JP2008070172A - 分光蛍光光度計及びその補正方法 - Google Patents

Abstract

【課題】
発光量測定の際、波長の制約及び光学系に起因する誤差の影響を受けることなく、正確に積分球を補正することを目的とする。
【解決手段】
積分球を有する分光蛍光光度計に関して、ステップ１で積分球の試料設置部に光拡散素子を設置した状態にて、分光スペクトルを測定し、積分球の波長ごとの特性が含まれた蛍光強度を取得後、ステップ２で積分球を同光路上より除き、光拡散素子を同光路上に設置し、前記積分球と同様の条件で、積分球の波長特性を含まない分光スペクトルを取得し、ステップ３は、ステップ１により得られた分光スペクトルとステップ２で得られた分光スペクトルを比演算から積分球の波長特性を求める。
【選択図】図３

Description

本発明は、分光蛍光光度計及びその補正方法に関する。特に分光蛍光光度計に搭載した積分球のスペクトル補正に好適な技術に関する。

分光蛍光光度計は、励起側の光学系（光源・励起側分光器・ミラー・レンズ等），蛍光側の光学系（レンズ・ミラー・蛍光側分光器・検出器等）において各光学素子固有の波長特性があるため、これらの波長特性を含まないスペクトルを得るには、包括的に光学素子の波長特性を調べ、それらを装置関数として記憶し、スペクトルを補正する必要がある。

スペクトル補正をすることで、他の測定機器で取得したスペクトルの形状を比較することができる。また、スペクトルの補正は、試料が吸収した光を蛍光に変換する割合である量子収率を算出する際に必要となる。量子収率の算出は、試料の構造や蛍光の特性を考察するのに有用である。

励起側・蛍光側の光学系の補正に関しては、一般に、光量子計法と標準光源を用いる方法を併用したものがなされている。また、この補正法で可能な波長域（励起側で２００−６００ｎｍ、蛍光側で２００−９００ｎｍ）を拡張した方法として、例えば、特許文献１（特開平５−７２０３９号公報）がある。この方法を適用することにより、分光蛍光光度計において励起側・蛍光側で２００−９００ｎｍの領域で補正が可能となる。

液体試料測定の場合、上記の方法で光学素子の波長特性を補正することが可能である。固体試料測定の際には、一般に、試料表面の蛍光を測定するが、上記の方法でスペクトルの補正が可能であるのは、試料表面の一部の蛍光を検出する場合に限られたものとなる。これは、固体試料の表面が均一でないため、蛍光に方向依存性が生じるためであり、全方向の蛍光強度を測定するには、積分球を用いる必要が生じる。積分球は、内壁面に塗布されている白色材料（ＢａＳＯ₄ やテフロン（登録商標）系樹脂）に反射特性があるので、装置の特性のないスペクトルを得るためには、積分球を含めた波長特性を補正する必要がある。特に、紫外光を用いる際には、積分球の内面材料の吸収が強くなるため、補正が必要となる。

固体試料の全方向の蛍光強度を得る測定に、固体の量子収率の測定がある。固体の量子収率は、照明やディスプレイ機器に用いられる蛍光材料の特性評価のために測定される。固体試料の量子収率を測定するために、積分球の補正が必要となる。

例えば、非特許文献１(J.C. de Mello et al.“Adv. Mater．”9 (1997) pp230-pp232)によると、積分球を利用した蛍光スペクトルの取得においては、積分球を含む装置全体の波長特性についての記載はあるが、補正については検討されていない。

例えば、特許文献２（特開２００５−１７２７３１号公報）によると、積分球を使用して固体の発光素子の正確な絶対発光量を測定する装置を提案している。しかしながら、使用する積分球は、測定域の波長特性が既知である必要があり、積分球の補正方法については明記されていない。また、特許文献２にて使用される拡散反射板は、試料における発光状態の反射特性を校正するものであり、装置の校正に使用されるものではない。

また、積分球を校正する方法として、例えば、特許文献３（特開２００３−215041号公報）に標準光源を使用した方法が開示されている。

特開平５−７２０３９号公報 特開２００５−１７２７３１号公報 特開２００３−２１５０４１号公報 J.C. de Mello et al."Adv．Mater."9 (1997) pp230-pp232

