JP3816306B2

JP3816306B2 - 超高速時間分解蛍光分光方法

Info

Publication number: JP3816306B2
Application number: JP2000176710A
Authority: JP
Inventors: 泰男兼松; 修一木下
Original assignee: Japan Science and Technology Agency; National Institute of Japan Science and Technology Agency
Current assignee: Japan Science and Technology Agency; National Institute of Japan Science and Technology Agency
Priority date: 2000-06-13
Filing date: 2000-06-13
Publication date: 2006-08-30
Anticipated expiration: 2020-06-13
Also published as: JP2001356095A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、フェムト秒域の時間分解蛍光分光方法に関し、特に、広い波長域の蛍光スペクトルを短時間で一括取得する方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、このような分野の技術としては、例えば、以下に示されるような文献があった。
【０００３】
（１）超短光パルスレーザー；Ｊ．Ｈｅｒｒｍａｎｎ／Ｂ．Ｗｉｌｈｅｌｍｉ著、小林孝嘉訳、共立出版（１９９１），ｐ．１０８．
（２）“Ｕｌｔｒａｆａｓｔｅｍｉｓｓｉｏｎｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙｉｎｔｈｅｕｌｔｒａｖｉｏｌｅｔｂｙｔｉｍｅ−ｇａｔｅｄｕｐｃｏｎｖｅｒｓｉｏｎＭ．Ａ．Ｋａｈｌｏｗ，Ｗ．Ｊａｒｚｅｂａ，Ｔ．Ｐ．Ｄｕｂｒｕｉｌ，ａｎｄＰ．Ｆ．Ｂａｒｂａｒａ”，Ｒｅｖ．Ｓｃｉ．Ｉｎｓｔｒｕｍ．，５９（１９８８）１０９８−１１０９．
近年、フェムト秒チタンサファイアレーザーの登場により、超高速レーザーを用いた測定が、広く一般的に行われるようになった。１００フェムト秒程度のパルス幅で尖頭値出力が１００ｋＷを超えるレーザー発振器を基に、増幅する等して、非線形光学効果を容易に利用することが可能となった。先進的な手法がレーザーの専門家の手を離れ、大いに利用される段階に入ったと言える。レーザーの進歩は、測定技術の発展に繋がる。強化されたレーザー性能を正しく評価し、適用法を吟味することにより、過去の技術を、強力な手段として再生することができる。本発明は、光カー効果を利用した時間分解蛍光測定を改良し、品質の高い時間分解スペクトルを測定することに成功した。
【０００４】
従来、超短パルスレーザーを用いた時間分解蛍光測定法として標準的なものとして採用されてきたのは、図６に示すように、和（差）周波光混合法によるものであり、非線形光学結晶１０３を用いて、発光１０１の成分の内、特定の周波数成分（ν₁）とゲート光１０２の周波数成分ν₂を混合し、信号光１０４となるν₁＋ν₂成分を発生させる。
【０００５】
すなわち、ゲート光１０２の周波数分だけ周波数を変換して信号光１０４を得る。ゲート光１０２が非線形光学結晶１０３中に存在するときにのみ、この変換は生じるため、ゲート光１０２としてパルス光を用いることにより、時間分解発光測定を行うことができる。
【０００６】
しかしながら、スペクトル測定のためには、各周波数、すなわち波長ごとに位相整合条件を満たすよう、非線形光学結晶１０３と光線のなす角を調整しなければならない。まず、測定したい波長に合わせて、非線形光学結晶１０３の角度などを調整し、ゲート光１０２の光路長を変えることで遅延時間を変化させつつ、各時刻において信号を検出し、時間プロファイルを取得する。次に、測定波長を変えて調整し、同様の測定を行い、これを、測定したい波長領域に渡って繰り返す。その後、各波長における時間原点や変換効率に対する補正を行って、間接的に時間分解スペクトルを得るという複雑な作業が必要である。
【０００７】
