JP3525140B2 - 回折光学分析方法及びそのセンサー - Google Patents
回折光学分析方法及びそのセンサーInfo
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Description
折光学分析方法及びそのセンサーに関するものである。
光線を吸収する度合を測定して、その成分を分析する吸
光分析法がある。また、物質に対して光線を照射して、
その物質から出る蛍光により、その成分を分析する蛍光
分析法がある。
析法は光を吸収する物質に対して幅広く適用することが
できる優れた分析法であるが、感度がそれほど高くない
のが欠点である。一方、蛍光分析法は極めて高感度であ
るが、蛍光を出す物質がそれほど多くなく、適用範囲が
狭いという欠点がある。
く、しかも高感度に分析できる方法の開発が望まれる。
一方、応用物理や応用光学の分野では、ガラスやプラス
チックの表面に微細な溝を形成して、複数個の溝を配列
し、透過光や反射光の回折現象を利用する回折光学素子
が多くの用途に用いられており、その光学素子も盛んに
開発されている。
光分析法では、吸光分析法と同様に光吸収する物質に対
して適用でき、吸光分析法より3桁程度高感度な分析が
行える。しかし、比較的高出力のレーザーが不可欠であ
る。さらに、熱回折格子分光法でも同様の特徴を有して
いるが、試料濃度の2乗に比例して信号が発生するの
で、低濃度試料の分析が困難になるという欠点がある。
R.Davis,N.Cady,J.Czajka,
C.A.Batt,and H.G.Craighea
d,“Diffraction−Based Cell
Detection Using a Microc
ontact Printed Antibody G
rating”,Anal.Chem.,70,110
8−1111(1998)に示すように、レーザーの回
折現象を利用して試料を測定する新しい方法が提案され
ている。
の遅れ、すなわち屈折率変化を検出するものである。従
って、感度、選択性に乏しい。本発明は、上記問題点を
解決するものであり、光の回折効果を利用して、僅かな
光吸収でも高感度に検出することができる回折光学分析
方法及びそのセンサーを提供することを目的とする。
成するために、 〔1〕回折光学分析方法において、光を吸収する部分と
光を吸収しない部分との光強度差により決まる回折光学
効果により、光吸収の度合いを測定するようにしたもの
である。
において、試料であるイオン種及び中性物質との反応に
より発色する物質を測定するようにしたものである。 〔3〕上記〔2〕記載の回折光学分析方法において、前
記発色する物質として色素を用いるようにしたものであ
る。 〔4〕上記〔3〕記載の回折光学分析方法において、p
H変化を検出するようにしたものである。
において、前記色素として、pH指示薬を用いるように
したものである。 〔6〕上記〔5〕記載の回折光学分析方法において、前
記pH指示薬はチモールフタレインを用いるようにした
ものである。 〔7〕上記〔3〕記載の回折光学分析方法において、生
じる回折光を表示として用いるようにしたものである。
を吸収する部分と光を吸収しない部分を形成し、前記光
が吸収しない部分と光を吸収する部分との光強度差によ
り決まる回折光強度に基づいて、光による化学分析を可
能にしたものである。
て、前記光を吸収する部分は色素からなるようにしたも
のである。
ンサーにおいて、前記光を吸収する部分は色素を含むゼ
ラチンからなるようにしたものである。 〔11〕回折光学分析方法において、流路において透明
な液体から光吸収する液体に交換して回折光学効果を起
こさせ、その光吸収の度合いを測定するようにしたもの
である。
方法において、電気泳動分析法並びに液体クロマトグラ
フィーのセンサーに用いるようにしたものである。
て詳細に説明する。図1は本発明にかかる回折光学化学
センサーの模式図である。ここでは、その回折光学化学
センサーの原理について説明する。図1に示すように、
この回折光学化学センサー1は、光を吸収する部分2と
光を吸収しない部分3を周期的に作製する。例えば、光
を吸収する部分2には、色素を用いる。光を吸収しない
部分3は、入射光強度(1/2)I0 と透過光強度(1
/2)I0 を有する。
射光強度(1/2)I0 と透過光強度(1/2)Iとを
有する。回折光強度は、光が透過する部分と透過しない
部分の光強度差により決まるので、次式により表され
る。 D=ΔI=(1/2)I0 −(1/2)I=(1/2)I0 (1−I/I0 ) …(1) ただし、I0 は全入射光強度、(1/2)Iは光を吸収
する格子を通過してきた光の強度である。ランベルトベ
ールの法則より、光の吸収量は、次式により表される。
bは試料の厚さ、cは試料の濃度である。上記(2)式
を上記(1)式に代入すると、 D=(1/2)I0 (1−10-A) …(3) となる。吸光度が小さいとき(A<0.02)には、上
記(3)式は、次式へ近似できる。
される。なお、光吸収量は次式で表される。 W=(1/2)I0 +(1/2)I0 −(1/2)I0 −(1/2)I =(1/2)(I0 −I) …(5) また、回折光以外で回折光学化学センサーを通過した光
