JP2006194812A

JP2006194812A - 分光蛍光光度計

Info

Publication number: JP2006194812A
Application number: JP2005008703A
Authority: JP
Inventors: Taro Osumi; 太郎大隅
Original assignee: Shimadzu Corp
Current assignee: Shimadzu Corp
Priority date: 2005-01-17
Filing date: 2005-01-17
Publication date: 2006-07-27

Abstract

【課題】近赤外蛍光測定を行う分光蛍光光度計において波長校正を簡便に且つ低コストで行う。
【解決手段】波長校正時には、駆動部２６により励起分光器２の回折格子２１での回折光が０次光となるように回転位置を設定し、駆動部３５により入射光路上に試料セル３に替えてミラー３４を位置させる。励起光源１１であるキセノンランプは近赤外波長領域に複数の輝線スペクトルを有し、そのスペクトルが保存された光が蛍光分光器４の入口スリット４４に入射する。そこで、蛍光分光器４の回折格子４１を回動させて波長走査を行い、信号処理部７はそれに応じて検出器５１で得られた検出信号に基づいて蛍光スペクトルを作成する。制御部６はその蛍光スペクトルに現れる輝線スペクトルの波長と本来の輝線スペクトルの既知の真の波長との差に基づいて、蛍光分光器４の波長を校正する。これにより、波長校正用の低電圧水銀灯も光電子増倍管も不要になる。
【選択図】図１

Description

本発明は分光蛍光光度計に関し、更に詳しくは、励起光に対して試料から放出される近赤外波長領域の蛍光を分析する近赤外用の分光蛍光光度計に関する。

一般的な分光蛍光光度計の光学系の概略構成を図４に示す。即ち、励起光源１１から放射された光を励起分光器２に導入し、所定波長の単色光である励起光を取り出して蛍光性の試料Ｓに照射する。これに応じて試料Ｓから放出された蛍光は蛍光分光器４に導入され、蛍光分光器４により、励起光の反射や散乱、ラマン散乱光などの不所望の波長を除去しつつ所定波長の蛍光のみを選択し検出器５１に導入する。通常、励起分光器２で取り出される励起光の波長は試料Ｓから放出される蛍光の強度が最大になるように決められ、励起光の波長を固定した状態で蛍光分光器により波長走査を行い、その際に検出器５１で得られる信号に基づいて蛍光スペクトルを作成する。

励起光源１１としては、紫外波長領域から可視波長領域に亘って幅広い範囲で連続スペクトルを有するキセノンランプが一般に使用される。一方、検出器としては、上記のような波長領域で高い検出感度を有する光電子増倍管が使用されることが多い。また、蛍光スペクトルを作成するためには、蛍光分光器における波長分散素子である回折格子の回転角度と取り出される光の波長との対応関係を予め求めるべく波長校正を行う必要があるが、波長校正には波長が既知である輝線スペクトルが必要である。キセノンランプは紫外・可視波長領域に明確な輝線スペクトルを持たないため、波長校正にはそうした輝線スペクトルを持つ低圧放電水銀灯が光源として使用される。

従来、上記のような分光蛍光光度計による検出対象は紫外・可視領域の蛍光のみであったが、近年、カーボンナノチューブ等の特性を測定するのに近赤外蛍光分光法が有用であることが知られるようになってきており、近赤外波長領域の蛍光を測定可能な分光蛍光光度計が開発されている（例えば非特許文献１など参照）。従来検出器として使用されていいる光電子増倍管は近赤外波長領域における感度が殆どないため、近赤外光の検出には近赤外波長領域に高い感度を有する半導体光検出器（固体InGaAs検出器やPbS検出器など）が使用される。非特許文献１に記載の分光蛍光光度計では、紫外・可視波長領域から近赤外波長領域までの蛍光測定を行うために光電子増倍管と固体InGaAs検出器とを併設し、ミラーによって使用する検出器を選択できるようにしている。

半導体光検出器は紫外・可視波長領域に殆ど感度を持たないため、上記のように幅広い波長範囲の蛍光測定に対応するためには、検出器として光電子増倍管と併用する必要がある。これに対し、例えばカーボンナノチューブの構造解析等の特定の目的のために、紫外・可視波長領域の励起光を用いて近赤外波長領域の蛍光を測定するのであれば、光電子増倍管を備える必要はない。即ち、近赤外波長領域の蛍光測定に目的を特化した分光蛍光光度計（本明細書では、こうした分光蛍光光度計を近赤外分光蛍光光度計と呼ぶ）では、光電子増倍管を省くことによりコストダウンを図ることができる筈である。