固体試料の全方向の蛍光強度を得るためには、積分球を使用することが望ましい。特許文献１のスペクトル補正方法では、装置の光学部品の補正のみに適用され、積分球の補正法については、言及されていない。積分球を利用した蛍光スペクトルの取得がなされている非特許文献１においては、積分球を含む装置全体の波長特性を補正する必要があるが、補正については検討されていない。特許文献２では、積分球の補正方法については、言及されておらず、反射特性が既知の積分球を使用する必要がある。積分球の補正がなされている特許文献３の方法では、積分球の補正に、標準光源を積分球に入射させて積分球と蛍光側の分光器，検出器の補正を行っている。しかし、測定と異なる光源であるため、補正波長の制約を受ける。また、実際測定に使用する光源と標準光源は、光を導入する光学系やランプのプロファイルが異なることも誤差の可能性がある。標準光源から照射される光束は、点光源であり、実際に測定する試料の発光状態とは異なる。標準光源として一般的に用いられているハロゲンランプは、特に補正が必要である紫外域での放射強度が少なく、さらには積分球の内面材料の吸収が顕著なため、光拡散効率が低下し検知する光量は非常に少なくなる。そのため、この標準光源を用いる補正方法では、紫外域での補正の誤差が生じる可能性がある。

本発明によれば、波長の制約及び光学系に起因する誤差の影響を受けることなく、より正確に積分球を補正することを目的とする。

本発明の一つの特徴は、積分球を備えた分光蛍光光度計において、積分球の試料設置部に光拡散素子を設置した状態にて、波長ごとの積分球の波長特性が含まれた分光スペクトルを取得する第１の過程と、積分球を同光路上より除き、光拡散素子を同光路上に設置し、前記第１の過程と同様の条件で、波長ごとの積分球の波長特性が含まれない分光スペクトルを取得する第２の過程と、第１と第２の過程より得られた分光スペクトルから、積分球の波長特性を比演算より求めることにある。

本発明の上記の特徴及び他の特徴については、以下さらに説明する。

本発明によれば、波長の制約及び光学系に起因する誤差の影響少ない積分球の補正が可能となる。

（実施例１）
図１から図９を用いて、本願発明の実施例について説明する。

図１，図２は、積分球の補正に用いる装置の波長特性を求めるための説明図、図３は、本発明の実施例における積分球の補正方法に関するフローチャート、図４〜図６は、図１〜図３で取得した波形及び演算した補正係数の説明図、図７〜図９は、本発明の実施例における分光蛍光光度計の構成図である。

図１を用いて、積分球を搭載した分光蛍光光度計の構成の一例を説明する。光源１より照射された白色光は、励起側分光器２により単色光に分光される。分光された光は、ビームスプリッタ３により光路を２分され、一方は励起光のモニタ検知器４に、もう一方は試料室に設置された積分球６に導かれる。モニタ検知器４からの出力である電気信号は、例えば、アナログ信号であり、Ａ／Ｄ変換器９により変換され、デジタル信号（Ｍ）として励起光の変動をモニタする。積分球６に導入された光は、拡散反射しその一部が、蛍光側分光器７に取り込まれる。この光を分光し検知器８により検知する。検知器８からの出力である電気信号は、例えば、アナログ信号であり、Ａ／Ｄ変換器９により変換され、デジタル信号（Ｓ）を得る。デジタル信号（Ｍ）とデジタル信号（Ｓ）の比（Ｓ／Ｍ）がコンピュータ１０により算出され、この比が各波長の蛍光強度としてコンピュータ１０に記憶される。コンピュータ１０は、装置より出力される信号データを処理する演算部である。

図３に示すように、補正係数取得の手順は、大きく分けてステップ１よりステップ３の３つである。この手順で得られる波形を図４〜図６に示す。

図３に示すように、ステップ１で積分球６の特性を持った蛍光スペクトルを得る。ステップ１では、図１に示すように、積分球６の試料設置部１８には、励起光を試料の発光状態に近い状態で光を拡散させるために、光拡散素子５を設置しておく。光拡散素子５としては、酸化マグネシウムからなる素子，フロスト型拡散板，オパール型拡散板，硫酸バリウム又は酸化アルミニウム又はテフロン（登録商標）系樹脂からなる白色材料などの使用が考えられる。光拡散素子５は、各波長における拡散反射率の差が少なく、面内が均一であるものを使用することが望ましい。光拡散素子５の設置の角度は、ステップ２における角度と同じ傾斜をつけることで、不確かさを最小限にすることが望ましい。この角度は、ステップ２にて測定の際、光拡散素子５の表面における拡散光のみを検知する必要があるので、正反射光が直接検出器側の分光器に入射しない角度に設定することが望ましい。ここで、ステップ１とステップ２の測定系を同様にするために、光を透過する光拡散素子５を使用する際は、透過光は積分球６から透過するようにする。励起側分光器２，蛍光側分光器７により励起側，蛍光側の両波長を一致させながらの同時走査、もしくは、励起側，蛍光側のいずれかの波長を０次にして、もう一方の分光器の走査して、全波長域（λ＝
２００〜９００ｎｍ）の分光スペクトルを取得する。積分球６に照射された単色光は、波長ごとに積分球６の特性をもった光が拡散されるため、ステップ１では、装置（光源，分光器，検出器等）自体の波長特性Ｃｍ(λ)と、積分球６の波長特性Ｃｉ(λ)が含まれた分光スペクトルＩｉ(λ)が得られる。この測定結果は、図４に示す。