の強度(0次の回折光強度に加わる)は、 T=I0 −(1/2)(I0 −I)−(1/2)(I0 −I)=I …(6) で表される。上記(6)式の第1、第2、第3項は、そ
れぞれ入射光、吸収された光、回折した光の強度であ
る。一方、一般の蛍光法における蛍光強度は、 F=2.30I0 AΦf …(7) で表される。
分かるように、回折効果を利用する方法は、蛍光分析法
において、蛍光量子収率が、0.5の試料を分析したと
きに相当する。しかし、回折効果を利用する場合には、
発生するほぼ全部の回折光を信号として検出できるのに
対して、蛍光法では検出効率は、0.1から0.001
程度である。
より高感度であることが分かる。次に、本発明の実施例
を示すpH変化に応答する回折光学化学センサーの製造
方法について説明する。図2は本発明の実施例を示すp
H変化に応答する回折光学化学センサーの製造工程図で
ある。
強度を変化させる(回折光を発生する)回折光学化学セ
ンサーを作製した。 (1)まず、図2(a)に示すように、スライドガラス
11上に幅250μmの格子状の金属の板12〔以下、
金属格子(金型)という〕を置き、その上からチモール
フタレインを含んだ7%のゼラチン(以下、pH指示薬
を含むゼラチン)13を流し込んだ。そして、上部のス
ライドガラス14で、pH指示薬を含むゼラチン13を
金属格子12に十分に押しつける。
図2(b)に示すように、金属格子12を剥がすと、ス
ライドガラス11上にpH指示薬を含むゼラチンの格子
ができる。 (3)その上から、図2(c)に示すように、チモール
フタレインを含まない7%ゼラチン(以下、pH指示薬
を含まないゼラチン)16を被せ、表面を平滑にした。
この際に、スライドガラス18とpH指示薬を含まない
ゼラチン16の間にポリエチレン膜17を挿入し、pH
指示薬を含まないゼラチン16がスライドガラス18に
付着しないようにした。
ライドガラス18を取り外すと、pH指示薬を含まない
ゼラチンの格子とpH指示薬を含むゼラチンの格子とか
らなるpH感応回折光学化学センサー21を得ることが
できる。従って、光の回折効果を利用して、僅かな光吸
収でも高感度に検出することができる。
折光学化学センサー21を用いた透過光を示す図であ
り、図3(a)はそのセンサーへ直接ヘリウムネオンレ
ーザー(632.8nm)を照射した際に得られた透過
光、図3(b)は蒸留水に浸したものにヘリウムネオン
レーザー(632.8nm)を照射した際に得られた透
過光、図3(c)はNaOH溶液に浸したものにヘリウ
ムネオンレーザー(632.8nm)を照射した際に得
られた透過光を示している。
フタレインは無色であるので、回折光は全く観測されて
いないが、塩基性溶液になると、pH感応回折光学化学
センサー中のチモールフタレインが青色に呈色し、赤い
レーザー光を吸収するため、光の回折現象が観測され
る。更に、本発明によれば、pHの変化に伴い、回折光
強度を変化させる回折光学化学センサーを用いることに
よって、当初光が全く回折されていない部分にレーザー
光が強く回折されてくるので、僅かな光吸収でも高感度
に検出することができる。
細なスリットを有する(回折格子として働くような)金
属板を載置し、スリット内に光を吸収するようになる色
素(指示薬であるチモールフタレイン)を含むゼラチン
で回折格子状のものを作り、その間を色素を含まないゼ
ラチンで充填する。即ち、光吸収物質と透過物質とが交
互に並んだ回折格子が形成される。例えば、チモールフ
タレインを光吸収物質として用いると、塩基性溶液では
青色に呈色するので、このガラス表面に形成した回折光
学素子に赤色レーザー光を照射すると、アルカリ水溶液
中では、回折像が得られ、アルカリ性のセンサーとし
て、用いることができる。
に反応し光を吸収する物質と光透過物質を回折格子状に
配列し、回折光を検出することにより、被測定物を高感
度に検出することにある。また、本発明の光吸収に基づ
く回折光学化学センサーは、信号の処理に電気を全く使
わずに、測定結果を表示することができる。
のリモートセンシングなどへの応用が考えられる。例え
ば、1km先へ光ファイバでレーザー光を伝送し、pH
の変化を検出し、その場で直ちに壁などに「アルカリ危
険」などの文字を大きく浮かび上がらせることも可能で
ある。最近、マイクロチップ上に電気泳動のシステムを
組み込む方式が提案され大きく注目されているが、高感
度な検出器がないことが実用化に際してのネックになっ
ている。
チップ型電気泳動分析装置と回折光学効果を利用する高
感度吸光検出器の模式図である。この図において、30
はガラス基板であり、そこに、以下に示すように、各種
の液溜めと電極が形成されるとともに、流路が形成され
る。つまり、31は電極(白金線電極)A、32は試料
溜め、33は電極(白金線電極)B、34は廃液溜め、
35は電極(白金線電極)C、36は第1の緩衝液溜
め、37はそれらの合流路、38は分岐流路部、39は
電極(白金線電極)D、40は第2の緩衝液溜めであ
り、入射光41を試料検出部42である分岐流路部38
に照射すると、回折光43と透過光44が得られ、その
回折光43を光検出器45で検出することにより、光吸
