JP3273815B2 - 分光測定法 - Google Patents

分光測定法

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Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】この発明は、分光測定法に関する
ものである。さらに詳しくは、この発明は化学、食品、
薬品、材料、エレクトロニクス等の諸分野における微粒
子表面の分光測定に有用な新しい分光測定法に関するも
のである。
【0002】
【従来の技術とその課題】現在、化学、食品、薬品、材
料、エレクトロニクス等の諸分野において、微粒子とそ
の周囲媒体との界面における物性や反応機構を解析する
ことは、新技術や新製品の開発等にとって重要な課題に
なっている。このような界面状態を分析する方法として
は、分光測定法が一般的に用いられており、この分光測
定法としては、蛍光分光法や、過渡吸収分光法等が知ら
れている。
【0003】しかしながら、蛍光分光法は非常に高感度
な測定を可能とする測定方法ではあるが、対象となる被
測定物質が蛍光性を有していなければならない。このた
め、蛍光分光法の適用範囲にはおのずと制約がある。一
方、過渡吸光分光法については、光化学反応中間体の解
析に適用可能であるもののその検出感度は低く、たとえ
ば、マイクロメートル程度の微粒子中の被測定物質に対
する吸光度の測定では、光路長が短いために十分な吸光
度を得ることが不可能である。
【0004】従って、従来の蛍光分光法と過渡吸光法で
は、微粒子特性の高精度な解析を可能とする分光測定は
不可能であった。この発明は、以上の通りの事情に鑑み
てなされたものであり、従来の技術の問題点を解消し、
液相中の被測定微粒子であっても、その界面における過
渡吸収光度の高感度測定を可能とする新しい分光測定法
を提供することを目的としている。
【0005】
【課題を解決するための手段】この発明は、上記の課題
を解決するものとして、蛍光色素と被測定物質とを含有
する微粒子に、その被測定物質を励起させる励起用レー
ザー光を照射し、且つ蛍光色素を発光させるポンプ用レ
ーザー光を前記励起用レーザー光より遅延して照射し、
当該照射において、励起用レーザー光による被測定物質
の励起によって微粒子の共振波長で吸収を有する中間体
を生成させ、当該中間体が微粒子中に存在している遅延
時間内にポンプ用レーザー光を照射することを特徴とす
る分光測定法を提供し、この分光測定法において、さら
に励起用レーザー光およびポンプ用レーザー光の照射に
際して液相中の微粒子を光捕捉することも提供する。ま
た、この発明は、蛍光色素と被測定物質とを含有する微
粒子を保持する試料台と、微粒子中の被測定物質を励起
させる励起光を発生する励起用レーザー発振器と、微粒
子中の蛍光物質を発光させるポンプ光を発生するポンプ
用レーザー発振器と、ポンプ用レーザー発振器からのポ
ンプ光を励起用レーザー発振器からの励起光より遅延さ
せる遅延装置とを備え、励起光による被測定物質の励起
によって微粒子の共振波長で吸収を有する中間体を生成
し、当該中間体が微粒子中に存在している遅延時間内に
ポンプ光を照射可能となっていることを特徴とする分光
測定装置をも提供し、この分光測定装置において、液相
中の微粒子を捕捉する捕捉光を発生する捕捉用レーザー
発振器をさらに備えていることも提供する。
【0006】
【作用】この発明の方法においては、上記の通り、微粒
子の光共振現象を利用するため、微粒子のサイズに比べ
非常に長い光路長をとることができ、高感度に吸収度を
測定することが可能となる。すなわち、周囲媒体よりも
高い屈折率を持ち、かつ、測定波長において透明な材料
で作られた球形微粒子は、光共振器として作用すること
が知られている。光は、微粒子の形状・大きさに固有の
複数の共振波長では光共振器内に効率よく閉じこめら
れ、微粒子内部を伝播する。この共振波長でのQ値(共
振器の性能を表わす指数)は103 から105 のものが
容易に得られるが、これに対応する光路長は微粒子の直
径がμmオーダーのものでもmmからcmのオーダーに
もなる。したがって直径の102 倍から104 倍の光路
長を得ることができる。
【0007】この際に、微粒子内部に蛍光物質を含有さ
せそれを外部から光励起して蛍光物質を発光させ、共振
器が形成されている微粒子界面付近の蛍光物質の発光を
利用すると非常に効率的に光共振現象が起きる。さらに
同時に光共振現象を阻害(光吸収)する物質、すなわち
被測定物質を同時に微粒子に含有させると高感度な吸光
度測定が可能となる。また、微粒子は、光捕捉すること
が可能とされる。
【0008】さらに詳しく説明すると、この発明の分光