ところが、上述したように半導体光検出器は紫外・可視波長領域に殆ど感度を持たず、逆に、波長校正用光源である低圧放電水銀灯は近赤外波長領域には波長校正に利用できるような輝線スペクトルを持たない。そのため、近赤外分光蛍光光度計では、蛍光測定自体には必要なくても波長校正を行うために紫外・可視波長領域に感度を有する光電子増倍管を備える必要があり、上記のようなコストダウンを阻む要因になっている。

「ホリバ・ジョバンイボン近赤外蛍光分光測定装置」、[online]、株式会社堀場製作所、[平成１７年１月１４日検索]、インターネット<URL : http://www.jyhoriba.jp/product_j/spex/nir/index.htm>

本発明は上記課題を解決するために成されたものであり、その主な目的は、近赤外波長領域の蛍光を測定するための近赤外分光蛍光光度計において正確な蛍光スペクトルを作成するための波長校正を簡便に、且つ本来の蛍光測定には不要な光学部品をできるだけ使用せずに行えるようにした分光蛍光光度計を提供することにある。

一般に励起光の波長は蛍光の波長よりも短く、近赤外波長領域の蛍光を測定する場合でも励起光は紫外・可視波長領域である。この波長領域では、励起光源として使用するキセノンランプの放射光は連続スペクトル光である。これに対し、通常の蛍光測定では使用しない波長領域ではあるが、キセノンランプでは近赤外領域（特に８００〜１５００ｎｍ程度）にはキセノン元素に由来する輝線スペクトルが多数存在する。そこで、本発明者は励起光源として使用するキセノンランプがもともと持っている、近赤外波長領域における複数の輝線スペクトルに着目し、この輝線スペクトルを蛍光分光器の波長校正に活用することに想到した。

即ち、上記課題を解決するために成された本発明に係る分光蛍光光度計は、キセノンランプである励起光源から放射された光を励起分光器により分光して単色光化し、その所定波長の励起光を試料に照射してそれに対して該試料から放出された蛍光を蛍光分光器に導入し、該蛍光分光器により分光された蛍光を近赤外波長領域に感度を有する検出器で検出する分光蛍光光度計において、
a)前記励起分光器に導入された励起光を分光することなく該励起分光器から出射させる励起側分光回避手段と、
b)前記励起分光器の出射口から前記試料までの励起光の光路上に介挿され又は該試料に替えて挿入され、前記励起分光器から出射された光の全て又は一部を前記蛍光分光器に導入する光束案内手段と、
c)前記励起側分光回避手段により分光されていない光が前記励起分光器から出射し、前記光束案内手段によりその光の全て又は一部が前記蛍光分光器に導入されている状態において、前記検出器で検出された信号と、前記励起光源による放射光中の近赤外波長領域に現れる輝線スペクトルの既知の波長情報とに基づいて、前記蛍光分光器の波長を校正する波長校正手段と、
を備えることを特徴としている。

本発明に係る分光蛍光光度計において、励起側分光回避手段により分光されていない光を励起分光器から出射させ、光束案内手段によりその光の全て又は一部を蛍光分光器に導入するようにすると、励起光源からの放射スペクトルが殆ど保存されたままの光が蛍光分光器に導入される。この状態で波長校正手段は、例えば蛍光分光器に含まれる回折格子を少しずつ回動させることで検出器に入射する単色光化された蛍光の波長を走査し、蛍光スペクトルに対応する検出信号を取得する。或いは、検出器がフォトダイオードアレイ型検出器のように多数の波長の強度信号を同時に取得できるものである場合には、回折格子の回動操作は必要なく、単に検出器における各フォトダイオード素子の検出信号を取り込む。

検出器で検出された信号に基づいて作成される蛍光スペクトルにはキセノンランプが持つ輝線スペクトルが現れる筈であり、そのスペクトル上での輝線スペクトルのピーク波長と、輝線スペクトルに関する既知の波長情報（真の波長）との差が蛍光分光器に起因する波長ずれである。そこで、波長校正手段はこの差に基づいて、例えば波長ずれができるだけゼロに近くなるように波長校正を行う。これにより、蛍光測定に使用する励起光源を利用し、且つ検出器としては近赤外波長領域のみに感度を有する（つまり紫外・可視波長領域には感度を持たない）検出器を利用して蛍光分光器の波長校正を行うことができる。