収の度合いを測定し、電気泳動分析を行うことができ
る。
上)に分岐し、本発明を適用すれば、光吸収する試料に
対して、蛍光法より高感度な検出が可能になる。また、
ランプ光源を利用することもできるので、紫外光を光源
とした分析も容易になる。一方、従来の回折光学素子
は、溝を形成する方法が主流のため、多色光源に対応す
ることが難しい。それに対し、本発明によれば、数種類
の色素を用い、波長による吸収の違いを利用して、マル
チカラーホログラフィが実現できる。
なガラスあるいはプラスチック基板上に微細な溝を形成
させ、光の透過に対して回折効果を与える、いわゆる回
折光学素子が開発されている。回折光を測定する方法は
バックグラウンド信号がないため、もし、試料に応答し
て回折効果が生じれば、極めて高感度な分析を実現する
ことができる。
な高感度検出器に留まらず、広く表示素子への応用が期
待される。なお、本発明は上記実施例に限定されるもの
ではなく、本発明の趣旨に基づいて種々の変形が可能で
あり、これらを本発明の範囲から排除するものではな
い。
よれば、以下のような効果を奏することができる。 (A)簡単なレーザーを利用して、あるいは通常のラン
プ光源を用いて、吸光法の汎用性と蛍光法の高感度特性
を同時に兼ね備えることができる回折光学化学センサー
を提供することができる。
の)に対して選択的に、かつ高感度に分析することがで
きる。 (C)信号の処理に電気を全く使わずに、測定結果を表
示することができる。 (D)ランプ光源を利用することもできるので、紫外光
を光源とした分析も容易になる。
収の違いを利用して、マルチカラーホログラフィを実現
することができる。
であり、それに入射及び透過する光を示す図である。
光学化学センサーの製造工程図である。
光学化学センサーを通過した光の回折パターンを示す図
である。
気泳動分析装置と回折光学効果を利用する高感度吸光検
出器の模式図である。
ン) 16 pH指示薬を含まないゼラチン 17 ポリエチレン膜 21 pH感応回折光学化学センサー 30 ガラス基板 31 電極(白金線電極)A 32 試料溜め 33 電極(白金線電極)B 34 廃液溜め 35 電極(白金線電極)C 36 第1の緩衝液溜め 37 合流路 38 分岐流路部 39 電極(白金線電極)D 40 第2の緩衝液溜め 41 入射光 42 試料検出部 43 回折光 44 透過光 45 光検出器
Claims (12)
- 【請求項1】光を吸収する部分と光を吸収しない部分と
の光強度差により決まる回折光学効果により、光吸収の
度合いを測定することを特徴とする回折光学分析方法。 - 【請求項2】 請求項1記載の回折光学分析方法におい
て、試料であるイオン種及び中性物質との反応により発
色する物質を測定することを特徴とする回折光学分析方
法。 - 【請求項3】 請求項2記載の回折光学分析方法におい
て、前記発色する物質として色素を用いることを特徴と
する回折光学分析方法。 - 【請求項4】 請求項3記載の回折光学分析方法におい
て、pH変化を検出することを特徴とする回折光学分析
方法。 - 【請求項5】 請求項3記載の回折光学分析方法におい
て、前記色素として、pH指示薬を用いることを特徴と
する回折光学分析方法。 - 【請求項6】 請求項5記載の回折光学分析方法におい
て、前記pH指示薬はチモールフタレインを用いること
を特徴とする回折光学分析方法。 - 【請求項7】 請求項3記載の回折光学分析方法におい
て、生じる回折光を表示として用いることを特徴とする
回折光学分析方法。 - 【請求項8】光を吸収する部分と光を吸収しない部分を
形成し、前記光が吸収しない部分と光を吸収する部分と
の光強度差により決まる回折光強度に基づいて、光によ
る化学分析を可能にしたことを特徴とする回折光学化学
センサー。 - 【請求項9】 請求項8記載の回折光学化学センサーに
おいて、前記光を吸収する部分は色素からなることを特
徴とする回折光学化学センサー。 - 【請求項10】 請求項8記載の回折光学化学センサー
において、前記光を吸収する部分は色素を含むゼラチン
からなることを特徴とする回折光学化学センサー。 - 【請求項11】流路において透明な液体から光吸収する
液体に交換して回折光学効果を起こさせ、その光吸収の
度合いを測定することを特徴とする回折光学分析方法。 - 【請求項12】 請求項11記載の回折光学分析方法に
おいて、電気泳動分析法並びに液体クロマトグラフィー
のセンサーに用いることを特徴とする回折光学化学分析
方法。
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1998
- 1998-07-01 JP JP18577598A patent/JP3525140B2/ja not_active Expired - Fee Related
Non-Patent Citations (1)
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今坂藤太郎,ぶんせき,2001年 2月,Vol.2001,No.2,p93−96 |
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