JP2010517029A - 分光装置および方法 - Google Patents

Abstract

ラマン分光装置において、励起光はラインフォーカス（３８）としてサンプル（２６）上に焦点を合わせられる。ラインフォーカス内のポイントからのスペクトルは、２次元配列のピクセルを有するＣＣＤ検出器（３４）の行（４６）に散乱される。そのラインフォーカスは、サンプルに対して方向Ｙ（矢印４８）に長手方向に移動する。同時にかつ同期して、電荷は、サンプルの所与のポイントからのデータが蓄積し続けるように、ＣＣＤ内で平行方向Ｙ´（矢印５０）にシフトされる。これは、各サンプルポイントからのデータが照明に起因し、ラインフォーカスに沿ってまとめられることを確実にし、また、サンプルのイメージを形成するように続いて一緒にデータを合わせることをより容易にする。

Description

本発明は分光装置および方法に関する。それは、ラマン分光法で特に役立つが、他の種類の分光法、例えば蛍光発光、細線光ルミネセンスまたは陰極線ルミネセンスにおいても同様に用いられ得る。

ラマン分光装置の例は特許文献１（Batchelderら）に示されている。レーザー光源からの光はサンプル上のある場所に焦点が合わせられる。光とサンプルの分子との間の相互作用は、励起レーザー周波数に対してシフトされた周波数および波数を有するスペクトルにラマン散乱を起す。レーザー周波数をフィルタリングで除去した後、回折格子のような散乱素子は、例えば電荷結合素子（ＣＣＤ）の方式の２次元光検出器アレイを横切る散乱ラマンスペクトルに散乱する。異なる分子種は、異なる独特のラマンスペクトルを有するので、その効果はそこにある分子種を分析するために用いられ得る。ラマンスペクトルは、サンプルの局所応力や局所歪みのような他の情報も与えることができる。

米国特許第５４４２４３８号明細書

もしそれが、サンプルのたった１つのポイントではなくてある範囲を調査するために要求される場合、そのとき、直交方向Ｘ、Ｙに動くことができるステージ上にサンプルを取り付けることが知られている。代わりに、可動ミラーが、ＸおよびＹ方向にサンプルの表面を横切るビームを偏向してもよい。したがって、サンプルのラスター走査は起こり得、走査において各ポイントでのラマンスペクトルを与えることができる。

そのようなラスター走査において、各ポイントでは、レーザービームは、ラマンスペクトルが取得されることを可能にする十分な長さの時間の間、サンプルを照らさなければならない。したがって、サンプルの大きな範囲にわたるマップを得るためには多大な時間を必要とし得る。

それ故、サンプルをポイントフォーカスではなく、ラインフォーカスで照らすことが知られている。これは、ライン内の複数のポイントからのスペクトルの獲得を同時に可能にする。ＣＣＤ検出器において、ラインのイメージがスペクトルの分散の方向に対して直交方向に延びることが定められる。これは、複数のスペクトルを同時に取得するように、検出器の２次元性質の効率的な使用を可能にする。複数のスペクトルはＣＣＤアレイの複数の行または列において同時に形成される。

そのようなラインフォーカス配列の１つの問題は、必然的に照射レーザー光はラインに沿う種々の位置で種々の強度を持つということである。それ故、そのライン内の種々の位置からの結果として生じているスペクトルは、互いに対して標準化されず、直接比較しづらい。

サンプルの大きな範囲が調査される必要がある場合、ラインの長さは調査されるべき範囲の幅または深さの一部分のみであるだろうとまた非常に思われる。結果として、そのようなラインフォーカスでさえ、一連の連続した縞においてラスター走査を引き受けなければならない。その範囲の２次元マップに、結果として生じている縞を組み立てるとき、ラインフォーカスの終わりでデータを一緒になるようになめらかに合わせることには問題がある。

データを一緒にするように合わせることのこれらの困難は、幾つかの異なる原因を有する。１つの原因は、ラインフォーカスに沿う種々の位置での強度における上記相違である。確かに、強度は端部近くで著しく減少し、これは不連続をもたらすので、ラインの端部近くで生み出されるデータを取り除くことが必要である。別の原因は、周囲条件がある１つの縞の走査と次の走査との間で変化することが多いということである。また、ブリーチングとして知られる現象が作用し始める。サンプルがレーザービームにさらされたままにされる場合、スペクトルの蛍光発光のバックグラウンドは、時間またはレーザー出力の関数として散ったり、または、消えたりすることができる。

