JP2018009857A - 波長校正方法及びその波長校正方法を用いた分光光度計 - Google Patents

Abstract

【課題】分光器の組立て誤差や周期性誤差を充分に校正しつつ、波長校正時間を短くできる波長校正方法を提供する。
【解決手段】補正式を用いて校正するための波長校正方法であって、Ｎ個の輝線スペクトルについて基準波長Λ_ｘ±Δλ_ａの範囲の波長を測定することにより、Ｎ個の実測波長λ_ｘを得る第一測定ステップと、組立て誤差に関する係数を粗く決定する第一係数決定ステップと、（Ｘ−Ｎ）個の輝線スペクトルについて組立て誤差に関する係数に基づいて２Δλ_ａより狭い範囲となる波長範囲２Δλ_ｂの波長を測定することにより、（Ｘ−Ｎ）個の実測波長λ_ｘを得る第二測定ステップと、組立て誤差に関する係数を精度良く再決定する第二係数決定ステップとを含む構成とする。
【選択図】図２

Description

本発明は、試料に照射する光の波長λ_ｓを校正する波長校正方法及びその波長校正方法を用いた分光光度計に関する。

所定波長λ_ｓの光を試料に照射するために、紫外可視光分光光度計や原子吸光分光光度計等の分光光度計では分光器（モノクロメータ）が用いられている。分光器の一般的な構成としては、出口スリットを有する筐体を備え、筐体内には、所定波長範囲（例えば１９０ｎｍ〜９００ｎｍ）の光を出射する光源（例えばキセノンアークランプやフラッシュキセノンランプ等）と、波長分解するための回折格子（波長分散素子）と、光源から出射された光に対する回折格子の角度θ_ｓを変えるための回転駆動機構とが設置されている。このような分光器によれば、回転駆動機構により回折格子を所望角度θ_ｓに回転させることにより、出口スリットを通して所望波長λ_ｓの光を出射している。つまり、分光器から出射される光の波長λ_ｓの精度は、回折格子の角度θ_ｓの精度に大きく依存しており、波長λ_ｓの精度を高めるには、回折格子を微小ピッチで精度良く回転駆動できる回転駆動機構が必要となる。

ところで、分光器から出射される光の波長λ_ｓの精度を高めるためには、前述したように回折格子を微小ピッチで精度良く回転駆動できるようにする必要があるが、分光器に回折格子や回転駆動機構を取り付ける際には組立て誤差が発生する。

そこで、分光器の組立て誤差を、下記補正式（１）〜（３）を用いて補正する波長補正方法が提案されている（例えば、特許文献１及び特許文献２参照）。
θ_ｓ＝θ’＋Δθ ・・・（１）

θ’＝ｓｉｎ^−１〔ｍλ’／（２ｄ・ｃｏｓＫ）〕 ・・・（２）
ここで、ｍは使用する回折光の次数であり、ｄは回折格子の格子溝間隔（ｎｍ）であり、Ｋは分光器偏角（回折格子の入射光と出射光との成す角）の１／２（ｒａｄ）である。つまり、ｄやＫが製造及び組立時の誤差等によってばらついた場合、取り出される光の波長λ’は（２ｄ・ｃｏｓＫ／ｍ）の変化に伴って、下記式（３）のように一次的に変化する。
λ’＝ａ・λ＋ｂ ・・・（３）
よって、組立て誤差に関する係数となるｄとＫとは、輝線スペクトルの実測波長λ_ｘに基づいて実験的に求められている。

補正式（１）〜（３）を用いて補正する波長補正方法では、ｄ、Ｋは実測波長λ_ｘから推測しなければならない未知のパラメータであり、各分光器毎に求めておく必要がある。そこで、工場出荷前の調整工程（波長校正）において、オペレータ等は、その分光器でのｄ、Ｋを求めるために、実際にＸ個（例えば４０個）の既知の基準波長Λ_１、Λ_２、・・・Λ_ｘの輝線スペクトルについて実測波長λ_１、λ_２、・・・λ_ｘを測定している。このとき、基準波長Λ_１、Λ_２、・・・Λ_ｘは既知波長ではあるが、上述したような誤差による波長ずれΔλ_ｘを考慮して、第一の基準波長Λ_１±Δλ_ａ（例えば４ｎｍ）の範囲と、第二の基準波長Λ_２±Δλ_ａの範囲と、・・・第Ｘの基準波長Λ_１±Δλ_ａの範囲とを測定するように、パルスモータを制御して回折格子を回転させている。

