JP2009052893A - Solution characteristic measuring instrument and solution characteristic measuring method - Google Patents
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Abstract
Description
この発明は、溶液の特性を測定するための溶液特性測定装置および溶液特性測定方法に関し、より特定的にはテラヘルツ波を用いて溶液の光学特性を測定する技術に関する。 The present invention relates to a solution characteristic measuring apparatus and a solution characteristic measuring method for measuring a characteristic of a solution, and more particularly to a technique for measuring an optical characteristic of a solution using a terahertz wave.
近年、量子エレクトロニクスや半導体工業の進歩によって、テラヘルツ波を応用した様々な技術が提案されている。テラヘルツ波は、周波数が約0.1〜10THz(波長が3μm〜300μm)の電磁波である。このようなテラヘルツ波の応用の一例として、溶液の光学特性を測定する技術が提案されている。 In recent years, various technologies applying terahertz waves have been proposed due to advances in quantum electronics and the semiconductor industry. Terahertz waves are electromagnetic waves having a frequency of about 0.1 to 10 THz (wavelength is 3 μm to 300 μm). As an example of application of such terahertz waves, a technique for measuring the optical characteristics of a solution has been proposed.
テラヘルツ波が存在する遠赤外領域(テラヘルツ領域)の吸収スペクトルは、原子間の振動状態や分子間相互作用(代表的に、ファンデルワールス力)などの低エネルギーの相互作用を反映している。テラヘルツ領域で溶液の特性を測定することで、高分子の構造変化の時間的解析なども可能となる。ところが、一般的に、水はテラヘルツ領域において大きな吸収ピークをもつ。そのため、測定対象の試料(溶質)を水に溶解させた溶液(水溶液)に対して、テラヘルツ領域のスペクトルを測定する場合、水の吸収がほとんどない紫外領域や可視領域と同一の手法を用いることは難しい。 The absorption spectrum in the far-infrared region (terahertz region) where terahertz waves exist reflects low-energy interactions such as vibrational states between atoms and intermolecular interactions (typically van der Waals forces). . By measuring the properties of the solution in the terahertz region, it becomes possible to analyze the structure of the polymer over time. However, in general, water has a large absorption peak in the terahertz region. Therefore, when measuring the spectrum in the terahertz region for a solution (aqueous solution) in which the sample (solute) to be measured is dissolved in water, use the same technique as in the ultraviolet region and visible region where there is little water absorption. Is difficult.
たとえば、非特許文献1には、対象となる溶液にテラヘルツ波を透過させて、溶液の特性を分光測定する方法が開示されている。このような透過型の分光測定方法によれば、予めレファレンス値(レファレンススペクトル)を取得しておき、このレファレンス値を基準にして、溶液に対するテラヘルツ波の吸光率や透過率を算出する。
一般的に、赤外領域や可視領域においては、溶質の吸光率は溶媒の吸光率に比較して高く、また溶液中の溶質の濃度はそれほど高くない。そのため、レファレンス値としては、溶質を含まない溶媒のみの状態(たとえば、水だけ)で取得できる。すなわち、溶液に対する溶質の濃度を高めるにつれて透過率は低下するため、レファレンス値を基準にして、対象の溶液についての特性値を算出できる。 In general, in the infrared region and the visible region, the absorbance of a solute is higher than that of a solvent, and the concentration of the solute in the solution is not so high. Therefore, the reference value can be obtained in a state of only a solvent not containing a solute (for example, only water). That is, since the transmittance decreases as the concentration of the solute with respect to the solution is increased, the characteristic value for the target solution can be calculated based on the reference value.
これに対して、テラヘルツ領域においては、溶質の吸光率は溶媒の吸光率に比較して低いことが多い。そのため、溶液における溶質の濃度を高めるにつれて透過率は増加することになる。この結果、従来の方法で取得されたレファレンス値を用いたのでは、その特性値を正確に算出することができないという問題がある。 On the other hand, in the terahertz region, the absorbance of the solute is often lower than that of the solvent. Therefore, the transmittance increases as the concentration of the solute in the solution is increased. As a result, there is a problem that the characteristic value cannot be accurately calculated by using the reference value acquired by the conventional method.
上述の非特許文献1では、テラヘルツ波を透過する高密度ポリエチレンバック(high-density polyethylene bag)にサンプル溶液を入れ、このポリエチレンバックを2つの平行ウィンドウ(parallel windows)で挟み、平行ウィンドウ間の距離(path length)を調整しながら、吸光度を測定する方法が開示されている。
In the above-mentioned Non-Patent
しかしながら、この非特許文献1に開示された方法では、溶液を入れたポリエチレンバックを保持したまま平行ウィンドウ間を正確に調整する必要があり、かつ平行ウィンドウとポリエチレンバックとの間に誤差発生要因である空気層の発生を防止する必要もある。そのため、測定に多くの手間と時間とを要し、かつ自動化することも難しい。
However, in the method disclosed in
さらに、非特許文献1には、レファレンス値としてIreferenceなる値を基準にして吸光度変化を算出することが記載されているが、このレファレンス値の測定方法については何ら開示されていない。また、ポリエチレンバックの厚みを考慮した上で、上記のレファレンス値を決定しているか否かについても何ら開示されていない。実際には、ポリエチレンバックが有限の厚みをもっているので、テラヘルツ波の実質的な伝搬経路長さがこの厚み分だけ増減することによって、測定結果に誤差が含まれるおそれもある。
Further, Non-Patent
この発明は、このような問題点を解決するためになされたものであって、その目的は、より正確にレファレンス値(基準値)を算出した上で、より誤差の少ない測定結果を出力することが可能な溶液特性測定装置および溶液特性測定方法を提供することである。 The present invention has been made to solve such problems, and its purpose is to output a measurement result with less error after calculating a reference value (reference value) more accurately. It is to provide a solution characteristic measuring apparatus and a solution characteristic measuring method capable of performing the above.
この発明のある局面に従えば、溶媒と溶質とからなる溶液の特性を測定するための溶液特性測定装置を提供する。溶液特性測定装置は、テラヘルツ波を発生するテラヘルツ発生源と、第1サンプル容器および複数の第2サンプル容器と、サンプル台と、駆動機構と、受信部と、信号処理部と、演算部とを含む。第1サンプル容器および複数の第2サンプル容器の各々には、液体を収容するための収容部が形成されている。サンプル台は、第1サンプル容器および複数の第2サンプル容器を保持する。駆動機構は、サンプル台を駆動することによって、テラヘルツ発生源からのテラヘルツ波の伝搬経路上に、第1サンプル容器および複数の第2サンプル容器のうち1つのサンプル容器を選択的に配置する。受信部は、サンプル容器を透過した後のテラヘルツ波を受信する。信号処理部は、受信部によって受信されるテラヘルツ波の強度を示す強度信号を出力する。演算部は、信号処理部からの強度信号に基づいて、溶液の特性を算出する。第1サンプル容器は、溶液を収容し、複数の第2サンプル容器は、溶媒を収容し、複数の第2サンプル容器の収容部は、テラヘルツ波の伝搬経路に沿った厚みが互いに異なるように形成されている。演算部は、複数の第2サンプル容器の各々についての強度信号に基づいて、基準値を算出する手段と、基準値に基づいて、溶媒に関する特性を算出する手段と、溶媒に関する特性および第1サンプル容器についての強度信号に基づいて、溶質に関する特性を算出する手段とを含む。 According to one aspect of the present invention, there is provided a solution property measuring apparatus for measuring properties of a solution comprising a solvent and a solute. The solution characteristic measuring apparatus includes a terahertz generation source that generates a terahertz wave, a first sample container and a plurality of second sample containers, a sample stage, a drive mechanism, a reception unit, a signal processing unit, and a calculation unit. Including. Each of the first sample container and the plurality of second sample containers is formed with a storage portion for storing a liquid. The sample stage holds a first sample container and a plurality of second sample containers. The drive mechanism selectively arranges one sample container among the first sample container and the plurality of second sample containers on the propagation path of the terahertz wave from the terahertz generation source by driving the sample stage. The receiving unit receives the terahertz wave after passing through the sample container. The signal processing unit outputs an intensity signal indicating the intensity of the terahertz wave received by the receiving unit. The calculation unit calculates the characteristics of the solution based on the intensity signal from the signal processing unit. The first sample container accommodates the solution, the plurality of second sample containers accommodate the solvent, and the accommodating portions of the plurality of second sample containers are formed to have different thicknesses along the terahertz wave propagation path. Has been. The computing unit includes: means for calculating a reference value based on the intensity signal for each of the plurality of second sample containers; means for calculating a characteristic regarding the solvent based on the reference value; a characteristic regarding the solvent and the first sample Means for calculating a solute-related characteristic based on an intensity signal for the container.
好ましくは、基準値を算出する手段は、複数の第2サンプル容器の各々における、収容部の厚みと強度信号の値との対応関係に基づいて、基準値を算出する。 Preferably, the means for calculating the reference value calculates the reference value based on a correspondence relationship between the thickness of the accommodating portion and the value of the intensity signal in each of the plurality of second sample containers.
好ましくは、第1サンプル容器および複数の第2サンプル容器の各々は、重力方向上側に開口した凹部と、凹部の重力方向上側に積層された蓋部とからなる。テラヘルツ発生源からのテラヘルツ波は、重力方向に沿って対象のサンプル容器に入射する。 Preferably, each of the first sample container and the plurality of second sample containers includes a concave portion opened on the upper side in the gravity direction and a lid portion stacked on the upper side in the gravity direction of the concave portion. The terahertz wave from the terahertz source is incident on the target sample container along the direction of gravity.
さらに好ましくは、サンプル台は、第1サンプル容器および複数の第2サンプル容器を水平面に対して回転移動させることで、テラヘルツ波の伝搬経路上に配置されるサンプル容器を選択する。 More preferably, the sample stage selects the sample container disposed on the propagation path of the terahertz wave by rotating the first sample container and the plurality of second sample containers with respect to the horizontal plane.