本発明は、
サンプルにラインフォーカスを生み出し、それから散乱光のスペクトルを発生させるように配置された励起光の光源であって、該ラインフォーカスおよび該サンプルが相対的に可動である、光源と、
少なくとも１つの行または列に配列された複数の検出要素を有する検出器と、
該サンプルと該検出器との間の光路であって、該ラインフォーカスと該行または列とが、該ラインフォーカスの異なる部分から散乱された光が該行または列内の異なる検出要素にそれぞれ向けられるように調整された光路と、
を備え、
該ラインフォーカスは、該サンプルに対して、該ラインフォーカスの長手方向に少なくとも動くように決められ、かつ、
該サンプルにわたる該ラインフォーカスの相対的な動きに同期して、該サンプルの所与のポイントまたは領域からのデータが、該相対的な動きの間、蓄積するように、データが、該検出器内でシフトされる
ことを特徴とする分光装置を提供する。

好ましくは、データは、検出要素の該行または列の一端部から、順次、読まれる。好ましい一実施形態において、各要素からのデータは、ある１つの要素から次のへと該行または列に沿って連続して推移する。しかし、その長手方向への移動のみならず、例えば、ラインフォーカスとサンプルとの間の相対的移動がより複雑でありかつその長手方向に対して横切る方向にコンポーネントを含む場合、それは必ずしも全くそうとは限らないかもしれない。

好ましくは、検出器は、２次元配列の検出要素を備え、好ましくは、アナライザーは、前記行または列に直交する方向に検出器と交わるように、ラインフォーカスの任意の所与のポイントまたは領域からのスペクトルを分散させる。したがって、スペクトルに広がる複数の波数に相当するデータが、２次元配列のそれぞれの行または列において、サンプル上のラインフォーカスの相対的な動きに同期して、該それぞれの行または列に沿って各波数に関する該データを動かす間、同時に取得されることができる。

別の好ましい実施形態において、検出器は、９０°まで回転可能であるとよい。そして、上記特許文献１において説明されているように、所望のとき、データのステッピングが、代わりに、散乱の方向に行われるように、検出器が回転されるとよい。

分光装置の第１実施形態の概略図である。 図１の装置によって分析されるサンプルの範囲の平面図である。 図１の装置のラインフォーカスに従うライトビームの強度の変化を示すグラフである。 （Ａ）、（Ｂ）および（Ｃ）は、それぞれ、サンプルに対するラインフォーカスの動き、ＣＣＤ検出器内での電荷の対応シフト、および、ラインフォーカスのある点から受けたスペクトルを示す。 図１の装置の一部分の代わりの配置を示す。

さて、本発明の好ましい実施形態が、添付図面を参照して、一例として説明されるだろう。

図１を参照すると、分光装置は、励起光の光源として働くレーザー１０を備える。これは、ビーム拡大器１２、円筒型レンズ１３、ミラー１４、１６、１８およびフィルター２０を介して、顕微鏡２２の中へ通される。顕微鏡２２の対物レンズ２４は、ステージまたはテーブル２８上に取り付けられたサンプル２６の上にレーザービームの焦点を合わせる。ステージ２８はモーター３０を有し、それはコンピュータ３２の制御の下で、方向Ｘ、Ｙに動かされ得る。

励起レーザービームによる照射は、種々の周波数／波数での、例えばラマン散乱光である散乱光を生じる。これは、顕微鏡の対物レンズ２４によって集められ、２次元光検出器アレイ３４に向けて方向付けられる。それは、ミラー１８、フィルター２０、（機器の深さ分解能を制御するように焦点を共有するように作用し得る）スリット３５、ミラー３６、回折格子３８および合焦レンズ３７を介して進む。

好ましい２次元光検出器３４は、ＣＣＤ検出器である。しかし、２次元ＣＭＯＳ検出器アレイのような他の検出器が、可能である。回折格子３８は、方向Ｘ´において、ＣＣＤ３４の表面を横切る散乱光のスペクトルを散乱させる。

フィルター２０は２つの目的に役立つ。第一に、それは、レーザー１０からの励起レーザーの照明を、顕微鏡２２およびサンプル２６に向かう光路へそれを送るように、反射する。第２に、それは、照射レーザービームと同じ周波数を有するレーリー散乱光を排除し、ＣＣＤ検出器３４に向けて重要なラマンスペクトルのみを通過させる。そのような特性を有する様々な異なる種類の誘電体フィルターが用いられることができ、例えば、（示されるように低角度で光路に対して入射するように設置され得る）ホログラフィックフィルターを含む。必要に応じて、２個以上のそのようなフィルターが、レーリー散乱光の排除を改善するように、直列に設けられる。