特開２００４−１６３１２６号公報 特開２００５−０９８９１０号公報

しかしながら、上述したような波長校正方法では、各基準波長Λ_ｘについて、基準波長Λ_ｘ±４ｎｍとなる広めの波長範囲を測定する必要があり、測定時間が非常に長くなっていた。
また、基準波長Λ_ｘ±４ｎｍとなる広めの波長範囲を測定するため、例えば第一の基準波長Λ_１±４ｎｍの範囲に、第二の基準波長Λ_２に対応する第二の実測波長λ_２のピークが存在していても、第一の基準波長Λ_１に対応するピークとして誤検出することがあった。

本件発明者は、上記課題を解決するために、分光器の組立て誤差を充分に校正しつつ、その校正にかかる時間を短くすることができる波長校正方法について検討を行った。そこで、まず第一段階として、例えば近くに隣接するピークがないため弁別の必要のない４（Ｎ）個の輝線スペクトルを広めの波長範囲２Δλ_ａで測定することで、組立て誤差に関する係数ｄ、Ｋを粗く決定することにした。そして、組立て誤差に関する係数ｄ、Ｋを粗く決定することができれば、残りの３６個の輝線スペクトルについての組立て誤差の影響が予測できるので、第二段階として、３６個の輝線スペクトルを狭い波長範囲２Δλ_ｂで測定することにした。つまり、３６個の輝線スペクトルについては、組立て誤差粗補正基準波長Λ_ｘ’±２ｎｍとなる狭い波長範囲を測定するため、測定時間が短く、かつ、ピークの誤検出を防止することができる。その後、組立て誤差に関する係数ｄ、Ｋを精度良く再決定するようにした。

すなわち、本発明の波長校正方法は、モータによる回転駆動力により駆動される波長分散素子を備える分光器により取り出される光の波長λ_ｓを、補正式を用いて校正するための波長校正方法であって、前記補正式は、組立て誤差に関する係数を含むものであり、少なくともＸ個の既知の基準波長Λ_ｘを有する光を出射するための光源、及び／又は、波長校正用フィルタを用いて、Ｘ個の内のＮ個の輝線スペクトルについて基準波長Λ_ｘ±Δλ_ａの範囲の波長を測定することにより、Ｎ個の実測波長λ_ｘを得る第一測定ステップと、Ｎ個の輝線スペクトルについて、決定された実測波長λ_ｘと基準波長Λ_ｘとの波長ずれΔλ_ｘを算出して、組立て誤差に関する係数を粗く決定する第一係数決定ステップと、（Ｘ−Ｎ）個の輝線スペクトルについて組立て誤差に関する係数に基づいて２Δλ_ａより狭い範囲となる波長範囲２Δλ_ｂの波長を測定することにより、（Ｘ−Ｎ）個の実測波長λ_ｘを得る第二測定ステップと、（Ｘ−Ｎ）個の輝線スペクトルについて実測波長λ_ｘと基準波長Λ_ｘとの波長ずれΔλ_ｘを算出して、前記第一係数決定ステップで算出された波長ずれΔλ_ｘも用いて、組立て誤差に関する係数を精度良く再決定する第二係数決定ステップとを含むようにしている。

ここで、「Ｎ個の輝線スペクトル」とは、オペレータ等によって決められる任意の個数であり、組立て誤差が粗く測定できれば良く、例えば近くに隣接するピークがないため弁別の必要のない２個から４個等となる。一方、「（Ｘ−Ｎ）個の輝線スペクトル」とは、オペレータ等によって決められる任意の個数であり、組立て誤差を精度良く測定できる充分な個数であって、「Ｎ個」より多く、例えば３６個や４０個等となる。なお、本願に係る「輝線スペクトル」は、波長校正用フィルタを備える場合には、波長校正用フィルタの吸収ピークも含まれるものとする。
また、「Δλ_ａ」は、オペレータ等によって決められる任意の波長であり、組立て誤差による波長ずれを考慮したものであって、例えば４ｎｍ等となる。一方、「Δλ_ｂ」とは、オペレータ等によって決められる任意の波長であり、組立て誤差以外の小さな誤差による波長ずれを考慮したものであって「Δλ_ａ」より小さく、例えば２ｎｍ等となる。

