)
前記励起光の光源を構成する第一半導体レーザー発光手段と、前記プローブ光の光源を構成する第二半導体レーザー発光手段と、前記熱レンズを透過した前記プローブ光を受光してその光強度に応じた電気信号を出力する受光手段と、前記電気信号を処理し分析結果を出力する信号処理手段と、前記第一半導体レーザー発光手段及び前記信号処理手段に共通して使用される変調信号を発生させる変調信号発生手段と、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 enters probe light into a thermal lens generated in a sample by incidence of excitation light and analyzes the sample based on a change by the thermal lens of the probe light at that time,
The first semiconductor laser light emitting means constituting the light source for the excitation light, the second semiconductor laser light emitting means constituting the light source for the probe light, and the probe light that has passed through the thermal lens are received according to the light intensity. A light receiving means for outputting an electrical signal; a signal processing means for processing the electrical signal and outputting an analysis result; and a modulation signal used in common for the first semiconductor laser light emitting means and the signal processing means. And a modulation signal generating means.
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