本発明に係る分光蛍光光度計によれば、近赤外波長領域のみの蛍光測定を行う場合に、その蛍光測定のためにもともと設けられている近赤外光用の検出器（例えば半導体光検出器）及び励起光源であるキセノンランプを利用して正確な波長校正を達成することができる。したがって、波長校正のみを目的として、低圧水銀放電灯等の波長校正用光源や紫外・可視波長領域に高い感度を持つ光電子増倍管をわざわざ設ける必要がなく、装置の低コスト化及び小形化を図ることができる。

また本発明に係る分光蛍光光度計では、励起側分光回避手段の具体的な態様として各種のものが考えられるが、例えば励起分光器が波長分散素子としての回折格子と該回折格子を回動させて該回折格子に対する光の入射角を変化させる駆動手段とを含む構成である場合、励起側分光回避手段は、回折格子の回折光が０次光となるようにその角度を設定するべく駆動手段を制御する構成とすることができる。

即ち、回折格子の回折光が０次光となるような条件の下では分光は行われず、回折格子に入射した光がそのまま反射して出てゆく。したがって、この構成によれば、特に付加的な部品を用いることなく、適切な制御のみによって励起分光器での分光を回避することができる。もちろん、通常の蛍光測定の機能も何ら損なわれない。

また光束案内手段の具体的な態様も各種のものが考えられるが、例えば、励起分光器から到来する光を反射する反射鏡を試料に替えて挿入する構成とすることができる。

この構成によれば、試料に励起光を照射するための光路及び試料から放出された蛍光を分光分析するための光路を変更したり、それら光路の途中に別の光学部品を介挿したりする必要がないので、装置の構成が複雑にならずに済む。また特に、試料と上記反射鏡とを駆動源により自動的に入れ替え可能な構成としておくことにより、必要なときに簡単な操作で以て波長校正や波長精度の確認が可能となり、装置の操作性が高まる。

［実施例］
以下、本発明の一実施例である近赤外分光蛍光光度計について、図１〜図３を参照して説明する。図１は本実施例による近赤外分光蛍光光度計の光学系を中心とする要部の構成図である。

図１において、光源部１は励起光源１１とミラー１２とを含む。励起分光器２は、駆動部２６により回動される回折格子２１と、２つのミラー２２、２３と、入口スリット２４と、出口スリット２５とを含む。試料セル部３は駆動部３５により軸３２を中心に回転自在のホルダ３１と、該ホルダ３１の所定位置に固定された試料セル３３と、同じくホルダ３１の所定位置に固定された波長校正用ミラー３４とを含む。蛍光分光器４は、駆動部４６により回動される回折格子４１と、２つのミラー４２、４３と、入口スリット４４と、出口スリット４５とを含む。検出部５は検出器５１とミラー５２とを含む。また、試料セル部３への入射光路上及び出射光路上にはそれぞれミラー３６、３７が設けられている。

検出器５１による検出信号は信号処理部７に入力され、信号処理部７において所定の信号処理が施されることにより蛍光スペクトルが作成される。制御部６は信号処理部７や駆動部２６、３５、４６等の動作を制御することで、後述するように所望の試料に対する蛍光分光測定を実行するとともに、こうした測定のための蛍光分光器４の波長校正動作を実行する。

励起光源１１は高い放射強度を有するキセノン（Ｘｅ）ランプである。図３はこのキセノンランプの放射光のスペクトルの一例を示す図である。放射光のスペクトルは紫外波長領域から近赤外波長領域までの幅広い波長範囲（２００ｎｍ〜２０００ｎｍ）に亘る連続スペクトル（色温度：約６０００Ｋ）となっている。また、キセノンランプはキセノンガスを封入した放電管であるから、連続スペクトル以外に、キセノン元素に由来する輝線スペクトルが近赤外波長範囲、特に８００〜１５００ｎｍの波長範囲内に複数存在する。一方、検出器５１は例えば固体InGaAs検出器であり、８００〜１７００ｎｍの近赤外波長領域に感度を有する。

まず、制御部６による制御の下に、試料セル３３に収容された試料Ｓの蛍光分光測定を行う場合の動作について説明する。このときには、図１に示すようにミラー３６による入射光の光路上に試料セル３３が位置するようにホルダ３１の回転位置が決められる。