このような複雑な手法でなくとも、要するにレーザーパルスを用いて超高速のシャッターが構成できれば、そのシャッターを通過した光を分光測定すればよい。分光測定自体に関しては、ＣＣＤを用いてスペクトル全体を一挙に取得する方法が確立されているから、これを組み合わせれば、効果的な手法になる。
【０００８】
超高速シャッターを構成する手法の一つとして、光カー効果を用いたカーゲート法がある。光カー効果とは、光電場に励起されて媒質の屈折率が変化する現象のことで、パルスレーザーの出現後すぐに、時間分解測定に利用されてきた。
【０００９】
図７に示すように、偏光軸の直交した２枚の偏光子２０３，２０４の間に、カー媒質２０５を挟んで配置し、カー媒質２０５上で、ゲート光２０２と蛍光２０１を重ねる。ゲート光２０２の偏光方向を蛍光に対して角度を持たせ、ゲート光２０２により誘起されたカー媒質２０５における過渡的な屈折率の異方性を利用して透過する蛍光の偏光状態を変化させる。誘起された偏光の変化に応じて、蛍光２０１は後方の偏光子２０６を通過することができる。蛍光２０１に対するゲート光２０２の相対的カー媒質到着時刻を変化させることにより、各時刻における蛍光スペクトル、すなわち、時間分解スペクトルを取得する。すなわちゲートパルスを用いたシャッターを構成するわけである。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記した和（差）周波光混合法は、測定の調整が煩雑なことと、測定したい波長のみの時間変化で、広い波長領域に亘ると繰り返し測定が必要で長時間を要する。
【００１１】
また、超高速シャッターとして光カー効果を用いた方法では、カー媒質は二硫化炭素などの液体であった。そのカー応答には分子配向による遅い応答が存在する。しかし、以前はレーザー自体のパルス幅がピコ秒台のものが主であり、システム全体の時間分解能の観点からは問題にはならなかった。つまり、カー物質として液体の二硫化炭素で分子応答のため時間分解能は高々１ｐｓである。フェムト秒域のパルスを容易に発生するレーザーの出現により、高い時間分解能の時間分解分光への光カー効果への適用が可能になると、光学ガラスの電子応答に起因するカー効果を利用した実験が行われた。この電子応答は原理的には、可視および赤外部の光パルスに対して、即時的応答を示す。しかし、さらにこれを蛍光分光へ適用するためには、時間的に切り出された蛍光が微弱なものとなるため、高効率化を図るとともに、ゲート光により発光することのないカー媒質を見出すことが必要であった。
【００１２】
そこで、本発明は、高繰り返しの超短パルスレーザーをゲート光として用い、パルスの時間幅が狭く、ピーク値を大きくし、一方、高効率のゲート光による発光の少ないカー媒体を用いることで、従来の測定に比較して一桁以上測定時間を短縮して信号対雑音比の高いデータを取得するようにする。
【００１３】
本発明は、上記状況に鑑みてなされたもので、広い波長域の微弱蛍光の時間分解スペクトルを一度に、かつ高い時間分解能で取得することができる超高速時間分解蛍光分光方法を提供することを目的とする。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記目的を達成するために、
〔１〕超高速時間分解蛍光分光方法において、電子応答起源の光カー効果による超高速光カーシャッターを構成し、フェムト秒パルスレーザー光をゲート光として前記シャッターを開閉し、前記フェムト秒パルスレーザー光を分岐した一部の光又は波長変換された光を試料に照射し、前記試料より放出される蛍光を前記シャッターで時間的に切り出した後、分光しマルチチャンネル光検出器によりスペクトルを取得し、前記シャッター部は偏光軸の直交した２枚の偏光子の間に特重フリントガラスからなるカー媒質を挟んで配置し、前記カー媒質上でゲート光と蛍光を重ねることを特徴とする。
【００１５】
〔２〕上記〔１〕記載の超高速時間分解蛍光分光方法において、高繰り返しフェムト秒パルスレーザー光を用いることで、４５分でデータの一括取得を行い、高効率であることを特徴とする。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図を参照しながら説明する。
【００１７】
図１は本発明の実施例を示す超高速時間分解蛍光分光の測定装置の構成図である。
【００１８】