以上のように、本発明の波長校正方法によれば、分光器の波長校正において、分光器の組立て誤差等を充分に校正しつつ、その校正にかかる時間を短くすることができる。

（他の課題を解決するための手段および効果）
また、本発明の波長校正方法は、減速機構としてハーモニックドライブ（登録商標）を用いている装置において、第二係数決定ステップでは、組立て誤差に関する係数ｄ、Ｋを精度良く再決定するのみでなく、下記式（４）で示されるハーモニックドライブの周期性誤差に関する係数Ａ、Ｂ、θａ、θｂ、θｃ（例えば、特許文献１及び特許文献２参照）を決定するようにしても良い。ハーモニックドライブの周期性誤差は、組立て誤差よりも充分に小さいため、「Δλ_ａ」よりも小さい「Δλ_ｂ」を設定することができる。この場合も同様に、校正にかかる時間を短縮したり、近隣のピークの誤検出を防いだりする効果がある。
Δθ＝Ａ・ｓｉｎ（Ｃ１・θ＋θａ）＋Ｂ・ｓｉｎ（Ｃ２・θ＋θｂ)＋θｃ ・・・（４）
ここで、Ｃ１とＣ２とは、ハーモニックドライブ機構（ハーモニックギア）の構造により理論的に決まる係数であり、例えば減速比が１／１００であるハーモニックドライブギアの場合には、Ｃ１とＣ２とはそれぞれ２００と１００となる。また、Ａ、Ｂ、θａ、θｂ、θｃは、減速機構毎（つまり分光器毎又は分光光度計毎）に相違する装置固有の係数であり、いずれも輝線スペクトルの実測波長λ_ｘに基づいて、つまり実験的に決まる係数（周期性誤差に関する係数）となる。
すなわち、本発明の波長校正方法において、前記分光器は、モータと、当該モータの回転を減速するハーモニックドライブ機構による減速手段と、当該減速手段で減速された回転駆動力により駆動される波長分散素子とを備えるものであり、前記補正式は、組立て誤差に関する係数及びハーモニックドライブの周期性誤差に関する係数を含むものであり、前記第二係数決定ステップは、（Ｘ−Ｎ）個の輝線スペクトルについて実測波長λ_ｘと基準波長Λ_ｘとの波長ずれΔλ_ｘを算出して、前記第一係数決定ステップで算出された波長ずれΔλ_ｘも用いて、組立て誤差に関する係数を精度良く再決定するととともに、ハーモニックドライブの周期性誤差に関する係数を決定するようにしても良い。
そして、本発明の分光光度計は、上述したような波長校正方法で算出された係数及び補正式を記憶する記憶部と、モータによる回転駆動力により駆動される波長分散素子とを備える分光器と、試料が配置される試料室と、前記試料から放出される光の波長及び強度を検出する光検出器とを備える分光光度計であって、前記試料が測定される際に目的波長λ_ｓが設定されたとき、前記補正式を適用して目的波長λ_ｓに対応する波長分散素子の角度θ_ｓを算出し、角度θ_ｓを得るようにモータを制御する制御部を備えるようにしている。

本発明の実施形態に係る分光光度計の一例を示す概略構成図。 波長校正方法の一例を説明するためのフローチャート。

以下、本発明の実施形態について図面を用いて説明する。なお、本発明は、以下に説明するような実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々の態様が含まれる。

図１は、実施形態に係る分光光度計の一例を示す概略構成図である。分光光度計１は、設定波長λ_ｓの光を出射するための分光器１０と、試料Ｓが配置される試料室４０と、光検出器３０と、分光光度計１全体を制御するコンピュータ５０とを備える。