励起光源１１から放射された光はミラー１２で反射されて励起分光器２に送られる。励起分光器２では、入口スリット２４で光域が制限された入射光がミラー２２で反射されて回折格子２１に入射し、回折格子２１で波長分散された光はミラー２３で反射されて出口スリット２５に送られる。回折格子２１は駆動部２６により所定範囲で回動可能となっており、その回転角度に応じて出口スリット２５を通過する単色光の波長が変化する。こうして励起分光器２から取り出された単色光である励起光はミラー３６で反射されて、試料セル３３内の試料Ｓに照射される。

この励起光に応じて試料Ｓから放出された蛍光はミラー３７で反射されて蛍光分光器４に送られる。蛍光分光器４では励起分光器２と同様に、入口スリット４４で光域が制限された入射光がミラー４２で反射されて回折格子４１に入射し、回折格子４１で波長分散された光はミラー４３で反射されて出口スリット４５に送られる。回折格子４１は駆動部４６により所定範囲で回動可能となっており、その回転角度に応じて出口スリット４５を通過する単色光の波長が変化する。こうして蛍光分光器４から取り出された単色光である蛍光はミラー５２で反射されて検出器５１に導入される。

試料Ｓの蛍光スペクトルを測定する際には、通常、励起分光器２において取り出される単色光（励起光）の波長は近赤外波長領域で試料Ｓから放出される蛍光強度が最も高くなるような波長に固定される。このように励起光の波長が固定された状態で、駆動部４６により回折格子４１を少しずつ回動させることで蛍光分光器４より取り出される単色光（蛍光）の波長を順次走査し、その各波長毎の蛍光強度信号を検出器５１で取得する。信号処理部７がこうして取得した検出信号に基づいて蛍光スペクトルを作成するためには、回折格子４１の回転位置（又はその回転駆動のための駆動部４６への制御信号など）と波長との対応関係を予め確定しておく必要がある。そのために、本実施例の近赤外分光蛍光光度計では次のようにして蛍光分光器４の波長校正を実行する。

波長校正を行う際には、制御部６は駆動部２６により、励起分光器２において回折格子２１に対する光の入射角と出射角（反射角）とが等しくなる回転位置に来るように回折格子２１を回動させる。また制御部６は駆動部３５によりホルダ３１を回動させ、ミラー３６で反射して来た入射光の光路上に、試料セル３３に替えて波長校正用ミラー３４を位置させる。このときの光路を図２に示す。

励起分光器２では、回折格子２１に対する入射光は回折格子２１の格子面で鏡面反射し出口スリット２５に到達する。回折格子の分光の原理より、上記入射及び出射条件の下では回折光は０次光となって全ての波長で直進するため分光は行われない。つまり、出口スリット２５から取り出される光は単色光ではなく、分光されていない連続スペクトルを持つ光となる。したがって、図３に示したような励起光源１１の放射スペクトルが殆どそのまま保存された光がミラー３６で反射されて試料セル部３に向かって進行する。

図２に示すように試料セル部３に入射して来る光はホルダ３１に取り付けられた波長校正用ミラー３４でほぼ直角に反射されてミラー３７に向かい、このミラー３７で反射されて蛍光分光器４の入口スリット４４に集光される。したがって、このときには励起光源１１であるキセノンランプから放射された、図３に示した連続スペクトルを有する光がそのまま蛍光分光器４の入口スリット４４に導入されることになる。この状態で、制御部６は駆動部４６により蛍光分光器４の回折格子４１を少しずつ回動させてゆき、出口スリット４５から取り出される単色光の波長を所定の近赤外波長領域の範囲（例えば検出器５１が感度を有する８００〜１７００ｎｍの範囲）で順次走査する。そして、この波長走査に応じた蛍光強度を検出器５１で検出し、信号処理部７はその検出信号に基づいて近赤外波長領域での蛍光スペクトルを作成する。

上述したようにキセノンランプでは近赤外波長領域に現れる複数の輝線スペクトルの真の波長は既知であるから、制御部６は、各輝線スペクトルの真の波長と、上記測定によって得られた蛍光スペクトル上に現れている各輝線スペクトルの波長（実測波長）とのずれができるだけゼロになるように蛍光分光器４の波長を校正する。具体的には、例えば回折格子４１の角度を変化させるために駆動部４６に送出する制御信号（例えば駆動部４６の駆動源がステップモータである場合には、該ステップモータに印加するパルスの数）を調整することにより蛍光分光器４の波長を校正し、信号処理部７で作成される蛍光スペクトルの波長軸を正確なものとすることができる。