この発明の別の局面に従えば、測定装置を用いて、溶媒と溶質とからなる溶液の特性を測定する溶液特性測定方法を提供する。測定装置は、テラヘルツ波を発生するテラヘルツ発生源と、第1サンプル容器および複数の第2サンプル容器と、サンプル台と、受信部と、信号処理部とを含む。第1サンプル容器および複数の第2サンプル容器の各々には、液体を収容するための収容部が形成されている。サンプル台は、第1サンプル容器および複数の第2サンプル容器を保持するとともに、テラヘルツ発生源からのテラヘルツ波の伝搬経路上に、第1サンプル容器および複数の第2サンプル容器のうち1つのサンプル容器が選択的に配置されるように移動可能に構成される。受信部は、サンプル容器を透過した後のテラヘルツ波を受信する。信号処理部は、受信部によって受信されるテラヘルツ波の強度を示す強度信号を出力する。第1サンプル容器は、溶液を収容し、複数の第2サンプル容器は、溶媒を収容し、複数の第2サンプル容器の収容部は、テラヘルツ波の伝搬経路に沿った厚みが互いに異なるように形成されている。溶液特性測定方法は、サンプル台を順次移動させて、第1サンプル容器および複数の第2サンプル容器の各々についての強度信号を取得するステップと、複数の第2サンプル容器の各々についての強度信号に基づいて、基準値を算出するステップと、基準値に基づいて、溶媒に関する特性を算出するステップと、溶媒に関する特性および第1サンプル容器についての強度信号に基づいて、溶質に関する特性を算出するステップとを含む。 According to another aspect of the present invention, there is provided a solution property measuring method for measuring properties of a solution composed of a solvent and a solute using a measuring device. The measurement apparatus includes a terahertz generation source that generates a terahertz wave, a first sample container and a plurality of second sample containers, a sample stage, a receiving unit, and a signal processing unit. Each of the first sample container and the plurality of second sample containers is formed with a storage portion for storing a liquid. The sample stage holds the first sample container and the plurality of second sample containers, and one sample container of the first sample container and the plurality of second sample containers on the propagation path of the terahertz wave from the terahertz source. Are configured to be movable so as to be selectively arranged. The receiving unit receives the terahertz wave after passing through the sample container. The signal processing unit outputs an intensity signal indicating the intensity of the terahertz wave received by the receiving unit. The first sample container accommodates the solution, the plurality of second sample containers accommodate the solvent, and the accommodating portions of the plurality of second sample containers are formed to have different thicknesses along the terahertz wave propagation path. Has been. The solution characteristic measuring method includes a step of sequentially moving the sample stage to obtain an intensity signal for each of the first sample container and the plurality of second sample containers, and an intensity signal for each of the plurality of second sample containers. A step of calculating a reference value, a step of calculating a property related to the solvent based on the reference value, a step of calculating a property related to the solute based on the property related to the solvent and the intensity signal about the first sample container; including.
この発明によれば、より正確にレファレンス値(基準値)を算出した上で、より誤差の少ない測定結果を出力することができる。 According to the present invention, it is possible to output a measurement result with less error after calculating a reference value (reference value) more accurately.
この発明の実施の形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。なお、図中の同一または相当部分については、同一符号を付してその説明は繰返さない。 Embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. Note that the same or corresponding parts in the drawings are denoted by the same reference numerals and description thereof will not be repeated.
(全体構成)
図1は、この発明の実施の形態に従う溶液特性測定装置100の概略構成図である。
(overall structure)
FIG. 1 is a schematic configuration diagram of a solution
この発明の実施の形態に従う溶液特性測定装置100(以下、「測定装置100」とも記す)は、テラヘルツ時間領域分光法(THz−TDS:Terahertz Time Domain Spectrum analysis method)を用いて、任意の溶質を所定の質量%濃度にて水などの溶媒に溶解させた溶液の特性を測定する。特に、本実施の形態に従う測定装置100は、対象となる溶液にテラヘルツ波を照射するとともに、当該溶液を透過したテラヘルツ波に基づいて、その特性を算出する透過型の時間領域分光法を採用する。以下では、テラヘルツ領域における溶液の光学的な特性値(たとえば、溶質の透過率、吸光度および分子吸光係数など)を測定する構成について説明する。
A solution property measuring apparatus 100 (hereinafter also referred to as “
図1を参照して、測定装置100は、演算装置2と、信号処理部12と、発振器14と、レーザ光源20と、バンドパスフィルタ22と、λ/2波長板24と、ビームスプリッタ26と、エミッタユニット28と、軸外し放物面ミラー30a,30b,60a,60bと、アンテナユニット58と、ミラー40,42,44,46,48,54,56と、サンプル交換機構70と、遅延ステージ50と、遅延ステージ駆動機構52とを含む。
Referring to FIG. 1, measuring
本実施の形態に従う測定装置100では、測定対象の溶液(以下「サンプル」とも称す。)を収容する少なくとも1つのサンプル容器と、溶媒のみを収容する複数のサンプル容器とがサンプル交換機構70に配置されるとともに、このサンプル交換機構70の駆動によって、各サンプル容器に対するテラヘルツ波の透過強度が順次取得される。そして、これらの透過強度に基づいて、サンプルの光学特性が測定される。
In
まず、テラヘルツ波の発生および受信に係る構成について説明する。
レーザ光源20は、後述するエミッタユニット28およびアンテナユニット58を駆動するためのパルスレーザL1を発生する。より具体的には、レーザ光源20は、フェムト秒(10−15秒)オーダのパルス幅をもつパルスレーザL1を発生し照射する。なお、レーザ光源20におけるパルスレーザL1の発振周期は、数10MHz(数10n秒周期)オーダである。
First, a configuration related to generation and reception of terahertz waves will be described.
The
バンドパスフィルタ22は、レーザ光源20から発生するパルスレーザL1に含まれる波長のうち、特定の波長成分を透過させる。一例として、レーザ光源20が1.56μmおよび0.78μmの2種類のパルスレーザを発生する場合には、バンドパスフィルタ22は、0.78μmの波長成分を透過させる一方で、1.56μmの波長成分を反射または吸収する。
The
λ/2波長板24は、バンドパスフィルタ22を透過後のパルスレーザL1の直線偏光を任意の方向に調整する。そして、このλ/2波長板24を通過したパルスレーザL1は、ビームスプリッタ26へ入射する。なお、λ/2波長板24からは、平行光線のパルスレーザが放射される。
The λ / 2
ビームスプリッタ26は、λ/2波長板24からのパルスレーザL1を所定の比率で2つのパルスレーザL2およびL3に分配し、それぞれをエミッタユニット28およびミラー40へ導く。ここで、パルスレーザL2は、エミッタユニット28を励起するためのポンプ光として利用され、パルスレーザL2は、アンテナユニット58を励起するためのプローブ光として利用される。
The
エミッタユニット28は、パルスレーザL2を受けてテラヘルツ波T1を発生するテラヘルツ波発生源である。具体的には、エミッタユニット28は、収束レンズ28aと、光伝導スイッチ28bと、Siレンズ28cとを含む。収束レンズ28aは、ビームスプリッタ26からのパルスレーザL2を、光伝導スイッチ28bの所定位置へ収束する。光伝導スイッチ28bは、パルスレーザL2によって励起されて、パルス状のテラヘルツ波T1を発生する。より具体的には、光伝導スイッチ28bは、基板上に形成された平行電線線路と、当該平行電線線路の一部に形成された微小ダイポールアンテナとからなり、この平行電線線路の両端には、発振器14から所定の交流バイアス電圧が印加されている。そして、微小ダイポールアンテナの部分にパルスレーザL2が入射することで、所定の電界が生じて、テラヘルツ波が発生する。すなわち、光伝導スイッチ28bに入射するパルスレーザL2がポンプ光となり、テラヘルツ波T1が発生する。また、この発振器14から供給される所定の交流バイアス電圧がテラヘルツ波T1の発生エネルギーとなる。一例として、光伝導スイッチ28bは、GaAs基板にGaAsエピキタシャル膜を低温成長させたLTGaAs光伝導スイッチなどによって構成される。また、Siレンズ28cは、光伝導スイッチ28bから照射されるテラヘルツ波T1を拡散する。
The
軸外し放物面ミラー30aおよび30bは、エミッタユニット28から放射されるテラヘルツ波T1をサンプル交換機構70の所定位置へ導く。より具体的には、
エミッタユニット28から放射されたテラヘルツ波T1は水平方向(重力方向に対して直交方向)に伝搬して軸外し放物面ミラー30aへ入射する。そして、テラヘルツ波T1は、この軸外し放物面ミラー30aで伝搬方向が直角に変化した後、軸外し放物面ミラー30bへ入射する。さらに、テラヘルツ波T1は、この軸外し放物面ミラー30bによって、その伝搬方向が重力方向に変化する。このとき、軸外し放物面ミラー30bは、テラヘルツ波T1をサンプル交換機構70の特定の位置に集光させる。このテラヘルツ波T1の集光位置(焦点位置)には、いずれのサンプル容器が配置されている。
The off-axis parabolic mirrors 30 a and 30 b guide the
The terahertz wave T1 radiated from the
サンプル交換機構70は、回転可能に構成されたサンプル台72と、サンプル台72を回転駆動する駆動機構74とを含む。サンプル台72は、複数のサンプル容器78を保持し、駆動機構74は、サンプル台72を回転駆動して、当該複数のサンプル容器78のうち1つをテラヘルツ波T1の焦点位置に選択的に配置する。後述するように、各サンプル容器78は、サンプルまたはサンプルに含まれる溶媒と同一の溶媒を収容している。
The
また、サンプル台72は、各サンプル容器78を保持する位置に開口を有しており、軸外し放物面ミラー30bからのテラヘルツ波T1が重力方向に伝搬して、サンプル台72の一方面側からいずれかのサンプル容器78に入射した後、当該サンプル容器78を透過してサンプル台72の他方面側から出射されるようになっている。すなわち、サンプル容器78を透過したテラヘルツ波T2は、当該サンプル容器78に収容されているサンプルまたは溶媒の特性に応じて吸光された状態になっている。なお、駆動機構74は、後述する演算装置2からの制御信号CTRL1に従って、サンプル台72を駆動する。
The
図2は、この発明の実施の形態に従うサンプル交換機構70の外観図である。
図2を参照して、サンプル台72には、一例として、その外周側に7個の切欠部73が形成されるとともに、各切欠部73の底面には貫通孔73aが形成されている。各切欠部73には、サンプル容器78が挿入可能に構成されており、またその上部には押え板72aが設けられている。この押え板72aは、対象の切欠部73に挿入されたサンプル容器78を固定する。
FIG. 2 is an external view of