ここまでに説明された配列の特徴のうちの多くは、特許文献１に見出されることができ、それはさらなる詳細についてはここで言及することにより組み込まれる。

一時にサンプル２６上の単一のポイントにレーザービームを単に照射するよりも、ラインフォーカスを生み出すように、円筒型レンズ１３は構成されている。そして、これは、サンプル上の複数のポイントを同時に照らし、そこからのラマン散乱を引き起こす。

図２に示されるように、一般的に、サンプルの分析されるべき範囲３７は、照射ラインフォーカス３８の長さよりも長い寸法を有する。それ故、ラインフォーカス３８は、範囲３７のラスター走査を行うためになされる。実際には、照射光のラインフォーカスとサンプルとの間の相対的な動きは、コンピュータ３２の制御の下、モーター３０を用いてステージ２８を動かすことによって引き起こされる。しかし、代わりに、照射ビーム自体が、電動式走査用ミラーを用いてビームを偏向させることで、静止したサンプルの表面を横切るように走査されてもよい。この場合も、これは、コンピュータ３２で制御される。

従来のシステムでは、ラインフォーカスは、縞４０を走査するように、矢印４１で示されるように、最初に、サンプルに対して方向Ｘに動くだろう。次に、それは、連続した縞４０のためにそのような走査を繰り返すように、矢印４２で示されるように、方向Ｙに動かされるだろう。

しかし、本実施形態においては、以下の方法が採用される。照射ラインをその長さに直交するＸ方向に最初に動かす代わりに、それは、代わりに、最初、その長さに対して平行なＹ方向に（すなわち縦に）連続的に動かされる。連続的な動きへの代案として、それは、所望の照射期間、各ステップでとどまるように、段階的に動かされることができる。Ｙ方向（矢印４２）における各全走査の後、ラインフォーカスは、サンプルの隣接した位置へＸ方向（矢印４１）にステップ的に進まされ、Ｙ方向への別の走査が行われる。このプロセスは、調査される全範囲３７が走査されるまで、繰り返される。これは、全て、コンピュータ３２の制御の下、行われる。次に縞４０がないことが判断されるだろう。

用いられるこの方法は、図４（Ａ）、４（Ｂ）および４（Ｃ）を参照してさらに説明されるだろう。

図４（Ａ）は、サンプル２６の表面の一部を示し、解説のためにそれを覆うように重ねられたＣＣＤ３４のピクセルの仮想グリッドを有する。このグリッドは、示されるように、調査されるサンプルの範囲３７の一部のみをカバーする。また図４（Ａ）に示されているのは、照射レーザービームのラインフォーカス３８である。矢印４８は、上記されたように、ラインフォーカス３８に対するサンプルの動きの方向を示す。

図４（Ｂ）は、ＣＣＤ検出器３４の検出要素（ピクセル）の対応配列の表示である。図４（Ａ）のライン３８における各点に関して、ラマンスペクトルは、ＣＣＤ検出器アレイの行に従うＸ´方向に、例えば行４６に示されるように、散乱させられる。図４（Ｃ）に示されるように、このスペクトルは、サンプル２６の対応位置での対象物質に対応し得る。図４（Ａ）および４（Ｂ）で示されているピクセルの大きさは図４（Ｃ）と比べて誇張されていて、現実にはこのピクセルの数の何倍もあることが理解されるべきである。

光に対するＣＣＤの露光は、各検出要素（ピクセル）に電荷（charge）の蓄積をもたらす。この電荷はデータを表し、露光の間に受け取る光の量に比例する。通常は、この電荷は、露光後、１つの検出要素から次のへとそれを通すことによって、連続して読み取られる。これらの電荷シフト（charge shift）のステップの各々では、アレイの縁部のピクセルからの電荷がシフト・レジスタに読み込まれ、それからそれが出力され、コンピュータへ送られる。

図４（Ｂ）のこの実施形態では、電荷は、矢印５０で示される方向に、サンプルの動き（矢印４８、図４（Ａ））の方向Ｙに対応する方向Ｙ´に、シフトされる。一度に１つの行はシフト・レジスタ５２に読み込まれ、そこからそれは５４で示されるようにコンピュータ３２へ出力される。したがって、読み出しプロセスの間、常に、シフト・レジスタ５２は、ライン３８上のある点でのある完全なスペクトルのためのデータを保持する。

