JP3126647U - レーザー光励起型フォトルミネッセンス測定装置 - Google Patents

Abstract

【課題】高感度でフォトルミネッセンスの測定ができるレーザー光励起型フォトルミネッセンス測定装置を提供する。
【解決手段】励起用レーザー１と試料４との間に平凹型の２個のシリンドリカルレンズ２、３を配置するとともに、２個のシリンドリカルレンズ２、３は、両者の軸が９０度相違して配設される。レーザー光はシリンドリカルレンズ２、３により、縦横に拡散され試料４に入射し励起する。アレイ検出器１２から見た場合、検出できる試料４のフォトルミネッセンス発光位置は微小範囲であるが、拡散されたレーザー光でこの微小範囲全体を照射・励起できるため、フォトルミネッセンスを十分な感度で検出できる。また、試料４のフォトルミネッセンス発光位置が分散された極微小範囲であっても拡散されたレーザー光で照射されるため、照射光がフォトルミネッセンス発光位置を照射・励起する確率は高くなり、フォトルミネッセンス測定の感度が向上する。
【選択図】 図１

Description

本考案は、レーザー光励起型フォトルミネッセンス測定装置、あるいはレーザー光励起によるフォトルミネッセンスを測定する蛍光分光光度計に係り、特に、レーザー光の試料への照射手段に関する。

従来、フォトルミネッセンスは蛍光分光光度計で測定されてきた。蛍光分光光度計では通常、励起用光源としてアーク放電型キセノンランプが使用される。キセノンランプの発する白色光を励起分光器で単色光にして試料に照射し、励起することにより、生起するフォトルミネッセンスを蛍光分光器に導入し分光測定する。この場合、例えば、５００Ｗ定格のキセノンランプを使用すると、励起波長域４００〜１０００ｎｍにおいて、試料への照射エネルギーは最大１０ｍＷ程度である。このところ、フォトルミネッセンスを測定する試料の多様化に伴い、高感度化が必要とされ、より強力な励起エネルギーを発生する光源が実用化されている。

キセノンランプより強力な励起エネルギーを得るためには、固定波長レーザーあるいは、波長可変レーザー、例えばチタンサファイアレーザーを使用する。レーザー光は、通常コリメートされているため、レーザーを出射したときのビーム径と同じビーム径で試料に照射され励起する。

フォトルミネッセンス測定用の装置として、レーザー光励起型フォトルミネッセンス測定装置が提案されている。本装置では、試料励起用レーザーのレーザー光を試料に照射して生起するフォトルミネッセンスを分光器に導入し、分光測定する。前記分光器は、アレイ型検出器を搭載したポリクロメータで構成される。走査型分光器は、シングル素子の検出器を使用し、回折格子を回転することによりスペクトルデータを得る方式であるが、該ポリクロメータは、回折格子を回転することなしに全波長域の光強度のデータを蓄積でき、迅速にスペクトルデータが得られる特徴を有する。前記アレイ型検出器は、例えば５１２個ないし１０２４個の単素子を横並びに連結した長方形検出器である。この縦方向の幅は１素子の長手方向の幅であり、受光面の縦幅は、例えばおよそ５００μｍ程度である。検出されるフォトルミネッセンスを効率よく受光するために、アレイ型検出器の前に平凸シリンドリカルレンズが配設され、光束は縦方向に対して集光されて受光面へ入射する。

しかし、アレイ検出器から見た場合、検出できる試料のフォトルミネッセンス発光位置は微小範囲である。ビーム径が極細いレーザー光に少しのずれがあり、この微小範囲の中心を照射・励起できない場合は、フォトルミネッセンスを十分な感度で検出できないという問題が生ずる。

一方、試料のフォトルミネッセンス発光位置が分散された極微小範囲である場合、特にビーム径の細いレーザービームを励起光として使用すると、試料に照射されたレーザービームがフォトルミネッセンス発光位置からずれる確率が高くなり、十分な検出感度が得られない問題が生じる。

試料励起用レーザーのレーザー光を試料に照射して生起するフォトルミネッセンスを分光器に導入し、分光測定するレーザー光励起型フォトルミネッセンス測定装置においては、アレイ検出器から見た場合、検出できる試料のフォトルミネッセンス発光位置は微小範囲である。ビーム径が極細いレーザー光に少しのずれがあり、この微小範囲の中心を照射・励起できない場合は、フォトルミネッセンスを十分な感度で検出できない。
また、試料のフォトルミネッセンス発光位置が分散された極微小範囲である場合、特にビーム径の細いレーザービームを励起光として使用すると、試料に照射されたレーザービームがフォトルミネッセンス発光位置からずれる確率が高くなり、十分な検出感度が得られない。

試料励起用レーザーと、レーザー光が照射される試料と、試料より発するフォトルミネッセンスを集光する光学系と、フォトルミネッセンスを分光測定する分光器とで構成されるレーザー光励起型フォトルミネッセンス測定装置において、試料励起用レーザーと試料との間に２個の平凹シリンドリカルレンズを配置するとともに、２個の平凹シリンドリカルレンズは、両者のシリンドリカル軸が９０度相違して配設される。