With reference to FIG. 2, as an example, seven
サンプル台72は、駆動機構74によって回転可能に担持されている。駆動機構74は、複数のギヤなどで構成された回転支持部74aと、回転支持部74aを駆動するモータ74bとを含む。そして、モータ74bが演算装置2からの制御信号CTRL1(図1)に応じて回転駆動することで、この駆動力によって回転支持部74aがサンプル台72を回転させる。
The sample table 72 is rotatably supported by a
このように、複数のサンプル容器78を保持するサンプル台72が回転することで、テラヘルツ波の伝搬経路上に1つのサンプル容器78が選択的に配置される。
As described above, the
なお、テラヘルツ波は空気中の水蒸気成分による影響を受けやすいので、サンプル交換機構70を含む所定区域に対して、測定前に減圧や窒素置換などをすることが好ましい。
Since the terahertz wave is easily affected by the water vapor component in the air, it is preferable that the predetermined area including the
再度、図1を参照して、サンプル容器78を透過したテラヘルツ波T2は、軸外し放物面ミラー60aおよび60bで順次反射されて、アンテナユニット58へ導かれる。具体的には、サンプル容器78を透過した後のテラヘルツ波T2は、軸外し放物面ミラー60bによって、その伝搬方向が水平方向に変化する。さらに、テラヘルツ波T2は、軸外し放物面ミラー60aによって伝搬方向を直角に曲げられた後、アンテナユニット58へ入射する。このとき、軸外し放物面ミラー60aは、テラヘルツ波T2をアンテナユニット58の受光位置に集光する。
Referring to FIG. 1 again, the terahertz wave T2 transmitted through the
アンテナユニット58は、軸外し放物面ミラー60aからのテラヘルツ波T2を受光して、受光したテラヘルツ波T2の強度に応じた測定信号を信号処理部12へ出力する。また、アンテナユニット58は、測定信号を生成するためのエネルギー源として、ビームスプリッタ26で分離されたパルスレーザL3を受光する。すなわち、アンテナユニット58は、軸外し放物面ミラー60aからのテラヘルツ波T2と、ビームスプリッタ26からのパルスレーザL3とがともに入射しているタイミングにおいて、測定信号を出力できる。
The
アンテナユニット58は、収束レンズ58aと、光伝導スイッチ58bと、Siレンズ58cとを含む。Siレンズ58cは、上述のエミッタユニット28におけるSiレンズ28cと同様の構成であり、軸外し放物面ミラー60aからのテラヘルツ波T2を収束する。また、収束レンズ58aは、ビームスプリッタ26からのパルスレーザL3を、光伝導スイッチ58bの所定位置へ収束する。光伝導スイッチ58bは、上述のエミッタユニット28における光伝導スイッチ28bと同様の構成であり、一方面にテラヘルツ波T2を受光し、他方面にパルスレーザL3を受光することで、電気信号である測定信号を出力する。
The
この測定信号は、本来的に、テラヘルツ波T2の強度とパルスレーザL3の強度との積に応じた値となるが、パルスレーザL3の強度は時間的に一定とみなすことができるので、測定信号は、実質的にテラヘルツ波T2の強度を示すものとなる。したがって、測定信号は、サンプル容器78に収容された液体(溶液または溶媒)の特性についての情報を含む。
This measurement signal is essentially a value corresponding to the product of the intensity of the terahertz wave T2 and the intensity of the pulse laser L3, but since the intensity of the pulse laser L3 can be considered to be constant over time, the measurement signal Substantially indicates the intensity of the terahertz wave T2. Thus, the measurement signal includes information about the characteristics of the liquid (solution or solvent) contained in the
なお、本実施の形態では、エミッタユニット28およびアンテナユニット58が、それぞれ光伝導スイッチ28bおよび58bで構成される例について説明したが、電気信号とテラヘルツ波との変換作用を生じるデバイスであれば、これらに限られることはない。これらに代えて、たとえば、InAsやInSbからなる光伝導スイッチを用いてもよいし、電気光学(EO)結晶を用いてもよい。なお、電気光学結晶の代表例としては、4-dimethylamino-N-methyl-4-stilbazolium tosylate(DAST)などの有機非線形光学結晶が知られている。また、アンテナユニット58には、熱型の光強度検出器であるボロメータを用いてもよい。
In the present embodiment, the example in which the
ビームスプリッタ26で分配されたパルスレーザL3は、ミラー40,42,44,46,48,54,56を順次伝搬して、アンテナユニット58へ導かれる。このパルスレーザL3の伝搬経路上のミラー42および44は、遅延ステージ50に配置されている。遅延ステージ50は、遅延ステージ駆動機構52によって、紙面上下方向に移動可能に構成されており、この遅延ステージ50の移動によってミラー42および44の位置が紙面上下方向に変化する。なお、遅延ステージ駆動機構52は、後述する演算装置2からの制御信号CTRL2に従って、遅延ステージ50を所定速度で移動させる。
The pulse laser L3 distributed by the
遅延ステージ50および遅延ステージ駆動機構52は、アンテナユニット58で受光されるテラヘルツ波T2の時間軸上における強度波形をより容易に測定するための構成である。すなわち、パルスレーザL2は、そのパルス幅がフェムト(10−15)秒オーダであるため、時間波形をそのまま測定することは非常に困難である。そこで、テラヘルツ波T2の所定位相における強度を複数回にわたって測定したものを時間軸上で合成することで、全体の時間波形を測定する。
The
上述したように、アンテナユニット58は、テラヘルツ波T2およびパルスレーザL3がともに入射したタイミングで測定信号を出力するので、テラヘルツ波T2に対するパルスレーザL3の位相をずらすことで、テラヘルツ波T2の所定位相における強度を測定することができる。
As described above, since the
すなわち、遅延ステージ50が所定速度で紙面上または下方向に移動することで、ミラー42および44の位置が変化し、これによってビームスプリッタ26からアンテナユニット58までのパルスレーザL3の伝搬経路長が時間的に変化する。この遅延ステージ50の位置変化に応じて、パルスレーザL2によって発生するテラヘルツ波T2がアンテナユニット58に入射するタイミングと、パルスレーザL3がアンテナユニット58に入射するタイミングとの間の時間差(遅延時間)が時間的に変化する。
That is, when the
図3は、テラヘルツ波の時間波形の測定方法の概略を説明するための図である。
図3(a)は、合成されるテラヘルツ波の時間波形を示し、図3(b)は、実施のテラヘルツ波T2およびパルスレーザL3の時間波形を示す。
FIG. 3 is a diagram for explaining an outline of a method for measuring a time waveform of a terahertz wave.
FIG. 3A shows a time waveform of the terahertz wave to be synthesized, and FIG. 3B shows a time waveform of the terahertz wave T2 and the pulse laser L3 to be implemented.
図3(b)を参照して、一般的にパルスレーザL3のパルス幅(10−15秒オーダ)に比較して、テラヘルツ波T2のパルス幅は長くなるので、パルスレーザL3の位相を周期毎に順次ずらすことで、テラヘルツ波T2の特定タイミングにおけるテラヘルツ波T2の強度を測定することができる。 Referring to FIG. 3B, since the pulse width of the terahertz wave T2 is generally longer than the pulse width of the pulse laser L3 (on the order of 10-15 seconds), the phase of the pulse laser L3 is changed for each period. By sequentially shifting to t, the intensity of the terahertz wave T2 at a specific timing of the terahertz wave T2 can be measured.
上述したように、遅延ステージ50が所定の一定速度で移動すると、パルスレーザL3の伝搬経路長が時間的に変化する。また、テラヘルツ波T2およびパルスレーザL3は、共通の周期で発生するので、各周期におけるテラヘルツ波T2に対するパルスレーザL3の位相は、所定の速度で変化することになる。
As described above, when the
より具体的な一例として、レーザ光源20が50MHzの発振周波数(発振周期20n秒)でパルスレーザL1を発生し、遅延ステージ50が1mm/秒で移動する場合を考える。この遅延ステージ50の移動によって、パルスレーザL2の伝搬経路長は、2×1mm/秒で変化することになる。なお、パルスレーザL3は遅延ステージを往復することに注意されたい。ここで、測定周期(隣接する測定点の時間間隔)を1m秒(1×10−3秒)とすると、テラヘルツ波T2に対するパルスレーザL3の位相は、ある測定点とこれに続く測定点との間で、20/3×10−15秒(=2×1×10−3m/秒×1×10−3秒/3×108m/秒)だけずれることになる。なお、「3×108m/秒」は光速度である。したがって、この場合には、テラヘルツ波T2を20/3×10−15秒間隔でサンプリング測定できることを意味する。
As a more specific example, consider a case where the
図3(b)に示すように、各測定時刻t2〜t12において、テラヘルツ波T2に対するパルスレーザL3の位相は隣接する周期間で所定位相ずつ変化するので、この各測定時間t2〜t12と、各測定時刻t2〜t12に対応するテラヘルツ波の強度値M2〜M12との間の関係をプロットすることで、図3(a)に示すように、その時間軸を伸張した状態でテラヘルツ波T2の時間波形を取得できる。 As shown in FIG. 3B, at each measurement time t2 to t12, the phase of the pulse laser L3 with respect to the terahertz wave T2 changes by a predetermined phase between adjacent periods. Therefore, each measurement time t2 to t12, By plotting the relationship between the intensity values M2 to M12 of the terahertz waves corresponding to the measurement times t2 to t12, the time of the terahertz wave T2 with its time axis extended as shown in FIG. Waveform can be acquired.
なお、図3(a)および(b)は、簡略化のため測定点および測定時刻を省略して示している。 In FIGS. 3A and 3B, measurement points and measurement times are omitted for the sake of simplicity.
以上のような原理によって、テラヘルツ波T2の時間波形が測定される。なお、測定された時間波形は、その時間軸を伸張されたものであるので、後述するフーリエ変換などの演算処理においては、この時間軸を実時間に補正した上で、各種処理が実行される。 Based on the principle as described above, the time waveform of the terahertz wave T2 is measured. Since the measured time waveform is obtained by extending the time axis, various processes are executed after correcting the time axis to real time in an arithmetic process such as Fourier transform described later. .
再度、図1を参照して、発振器14は、エミッタユニット28で発生するテラヘルツ波を変調するための参照信号を発生する。代表的に、発振器14は、所定周期(たとえば、数10kHz)の正弦波を発生する。上述したように、この参照信号の一部は、エミッタユニット28を構成する光伝導スイッチ28bのバイアス電圧として用いられる。このバイアス電圧によって、テラヘルツ波T1の強度は時間的な周期成分をもつ。一方、信号処理部12は、発振器14からの参照信号に基づいて、アンテナユニット58から出力される測定信号のうち、この参照信号の周期成分に対応する成分を抽出し、テラヘルツ波の時間的強度を示す強度信号として出力する。
Referring to FIG. 1 again, the
このように、時間的に変調したテラヘルツ波T1を用いて測定を行なうことで、テラヘルツ波の測定過程や伝搬過程において侵入する雑音成分の影響を抑制することができる。 In this way, by performing the measurement using the temporally modulated terahertz wave T1, it is possible to suppress the influence of noise components that enter during the terahertz wave measurement process and propagation process.