測定法は、たとえば図1に示すように、たとえばCWレ
ーザー光によって光捕捉することなどができる液相中の
微粒子(10)は、あらかじめ蛍光物質(11)ととも
に被測定物質(12)を含有する。そして、被測定物質
(12)を励起光(13)により光励起し、微粒子(1
0)の共振波長で吸収を有する中間体(14)を生成さ
せる。蛍光物質(11)を発光させるためのポンプ光
(15)は励起光より所定の時間だけ遅延させて微粒子
に照射する。微粒子中に中間体(14)が存在している
遅延時間内にポンプ光(15)が照射されると、光路
(16)に沿って起こる微粒子の光共振は中間体(1
4)の吸収によって阻害される。光共振が阻害された結
果は光強度の変化として現われる。従って、励起光の有
無によって、微粒子の光共振波長における光強度の変化
により所定の遅延時間における過渡吸収光度が得られる
ことになる。
【0009】さらに微粒子の直径および蛍光色素濃度を
適宜に選ぶことにより複数の発振線を得ることができ、
それぞれの発振強度の変化から過渡吸収スペクトルも得
られる。以上のように微粒子の光共振現象を利用するこ
とで分光測定が可能であるが、特に光共振現象の中でも
レーザー発振状態を利用することによりS/Nの良い測
定が可能となる。
【0010】図2は、この発明の方法に用いることので
きる測定装置を例示したものである。この例の分光測定
装置は、液相中の微粒子に含有させた蛍光色素と被測定
物質とを励起するためのパルスレーザー発振器(2)、
このパルスレーザー発振器(2)から発振した2波長の
パルスレーザーのどちらか一方を遅延させるための光学
的遅延装置(3)、液相中の微粒子を非接触で捕捉固定
するためのCWレーザー発振器(1)、これらのレーザ
ー光を集光して試料に照射するための顕微鏡システム
(4)、そして試料の発光を検出するための検出器
(5)を備えている。これらの内、CWレーザー発振器
(1)の配備については限定的でなく、微粒子を非接触
で捕捉固定することのできる適宜な手段を任意に採用す
ることができる。
【0011】また、図2に示したように、レーザー光が
試料に照射される過程において、図2に示すように、レ
ンズ(6)、励起用レーザー光反射ミラー(7a)、捕
捉用レーザー光反射ミラー(7b)、およびミラー
(8)を備えるとができる。顕微鏡システム(4)とし
て、励起用レーザー光/ポンプ用レーザー光/捕捉用レ
ーザー光の反射ミラー(7c)、対物レンズ(4a)、
および、試料台(4b)を備えることができる。
【0012】微粒子捕捉用のCWレーザー発振器(1)
を用いる場合には、そのレーザー光(20)として、C
W−YAGレーザー光(波長1064nm)を使用する
ことができ、被測定物質の励起用レーザー光(22)に
はQスイッチYAGレーザーの第3高周波を、ポンプ用
レーザー光(21)にはQスイッチレーザーの第2高周
波を用いることができる。なお、励起用レーザー光(2
2)とポンプ用レーザー光(21)とは同一のレーザー
光を使用した方がタイミングを合わせる上で容易である
が、もちろん、この発明においては、これに限定される
ものではない。
【0013】また図2の例においては、励起用レーザー
光(22)に対するポンプ用レーザー光(21)の遅延
時間を所定のものとするため、ポンプ用レーザー光(2
1)の光路上に光学的遅延装置(3)が設置されている
が、もちろん、これは励起用レーザー光(22)の光路
上にあってもよい。そして液相中の微粒子試料は顕微鏡
下に置かれ、ダイクロイックミラーなどのミラーで同軸
にされた上記の3つのレーザー光は顕微鏡システム
(4)の対物レンズ(4a)で集光され試料台(4b)
上の試料に照射される。試料からの発光は対物レンズ
(4a)で集められ検出器(5)で検出される。
【0014】以下実施例を示し、さらにこの発明につい
て詳しく説明する。
【0015】
【実施例】実施例1 ポリ(メタクリル酸メチル)(屈折率:1.49)から
なる直径30μmの球形微粒子に、励起により中間体を
生成する物質として9,10−ジフェニルアントラセン
を2×10-3mol/lの濃度で、蛍光色素としてロー
ダミンBを9×10-3mol/lの濃度で含有させた。
【0016】水中に分散させたこの微粒子にポンプ用レ
ーザー光(波長532nm、パルス幅40ps、エネル
ギー51μJ)を顕微鏡の対物レンズ(100倍)で直
径60μm程度に集光して照射した。その結果を図3に
示した。このとき微粒子からは590nmを中心とする
7−8個のレーザー発振線が見られた。ポンプ用レーザ
ー光に数百ps先行して励起光(波長355nm、パル
ス幅40ps、エネルギー1.3mJ)を同じ光学系を