試料励起用レーザーから出たレーザー光は、２個の平凹シリンドリカルレンズにより縦横方向に拡散され試料に照射される。アレイ検出器から見た場合、検出できる試料のフォトルミネッセンス発光位置は微小範囲であるが、拡散されたレーザー光でこの微小範囲全体を照射・励起できるため、フォトルミネッセンスを十分な感度で検出できる。
また、試料のフォトルミネッセンス発光位置が分散された極微小範囲であっても拡散されたレーザー光で照射されるため、照射光がフォトルミネッセンス発光位置を照射・励起する確率は高くなり、フォトルミネッセンス測定の感度向上が期待できる。

現在測定対象の試料としては、主に溶媒中にカーボンナノチューブ（以下ＣＮＴという）を分散した溶液をキュベットセルに入れたものや、分散したＣＮＴをゼラチンに混ぜ込み石英板の上に薄膜状に引き伸ばしたフィルムなどである。フォトルミネッセンスを発光するＣＮＴは試料中の任意の位置に分散していると考えられている。励起用レーザービームが拡散され、試料に照射されることにより、試料中の広範囲にわたって分散するＣＮＴが、励起され発光する確率が上がり、ＣＮＴのフォトルミネッセンス測定の感度が向上する。

キュベットセルに入れられた溶液試料を過不足なく照射するように、２個の平凹シリンドリカルレンズにより励起用レーザーのレーザー光が拡散される。

２個の平凹シリンドリカルレンズはともにそのシリンドリカル面を励起用レーザー側に向けて配設され、両者のシリンドリカル面はともにレーザー光に直交して配設される。

試料中の広範囲にわたって発生したフォトルミネッセンスは、トロイダル鏡で効率よく集光され、分光器に導入される。

以下本考案の実施例を図１、図２および図３を参照して説明する。図１は、本考案の光学系統図の上面図である。図２は、本考案の２個の平凹シリンドリカルレンズの立体配置図である。図３は、本考案の２個の平凹シリンドリカルレンズの詳細配置図である。

図１において、１は励起用レーザーであり、コリメートされたレーザー光を出射する。該レーザー光は平凹シリンドリカルレンズで構成されるシリンドリカルレンズ２を通過し、横方向に拡散される。次に平凹シリンドリカルレンズで構成されるシリンドリカルレンズ３を通過し、縦方向に拡散される。シリンドリカルレンズ２、３は、その凹面を同一方向に、そのシリンドリカル軸方向を９０度ずらして配設される。図２は、シリンドリカルレンズ２、３によるレーザー光の横方向と縦方向の拡散の状況を拡大して立体的に表している。試料４は縦横両方向に拡散されたレーザー光により照射され、励起され、フォトルミネッセンスを発生する。該フォトルミネッセンスは、照射されるレーザー光の方向に対して９０度の方向に配設されるミラー５により集光され、ミラー６で折り曲げられ、スリット７に入射する。ミラー５はトロイダル鏡、ミラー６は平面鏡で構成される。

スリット７を通過したフォトルミネッセンスは、スリット７と、ミラー８と、回折格子９と、ミラー１０と、シリンドリカルレンズ１１およびアレイ検出器１２などで構成されるポリクロメータで分光測定される。

ミラー８とミラー１０は凹面鏡で構成される。回折格子９のブレーズ波長は例えば１２００ｎｍで、溝本数は例えば１００本／ｍｍである。シリンドリカルレンズ１１は、焦点距離が例えば５０ｍｍの平凸シリンドリカルレンズで、部材はＢＫ７で構成され、横方向に波長分散した光を縦方向に集光してアレイ検出器１２に導入する。アレイ検出器１２は、波長８５０ｎｍから２２００ｎｍまでの間で感度を有し、５１２または１０２４個のＩｎＧａＡｓ型検出素子で構成され、各検出素子は横方向（波長分散方向）に一列に配設されており、受光面の縦方向の幅は例えば５００μｍである。アレイ検出器１２は、電荷蓄積型であり、蓄積された全波長域の光強度のデータはデータ処理装置（図示しない）で読み取られ、データ解析される。

シリンドリカルレンズ２、３によるレーザー光の横方向と縦方向の拡散の詳細について図３を参照して説明する。コリメートされた半径ｒ０のレーザービームが焦点距離ｆのシリンドリカルレンズ２に入射する場合、レーザービームはｔａｎθ＝ｒ０／ｆで表される角度θで拡散される。シリンドリカルレンズ２から距離ｚ０離れた位置でのレーザービーム寸法は、横幅Ｗ０＝２（ｒ０／ｆ）×（ｚ０＋ｆ）、縦幅Ｈ０＝２ｒ０になる。この距離ｚ０の位置にシリンドリカルレンズ２に対し９０度回転させた焦点距離ｆのシリンドリカルレンズ３が配設されている。シリンドリカルレンズ３から距離ｚ１におけるレーザービーム寸法は、横幅Ｗ１＝２（ｒ０／ｆ）×（ｚ０＋ｚ１＋ｆ）、縦幅Ｈ１＝２（ｒ０／ｆ）×（ｚ１＋ｆ）となる。ｚ１の位置に載置される試料４は、縦Ｈ１横Ｗ１の大きさに拡散されたレーザービームにより照射され、励起される。