図示しないが、モード同期チタンサファイアレーザー（Ｍｉｒａ９００；米国コヒーレント社製）をシード光として、再生増幅器（ＲｅｇＡ９０００；米国コヒーレント社）により増幅した光（パルス幅１５０フェムト秒、繰り返し２００ｋＨｚ、波長８３０ｎｍ）を光源として、その一部をゲート光として用い、残りを第２高調波発生結晶（ＢＢＯ結晶０．３ｍｍ厚）により４１５ｎｍに変換し、これを試料の励起光として用いた。
【００１９】
図１において、励起光２は、焦点距離５０ｍｍのレンズ３により、試料４上に集光した。試料４としては、Ｚｎテトラフェニルポルフィリンのエタノール溶液、βカロチンのヘキサン溶液、マラカイトグリーンのエタノール溶液等をガラスセル中に流して、これを用いた。
【００２０】
蛍光５は試料４の後方から、有効焦点距離７５ｍｍの放物面鏡６により受けてコリメートし、もう一つの放物面鏡７でカー媒質である特重フリントガラス（ＳＦＳ１）９上に、偏光子（４５°）８を介して試料４上の蛍光スポットを結像させ、それをさらに、光ファイバー１４に入射させるように、検光子（−４５°）１１、レンズ１２、フィルタ１３からなるリレー光学系１０を配置した。光ファイバー１４は２７．５ｃｍの分光器（Ａｃｔｏｎ社製）１５に取り付けられており、分光された光は、出射面のＣＣＤ（ＰｒｉｎｃｅｔｏｎＩｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓＬＮ／ＣＣＤ−１０２４／ＥＥＶ）１６上に結像される。まず、偏光軸を直交させた偏光子８と検光子１１をＳＦＳ１ガラス９の前後に配置し、検光子１１より先には蛍光を通過させないようにしておく。
【００２１】
一方、ゲート光１は遅延ステージ１７を介し、焦点距離１５０ｍｍのレンズ１８により集光して、偏光子（０°）１９を介してＳＦＳ１ガラス９上の蛍光スポットに重ねた。ゲート光１の偏光は、蛍光に対し４５°傾けておいた。ゲートパルスが通過している間はカー媒質であるＳＦＳ１ガラス９の屈折率に異方性が生じ、通過する蛍光の偏光状態が変化し、これにより検光子１１を通過する偏光成分が生じる。すなわち、ゲートパルスに時間的に一致する蛍光成分が切り出される。遅延ステージ１７を移動させ、ゲート時刻を変化させて、時間分解蛍光スペクトルを取得した。なお、遅延ステージ１７は、制御装置（ＰＣ）２１からの制御信号による微小駆動装置２２（ステップモータ、ＰＺＴ装置など）の駆動により移動させることができる。
【００２２】
このようにして、Ｚｎテトラフェニルポルフィリンのエタノール溶液に対して得られた結果を図２に示す。
【００２３】
遅延ステージ１７を１２．５μｍステップで移動させながら、時間分解スペクトルを測定した。バックグラウンドとして、ＳＦＳ１ガラス９のゲート光二光子励起による発光と偏光子８と検光子１１対からの漏れ光が存在するが、信号光が現れる前の時間領域で測定を行って、これを同定し、各時刻のデータから差し引いたものを図２に示した。それぞれの時刻におけるスペクトルは３０秒間のデータ積算を行っている。すべてのスペクトル取得に要した時間は、わずか４５分であった。
【００２４】
図２において、４４０ｎｍ近傍に見られるピークは、Ｚｎテトラフェニルポルフィリンの第２励起状態（Ｓ₂）からの発光で、２ｐｓ程度で減衰しているのが見て取れる。一方、４８０ｎｍ近傍に見られるピークは主に溶媒のエタノールの分子内振動モードに起因すると考えられるラマン散乱で、その時間プロファイルは励起パルス２に追従している。時間分解能は約３００ｆｓであった。
【００２５】
本発明の目的の一つとして、蛍光の時間変化を通じてダイナミクスを直接測定することが挙げられる。その達成のためには、蛍光スペクトルの波長成分ごとに、試料４からカー媒質９までの光路差が異なることが問題になる。結像における色収差の問題が除かれても、光路上にある素子固有の屈折率の色分散を反映し、光路差の波長依存性が残り、これが、時間原点が波長に依存する結果をもたらす。そこで、分散を与える光学素子を極力除いたり、薄くしたりした。最後に残ったのが、試料４、試料セル、フィルム偏光子とカー媒質である。その効果を、さらに広い波長領域で検討するために、β−カロチンのヘキサン溶液を用いた測定例（発光について等高線表示したもの）を図３に示す。測定データを波長−時間平面上に等高線として示したものである。β−カロチンの蛍光寿命は２００ｆｓ以下であることが知られており、固有のダイナミクスをここでは考えないことにすると稜線が、各波長における時間原点を示していると考えられる。この稜線を眺めると、短波長側で遅れが見られるが、波長差１００ｎｍに対し、およそ３００ｆｓで、時間分解能と同程度にまで抑制されていることがわかる。この短波長での遅れは、いずれの素子材料も短波長になるほど屈折率が高くなることを反映していると考えられる。