図4は、信号処理部12における概略の機能構成を示すブロック図である。
図4を参照して、信号処理部12は、代表的にロックインアンプからなり、掛算器121と、低域通過フィルタ(LPF:Low Pass Filter)122とを含む。掛算器121は、アンテナユニット58からの測定信号と、発振器14からの参照信号とを乗算して乗算信号を生成する。そして、低域通過フィルタ122は、この乗算信号から所定の周波数帯域以下の成分だけを抽出し、強度信号として出力する。
FIG. 4 is a block diagram illustrating a schematic functional configuration in the
Referring to FIG. 4,
すなわち、掛算器121はアンテナユニット58からの測定信号に参照信号を乗じることで、測定信号に含まれるサンプルの特性を示す成分と、ノイズ成分とを周波数的に分離する。そして、低域通過フィルタ122がこれらの周波数的に分離された各成分のうち、ノイズ成分を遮断することで、サンプルの特性を示す成分だけを出力することができる。
That is, the
再度、図1を参照して、演算装置2は、サンプル交換機構70の駆動機構74を制御するための制御信号CTRL1および遅延ステージ駆動機構52を制御するための制御信号CTRL2を出力するとともに、信号処理部12から出力される強度信号に基づいて、サンプルの光学的な特性を算出する。
Referring to FIG. 1 again,
図5は、この発明の実施の形態に従う演算装置2の概略のハードウェア構成を示す模式図である。
FIG. 5 is a schematic diagram showing a schematic hardware configuration of
図5を参照して、演算装置2は、代表的にコンピュータによって実現され、オペレーティングシステム(OS:Operating System)を含む各種プログラムを実行するCPU(Central Processing Unit)200と、CPU200でのプログラムの実行に必要なデータを一時的に記憶するメモリ部212と、CPU200で実行されるプログラムを不揮発的に記憶するハードディスク部(HDD:Hard Disk Drive)210とを含む。また、ハードディスク部210には、後述するような処理を実現するためのプログラムが予め記憶されており、このようなプログラムは、FDDドライブ216またはCD−ROMドライブ214によって、それぞれフレキシブルディスク216aまたはCD−ROM(Compact Disk-Read Only Memory)214aなどから読取られる。
Referring to FIG. 5,
CPU200は、キーボードやマウスなどからなる入力部208を介してユーザなどからの指示を受取るとともに、プログラムの実行によって測定される測定結果などをディスプレイ部204へ出力する。また、CPU200は、インターフェイス部206を介して、信号処理部12、駆動機構74および遅延ステージ駆動機構52などとの間でデータ通信を行なう。
The
(測定方法)
次に、本実施の形態に従う測定装置100における測定原理について説明する。
(Measuring method)
Next, the measurement principle in measuring
一般的な透過型の溶液測定である吸収スペクトル測定では、溶媒のみの状態(たとえば、水だけ)で測定された値をリファレンス値として採用するとともに、このレファレンス値に対する変化分から、透過率や吸光度を算出する。この場合には、次のようなLambert-Beer則が適用できる。 In absorption spectrum measurement, which is a general transmission-type solution measurement, a value measured in a solvent-only state (for example, only water) is adopted as a reference value, and the transmittance and absorbance are calculated from changes to this reference value. calculate. In this case, the following Lambert-Beer rule can be applied.
log10(I0/I)=ε・c・l ・・・(1)
但し、I0はレファレンス強度、Iは透過光強度、εは溶媒の分子吸光係数(l/mol/cm)、cは溶媒のモル濃度(mol/l)、lは光路長(cm)である。
log 10 (I 0 / I) = ε · c · l (1)
Where I 0 is the reference intensity, I is the transmitted light intensity, ε is the molecular extinction coefficient (l / mol / cm) of the solvent, c is the molar concentration of the solvent (mol / l), and l is the optical path length (cm). .
ここで、サンプル容器(測定セル)や溶媒の散乱などの影響を抑制するため、レファレンス強度I0は、サンプル容器を溶媒のみで満たした状態で測定した値が採用される。そして、透過光強度Iは、レファレンス値の測定時と同じサンプル容器を用いて測定される値である。ここで、光路長lは、予め測定可能であるので、溶媒の分子吸光係数εおよびモル濃度cのいずれか一方が既知であれば、レファレンス強度I0および透過光強度Iから、溶媒の分子吸光係数εまたはモル濃度cを算出できる。 In order to suppress the influence of the sample container scattering (measuring cell) and the solvent, reference intensity I 0, the value of the sample container were measured in a state filled with the solvent alone are employed. The transmitted light intensity I is a value measured using the same sample container as that used for measuring the reference value. Here, since the optical path length l can be measured in advance, if either one of the molecular extinction coefficient ε and the molar concentration c of the solvent is known, the molecular absorption of the solvent is determined from the reference intensity I 0 and the transmitted light intensity I. The coefficient ε or the molar concentration c can be calculated.
一般的に、赤外領域や可視領域においては、溶質の吸光率は溶媒の吸光率に比較して高く、また溶液中の溶質の濃度はそれほど高くない。一方、テラヘルツ領域(遠赤外領域)においては、溶質の吸光率は溶媒の吸光率に比較して低いことが多い。そのため、濃度の低い溶液を測定する場合には、サンプル容器を溶媒のみで満たした状態で測定したレファレンス値に対して、生じる変化が相対的に小さいので、測定精度を高めることができないという課題がある。 In general, in the infrared region and the visible region, the absorbance of a solute is higher than that of a solvent, and the concentration of the solute in the solution is not so high. On the other hand, in the terahertz region (far infrared region), the absorbance of solutes is often lower than that of solvents. Therefore, when measuring a solution with a low concentration, there is a problem that the measurement accuracy cannot be increased because the change that occurs is relatively small with respect to the reference value measured in a state where the sample container is filled with only the solvent. is there.
また、溶液が高濃度である場合には、溶液に対する媒体の割合が低下することで透過率が増加する。これにより、上記(1)式の左辺中の(I0/I)の項が1より小さくなって、(1)式が成立し得ない場合がある。 Further, when the concentration of the solution is high, the transmittance increases due to a decrease in the ratio of the medium to the solution. As a result, the term (I 0 / I) in the left side of the equation (1) becomes smaller than 1, and the equation (1) may not be established.
そこで、本実施の形態に従う溶液特性測定方法では、テラヘルツ波の伝搬経路長が互いに異なる複数のサンプル容器を用意し、各サンプル容器を溶媒のみで満たした状態で測定された値からレファレンス値を算出する。 Therefore, in the solution characteristic measurement method according to the present embodiment, a plurality of sample containers having different terahertz wave propagation path lengths are prepared, and a reference value is calculated from values measured in a state where each sample container is filled with only a solvent. To do.
図6は、この発明の実施の形態に従うレファレンス値算出用のサンプル容器78−1〜78−Nの外観図である。なお、図6は、サンプル容器の特徴的な構成を模式的に示したものであり、実際の寸法をそのまま表現しているものではない。 FIG. 6 is an external view of sample containers 78-1 to 78-N for calculating reference values according to the embodiment of the present invention. FIG. 6 schematically shows the characteristic configuration of the sample container, and does not represent actual dimensions as they are.
図6を参照して、サンプル容器78−1は、重力方向上側に開口した凹部781bと、凹部781bの重力方向上側に積層される蓋部781aとからなる。凹部781bと蓋部781aとの間の空間には、レファレンス値を算出するための溶媒が収容される。すなわち、これらの空間は溶媒を収容するための収容部781cを形成する。なお、蓋部781aと凹部781bとの間は、上下方向を図示しないねじによって圧接される。サンプル容器78−2〜78−Nについても同様に、それぞれ凹部782b〜78Nbと蓋部782a〜78Naとからなる。
Referring to FIG. 6, the sample container 78-1 includes a
また、凹部781b〜78Nbおよび蓋部781a〜78Naは、いずれも代表的に石英ガラスによって構成される。なお、凹部781b〜78Nbは、円柱状のガラス部材に対して円柱状の掘り込みを行なって形成してもよいし、円柱状のガラス部材にドーナツ状のガラス部材を溶着または接着することで形成してもよい。
In addition, the
特に、凹部781b〜78Nbのそれぞれにおける開口部の上面からの深さ(以下、「セルギャップ」とも称す)d1〜dnは、互いに異なるように構成される。一例として、サンプル容器78−1〜78−Nのセルギャップd1〜dnは、20μm,40μm,60μm,80μm,100μmなどに設定され、また直径は、5〜30mm程度に設定される。
In particular, the depths (hereinafter also referred to as “cell gaps”) d 1 to d n of the openings in the
サンプル容器78−1〜78−Nの各々は、サンプル台72の切欠部73(図2)上に水平に配置されるので、テラヘルツ波は、対象となるサンプル容器を紙面上下方向に伝搬する。そのため、各サンプル容器のセルギャップは、テラヘルツ波が溶媒を伝搬する経路長に相当する。 Since each of the sample containers 78-1 to 78 -N is horizontally disposed on the cutout portion 73 (FIG. 2) of the sample table 72, the terahertz wave propagates through the target sample container in the vertical direction on the paper surface. Therefore, the cell gap of each sample container corresponds to the path length through which the terahertz wave propagates through the solvent.
溶媒のみで満たしたサンプル容器78−1〜78−Nの各々について測定される透過光強度Ii:i=1〜N(信号処理部12から出力される強度信号)を用いて、レファレンス値を算出する手順については後述する。 Using the transmitted light intensity I i: i = 1 to N (intensity signal output from the signal processing unit 12) measured for each of the sample containers 78-1 to 78 -N filled only with the solvent, the reference value is calculated. The calculation procedure will be described later.
一方、特性の測定対象であるサンプルについては、上記のサンプル容器78−1〜78−Nと同様の大きさおよび材質のサンプル容器に収容される。 On the other hand, the sample whose characteristics are to be measured is accommodated in a sample container having the same size and material as the sample containers 78-1 to 78-N.
図7は、この発明の実施の形態に従う溶液を収容するためのサンプル容器78−Aの外観図である。 FIG. 7 is an external view of sample container 78-A for containing the solution according to the embodiment of the present invention.
図7を参照して、サンプル容器78−Aは、上述のサンプル容器78−1〜78−Nと同様に、重力方向上側に開口した凹部78Abと、凹部78Abの重力方向上側に積層される蓋部78Aaとからなる。また、凹部78Abに形成されるセルギャップdkは既知であれば任意の値に設定できる。 Referring to FIG. 7, sample container 78-A is similar to sample containers 78-1 to 78-N described above, and has a recess 78Ab opened on the upper side in the gravity direction and a lid stacked on the upper side in the gravity direction of the recess 78Ab. Part 78Aa. The cell gap d k formed in the recess 78Ab can be set to any value as long as it is known.
本実施の形態に従う溶液特性測定方法では、サンプル容器78−Aを測定対象のサンプルで満たした状態で透過光強度It(信号処理部12から出力される強度信号)を測定し、予め算出されるレファレンス値を参照して、この測定される透過光強度Itから、サンプルの光学特性を測定する。なお、図7には、サンプルを収容するためのサンプル容器を代表的に1個だけ図示するが、個数についての制限はない。すなわち、一旦レファレンス値が算出された後には、同様のサンプル容器を用いる限りにおいて、様々なサンプルの光学特性を連続的に算出することが可能である。 In the solution characteristic measurement method according to the present embodiment, the transmitted light intensity I t (the intensity signal output from the signal processing unit 12) is measured in a state where the sample container 78-A is filled with the sample to be measured, and is calculated in advance. that with reference to the reference value, the transmitted light intensity I t is the measured, measuring the optical properties of the sample. FIG. 7 typically shows only one sample container for containing a sample, but there is no limitation on the number. That is, once the reference value is calculated, the optical characteristics of various samples can be calculated continuously as long as the same sample container is used.
(i)分子吸光係数の評価方法
まず、サンプルの光学的な特性の一例として、サンプル中に存在する溶質の分子吸光係数を評価する場合について説明する。
(I) Method for Evaluating Molecular Absorption Coefficient First, as an example of the optical characteristics of the sample, a case where the molecular extinction coefficient of a solute present in the sample is evaluated will be described.
