JP4239869B2 - 分光光度計用分光器の光学系 - Google Patents
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Description
本発明は、紫外可視光分光光度計等の各種分光光度計に利用される分光器に関し、更に詳しくは、該分光器における光学系の構成に関する。
キャピラリ電気泳動法（ＣＥ）は、ペプチド、蛋白質、核酸、糖等の生体成分の分析の他、光学分割、同位体の分離等、極めて近い成分を高速で分離するのに適した方法であり、臨床診断や医薬品、環境物質のモニタリング等に広く利用される。このようなキャピラリ電気泳動法による分析を安定して再現性良く行うために、マイクロチップ電気泳動装置が開発されている。この電気泳動装置は、紫外可視分光光度計を構成する分光器と光検出器とを泳動溝を挟んで配置する。そして光源から発した光を分光器に導入し、特定の波長のみを含む単色光を取り出して、この光を泳動溝内に電気泳動する試料に照射する。そして、その透過光（又は反射光）を光検出器で検出し、その光強度を測定することにより吸光度を求め、それにより成分を検出する。この分光器としては、ツェルニ・ターナ型として知られる構成の分光器が利用されている（特許文献１参照）。
このツェルニ・ターナ型分光器は、図８に示すように平面回折格子３と、光源１から凹面鏡Ｍ１、入口スリット２を経由して導入された光を前記平面回折格子３に導く第２の凹面鏡であるコリメータ鏡Ｍ２と、平面回折格子３で波長分散された光を出口スリット４に導く第３の凹面鏡であるテレメータ鏡Ｍ３で構成される。平面回折格子３の表面中心を通る軸を中心にしてこの平面回折格子３を回転させると、出口スリット４を通過する光の波長が変化し、波長走査を行うことができる。出口スリット４を通過した光は投影面５に入光することになる。この投影面５は試料の入光面である。なお、通常この投影面５は出口スリット４に相当する光域制限手段を有しており、入光される光域は制限される。
具体的にはつぎのような光学要素が組み合わされる。
凹面鏡Ｍ１（トロイダル３０ｍｍ×６０ｍｍ）
水面方向曲率半径 ７０．８１２８ｍｍ
垂直方向曲率半径 ６６．０６９３ｍｍ
コリメータ鏡Ｍ２（トロイダル２０ｍｍ×４０ｍｍ）
水面方向曲率半径 １０７．０ｍｍ
垂直方向曲率半径 ５４．９０ｍｍ
テレメータ鏡Ｍ３（シリンドリカル２０ｍｍ×２０ｍｍ）
水面方向曲率半径 １１１．７３９ｍｍ
垂直方向曲率半径 ∞
発生本数２１５，９００本 光線本数１，８４８本
この場合、出口スリット４を経て投影面５に入る光量率は０．８５％である。
特開２００１−１３３３２７号公報
凹面鏡Ｍ１（トロイダル３０ｍｍ×６０ｍｍ）
水面方向曲率半径 ７０．８１２８ｍｍ
垂直方向曲率半径 ６６．０６９３ｍｍ
コリメータ鏡Ｍ２（トロイダル２０ｍｍ×４０ｍｍ）
水面方向曲率半径 １０７．０ｍｍ
垂直方向曲率半径 ５４．９０ｍｍ
テレメータ鏡Ｍ３（シリンドリカル２０ｍｍ×２０ｍｍ）
水面方向曲率半径 １１１．７３９ｍｍ
垂直方向曲率半径 ∞
発生本数２１５，９００本 光線本数１，８４８本
この場合、出口スリット４を経て投影面５に入る光量率は０．８５％である。
上記従来の光学系では、分光器から取り出された単色光のスペクトルと線状に延びた泳動溝と単色光のスペクトルとが部分的にしか重ならず、泳動溝上の位置によっては所望の波長からのズレが大きくなり、測定の精度を損なう問題を有する。この問題について本願発明者は実験・研究を重ねた結果、第３の凹面鏡であるテレメータ鏡Ｍ３への光の集束が充分でないことが判明した。すなわち、集束がテレメータ鏡Ｍ３の前段（一定の距離を有する地点）で行われていることが明らかになった。したがって上述したとおり試料に入光する光量率は１％に満たない状況である。本発明は、このような問題を解決し、精度良好な分析ができる分光光度計用分光器の光学系を提供させることを目的とする。
本発明が提供する分光光度計用分光器の光学系は上記課題を解決するために、入口スリットと、平面回折格子と、前記入口スリットを通して導入する光を前記平面回折格子に送るコリメータ鏡と、この平面回折格子で波長分散された光を集光するテレメータ鏡とを具備し、このテレメータ鏡で集光した光を出口スリットを介して試料に照射するように構成された光学系において、前記コリメータ鏡をトロイダル鏡とし、前記テレメータ鏡をシリンドリカル鏡とするとともに、平面回折格子とコリメータ鏡およびテレメータ鏡の距離を平面回折格子からの光がテレメータ鏡におけるシリンドリカル鏡の軸に集光するように設定する。このテレメータ鏡におけるシリンドリカル鏡の軸（母線）に光を集光させることにより、単色光のスペクトルの曲がりと、分離流路長手方向に沿った光量の均一化が向上する。