用いて集光、照射すると、レーザー発振強度が減衰し、
従来では測定できなかった微粒子界面のジフェニルアン
トラセンの励起状態の吸収が測定できた。
【0017】
【発明の効果】以上詳しく説明した通り、この発明によ
って、被測定物質微粒子の高感度で過渡吸光度および過
渡吸光スペクトルの測定が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図1】この発明の方法における測定原理を示した概略
図である。
【図2】この発明の方法のための装置構成を例示したブ
ロック図である。
【図3】この発明の実施例として、励起光強度と発振ス
ペクトルの関係を示した図である。
【符号の説明】
1 CWレーザー発振器 2 パルスレーザー発振器 3 光学的遅延装置 4 顕微鏡システム 4a 対物レンズ 4b 試料台 5 検出器 6 レンズ 7a 励起用レーザー光反射ミラー 7b 捕捉用レーザー光反射ミラー 7c 励起用レーザー光/ポンプ用レーザー光/捕捉用
レーザー光反射ミラー 8 ミラー 10 微粒子 11 蛍光色素 12 被測定物質 13 励起光 14 中間体 15 ポンプ光 16 光路 20 捕捉用レーザー光 21 ポンプ用レーザー光 22 励起用レーザー光
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 平2−257034(JP,A) 特開 平6−221923(JP,A) 特開 昭64−38633(JP,A) J.APPL.PHYS.70(7) (1991)p3829−3836 CHEMISTORY LETTER S,1990,p1479−1482 POLYMER PREPRINT S,JAPAN VOL.39,NO.9 (1990)p3106−310 J.PHOTOCHEM.PHOTO BIOL.A:CHEM.,65(1992) 235−247 APPLIED POLYMER S CI.VOL.49,NO.1(1993)p 151−158 創造科学技術推進事業「増原極微変換 プロジェクトシンポジウム」講演要旨集 (1993.9.22)p1−2 (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) G01N 21/62 - 21/74 G01N 21/00 - 21/01 G01N 21/17 - 21/61 G01J 3/00 - 3/52 JICSTファイル(JOIS) 実用ファイル(PATOLIS) 特許ファイル(PATOLIS)

Claims (4)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 蛍光色素と被測定物質とを含有する微粒
    子に、その被測定物質を励起させる励起用レーザー光を
    照射し、且つ蛍光色素を発光させるポンプ用レーザー光
    を前記励起用レーザー光より遅延して照射し、当該照射
    において、励起用レーザー光による被測定物質の励起に
    よって微粒子の共振波長で吸収を有する中間体を生成さ
    せ、当該中間体が微粒子中に存在している遅延時間内に
    ポンプ用レーザー光を照射することを特徴とする分光測
    定法。
  2. 【請求項2】 励起用レーザー光およびポンプ用レーザ
    ー光の照射に際して液相中の微粒子を光捕捉する請求項
    1の分光測定法。
  3. 【請求項3】 蛍光色素と被測定物質とを含有する微粒
    子を保持する試料台と、微粒子中の被測定物質を励起さ
    せる励起光を発生する励起用レーザー発振器と、微粒子
    中の蛍光物質を発光させるポンプ光を発生するポンプ用
    レーザー発振器と、ポンプ用レーザー発振器からのポン
    プ光を励起用レーザー発振器からの励起光より遅延させ
    る遅延装置とを備え、励起光による被測定物質の励起に
    よって微粒子の共振波長で吸収を有する中間体を生成
    し、当該中間体が微粒子中に存在している遅延時間内に
    ポンプ光を照射可能となっていることを特徴とする分光
    測定装置
  4. 【請求項4】 液相中の微粒子を捕捉する捕捉光を発生
    する捕捉用レーザー発振器を備えている請求項3の分光
    測定装置。
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J.PHOTOCHEM.PHOTOBIOL.A:CHEM.,65(1992)235−247
POLYMER PREPRINTS,JAPAN VOL.39,NO.9(1990)p3106−310
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