次に、図３のステップ２では、図２の光学系に示すように、積分球６を装置より取り外し、励起光光路と蛍光光路の直交する位置（一般的な分光蛍光光度計の液体セルを設置する箇所である。）に光拡散素子５をステップ１と同じの角度で設置する。ステップ１の分光スペクトルＩｉ(λ)を取得時と同様の条件にて、励起側分光器２，蛍光側分光器７により励起側，蛍光側の両波長を一致させながら同時走査、もしくは、励起側，蛍光側のいずれかの波長を０次にして、もう一方の分光器の走査して、全波長域（λ＝２００〜９００ｎｍ）の分光スペクトルＩｄ(λ)を取得する。同様に、この測定結果を、図４に示す。図４は、全波長域として、波長λ＝２００〜９００ｎｍを横軸に示す。そして、蛍光強度
（Ｉ）を縦軸とした図であり、図３のステップ１で求められる分光スペクトルＩｉ(λ)および図３のステップ２で求められる分光スペクトルＩｄ(λ)それぞれについて、波長(λ)に対する蛍光強度（Ｉ）が示される。

なお、ステップ１とステップ２の取得の順番は入れ替わってもかまわない。

ステップ１の分光スペクトルＩｉ(λ)は、以下の（数１）にて表される。
（数１）
Ｉｉ(λ)＝Ｃｉ(λ)×Ｓｄ(λ)×Ｃｍ(λ)×Ｉｒｉ(λ)
ここで、Ｃｉ(λ)：積分球の特性、Ｓｄ(λ)：光拡散素子の散乱、Ｃｍ(λ)：装置の特性、Ｉｒｉ(λ)：真の分光スペクトル、である。

また、ステップ２の分光スペクトルＩｄ(λ)は、以下の（数２）にて表される。
（数２）
Ｉｄ(λ)＝Ｓｄ(λ)×Ｃｍ(λ)×Ｉｒｄ(λ)
ここで、Ｉｒｄ(λ)：真の分光スペクトル
である。

Ｉｒｉ(λ)とＩｒｄ(λ)は、ステップ１とステップ２における真の分光スペクトルであり、強度は違うが、全体のスペクトルの形状は同じであると仮定できるので、以下の関係が成り立つ。
（数３）
Ｉｒｉ(λ)＝α×Ｉｒｄ(λ)
αは、規格化するための係数である。

あくまでも、蛍光光度計から得られるスペクトルの縦軸は、相対的な任意単位であり強度の値としての情報は意味を成さない。スペクトルの補正は、波長特性のないスペクトルの形状にすることが目的である。従って、補正係数取得の際は、全体のスペクトルの強度が補正前と大きく変化しないように、ある波長の係数が１になるように、全体を規格化することが好ましい。

図３のステップ３では、ステップ１で得られた分光スペクトルＩｉ(λ)とステップ２で得られた分光スペクトルＩｄ(λ)を比演算することで、全波長域（λ＝２００〜９００
ｎｍ）の補正係数Ｆｉ(λ)が算出される。光拡散素子５により、拡散された光は、光拡散素子５に起因する散乱の波長特性Ｓｄ(λ)が生じるが、本発明における実施例では、積分球６の試料設置位置に同じ光拡散素子５を同じ状態で設置するため、この散乱状態の影響は打ち消され積分球６の波長特性Ｃｉ(λ)のみの情報を得ることができる。