溶媒で満たされたサンプル容器78−1〜78−Nに対して測定された強度信号(時間領域信号)を、フーリエ変換して得られるスペクトルをそれぞれT1(f),T2(f),・・・,TN(f)とする。また、セルギャップがゼロ、すなわちサンプル容器内に溶媒が存在しない場合のスペクトルをレファレンス値とする。以下、このレファレンス値をレファレンススペクトルT0(f)と称す。 Spectra obtained by Fourier transforming the intensity signals (time domain signals) measured for the sample containers 78-1 to 78-N filled with the solvent are respectively T 1 (f), T 2 (f), ..., T N (f). Further, a spectrum when the cell gap is zero, that is, when no solvent is present in the sample container is used as a reference value. Hereinafter, this reference value is referred to as a reference spectrum T 0 (f).
本実施の形態に従う溶液特性測定方法では、レファレンススペクトルT0(f)をスペクトルT1(f),T2(f),・・・,TN(f)に基づいて算出する。なお、以下では、溶媒が水である場合について説明する。 In the solution characteristic measurement method according to the present embodiment, the reference spectrum T 0 (f) is calculated based on the spectra T 1 (f), T 2 (f),..., T N (f). Hereinafter, the case where the solvent is water will be described.
上記(1)式と同様にLambert-Beer則を適用すると、以下の(2)式が成立する。
log10(T0(f)/Ti(f))=ε(f)・cH2O・di ・・・(2)
この(2)式を変形すると、(3)式が得られる。
When the Lambert-Beer rule is applied as in the above equation (1), the following equation (2) is established.
log 10 (T 0 (f) / T i (f)) = ε (f) · c H 2 O · d i (2)
When this equation (2) is modified, equation (3) is obtained.
log10Ti(f)=log10T0(f)−ε(f)・cH2O・di ・・・(3)
但し、1≦i≦Nであり、cH2Oは純水のH2O濃度(=1000/18=55.5mol/l)である。
log 10 T i (f) = log 10 T 0 (f) −ε (f) · c H 2 O · d i (3)
However, 1 ≦ i ≦ N, and c H2O is the H 2 O concentration of pure water (= 1000/18 = 55.5 mol / l).
ここで、サンプル容器が溶媒(水)のみで満たされた状態であれば、溶媒の分子吸光係数ε(f)・cH2Oは一定値Aとなる。この一定値Aを用いて、(3)式を変形すると、(3’)式となる。 Here, if the sample container is filled only with the solvent (water), the molecular extinction coefficient ε (f) · c H 2 O of the solvent becomes a constant value A. When this constant value A is used to transform equation (3), equation (3 ′) is obtained.
log10Ti(f)=−A・di+log10T0(f) ・・・(3’)
この(3’)式から、セルギャップdiに対するlog10Ti(f)の変化は、一次関数となり、その切片はlog10T0(f)となることが分かる。すなわち、溶媒のみで満たしたサンプル容器78−1〜78−Nから測定されるスペクトルT0(f)と、対応のセルギャップdiとをプロットし、このプロットを補間することで表れる切片の値をlog10T0(f)として算出できる。
log 10 T i (f) = − A · d i + log 10 T 0 (f) (3 ′)
From this equation (3 ′), it can be seen that the change of log 10 T i (f) with respect to the cell gap d i is a linear function, and its intercept is log 10 T 0 (f). That is, the spectrum T 0 (f) measured from the sample containers 78-1 to 78 -N filled only with the solvent and the corresponding cell gap d i are plotted, and the value of the intercept expressed by interpolating this plot Can be calculated as log 10 T 0 (f).
また、サンプルで満たされたサンプル容器78−Aに対して測定された強度信号(時間領域信号)を、フーリエ変換して得られるスペクトルをTt(f)とする。 Further, let T t (f) be a spectrum obtained by Fourier transforming the intensity signal (time domain signal) measured for the sample container 78-A filled with the sample.
ここで、サンプル容器78−Aに収容されているサンプルが(100−Ak)質量%濃度(w/w)の溶質を含む場合を考える。このとき、サンプルには、Ak質量%濃度(w/w)の溶媒(水)が含まれていることになるので、この溶媒に由来する理論上の透過光強度のスペクトルTak(f)は以下のように表すことができる。 Here, the case where the sample accommodated in sample container 78-A contains the solute of (100- Ak ) mass% concentration (w / w) is considered. At this time, the sample, it means that contains solvent (water) of A k wt% concentration (w / w), the spectrum T ak of the transmitted light intensity of theoretical from the solvent (f) Can be expressed as:
log10Tak(f)=log10T0(f)−ε(f)・cH2O・(Ak/100)dk ・・・(4)
上述したように、サンプル容器78−1〜78−Nに対する測定結果に基づいて、log10T0(f)を予め算出できるので、サンプル容器78−A(セルギャップdkおよび溶質濃度(100−Ak)質量%濃度)におけるlog10Tak(f)を算出できる。
log 10 T ak (f) = log 10 T 0 (f) -ε (f) · c H2O · (A k / 100) d k ··· (4)
As described above, since log 10 T 0 (f) can be calculated in advance based on the measurement results for the sample containers 78-1 to 78 -N, the sample container 78 -A (cell gap d k and solute concentration (100− Log 10 T ak (f) in (A k ) mass% concentration) can be calculated.
さらに、溶質に吸収されたテラヘルツ波のスペクトルTs(f)は、サンプルで満たされたサンプル容器78−Aに対して測定されたスペクトルTt(f)と、溶媒に由来する理論上の透過光強度のスペクトルTak(f)とを用いて、以下のように表すことができる。 Further, the spectrum T s (f) of the terahertz wave absorbed in the solute is equal to the spectrum T t (f) measured for the sample container 78-A filled with the sample and the theoretical transmission derived from the solvent. Using the light intensity spectrum T ak (f), it can be expressed as follows.
Ts(f)=Tak(f)−Tt(f) ・・・(5)
この(5)式に対して、上記(1)式と同様にLambert-Beer則を適用すると、以下の式が成立する。
T s (f) = T ak (f) −T t (f) (5)
When the Lambert-Beer rule is applied to this equation (5) as in the above equation (1), the following equation is established.
log10Ts(f)=log10(Tak(f)/Tt(f))=εs(f)・cs・dk ・・・(6)
但し、cs(f)は溶質のモル濃度(mol/l)であり、εs(f)は溶質の分子吸光係数(l/mol/cm)である。
log 10 T s (f) = log 10 (T ak (f) / T t (f)) = ε s (f) · c s · d k (6)
Where c s (f) is the molar concentration (mol / l) of the solute, and ε s (f) is the molecular extinction coefficient (l / mol / cm) of the solute.
上述のように、スペクトルTak(f)は予め算出でき、スペクトルTt(f)はサンプル容器78−Aに対する測定によって算出できるので、予め溶質のモル濃度cs(f)が既知であれば、分子吸光係数εs(f)を評価できる。 As described above, the spectrum T ak (f) can be calculated in advance, and the spectrum T t (f) can be calculated by measuring the sample container 78-A. Therefore, if the molar concentration c s (f) of the solute is known in advance. The molecular extinction coefficient ε s (f) can be evaluated.
(ii)位相変化量の評価方法
次に、サンプルの光学的な特性の一例として、サンプル中に存在する溶質の位相変化量θk(f)を評価する場合について説明する。この位相変化量θk(f)についても、上述の分子吸光係数についての評価と同様の方法によって実現できる。なお、位相変化量θk(f)は、サンプル中の溶質の濃度に比例すると考えることができる。
(Ii) Method for Evaluating Phase Change Amount Next, the case of evaluating the phase change amount θ k (f) of a solute present in a sample will be described as an example of the optical characteristics of the sample. This phase change amount θ k (f) can also be realized by a method similar to the above-described evaluation of the molecular extinction coefficient. It can be considered that the phase change amount θ k (f) is proportional to the concentration of the solute in the sample.
溶媒で満たされたサンプル容器78−1〜78−Nに対して測定された強度信号(時間領域信号)を、フーリエ変換して得られる位相変化量をそれぞれθ1(f),θ2(f),・・・,θN(f)とする。また、セルギャップがゼロ、すなわちサンプル容器内に溶媒が存在しない場合の位相変化量をこの場合のレファレンス値とする。以下、このレファレンス値をレファレンス位相変化量θ0(f)と称す。このレファレンス位相変化量θ0(f)に対しては、以下の式が成立する。 The phase change amounts obtained by Fourier transforming the intensity signals (time domain signals) measured for the sample containers 78-1 to 78-N filled with the solvent are respectively θ 1 (f) and θ 2 (f ,..., Θ N (f). Further, the phase change amount when the cell gap is zero, that is, when there is no solvent in the sample container, is taken as the reference value in this case. Hereinafter, this reference value is referred to as a reference phase change amount θ 0 (f). The following equation is established for this reference phase change amount θ 0 (f).
θi(f)=θ0(f)+k(f)・cH2O・di ・・・(7)
但し、1≦i≦Nであり、cH2Oは純水のH2O濃度(=1000/18=55.5mol/l)であり、k(f)は周波数に依存した比例定数(rad・l/mol/cm)である。
θ i (f) = θ 0 (f) + k (f) · c H 2 O · d i (7)
However, 1 ≦ i ≦ N, c H2O is the H 2 O concentration of pure water (= 1000/18 = 55.5 mol / l), and k (f) is a proportional constant (rad · l) depending on the frequency. / Mol / cm).
ここで、サンプル容器が溶媒(水)のみで満たされた状態であれば、溶媒についてのk(f)・cH2Oは一定値Bとなる。この一定値Bを用いて、(7)式を変形すると、(7’)式となる。 Here, if the sample container is filled only with the solvent (water), k (f) · c H 2 O for the solvent is a constant value B. When this constant value B is used to transform equation (7), equation (7 ′) is obtained.
θi(f)=B・di+θ0(f) ・・・(7’)
この(7’)式から、セルギャップdiに対する位相変化量θi(f)の変化は、一次関数となり、その切片はθ0(f)となることが分かる。すなわち、溶媒のみで満たしたサンプル容器78−1〜78−Nから測定される位相変化量θk(f)と、対応のセルギャップdiとをプロットし、このプロットを補間することで表れる切片の値をθ0(f)として算出できる。
θ i (f) = B · d i + θ 0 (f) (7 ′)
From this equation (7 ′), it can be seen that the change in the phase change amount θ i (f) with respect to the cell gap d i is a linear function, and its intercept is θ 0 (f). That is, the phase change amount θ k (f) measured from the sample containers 78-1 to 78 -N filled only with the solvent and the corresponding cell gap d i are plotted, and the intercept expressed by interpolating this plot. Can be calculated as θ 0 (f).
また、サンプルで満たされたサンプル容器78−Aに対して測定された強度信号(時間領域信号)をフーリエ変換して得られる位相変化量をθt(f)とする。 Further, the phase change amount obtained by Fourier transform of the intensity signal (time domain signal) measured for the sample container 78-A filled with the sample is defined as θ t (f).