【００２６】
次に、マラカイトグリーンのエタノール溶液に対する実験結果を図４に示す。この図において、強度は対数表示で描いた。マラカイトグリーンの蛍光は、第１励起状態からの（Ｓ₁→Ｓ₀）遷移に相当する成分に関して、粘性に依存して寿命が変化し、低粘度液体中では短寿命蛍光を発することが良く知られている。ここでは、第２励起状態へ光励起した。５００ｎｍ付近に見られる非常に速い減衰を示す、第２励起状態からの（Ｓ₂→Ｓ₀）発光と、６５０ｎｍあたりに見られる遅い減衰を伴う第１励起状態からの成分の両方が観測されている。
【００２７】
さらに、５００ｎｍ付近の発光について等高線表示したものを図５に示す。
【００２８】
この図から明らかなように、β−カロチンにおいて得られた時間原点を示す線（等高線図における稜線）を重ねて示す。マラカイトグリーンの稜線を時間原点と比較して眺めると長波長に行くほど時間的に遅くなっていることが判る。詳しい検討が必要ではあるが、励起状態における超高速の緩和過程を反映した蛍光のダイナミックストークスシフトを、直接捉えた初めての例であると考えている。
【００２９】
この手法は、広い波長範囲を同時に観測することが可能であり、ダイナミックスを全体像として補捉する上で大いに威力を発揮すると考えられる。現在、色素蛋白や半導体材料などへ適用することも試みている。
【００３０】
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、それらを本発明の範囲から排除するものではない。
【００３１】
【発明の効果】
以上、詳細に説明したように、本発明によれば、以下のような効果を奏することができる。
【００３２】
（Ａ）広い波長域の微弱蛍光の時間分解スペクトルを一度に、かつ高い時間分解能で取得することができる。
【００３３】
（Ｂ）光機能材料の開発や光化学反応の初期過程の解明には、分子・電子の高速時間変化を追跡する必要があり、それに応えることができる。
【００３４】
（Ｃ）化学反応における緩和過程の解明においてダイナミックスを全体像として補足する上で大きな威力を発揮できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例を示す超高速時間分解蛍光分光の測定装置の構成図である。
【図２】試料としてのＺｎテトラフェニルポルフィリンのエタノール溶液に対して得られた実験結果を示す図である。
【図３】試料としてβ−カロチンのヘキサン溶液を用いた測定例を示す図である。
【図４】試料としてのマラカイトグリーンのエタノール溶液に対する実験結果を示す図である。
【図５】試料としてのマラカイトグリーンのエタノール溶液に対する５００ｎｍ付近の発光について等高線表示した図である。
【図６】従来の和（差）周波光混合法による超短パルスレーザーを用いた時間分解蛍光測定法を示す模式図である。
【図７】超高速シャッターを用いる超短パルスレーザーを用いた時間分解蛍光測定法を示す模式図である。
【符号の説明】
１ゲート光
２励起光
３，１２，１８レンズ
４試料
５蛍光
６，７放物面鏡
８偏光子（４５°）
９カー媒質〔特重フリントガラス（ＳＦＳ１）〕
１０リレー光学系
１１検光子（−４５°）
１３フィルタ
１４光ファイバー
１５分光器
１６ＣＣＤ
１７遅延ステージ
１９偏光子（０°）
２１制御装置（ＰＣ）
２２微小駆動装置

Claims

（ａ）電子応答起源の光カー効果による超高速光カーシャッターを構成し、
（ｂ）フェムト秒パルスレーザー光をゲート光として前記シャッターを開閉し、前記フェムト秒パルスレーザー光を分岐した一部の光又は波長変換された光を試料に照射し、前記試料より放出される蛍光を前記シャッターで時間的に切り出した後、分光しマルチチャンネル光検出器によりスペクトルを取得し、
（ｃ）前記シャッター部は偏光軸の直交した２枚の偏光子の間に特重フリントガラスからなるカー媒質を挟んで配置し、前記カー媒質上でゲート光と蛍光を重ねることを特徴とする超高速時間分解蛍光分光方法。
請求項１記載の超高速時間分解蛍光分光方法において、高繰り返しフェムト秒パルスレーザー光を用いることで、４５分でデータの一括取得を行い、高効率であることを特徴とする超高速時間分解蛍光分光方法。