この算出結果は、以下の（数４）で表される。また、積分球６の波長特性Ｃｉ(λ)及び補正係数Ｆｉ(λ)を図５及び図６に示す。図５は、全波長域として、波長λ＝２００〜
９００ｎｍを横軸に示す。そして、光拡散素子の値である光拡散素子５に起因する散乱の波長特性Ｓｄ(λ)の値を１として規格化した相対蛍光強度（Ｓ）を縦軸とした図であり、散乱状態の影響は打ち消されているので、積分球６の波長特性のみがＣｉ(λ)として得られることがわかる。図６は、全波長域として、波長λ＝２００〜９００ｎｍを横軸に示す。そして、補正係数（Ｆ）を縦軸とした図であり、全波長域（λ＝２００〜９００ｎｍ）の補正係数Ｆｉ(λ)が示される。図中の点線は、所定の波長の補正係数を１とすることを示している。

ここで、（数３）より、Ｉｒｉ(λ)＝α×Ｉｒｄ(λ)であるから、

積分球６の補正係数Ｆｉ(λ)は、積分球６の波長特性α×Ｃｉ(λ)の逆数をとることで算出される。

（数６）
Ｆｉ(λ)＝１／（α×Ｃｉ(λ)）
さらに、図７に示す一般的な構成の分光蛍光光度計で得られた装置（光源，分光器，検出器等）の補正係数と本発明の実施例にて得られる積分球６の補正係数を掛け合わせることにより、積分球６を含めた装置全体の補正ができる。図７に示す分光蛍光光度計は、図１の構成に対して、積分球６の代わりに、測定対象である測定試料１６と試料設置部（セル）１５とが配置される。そして、光源１から放射される光線は、励起側分光器２に入射する。励起側分光器２の設定波長は、励起側パルスモータ１２によって変えられる。励起側パルスモータ１２の動作は、例えばコンピュータ１０の中にあらかじめプログラムされており、インタフェース１３を介して制御される。所期の励起波長を操作パネル１４でキーインすることによって、励起側分光器２の波長が設定される。励起側分光器２によって取り出された単色光は、試料設置部（セル）１５内の測定試料１６を照射し、測定試料
１６から放射された蛍光は蛍光側分光器７に入射する。蛍光側分光器７は蛍光側パルスモータ１１によって駆動されるが、その動作は励起側パルスモータ１２と同様に、コンピュータ１０により制御される。蛍光側分光器７により選択された波長の蛍光は、検知器８に入射し、電気信号に変換される。その電気信号は、アナログ−デジタル変換器であるＡ／Ｄ変換器９によりデジタル信号に変えられる。一方、励起側分光器２から取り出された単色光の一部は、光源光量モニタのためビームスプリッタ３を介して、モニタ検知器４に入射し、電気信号に変換される。この電気信号も、Ａ／Ｄ変換器９によりデジタル信号に変えられる。検知器８からのデジタル信号（Ｓ）と、モニタ検知器４からのデジタル信号
（Ｍ）は、コンピュータ１０に送られ、比（Ｓ／Ｍ）が算出され、この比が各波長における蛍光強度として、コンピュータ１０に記憶される。

ここで、励起側，蛍光側の全波長域における光学素子（光源，分光器，検出器等）の波長特性の補正が可能な、例えば特開平５−７２０３９号公報記載の既知の補正方法を併用することで、全波長域で積分球６を含めた装置全体の波長特性の補正が可能となる。光学素子における波長特性の補正係数をＦｍ(λ)とすると、積分球６を搭載した分光蛍光光度計における特性の無い真の蛍光スペクトルＩｒｉ(λ)は、以下の（数７）によって表される。

（数７）
Ｉｒｉ(λ)＝Ｆｉ(λ)×Ｆｍ(λ)×Ｉｉ(λ)
本発明の他の実施例として、図８，図９に示す構成のような測定試料であるサンプルの設置の手法にも適用が可能である。図８は、光を透過しない試料１９を測定する際の測定系である。光を透過しない試料１９を測定する際は、積分球６に設けられたビームスプリッタ３からの光の入射穴と対極にある積分球試料設置部１８に光を透過しない試料１９を設置し、蛍光スペクトルを取得する。その他の構成は図１及び図７で説明した同一符号の構成と同様の構成になっている。

図９は、光を透過する試料２０（例えば、基板や薄膜等）を測定する際の測定系である。光を透過する試料２０の場合は、積分球６に設けられたビームスプリッタ３からの光の入射穴と対極にある積分球試料設置部１８に光を透過する試料２０を設置すると光を透過する試料２０の背面からの蛍光が積分球６に取り込めなくなるので、積分球６の内部に光を透過する試料２０を設置し、積分球６に設けられたビームスプリッタ３からの光の入射穴と対極にある出射ポートでは副白板１７で出射穴を塞ぐことで正確な蛍光量を測定することができる。積分球６内部の測定試料の設置箇所は、蛍光側分光器７および検知器８が設置される検出側の出射穴から積分球６の中央部に対して同一直線上にならないように、設置することが望ましい。その他の構成は図１及び図７で説明した同一符号の構成と同様の構成になっている。