ここで、サンプル容器78−Aに収容されているサンプルが(100−Ak)質量%濃度(w/w)の溶質を含む場合を考える。このとき、サンプルには、Ak質量%濃度(w/w)の溶媒(水)が含まれていることになるので、溶媒に由来する理論上の位相変化量θak(f)は以下のように表すことができる。 Here, the case where the sample accommodated in sample container 78-A contains the solute of (100- Ak ) mass% concentration (w / w) is considered. At this time, the sample, A since k wt% concentration so that the (w / w) of the solvent (water) is included, the theoretical resulting from solvent phase variation theta ak (f) the following Can be expressed as:
θak(f)=θ0(f)−ε(f)・cH2O・(Ak/100)dk ・・・(8)
上述したように、サンプル容器78−1〜78−Nに対する測定結果に基づいて、θ0(f)を予め算出できるので、サンプル容器78−A(セルギャップdkおよび溶質濃度(100−Ak)質量%濃度)におけるθak(f)を算出できる。
θ ak (f) = θ 0 (f) −ε (f) · c H 2 O · (A k / 100) d k (8)
As described above, since θ 0 (f) can be calculated in advance based on the measurement results for the sample containers 78-1 to 78 -N, the sample container 78 -A (cell gap d k and solute concentration (100-A k) (Theta) ak (f) in (mass% concentration) is computable .
さらに、溶質に吸収されたテラヘルツ波の位相変化量θs(f)は、サンプルで満たされたサンプル容器78−Aに対して測定された位相変化量θt(f)と、溶媒に由来する理論上の位相変化量θak(f)とを用いて、以下のように表すことができる。 Further, the phase change amount θ s (f) of the terahertz wave absorbed in the solute is derived from the phase change amount θ t (f) measured for the sample container 78-A filled with the sample and the solvent. Using the theoretical phase change amount θ ak (f), it can be expressed as follows.
θs(f)=θak(f)−θt(f) ・・・(9)
この(9)式に対して、上記(7)式と同様の関係を適用すると、以下の式が成立する。
θ s (f) = θ ak (f) −θ t (f) (9)
When the same relationship as the above equation (7) is applied to the equation (9), the following equation is established.
θs(f)=θak(f)+ks(f)・cs・dk ・・・(10)
但し、cs(f)は溶質のモル濃度(mol/l)であり、ks(f)は溶質の位相変化量の比例定数(rad・l/mol/cm)である。
θ s (f) = θ ak (f) + k s (f) · c s · d k (10)
However, c s (f) is the molar concentration (mol / l) of the solute, and k s (f) is a proportionality constant (rad · l / mol / cm) of the phase change amount of the solute.
上述のように、位相変化量θak(f)は予め算出でき、位相変化量θt(f)はサンプル容器78−Aに対する測定によって算出できるので、予め溶質のモル濃度cs(f)が既知であれば、位相変化量ks(f)を評価できる。 As described above, the phase change amount θ ak (f) can be calculated in advance, and the phase change amount θ t (f) can be calculated by measuring the sample container 78-A, so that the molar concentration c s (f) of the solute is determined in advance. If known, the phase change amount k s (f) can be evaluated.
(制御構造)
図8は、この発明の実施の形態に従う演算装置2の機能構成を示すブロック図である。
(Control structure)
FIG. 8 is a block diagram showing a functional configuration of
図8を参照して、演算装置2は、バッファ部252と、フーリエ変換部(FFT)254と、サンプル選択部256と、遅延ステージ制御部258と、設定受付部260と、レファレンス算出部262と、溶媒特性算出部264と、溶質特性算出部266とをその機能として含む。これらの機能は、図5に示すように、CPU200がハードディスク部210などに予め格納されていたプログラムをメモリ部212に読出して実行することで実現される。
Referring to FIG. 8, the
また、演算装置2のハードディスク部210には、溶媒測定データ格納部272と、サンプル測定データ格納部274と、サンプル容器設定格納部276と、サンプルパラメータ格納部278とが形成される。
In addition, a solvent measurement
バッファ部252は、信号処理部12から出力される強度信号(時間領域信号)を少なくとも1個のサンプル容器分だけ蓄える。そして、バッファ部252は、この蓄えた一連の強度信号をフーリエ変換部254へ出力する。
The
フーリエ変換部254は、バッファ部252からの強度信号に対してフーリエ変換を行い、時間領域から周波数領域の信号に変換する。なお、フーリエ変換部254は、代表的に高速フーリエ変換(FFT:Fast Fourier Transformer)のアルゴリズムを用いて、フーリエ変換を実行する。なお、高速フーリエ変換(FFT)に代えて、離散コサイン変換やウェーブレット変換などを用いてもよい。
The
上述したように、本実施の形態に従う測定装置100では、時間軸を伸張した状態でテラヘルツ波T2を受光するので、フーリエ変換を行なう際には、この伸張された時間軸を反映する必要がある。そのため、フーリエ変換部254は、遅延ステージ制御部258から測定周期の情報を取得し、この測定周期情報に基づいて、バッファ部252に蓄えられた強度信号の時間軸を補正した上で、フーリエ変換を実行する。
As described above, in measuring
遅延ステージ制御部258は、テラヘルツ波T2の測定周期を定める遅延ステージ50の移動速度を制御する。具体的には、遅延ステージ制御部258は、遅延ステージ駆動機構52に制御信号CTRL2を与えて、遅延ステージ50の移動速度を適切な値に制御する。上述したように、遅延ステージ制御部258は、この制御信号CTRL2に基づいて、測定周期の情報をフーリエ変換部254へ出力する。
The delay
サンプル選択部256は、サンプル台72に配置された複数のサンプル容器のうち、いずれのサンプル容器に対してテラヘルツ波T1を照射するかを選択する。具体的には、サンプル選択部256は、後述するように、サンプル容器設定格納部276に予め格納される各サンプル容器の属性値(収容されている液体の種類およびセルギャップの値など)を参照して、必要なサンプル容器を選択するための制御信号CTRL2を駆動機構74へ出力する。たとえば、レファレンス値の算出過程においては、サンプル選択部256は、溶媒のみで満たされているサンプル容器を順次選択する。
The
また、サンプル選択部256は、現在選択中のサンプル情報をフーリエ変換部254へ出力する。このサンプル情報に基づいて、フーリエ変換部254は、フーリエ変換によって得られたスペクトルまたは位相変化量を、溶媒測定データ格納部272またはサンプル測定データ格納部274へ選択的に格納する。すなわち、フーリエ変換部254は、選択中のサンプル容器が溶媒(水)のみで満たされている場合には、算出した結果を溶媒測定データ格納部272へ格納し、選択中のサンプル容器が溶液で満たされている場合には、算出した結果をサンプル測定データ格納部274へ格納する。
In addition, the
設定受付部260は、入力部208(図5)を介してユーザなどが入力する、サンプル台72に配置されたサンプル容器の属性値や溶液測定に必要な既知のデータおよびを受付けて、サンプル容器設定格納部276やサンプルパラメータ格納部278へ格納する。
The
より具体的には、サンプル容器設定格納部276には、サンプル台72の切欠部73(図2)の各位置に対応付けて、「サンプル容器の有無」、「サンプル容器の収容物」、「セルギャップの大きさ」などの情報が格納される。また、サンプルパラメータ格納部278には、「溶媒のモル濃度」、「溶媒の分子吸光係数」、「溶質の重量%濃度」、「溶質のモル濃度」などの情報が格納される。
More specifically, in the sample container setting
レファレンス算出部262は、サンプル容器内に溶媒が存在しないとした場合のレファレンス値を算出する。具体的には、レファレンス算出部262は、溶媒測定データ格納部272に予め格納されているスペクトルT1(f),T2(f),・・・,TN(f)を参照して、周波数別にセルギャップdiとlog10Ti(f)との関係を示す一次式の切片(log10T0(f))を順次算出する。そして、レファレンス算出部262は、これらの順次算出した一次式の切片を合成した上で、レファレンススペクトルの対数値として溶媒特性算出部264へ出力する。
The reference calculator 262 calculates a reference value when no solvent is present in the sample container. Specifically, the reference calculation unit 262 refers to the spectra T 1 (f), T 2 (f),..., T N (f) stored in advance in the solvent measurement
溶媒特性算出部264は、溶媒の光学特性を算出する。具体的には、溶媒特性算出部264は、溶媒に由来する理論上の透過光強度のスペクトルTak(f)を算出する。すなわち、溶媒特性算出部264は、上述した(4)式に従って、レファレンス算出部262からのレファレンススペクトルの対数値log10T0(f)と、予め定められた溶媒のモル濃度および分子吸光係数とに基づいて、log10Tak(f)を算出する。そして、レファレンス算出部262は、この算出された透過光強度のスペクトルの対数値を溶質特性算出部266へ出力する。
The solvent
溶質特性算出部266は、測定対象のサンプルに溶解している溶質の光学特性を算出する。具体的には、溶質特性算出部266は、上述した(4)式に従って、サンプル測定データ格納部274に予め格納されているスペクトルTt(f)と、溶媒特性算出部264からの透過光強度のスペクトルの対数値log10Tak(f)と、当該サンプル容器のセルギャップと、溶質のモル濃度とに基づいて、溶質の分子吸光係数を算出する。そして、溶質特性算出部266は、算出した溶質の分子吸光係数を測定結果として、ディスプレイ部204(図5)などへ出力する。
The solute
なお、上述の図8に係る説明では、主として溶液の光学特性として、溶質の分子吸光係数を算出する場合の構成について例示したが、溶質の位相変化量についても同様の制御構造によって算出できるので、詳細な説明は繰返さない。 In the description according to FIG. 8 described above, the configuration in the case of calculating the molecular extinction coefficient of the solute is mainly exemplified as the optical characteristics of the solution. However, since the phase change amount of the solute can be calculated by the same control structure, Detailed description will not be repeated.
(処理フロー)
上述した本実施の形態に従う溶液特性測定方法の一連の処理手順についてまとめると、以下のような処理フローとなる。
(Processing flow)
A series of processing procedures of the solution characteristic measuring method according to the above-described embodiment will be summarized as the following processing flow.
図9は、この発明の実施の形態に従う溶液特性測定方法の処理手順を示すフローチャートである。 FIG. 9 is a flowchart showing a processing procedure of the solution property measuring method according to the embodiment of the present invention.