［変形例］
上記実施例の構成では、試料セル３３の代わりにミラー３４を置くことで励起光源１１から放射された連続スペクトルを有する光を蛍光分光器４の入口スリット４４に導くようにしていたが、例えば試料セル部３に光を集光するミラー３６の代わりに光を意図的に散乱させるテフロン（登録商標）ブロック等の光散乱素子を置いてもよい。この構成では、光散乱素子で散乱された光の一部が蛍光分光器４の入口スリット４４に導入されるため、上記のようにミラー３６、３４、３７で反射させた光を入口スリット４４に導入する場合に比べて光量は下がる。しかしながら、こうした散乱光の利用でも必要十分な光量が得られる場合には、上述した波長校正用ミラーなどの光学素子を使用せずに済むのでコスト低減が可能となる。

また、上記実施例では蛍光分光器４において回折格子４１を回動させることで波長走査を行っていたが、検出器５１として多数のフォトダイオードを直線状に並べたアレイ型の近赤外検出器（近赤外フォトダイオードアレイ検出器）を使用し、出口スリット４５を除去して回折格子４１の位置を固定した状態で波長分散光を同時にアレイ型近赤外検出器に導入するようにしてもよい。この場合、波長校正は、アレイ型近赤外検出器の１個ずつのフォトダイオードの位置と波長との対応関係を調整することで達成できる。

また、上記実施例では、駆動部３５の駆動力により本来の測定対象である試料セル３３と波長校正用ミラー３４とを入れ替える構成としていたが、ユーザーが手動で両者を切り替える構成としたり入れ替える構成としたりしてもよい。

また、上記実施例は本発明の一例であって、上記変形例以外についても、本発明の趣旨の範囲で適宜変更、修正、追加を行っても本願特許請求の範囲に包含されることは明らかである。

本発明の一実施例による近赤外分光蛍光光度計の光学系を中心とする要部の構成図。図１の近赤外分光蛍光光度計において蛍光分光器の波長校正を行う際の試料セル部の状態を示す図。本実施例による近赤外分光蛍光光度計の励起光源であるキセノンランプの放射スペクトルを示す図。一般的な分光蛍光光度計の概略構成図。

符号の説明

１…光源部
１１…励起光源
１２…ミラー
２…励起分光器
２１…回折格子
２２、２３…ミラー
２４…入口スリット
２５…出口スリット
２６…駆動部
３…試料セル部
３１…ホルダ
３２…軸
３３…試料セル
３４…波長校正用ミラー
３５…駆動部
３６、３７…ミラー
４…蛍光分光器
４１…回折格子
４２、４３…ミラー
４４…入口スリット
４５…出口スリット
４６…駆動部
５…検出部
５１…検出器
５２…ミラー
６…制御部
７…信号処理部
Ｓ…試料

Claims

キセノンランプである励起光源から放射された光を励起分光器により分光して単色光化し、その所定波長の励起光を試料に照射してそれに対して該試料から放出された蛍光を蛍光分光器に導入し、該蛍光分光器により分光された蛍光を近赤外波長領域に感度を有する検出器で検出する分光蛍光光度計において、
a)前記励起分光器に導入された励起光を分光することなく該励起分光器から出射させる励起側分光回避手段と、
b)前記励起分光器の出射口から前記試料までの励起光の光路上に介挿され又は該試料に替えて挿入され、前記励起分光器から出射された光の全て又は一部を前記蛍光分光器に導入する光束案内手段と、
c)前記励起側分光回避手段により分光されていない光が前記励起分光器から出射し、前記光束案内手段によりその光の全て又は一部が前記蛍光分光器に導入されている状態において、前記検出器で検出された信号と、前記励起光源による放射光中の近赤外波長領域に現れる輝線スペクトルの既知の波長情報とに基づいて、前記蛍光分光器の波長を校正する波長校正手段と、
を備えることを特徴とする分光蛍光光度計。
前記励起分光器は、波長分散素子としての回折格子と、該回折格子を回動させて該回折格子に対する光の入射角を変化させる駆動手段と、を含み、前記励起側分光回避手段は、前記回折格子の回折光が０次光となるようにその角度を設定するべく前記駆動手段を制御するものであることを特徴とする請求項１に記載の分光蛍光光度計。
前記光束案内手段は、前記励起分光器から到来する光を反射する反射鏡を前記試料に替えて挿入するものであることを特徴とする請求項１又は２に記載の分光蛍光光度計。