分光器１０は、出口スリット１１ａを有する筐体１１を備え、筐体１１内には、所定波長範囲（例えば１９０ｎｍ〜９００ｎｍ）の光を出射する光源（例えばキセノンアークランプやフラッシュキセノンランプ等）１２と、波長分解するための回折格子（波長分散素子）１３と、光源１１から出射された光に対する回折格子１３の角度θ_ｓを変えるための回転駆動機構２０とが設置されている。回転駆動機構２０は、回転駆動源であるパルスモータ２１と、モータ軸の回転を所定の減速比で減速させて回折格子１３を回転駆動するハーモニックドライブ（減速機構）２２とを備える。
このような分光器１０によれば、ハーモニックドライブ２２により回折格子１３を設定角度θ_ｓに回転させることによって、出口スリット１１ａを通して設定波長λ_ｓの光を出射することができるようになっている。

試料室４０には、分析したい試料Ｓが収納された１０ｍｍキュベットセル等が配置されるようになっている。これにより、分光器１０で取り出された設定波長λ_ｓの光が、試料Ｓに照射され、試料Ｓで反射又は試料Ｓを透過した光が光検出器３０に導入されることになる。そして、光検出器３０は、光強度に応じた検出信号をコンピュータ５０に出力する。

コンピュータ５０においては、ＣＰＵ（制御部）５１とメモリ（記憶部）５４とを備え、さらにキーボードやマウス等を有する入力装置５２と、表示装置（図示せず）とが連結されている。また、ＣＰＵ５１が処理する機能をブロック化して説明すると、分光器１０を制御する分光器制御部５１ａと、光検出器３０からの検出信号を取得する光検出器制御部５１ｂと、所定の演算処理を行うことによって試料Ｓの吸光度や反射率等を計算する分析部５１ｃと、係数ｄ、Ｋ、Ａ、Ｂ、θａ、θｂ、θｃを算出してメモリ５４に記憶させる波長校正部５１ｄとを有する。さらに、メモリ５４は、補正式（１）〜（４）を予め記憶する補正式記憶領域５４ａと、係数ｄ、Ｋ、Ａ、Ｂ、θａ、θｂ、θｃを記憶するための係数記憶領域５４ｂとを有する。

分光器制御部５１ａは、試料Ｓの測定の際に測定者等によって入力装置５２を用いて入力された目的波長λ_ｓと、メモリ５４に記憶された補正式（１）〜（４）及び係数ｄ、Ｋ、Ａ、Ｂ、θａ、θｂ、θｃとに基づいて、目的波長λ_ｓに対応する回折格子１３の角度θ_ｓを算出し、角度θ_ｓを得るようにパルスモータ２１を制御する。

波長校正部５１ｄは、工場出荷前の調整工程（波長校正）等において、オペレータ等が入力装置５２を用いて「波長校正」信号を入力することにより、係数ｄ、Ｋ、Ａ、Ｂ、θａ、θｂ、θｃを算出して係数記憶領域５４ｂに記憶させる制御を行う。
ここで、波長校正部５１ｄが波長校正する波長校正方法（アルゴリズム）の一例について説明する。図２は、波長校正方法について説明するためのフローチャートである。
波長校正方法は、４（Ｎ）個の輝線スペクトルの実測波長λ_ｘを得る第一測定ステップＡと、組立て誤差に関する係数ｄ、Ｋを粗く決定する第一係数決定ステップＢと、３６（Ｘ−Ｎ）個の輝線スペクトルの組立て誤差粗補正基準波長Λ_ｘ’を算出する組立て誤差粗補正基準波長算出ステップＣと、３６個の輝線スペクトルの実測波長λ_ｘを得る第二測定ステップＤと、組立て誤差に関する係数ｄ、Ｋを精度良く再決定するとともに、周期性誤差に関する係数Ａ、Ｂ、θａ、θｂ、θｃを決定する第二係数決定ステップＥとを含む。