矢印５０で示されるような電荷のシフトは、コンピュータ３２の制御の下、矢印４８で示されるような方向Ｙにおけるライン３８の走査と同時におよび同期して生じる。光に対するＣＣＤの露出は、この走査の間続き、電荷は、ＣＣＤアレイのある検出要素から次のへとシフトされるので、ますます蓄積し続ける。電荷がサンプルとラインフォーカス３８との相対的な動きに同調して、同じ方向にシフトされるので、サンプル２６における所与の位置からの光は、図４（Ｃ）に示されるように、そのポイントに関するスペクトルとして蓄積し続ける。ＣＣＤのおよびステージのそのような同期走査は、ラインフォーカスが分析されるべき範囲３７の全長さを横切るまで、図２に矢印４２で示されるようにＹ方向に継続する。そして、ラインフォーカス３８は、矢印４１で示されるように隣接する位置にステップ的に進められ、ラスター走査が全範囲３７に対して作り上げられるまで、同じ手順が行われる。

参照は、サンプル２６におけるあるポイントからの電荷（データ）の累積に対してなされている。しかし、より低い解像度のシステムでは、電荷は、サンプルの１つの小さな範囲または領域から蓄積され得る。

上記した技術には幾つかの利点がある。

第１の利点は、図３を参照して説明される。これは、ラインフォーカス３８の長さに沿う照射レーザービームの強度特性を示す。理論上、もちろん、それは、ライン３８の長さの至る所に均一な強度を有する「シルクハット」関係（“top hat” function）であるだろう。しかし、現実には、これは可能ではなく、強度曲線４４は、ラインに沿うある位置から別のへと変化する。従来の技術において、この結果は、ラインに従う異なるポイントから同時に生じるスペクトルが異なる強度を有するということである。これは、スペクトルを比較する定量分析を実行することを困難にし、ラインに沿う様々な照射ポイントに関する分子構成および他の情報を推定することを困難にする。適切な「シルクハット」関係を実現するためには、回折光学素子を有する点光源レーザーを必要とするだろうが、高価であるだろう。

しかし、本技術では、サンプル２６上の任意の所与のポイントがラインフォーカス３８の長さ内の各位置からの光によって連続的に照らされる。したがってサンプルの各ポイントは、図３に曲線４４によって示される種々の強度の各々からの光量を経験する。この効果は、それらの間の違いが影響を有さないように全てのこれらの強度を組み合わせることである。

第２の利点は、説明された先行技術におけるような種々の縞４０間での違いが認められないように、範囲３７のＹ方向の全体にわたる照射ライン３８の滑らかな移動があるということである。このデータは継ぎ目なく取得され、縞４０の縁部でデータを一緒にまとめようとすることが必要ない。

第３の利点は、ＣＣＤアレイ３４の種々の検出要素の応答性間にあらゆる違いがあり、または、異なるピクセル間の機器伝達関数において変化があり、これらがまたサンプルの全範囲にわたって統合されるということである。それ故、これは、先行技術ではそうであるけれども、結果として生じる出力に影響せず、その結果の精密な分析を容易にする。もちろん、単一出力を与えない問題のある検出要素でさえ、許容され得る。

さらなる利点は、ラインフォーカスを走査することがポイントごとの走査に比べて、サンプルの範囲のより早いマッピングをもたらすということである。より大きなサンプル範囲が各ポイントでの短い照射時間のみで調査されなければならない場合、ラインフォーカス走査の従来の既知の方法よりも、本方法はいっそう早いということが示されることができる。

図４（Ｂ）の電荷シフトの方向５０は特許文献１の図８を参照して説明された先行技術の同期走査方法に対して直交するということに留意されるべきである。その従来の方法において、電荷は、スペクトル分散の方向に、つまり、この出願の図４（Ｂ）の方向Ｘ´に対応する方向にシフトされる。したがって、この発明は、先行の特許において記述された効果と異なる効果を実現する。

コンピュータ３２は、モーター３０の動きに同期して電荷の移動を制御するようにプログラミングされている。それは、また、シフト・レジスタ５２からの読み出し５４および結果として生じるデータの取得を制御する。静止したサンプルを横切るようにライトビームを走査することによってラインフォーカス３８とサンプルとの相対的な動きを生み出すことが望まれる場合、コンピュータ３２は、照射ビームの走査をもたらすと共にサンプルからの散乱光を集める走査ミラーを制御することができる。