本考案は以上の構成であるから、アレイ検出器１２から見た場合、検出できる試料４のフォトルミネッセンス発光位置は微小範囲であっても、拡散されたレーザー光でこの微小範囲全体を照射・励起できるため、フォトルミネッセンスを十分な感度で検出できる。
また、試料４のフォトルミネッセンス発光位置が分散された極微小範囲であっても拡散されたレーザー光で照射されるため、照射光がフォトルミネッセンス発光位置を照射・励起する確率は高くなり、フォトルミネッセンス測定の感度が向上する。

最近の測定対象は、例えば、溶媒中にＣＮＴを分散した溶液をキュベットセルに入れたものや、分散したＣＮＴをゼラチンに混ぜ込み石英板の上に薄膜状に引き伸ばしたフィルムなどである。フォトルミネッセンスを発光するＣＮＴは試料４中の任意の位置に分散していると考えられている。励起用レーザービームが拡散され試料４に照射されることにより、試料４中の広範囲にわたって分散するＣＮＴが、励起され発光する確率が上がり、ＣＮＴのフォトルミネッセンス測定の感度が向上する。

ＣＮＴは一枚のグラフェントシートを巻いた形をしており、その巻き方によって物性や構造あるいは直径が異なる。それぞれのＣＮＴはカイラル指数で区別され、それぞれ特有の励起波長で励起され、特有のフォトルミネッセンス波長（以下蛍光波長という）においてフォトルミネッセンスのピークが見られる。直径が太くなるに従い蛍光波長は長波長側にシフトすることが知られている。直径が約１．２ｎｍ以下の場合については、蛍光波長は、１６００ｎｍ以下にピーク波長が見られるが、さらに直径の太いＣＮＴについては２２００ｎｍ程度にピーク波長が見られる。アレイ検出器１２の各検出素子は、１６００ｎｍ付近を境にして２種類のタイプに区別され、長波長側で、検出素子が持つ暗電流（ダークノイズ）が多い。アレイ検出器１２は入射する光エネルギーによる起電力を蓄積する電荷蓄積型で、測定中は、フォトルミネッセンスとダークノイズを同時に蓄積するが、蓄積するキャパシタ容量に制限があり、ダークノイズが非常に大きい場合には、飽和する等のため十分な蓄積時間を設定できない。本実施例では、励起用レーザー１から出る強力なレーザー光により試料４が励起され、２２００ｎｍ付近の長波長でも短時間の蓄積でフォトルミネッセンスを検出できるため、特に直径の太いＣＮＴのカイラル指数を測定する場合に有効である。

図１から図３の実施例においては、コリメートされたレーザー光はシリンドリカルレンズ２、３で縦横に拡散され、試料４に照射されるが、励起用レーザー１と試料４との間に２個のシリンドリカル凸面鏡を配置するとともに、２個のシリンドリカル凸面鏡は、共にそのシリンドリカル面がレーザー光を反射させ、両者のシリンドリカル軸が９０度相違して配設される場合であっても本考案は適用可能である。
また、実施例においては、分光器は、アレイ検出器１２を搭載したポリクロメータで構成されているが、シングル素子の検出器を搭載した走査型分光器で構成される場合であっても本考案は適用可能であり、装置は図示例に限定されない。
図示例においては、シリンドリカルレンズ２、３の位置が固定されているが、移動機構を付加することによりレーザー光の縦横拡散の大きさを変更できる。
また、実施例では、シリンドリカルレンズ２、３の焦点距離が同一であるが、相違してもよい。このように装置は種々の構成とすることができ、本考案はこれら変形例を包含する。

本考案は、レーザー光励起型フォトルミネッセンス測定装置、あるいはレーザー光励起によるフォトルミネッセンスを測定する蛍光分光光度計に係り、特に、レーザー光の試料への照射手段に関する。

本考案の光学系統図の上面図である。 本考案の２個の平凹シリンドリカルレンズの立体配置図である。 本考案の２個の平凹シリンドリカルレンズの詳細配置図である。

符号の説明

１ 励起用レーザー
２ シリンドリカルレンズ
３ シリンドリカルレンズ
４ 試料
５ ミラー
６ ミラー
７ スリット
８ ミラー
９ 回折格子
１０ ミラー
１１ シリンドリカルレンズ
１２ アレイ検出器

Claims (1)

1. 試料励起用レーザーと、レーザー光が照射される試料と、試料より発するフォトルミネッセンスを集光する光学系と、フォトルミネッセンスを分光測定する分光器とで構成されるレーザー光励起型フォトルミネッセンス測定装置において、試料励起用レーザーと試料との間に２個の平凹シリンドリカルレンズを配置するとともに、２個の平凹シリンドリカルレンズは、両者のシリンドリカル軸が９０度相違して配設されることを特徴とするレーザー光励起型フォトルミネッセンス測定装置。

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