図9を参照して、まず、ユーザは、サンプルを収容したサンプル容器、およびサンプルに含まれる溶媒と同一の溶媒のみを収容した複数のサンプル容器を準備する(ステップS100)。そして、ユーザは、これらのサンプル容器をサンプル台72に配置する(ステップS102)とともに、各サンプル容器の属性およびサンプルの物理定数を設定する(ステップS104)。具体的には、ユーザは、入力部208(図5)を操作して、サンプル台72の切欠部73(図2)の各位置に対応付けて、「サンプル容器の有無」、「サンプル容器の収容物(サンプルまたは溶媒の指定)」、「セルギャップの大きさ」などの情報を入力する。また、ユーザは、対象とするサンプルについての「溶媒のモル濃度」、「溶媒の分子吸光係数」、「溶質の重量%濃度」、「溶質のモル濃度」などの既知の情報を入力する。なお、必要に応じて、ユーザは、サンプル交換機構70を含む所定区域に対して、減圧や窒素置換などを行なう。
Referring to FIG. 9, first, the user prepares a sample container containing a sample and a plurality of sample containers containing only the same solvent as the solvent contained in the sample (step S100). Then, the user places these sample containers on the sample table 72 (step S102), and sets the attributes of each sample container and the physical constants of the samples (step S104). Specifically, the user operates the input unit 208 (FIG. 5) and associates the “presence / absence of the sample container” and “sample container” with each position of the notch 73 (FIG. 2) of the sample table 72. Enter information such as “containment (specify sample or solvent)” and “size of cell gap”. In addition, the user inputs known information such as “molar concentration of solvent”, “molecular absorption coefficient of solvent”, “wt% concentration of solute”, and “mol concentration of solute” regarding the target sample. If necessary, the user performs depressurization or nitrogen replacement on a predetermined area including the
これらの準備処理が完了すると、ユーザは、演算装置2に対して測定開始を指示する。
この測定開始指示に応答して、演算装置2のCPU200(図5)は、駆動機構74(図1)に制御信号CTRL1を与えて、サンプル台72に配置された複数のサンプル容器のうち1つをテラヘルツ波の照射位置へ移動させる(ステップS106)。そして、CPU200は、当該サンプル容器に対する強度信号の測定を開始する(ステップS108)。より具体的には、CPU200は、遅延ステージ駆動機構52(図1)に制御信号CTRL2を与えるとともに、レーザ光源20(図1)からのパルスレーザL1の発生を開始させる。そして、CPU200は、信号処理部12から出力される強度信号(時間領域信号)を受信し、この強度信号をフーリエ変換してスペクトルまたは位相変化量を取得する。
When these preparation processes are completed, the user instructs the
In response to the measurement start instruction, the CPU 200 (FIG. 5) of the
CPU200は、測定対象のサンプル容器の属性に対応付けて、取得したスペクトルまたは位相変化量を格納する(ステップS110)。その後、CPU200は、サンプル台72に配置されたすべてのサンプル容器についての測定が完了したか否かを判断する(ステップS112)。すべてのサンプル容器についての測定が完了していない場合(ステップS112においてNOの場合)には、CPU200は、ステップS106以下の処理が再度実行される。
一方、すべてのサンプル容器についての測定が完了している場合(ステップS112においてYESの場合)には、CPU200は、ステップS110において格納されたスペクトルまたは位相変化量のうち、溶媒のみを収容したサンプル容器に対して測定されたものを抽出する(ステップS114)とともに、当該サンプル容器のセルギャップの値を読出す(ステップS116)。そして、CPU200は、周波数別に、セルギャップの値とスペクトルの対数値または位相変化量との間の関係を示す一次式の切片を順次算出することで、レファレンス値を算出する(ステップS118)。
On the other hand, when the measurement for all the sample containers has been completed (in the case of YES in step S112),
続いて、CPU200は、ステップS118において算出したレファレンス値と、予め設定された溶媒のモル濃度および分子吸光係数とに基づいて、溶媒の光学特性を算出する(ステップS120)。
Subsequently, the
さらに、CPU200は、サンプルを収容したサンプル容器に対して測定されたスペクトルまたは位相変化量と、ステップS120において算出した溶媒の光学特性と、当該サンプル容器のセルギャップと、溶質のモル濃度とに基づいて、サンプルに含まれる溶質の光学特性を算出する(ステップS122)。そして、CPU200は、この溶質の光学特性を対象となる溶液についての測定結果として、ディスプレイ部204(図5)などへ出力する(ステップS124)。そして、処理は終了する。
Furthermore, the
(測定例)
次に、本実施の形態に従う測定装置100を用いて実際に測定した測定例について説明する。
(Measurement example)
Next, a measurement example actually measured using
本測定例では、レファレンス値を算出するために、セルギャップが20μm,40μm,60μm,100μmである4種類のサンプル容器を用意するとともに、サンプルを測定するために、セルギャップが100μmのサンプル容器を用意した。また、サンプルとして、12質量%濃度(w/w)のアルギニン水溶液を用いた。 In this measurement example, in order to calculate the reference value, four types of sample containers having cell gaps of 20 μm, 40 μm, 60 μm, and 100 μm are prepared, and in order to measure the sample, a sample container having a cell gap of 100 μm is prepared. Prepared. Moreover, 12 mass% concentration (w / w) arginine aqueous solution was used as a sample.
図10は、測定例における各サンプル容器から得られた強度信号の時間波形を示す図である。 FIG. 10 is a diagram illustrating a time waveform of the intensity signal obtained from each sample container in the measurement example.
図11は、図10に示される時間波形から得られるスペクトル波形(パワースペクトル)を示す図である。 FIG. 11 is a diagram showing a spectrum waveform (power spectrum) obtained from the time waveform shown in FIG.
図10を参照して、水で満たされたサンプル容器の間で比較すると、そのセルギャップが大きくなるほど、強度のピーク高さが減少するとともに、ピーク位置が遅れていることが分かる。強度のピーク高さが減少するのは、セルギャップが大きくなるほど、テラヘルツ波に対する水の吸収度合いが大きくなるためである。また、ピーク位置が遅れるのは、水の屈折率が空気に比較して大きいため、セルギャップが大きくなるほど、伝搬速度が低下するためである。 Referring to FIG. 10, it can be seen that the comparison between sample containers filled with water reduces the peak height of the intensity and delays the peak position as the cell gap increases. The intensity peak height decreases because the degree of water absorption with respect to terahertz waves increases as the cell gap increases. The reason why the peak position is delayed is that the refractive index of water is larger than that of air, so that the propagation speed decreases as the cell gap increases.
なお、サンプルで満たされたサンプル容器から得られる強度信号の時間波形は、同じセルギャップを有する、水で満たされたサンプル容器から得られる強度信号の時間波形とほぼ同様の挙動を示し、その違いはわずかである。 Note that the time waveform of the intensity signal obtained from the sample container filled with the sample shows almost the same behavior as the time waveform of the intensity signal obtained from the sample container filled with water having the same cell gap. Is slight.
図11を参照しても、サンプルで満たされたサンプル容器(セルギャップ100μm)から得られる強度信号のスペクトルと、水で満たされたサンプル容器(セルギャップ100μm)から得られる強度信号のスペクトルとの間の差異もわずかである。
Referring also to FIG. 11, the spectrum of the intensity signal obtained from the sample container filled with the sample (
このように、従来の吸収スペクトル測定法では、十分な測定精度を得ることが困難である。 Thus, it is difficult to obtain sufficient measurement accuracy with the conventional absorption spectrum measurement method.
図10および図11に測定データに対して、本実施の形態に従う溶液特性測定方法を適用した場合の測定結果を図12〜図15に示す。 10 and 11 show the measurement results when the solution characteristic measurement method according to the present embodiment is applied to the measurement data, as shown in FIGS.
図12は、図10および図11に示す測定データに対して、本実施の形態に従う溶液特性測定方法を適用して得られたスペクトル波形(パワースペクトル)を示す図である。 FIG. 12 is a diagram showing a spectrum waveform (power spectrum) obtained by applying the solution characteristic measurement method according to the present embodiment to the measurement data shown in FIGS. 10 and 11.
図13は、サンプルに含まれるアルギニンの透過率スペクトルを示す図である。図14は、サンプルに含まれるアルギニンの吸光度スペクトルを示す図である。図15は、サンプルに含まれるアルギニンの分子吸光係数スペクトルを示す図である。 FIG. 13 is a diagram showing a transmittance spectrum of arginine contained in a sample. FIG. 14 is a diagram showing an absorbance spectrum of arginine contained in a sample. FIG. 15 is a diagram showing a molecular extinction coefficient spectrum of arginine contained in a sample.
図12を参照して、上述した本実施の形態に従う溶液特性測定方法を適用して、水で満たされた複数のサンプル容器から得られたスペクトル(図11参照)から、レファレンススペクトルを算出することができる。 Referring to FIG. 12, the reference spectrum is calculated from spectra (see FIG. 11) obtained from a plurality of sample containers filled with water by applying the solution characteristic measuring method according to the present embodiment described above. Can do.
そして、このようなレファレンススペクトルに基づいて、サンプル中に含まれる溶質(アルギニン)に由来する透過光強度のスペクトルを算出することができる。図12に示されるように、溶質に由来する透過光強度のスペクトルは、サンプルで満たされたサンプル容器に対して測定される透過光強度のスペクトルより大きいことが分かる。すなわち、媒質の吸光率が水の吸光率に比較して小さいことを示している。 Based on such a reference spectrum, a spectrum of transmitted light intensity derived from a solute (arginine) contained in the sample can be calculated. As shown in FIG. 12, it can be seen that the spectrum of the transmitted light intensity derived from the solute is larger than the spectrum of the transmitted light intensity measured for the sample container filled with the sample. That is, it shows that the absorbance of the medium is smaller than the absorbance of water.
図13〜図15に示すように、本実施の形態に従う溶液特性測定方法によれば、溶液に溶解されている媒質の光学特性を測定することができる。 As shown in FIGS. 13 to 15, according to the solution characteristic measuring method according to the present embodiment, the optical characteristic of the medium dissolved in the solution can be measured.
(変形例)
上述の実施の形態では、円筒形状のサンプル容器を用いる構成について例示したが、このサンプル容器の形状については、特に限定されることはない。
(Modification)
In the above-described embodiment, the configuration using the cylindrical sample container is illustrated, but the shape of the sample container is not particularly limited.
図16は、この発明の実施の形態の変形例に従うサンプル容器78#の外観図である。
図16を参照して、サンプル容器としては、サンプル、またはサンプルに含まれる溶媒を収容可能であれば、四角柱形状のサンプル容器などを用いてもよい。さらに、その他の多角柱形状のサンプル容器を用いてもよい。
FIG. 16 is an external view of a
Referring to FIG. 16, as a sample container, a sample container having a quadrangular prism shape or the like may be used as long as it can accommodate a sample or a solvent contained in the sample. Further, other polygonal column shaped sample containers may be used.