以上説明した分光蛍光光度計及びその補正方法を用いることにより、特別な標準光源を用意することなしに、容易に手に入る光拡散素子を用いることで、試料の発光状態に近い状態で補正係数を得ることができる。これによって、より正確な積分球の補正が可能となる。また、測定に用いる励起光源を使用するため、波長の制限を受けず、全域にわたり積分球の波長特性の補正が可能となる。

本発明の実施例におけるスペクトル補正に用いる装置の構成図。 本発明の実施例におけるスペクトル補正に用いる装置の構成図。 上記スペクトル補正の一例を示すフローチャート。 波形の説明図。 波形の説明図。 波形の説明図。 本発明の実施例の説明に用いる分光蛍光光度計の構成図。 本発明の実施例の説明に用いる分光蛍光光度計の構成図。 本発明の実施例の説明に用いる分光蛍光光度計の構成図。

符号の説明

１ 光源
２ 励起側分光器
３ ビームスプリッタ
４ モニタ検知器
５ 光拡散素子
６ 積分球
７ 蛍光側分光器
８ 検知器
９ Ａ／Ｄ変換器
１０ コンピュータ
１１ 蛍光側パルスモータ
１２ 励起側パルスモータ
１３ インターフェイス
１４ 操作パネル
１５ 試料設置部（セル）
１６ 測定試料
１７ 副白板
１８ 積分球試料設置部
１９ 光を透過しない測定試料
２０ 光を透過する試料

Claims (4)

1. 積分球を備えた分光蛍光光度計において、積分球の試料設置部に光拡散素子を設置した状態にて、波長ごとの積分球の波長特性が含まれた分光スペクトルを取得する第１の過程と、積分球を同光路上より除き、光拡散素子を同光路上に設置し、前記第１の過程と同様の条件で、波長ごとの積分球の波長特性が含まれない分光スペクトルを取得する第２の過程と、第１と第２の過程より得られた分光スペクトルから、積分球の波長特性を比演算より求めることを特徴とする分光蛍光光度計の補正方法。
2. 積分球を備えた分光蛍光光度計において、積分球の試料設置部に光拡散素子を設置した状態にて、励起側分光器，蛍光側分光器により励起側，蛍光側の両波長を一致させながら同時走査して分光スペクトルを測定し、波長ごとの積分球の波長特性が含まれた分光スペクトルを取得後、波長ごとの積分球の波長特性が含まれた分光スペクトルを取得する第１の過程と、積分球を同光路上より除き、光拡散素子を同光路上に設置し、前記第１の過程と同様の条件で、波長ごとの積分球の波長特性が含まれない分光スペクトルを取得する第２の過程と、第１と第２の過程より得られた分光スペクトルから、積分球の波長特性を比演算より求めることを特徴とする分光蛍光光度計の補正方法。
3. 積分球を備えた分光蛍光光度計において、積分球の試料設置部に光拡散素子を設置した状態にて、励起側分光器，蛍光側分光器により励起側，蛍光側のいずれかの波長を０次にして、もう一方の分光器の走査により分光スペクトルを測定し、波長ごとの積分球の波長特性が含まれた分光スペクトルを取得後、波長ごとの積分球の波長特性が含まれた分光スペクトルを取得する第一の過程と、積分球を同光路上より除き、光拡散素子を同光路上に設置し、前記第１の過程と同様の条件で、波長ごとの積分球の波長特性が含まれない分光スペクトルを取得する第２の過程と、第１と第２の過程より得られた分光スペクトルから、積分球の波長特性を比演算より求めることを特徴とする分光蛍光光度計の補正方法。
4. 光源と分光器と検出器と検出器からの信号データを演算する演算部とを有し、前記演算部において、積分球の試料設置部に光拡散素子を設置した状態にて、波長ごとの積分球の波長特性が含まれた分光スペクトルを取得する第１の過程と、積分球を同光路上より除き、光拡散素子を同光路上に設置し、前記第１の過程と同様の条件で、波長ごとの積分球の波長特性が含まれない分光スペクトルを取得する第２の過程と、第１と第２の過程より得られた分光スペクトルから、積分球の波長特性を補正することを特徴とする分光蛍光光度計。

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