（Ａ）第一測定ステップ
まず、ステップＳ１０１の処理において、係数ｄ、Ｋを粗く決定するための輝線スペクトルの個数を示すパラメータＮ＝１とする。
次に、ステップＳ１０２の処理において、光源１２の第Ｎの輝線スペクトルについて、パルスモータ２１を制御して回折格子１３を回転させながら、光検出器３０で検出信号を０．０１ｎｍ間隔で取得していくことで、基準波長Λ_Ｎ±Δλ_ａ（例えば４ｎｍ）の範囲のスペクトルを測定して、そのスペクトル中のピークから第Ｎの実測波長λ_Ｎを得る。
次に、ステップＳ１０３の処理において、Ｎ＝４であるか否かを判定する。Ｎ＝４でないと判定したときには、ステップＳ１０４の処理において、Ｎ＝Ｎ＋１として、ステップＳ１０２の処理に戻る。つまり、４個の実測波長λ_Ｎを、基準波長Λ_Ｎ±Δλ_ａの範囲を測定して得ることになる。なお、４０（Ｘ）個の輝線スペクトルの内からどの４個の輝線スペクトルを選択するかについては、任意に指定できるようにしても良いし、予め設定しておいても良いが、近くに隣接するピークがないため弁別の必要がなく、できるだけ校正波長範囲の両端付近の波長となる輝線スペクトルを選択することが好ましい。

（Ｂ）第一係数決定ステップ
一方、Ｎ＝４であると判定したときには、ステップＳ１０５の処理において、選択した４個の輝線スペクトルについて、実測波長λ_ｘと基準波長Λ_ｘとの波長ずれΔλ_ｘを算出し、補正式（１）〜（３）を用いてΔθ＝０とし、組立て誤差に関する係数ｄ、Ｋを粗く決定して係数記憶領域５４ｂに記憶させる。

（Ｃ）組立て誤差粗補正基準波長算出ステップ
次に、ステップＳ１０６の処理において、ステップＳ１０５で決定した係数ｄ、Ｋに基づいて、組立て誤差の影響を粗く取り除いた３６（Ｘ−Ｎ）個の輝線スペクトルの組立て誤差粗補正基準波長Λ_ｘ’を算出する。

（Ｄ）第二測定ステップ
次に、ステップＳ１０７の処理において、組立て誤差に関する係数ｄ、Ｋを精度良く再決定するための輝線スペクトルの個数を示すパラメータＭ＝１とする。
次に、ステップＳ１０８の処理において、光源１２の第Ｍの輝線スペクトルについて、パルスモータ２１を制御して回折格子１３を回転させながら、光検出器３０で検出信号を０．０１ｎｍ間隔で取得していくことで、組立て誤差粗補正基準波長Λ_Ｍ’±Δλ_ｂ（例えば２ｎｍ）の範囲のスペクトルを測定して、そのスペクトル中のピークから第Ｍの実測波長λ_Ｍを得る。
次に、ステップＳ１０９の処理において、Ｍ＝３６であるか否かを判定する。Ｍ＝３６でないと判定したときには、ステップＳ１１０の処理において、Ｍ＝Ｍ＋１として、ステップＳ１０８の処理に戻る。つまり、３６個の実測波長λ_Ｍを、組立て誤差粗補正基準波長Λ_Ｍ’±Δλ_ｂの範囲を測定して得ることになる。なお、第一測定ステップで選択された４個の輝線スペクトルは、第二測定ステップでは選択されないように設定されている。

（Ｅ）第二係数決定ステップ
一方、Ｍ＝３６であると判定したときには、ステップＳ１１１の処理において、３６個の輝線スペクトルについて、実測波長λ_ｘと基準波長Λ_ｘとの波長ずれΔλ_ｘを算出し、さらに（Ｂ）第一係数決定ステップで算出された４個の輝線スペクトルにおける波長ずれΔλ_ｘと、補正式（１）〜（３）とを用いてΔθ＝０とし、組立て誤差に関する係数ｄ、Ｋを精度良く再決定して係数記憶領域５４ｂに記憶させる。
また、３６個の輝線スペクトルにおける波長ずれΔλ_ｘと、（Ｂ）第一係数決定ステップで算出された４個の輝線スペクトルにおける波長ずれΔλ_ｘと、補正式（１）〜（４）と、再決定された係数ｄ、Ｋとを用いて、周期性誤差に関する係数Ａ、Ｂ、θａ、θｂ、θｃを決定して係数記憶領域５４ｂに記憶させる。
そして、ステップＳ１１１の完了をもって本フローチャートを終了させる。