特許文献１において説明されたスペクトル次元における同期走査のみならず、上述の実施形態で説明された同期走査を提供する能力を有することが望まれる場合、そのとき、幾つかの可能性がある。

１つのそのような可能性は、Ｘ´方向およびＹ´方向の両方向へ電荷をシフトする能力を有するＣＣＤ検出器アレイを、そのアレイの直交縁部上のそれぞれのシフト・レジスタに対して、利用することである。そして、その電荷は、上で説明されたようにＹ´方向にシフトされ得、あるいは、先行の特許にしたがう方法を実行することが望まれる場合、Ｘ´方向にシフトされ得る。

代わりに、図１に示されるように、ＣＣＤ検出器３４は光学回転可能な台５６に取り付けられてもよい。これは、上記方法を行うことができる位置と、先行の特許の方法を行うことができる直交位置との間の９０°の間、回転可能である。その２つの直交位置の各々での検出器の繰り返し移動を確実にするために、回転可能な台は、２つの割り出し位置の各々に運動学的台を備えてもよい。必要に応じて、回転可能な台５６は、モーターに取り付けられ、一方の位置から他方のへと走査モードをかえるように、コンピュータ３２で制御されてもよい。

代わりに、図５に示されるように、２つのＣＣＤ検出器３４が用いられてもよい。一方が上記したようにその技術を行うためにセットされることに対して、その他方は先行の特許の技術を行うためにセットされる。光は、一方の検出器から他方のへと可動ミラー５８によって切り換えられ得、それがビーム路の中へおよびそこから動かされることができる。また、これは、必要に応じて、モーターに取り付けられ、コンピュータ３２で制御されてもよい。一方のＣＣＤ検出器および別のとの間のさらなる切り替え方法は可能であり、例えば、所望の一方が光路に位置付けられ得るように線状の送り台上にそれらの両方を隣り合って取り付けることが可能である。

Claims (9)

1. サンプルにラインフォーカスを生み出し、それから散乱光のスペクトルを発生させるように配置された励起光の光源であって、該ラインフォーカスおよび該サンプルが相対的に可動である、光源と、
   少なくとも１つの行または列に配列された複数の検出要素を有する検出器と、
   該サンプルと該検出器との間の光路であって、前記ラインフォーカスと前記行または列とが、前記ラインフォーカスの異なる部分から散乱された光が前記行または列内の異なる検出要素にそれぞれ向けられるように調整された光路と、
   を備え、
   前記ラインフォーカスは、前記サンプルに対して、該ラインフォーカスの長手方向に少なくとも動くように決められ、かつ、
   前記サンプルにわたる前記ラインフォーカスの相対的な動きに同期して、前記サンプルの所与のポイントまたは領域からのデータが、前記相対的な動きの間、蓄積するように、データが、前記検出器内でシフトされる
   ことを特徴とする分光装置。
2. データは、検出要素の前記行または列の一端部から、順次、読まれることを特徴とする請求項１に記載の分光装置。
3. 各要素からのデータは、ある１つの要素から次のへと前記行または列に沿って連続して推移することを特徴とする請求項１または２に記載の分光装置。
4. 前記検出器は、２次元配列の検出要素を備えることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の分光装置。
5. 前記検出器は、電荷結合素子を備えることを特徴とする請求項４に記載の分光装置。
6. 前記アナライザーは、前記行または列に直交する方向に前記検出器と交わるように、前記ラインフォーカスの任意の所与のポイントまたは領域からのスペクトルを散乱させることを特徴とする請求項４または５に記載の分光装置。
7. 前記スペクトルに広がる複数の波数に相当するデータが、前記２次元配列のそれぞれの行または列において、前記サンプル上の前記ラインフォーカスの相対的な動きに同期して、該それぞれの行または列に沿って各波数に関する該データを動かす間、同時に取得されることを特徴とする請求項６に記載の分光装置。
8. 前記検出器は、９０°まで回転可能であり、所望のとき、前記データのシフトが前記スペクトルの散乱の方向に行われるように、該検出器が回転され得ることを特徴とする請求項６または７に記載の分光装置。
9. 前記スペクトルは、ラマン散乱光のスペクトルであることを特徴とする請求項１から８のいずれかに記載の分光装置。

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