本実施の形態によれば、セルギャップを精密に形成したサンプル容器を準備することができるので、先行技術に開示された平行ウィンドウ間の距離を調整する方法に比較して、より正確にテラヘルツ波の伝搬経路長さを設定する。また、レファレンス値を算出するためのサンプル容器と、サンプルの光学特性を測定するためのサンプル容器とは、セルギャップを除いて、互いに同一の構成されるので、テラヘルツ波が入射する界面の条件を略同一にできる。すなわち、サンプル容器に依存する誤差影響を互いに打ち消すことができる。したがって、より正確にレファレンス値(基準値)を算出した上で、より誤差の少ない測定結果を出力することができる。 According to the present embodiment, it is possible to prepare a sample container in which a cell gap is precisely formed, so that the terahertz wave can be more accurately compared with the method of adjusting the distance between parallel windows disclosed in the prior art. Set the propagation path length of. In addition, the sample container for calculating the reference value and the sample container for measuring the optical characteristics of the sample are configured identically except for the cell gap, so the conditions of the interface where the terahertz wave is incident are set. Can be almost identical. That is, the error effects depending on the sample containers can be canceled with each other. Therefore, it is possible to output a measurement result with less error after calculating the reference value (reference value) more accurately.
また、本実施の形態によれば、レファレンス値を算出するためのサンプル容器およびサンプルの光学特性を測定するためのサンプル容器が同一のサンプル台72上に配置されるとともに、サンプル台72が回転移動して、各サンプル容器に対する測定結果を順次取得することができる。したがって、より迅速にサンプルの光学特性を測定することができる。 According to the present embodiment, the sample container for calculating the reference value and the sample container for measuring the optical characteristics of the sample are arranged on the same sample table 72, and the sample table 72 is rotated and moved. Thus, the measurement results for each sample container can be acquired sequentially. Therefore, the optical properties of the sample can be measured more quickly.
また、本実施の形態によれば、各サンプル容器は、重力方向上側に開口した凹部と、凹部の重力方向上側に積層された蓋部とから構成されるので、サンプルや溶媒についての液漏れのおそれがなく、より正確に測定を行なうことができる。 In addition, according to the present embodiment, each sample container is composed of a concave portion opened on the upper side in the gravitational direction and a lid portion stacked on the upper side in the gravitational direction of the concave portion. There is no fear and measurement can be performed more accurately.
今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は、上記した説明ではなく、特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。 The embodiment disclosed this time should be considered as illustrative in all points and not restrictive. The scope of the present invention is defined by the terms of the claims, rather than the description above, and is intended to include any modifications within the scope and meaning equivalent to the terms of the claims.
2 演算装置、12 信号処理部、14 発振器、20 レーザ光源、22 バンドパスフィルタ、24 λ/2波長板、26 ビームスプリッタ、28 エミッタユニット、28a 収束レンズ、28b 光伝導スイッチ、28c Siレンズ、30a,30b,60a,60b 軸外し放物面ミラー、40,42,44,46,48,54,56 ミラー、50 遅延ステージ、52 遅延ステージ駆動機構、58 アンテナユニット、58a 収束レンズ、58b 光伝導スイッチ、58c Siレンズ、70 サンプル交換機構、72 サンプル台、72a 押え板、73 切欠部、73a 貫通孔、74b モータ、74 駆動機構、74a 回転支持部、78 サンプル容器、781a-78Na,78Aa 蓋部、781b-78Nb,78Ab 凹部、781c 収容部、100 溶液特性測定装置(測定装置)、121 掛算器、122 低域通過フィルタ、204 ディスプレイ部、206 インターフェイス部、208 入力部、210 ハードディスク部(HDD)、212 メモリ部、214 CD−ROMドライブ、214a CD−ROM、216 FDDドライブ、216a フレキシブルディスク、252 バッファ部、254 フーリエ変換部、256 サンプル選択部、258 遅延ステージ制御部、260 設定受付部、262 レファレンス算出部、264 溶媒特性算出部、266 溶質特性算出部、272 溶媒測定データ格納部、274 サンプル測定データ格納部、276 サンプル容器設定格納部、278 サンプルパラメータ格納部、L1,L2,L3 パルスレーザ、T1,T2 テラヘルツ波。 2 Arithmetic unit, 12 Signal processing unit, 14 Oscillator, 20 Laser light source, 22 Band pass filter, 24 λ / 2 wave plate, 26 Beam splitter, 28 Emitter unit, 28a Converging lens, 28b Photoconductive switch, 28c Si lens, 30a , 30b, 60a, 60b Off-axis parabolic mirror, 40, 42, 44, 46, 48, 54, 56 Mirror, 50 Delay stage, 52 Delay stage drive mechanism, 58 Antenna unit, 58a Converging lens, 58b Photoconductive switch 58c Si lens, 70 Sample exchange mechanism, 72 Sample stand, 72a Press plate, 73 Notch, 73a Through hole, 74b Motor, 74 Drive mechanism, 74a Rotation support, 78 Sample container, 781a-78Na, 78Aa Lid, 781b-78Nb, 78Ab recess , 781c storage unit, 100 solution characteristic measurement device (measurement device), 121 multiplier, 122 low-pass filter, 204 display unit, 206 interface unit, 208 input unit, 210 hard disk unit (HDD), 212 memory unit, 214 CD -ROM drive, 214a CD-ROM, 216 FDD drive, 216a flexible disk, 252 buffer unit, 254 Fourier transform unit, 256 sample selection unit, 258 delay stage control unit, 260 setting reception unit, 262 reference calculation unit, 264 solvent characteristics Calculation unit, 266 Solute characteristic calculation unit, 272 Solvent measurement data storage unit, 274 Sample measurement data storage unit, 276 Sample container setting storage unit, 278 Sample parameter storage unit, L1, L2, L3 pulse laser , T1, T2 Terahertz waves.
Claims (5)
テラヘルツ波を発生するテラヘルツ発生源と、
液体を収容するための収容部が形成された第1サンプル容器および複数の第2サンプル容器と、
前記第1サンプル容器および前記複数の第2サンプル容器を保持するサンプル台と、
前記サンプル台を駆動することによって、前記テラヘルツ発生源からのテラヘルツ波の伝搬経路上に、前記第1サンプル容器および前記複数の第2サンプル容器のうち1つのサンプル容器を選択的に配置するための駆動機構と、
前記サンプル容器を透過した後のテラヘルツ波を受信する受信部と、
前記受信部によって受信されるテラヘルツ波の強度を示す強度信号を出力する信号処理部と、
前記信号処理部からの強度信号に基づいて、前記溶液の特性を算出する演算部とを備え、
前記第1サンプル容器は、前記溶液を収容し、
前記複数の第2サンプル容器は、前記溶媒を収容し、
前記複数の第2サンプル容器の前記収容部は、テラヘルツ波の伝搬経路に沿った厚みが互いに異なるように形成されており、
前記演算部は、
前記複数の第2サンプル容器の各々についての強度信号に基づいて、基準値を算出する手段と、
前記基準値に基づいて、前記溶媒に関する特性を算出する手段と、
前記溶媒に関する特性および前記第1サンプル容器についての強度信号に基づいて、前記溶質に関する特性を算出する手段とを含む、溶液特性測定装置。 A solution property measuring device for measuring properties of a solution comprising a solvent and a solute,
A terahertz source that generates terahertz waves;
A first sample container and a plurality of second sample containers each having a container for containing a liquid;
A sample stage for holding the first sample container and the plurality of second sample containers;
For selectively arranging one sample container among the first sample container and the plurality of second sample containers on the propagation path of the terahertz wave from the terahertz generation source by driving the sample stage A drive mechanism;
A receiver for receiving the terahertz wave after passing through the sample container;
A signal processing unit that outputs an intensity signal indicating the intensity of the terahertz wave received by the receiving unit;
A calculation unit that calculates the characteristics of the solution based on an intensity signal from the signal processing unit;
The first sample container contains the solution;
The plurality of second sample containers contain the solvent,
The accommodating portions of the plurality of second sample containers are formed so that the thicknesses along the propagation path of the terahertz wave are different from each other,
The computing unit is
Means for calculating a reference value based on an intensity signal for each of the plurality of second sample containers;
Means for calculating a property relating to the solvent based on the reference value;
And a means for calculating a characteristic relating to the solute based on a characteristic relating to the solvent and an intensity signal relating to the first sample container.
前記テラヘルツ発生源からのテラヘルツ波は、重力方向に沿って対象の前記サンプル容器に入射する、請求項1または2に記載の溶液特性測定装置。 Each of the first sample container and the plurality of second sample containers is composed of a concave portion opened on the upper side in the gravitational direction and a lid portion stacked on the upper side in the gravitational direction of the concave portion,
The solution characteristic measuring apparatus according to claim 1, wherein a terahertz wave from the terahertz generation source is incident on the target sample container along a direction of gravity.
前記測定装置は、
テラヘルツ波を発生するテラヘルツ発生源と、
液体を収容するための収容部が形成された第1サンプル容器および複数の第2サンプル容器と、
前記第1サンプル容器および前記複数の第2サンプル容器を保持するサンプル台と、
前記サンプル容器を透過した後のテラヘルツ波を受信する受信部と、
前記受信部によって受信されるテラヘルツ波の強度を示す強度信号を出力する信号処理部とを備え、
前記サンプル台は、前記テラヘルツ発生源からのテラヘルツ波の伝搬経路上に、前記第1サンプル容器および前記複数の第2サンプル容器のうち1つのサンプル容器が選択的に配置されるように移動可能に構成され、
前記第1サンプル容器は、前記溶液を収容し、
前記複数の第2サンプル容器は、前記溶媒を収容し、
前記複数の第2サンプル容器の前記収容部は、テラヘルツ波の伝搬経路に沿った厚みが互いに異なるように形成されており、
前記溶液特性測定方法は、
前記サンプル台を順次移動させて、前記第1サンプル容器および前記複数の第2サンプル容器の各々についての強度信号を取得するステップと、
前記複数の第2サンプル容器の各々についての強度信号に基づいて、基準値を算出するステップと、
前記基準値に基づいて、前記溶媒に関する特性を算出するステップと、
前記溶媒に関する特性および前記第1サンプル容器についての強度信号に基づいて、前記溶質に関する特性を算出するステップとを含む、溶液特性測定方法。 A solution property measuring method for measuring properties of a solution composed of a solvent and a solute using a measuring device,
The measuring device is
A terahertz source that generates terahertz waves;
A first sample container and a plurality of second sample containers each having a container for containing a liquid;
A sample stage for holding the first sample container and the plurality of second sample containers;
A receiver for receiving the terahertz wave after passing through the sample container;
A signal processing unit that outputs an intensity signal indicating the intensity of the terahertz wave received by the receiving unit;
The sample stage is movable so that one sample container among the first sample container and the plurality of second sample containers is selectively disposed on a propagation path of the terahertz wave from the terahertz generation source. Configured,
The first sample container contains the solution;
The plurality of second sample containers contain the solvent,
The accommodating portions of the plurality of second sample containers are formed so that the thicknesses along the propagation path of the terahertz wave are different from each other,
The solution property measuring method is:
Sequentially moving the sample stage to obtain an intensity signal for each of the first sample container and the plurality of second sample containers;
Calculating a reference value based on an intensity signal for each of the plurality of second sample containers;
Calculating a property relating to the solvent based on the reference value;
Calculating a characteristic relating to the solute based on the characteristic relating to the solvent and an intensity signal relating to the first sample container.
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