以上のように、本発明を適用した分光光度計１によれば、ハーモニックドライブ２２を用いた分光器１０の波長校正において、分光器１０の組立て誤差やハーモニックドライブ２２の周期性誤差を充分に校正しつつ、その校正にかかる時間を短くすることができる。

＜他の実施形態＞
（１）上述した分光光度計１では波長校正部５１ｄを備える構成としたが、波長校正部は、波長校正方法が実行された後は、取り除いたり削除されるようにしても良い。
（２）上述した分光光度計１では、波長校正部５１ｄで、光源１２の輝線スペクトルのみを用いる構成としたが、波長校正用フィルタを備え、波長校正用フィルタの吸収ピークも用いるようにしても良い。

本発明は、分光光度計等に好適に利用できる。

１０ 分光器
１２ 光源
１３ 回折格子（波長分散素子）
２１ パルスモータ
２２ ハーモニックドライブ（減速手段）

Claims (3)

1. モータによる回転駆動力により駆動される波長分散素子を備える分光器により取り出される光の波長λ_ｓを、補正式を用いて校正するための波長校正方法であって、
   前記補正式は、組立て誤差に関する係数を含むものであり、
   少なくともＸ個の既知の基準波長Λ_ｘを有する光を出射するための光源、及び／又は、波長校正用フィルタを用いて、Ｘ個の内のＮ個の輝線スペクトルについて基準波長Λ_ｘ±Δλ_ａの範囲の波長を測定することにより、Ｎ個の実測波長λ_ｘを得る第一測定ステップと、
   Ｎ個の輝線スペクトルについて、決定された実測波長λ_ｘと基準波長Λ_ｘとの波長ずれΔλ_ｘを算出して、組立て誤差に関する係数を粗く決定する第一係数決定ステップと、
   （Ｘ−Ｎ）個の輝線スペクトルについて組立て誤差に関する係数に基づいて２Δλ_ａより狭い範囲となる波長範囲２Δλ_ｂの波長を測定することにより、（Ｘ−Ｎ）個の実測波長λ_ｘを得る第二測定ステップと、
   （Ｘ−Ｎ）個の輝線スペクトルについて実測波長λ_ｘと基準波長Λ_ｘとの波長ずれΔλ_ｘを算出して、前記第一係数決定ステップで算出された波長ずれΔλ_ｘも用いて、組立て誤差に関する係数を精度良く再決定する第二係数決定ステップとを含むことを特徴とする波長校正方法。
2. 前記分光器は、モータと、当該モータの回転を減速するハーモニックドライブ機構による減速手段と、当該減速手段で減速された回転駆動力により駆動される波長分散素子とを備えるものであり、
   前記補正式は、組立て誤差に関する係数及びハーモニックドライブの周期性誤差に関する係数を含むものであり、
   前記第二係数決定ステップは、（Ｘ−Ｎ）個の輝線スペクトルについて実測波長λ_ｘと基準波長Λ_ｘとの波長ずれΔλ_ｘを算出して、前記第一係数決定ステップで算出された波長ずれΔλ_ｘも用いて、組立て誤差に関する係数を精度良く再決定するととともに、ハーモニックドライブの周期性誤差に関する係数を決定することを特徴とする請求項１に記載の波長校正方法。
3. 請求項１又は請求項２に記載の波長校正方法で算出された係数及び補正式を記憶する記憶部と、
   モータによる回転駆動力により駆動される波長分散素子とを備える分光器と、
   試料が配置される試料室と、
   前記試料から放出される光の波長及び強度を検出する光検出器とを備える分光光度計であって、
   前記試料が測定される際に目的波長λ_ｓが設定されたとき、前記補正式を適用して目的波長λ_ｓに対応する波長分散素子の角度θ_ｓを算出し、角度θ_ｓを得るようにモータを制御する制御部を備えることを特徴とする分光光度計。

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