本発明が提供する分光光度計用分光器の光学系によれば、所望の波長を有する単色光のスペクトルの湾曲が従来よりも改善され、この光学系を用いた分光光度計では高い波長精度（分解能）で分析が可能となる。
本発明が実施される光学系は、望ましくはツェルニ・ターナ型分光器である。それはこの分光器が上述したとおり、平面型の平面回折格子と、入口スリットを通過して導入された光を前記平面回折格子に導くコリメータ鏡と、平面回折格子で波長分散された光を出口スリットに導くテレメータ鏡を含めて構成され、これらが一定の間隔を有して所定の距離を有して配設され全体はほぼ矩形状容積に含まれ、分光光度計などの分光器への適用が有利であるからである。この分光器は開発されて以来永い間利用され、分光特性の信頼性は高いが、問題は平面格子からテレメータ鏡に導かれる光をいかに適確にテレメータ鏡のシリンドリカル鏡の軸に集光させるかである。この点について本発明は、コリメータ鏡と平面回折格子との間隔の距離および平面回折格子とテレメータ鏡との間隔の距離を互いに設定し、光をテレメータ鏡のシリンドリカル鏡の軸に光を集光させることを特徴とする。この距離は理論的な根拠に基づいて設定される。
本発明が提供する光学系の第１の実施例を図１に示す。この実施例は、具体的には紫外可視分光光度計の検出系に適用できる。
この検出器では、グレーティング分光した光をマイクロチップ上の分離流路（幅５０〜１１０μｍ×長さ２５ｍｍ）に沿って集光させ、透過した光を１０２４素子のホトダイオードアレイで受光する構成である。
この検出器では、グレーティング分光した光をマイクロチップ上の分離流路（幅５０〜１１０μｍ×長さ２５ｍｍ）に沿って集光させ、透過した光を１０２４素子のホトダイオードアレイで受光する構成である。
以下、本発明における第１の実施例の光学系を図１を参照して説明する。図１において光源１が発した光は第１の凹面鏡Ｍ１で集光されて入口スリット２に投影される。入口スリット２を通過した光は第２の凹面鏡であるコリメータ鏡Ｍ２を経て平面回折格子３に導かれる。そして、この平面回折格子３からの光は第３の凹面鏡であるテレメータ鏡Ｍ３に集光し、出口スリット４を経て投影面５に照射される。この投影面５上での垂直方向をＸ軸、水平方向をＹ軸とすると、入口スリット２のスリット開口はＸ軸と平行な方向に延伸している。
ここで、コリメータ鏡Ｍ２はトロイダル鏡であり、テレメータ鏡Ｍ３はシリンドリカル鏡で構成する。トロイダル鏡は垂直方向（すなわちＸ軸に平行な方向）、水平方向（同じくＸ軸に直交する方向）にそれぞれ異なる曲率半径を有する凹面鏡であり、シリンドリカル鏡は水平面内で所定の曲率半径を有する曲線が垂直方向に平行移動して形成される曲面を有する凹面鏡である。本発明は以上の構成においてコリメータ鏡Ｍ２と平面回折格子３および平面回折格子３とテレメータ鏡Ｍ３との距離を特定し、平面回折格子３からの光がテレメータ鏡Ｍ３のシリンドリカル鏡の軸に集光させるものである。
具体的には、光学系の各部品間の距離はつぎのとおり設定される。
（１）光源１から凹面鏡Ｍ１までの距離＝６８．４ｍｍ
（２）凹面鏡Ｍ１から入口スリット２までの距離＝６８．４ｍｍ
（３）入口スリット２からコリメータ鏡Ｍ２までの距離＝４９．９６ｍｍ
（４）コリメータ鏡Ｍ２から平面回折格子３までの距離＝３７．９８ｍｍ
（５）平面回折格子３からテレメータ鏡Ｍ３までの距離＝３７．９８ｍｍ
（６）テレメータ鏡Ｍ３から投影面５までの距離＝５２．５０ｍｍ
（１）光源１から凹面鏡Ｍ１までの距離＝６８．４ｍｍ
（２）凹面鏡Ｍ１から入口スリット２までの距離＝６８．４ｍｍ
（３）入口スリット２からコリメータ鏡Ｍ２までの距離＝４９．９６ｍｍ
（４）コリメータ鏡Ｍ２から平面回折格子３までの距離＝３７．９８ｍｍ
（５）平面回折格子３からテレメータ鏡Ｍ３までの距離＝３７．９８ｍｍ
（６）テレメータ鏡Ｍ３から投影面５までの距離＝５２．５０ｍｍ
このような光学系の分光器を構成要素として備えた紫外可視光分光光度計を、前述のマイクロチップ形の電気泳動装置に適用する場合、Ｘ軸に平行な方向に泳動溝が延伸するように分光器と電気泳動チップとの位置関係を決める。この場合、投影面５は光検出器の検出面である。また、テレメータ鏡Ｍ３で集光された光を出口スリット４を通して分光器外部へと取り出す場合には、出口スリット４のスリット開口がＸ軸と平行な方向に延伸するように配置を設定する。
この第１の実施例における凹面鏡Ｍ１とコリメータ鏡Ｍ２およびテレメータ鏡Ｍ３としては、具体的にはつぎの仕様によるものが用いられる。
凹面鏡Ｍ１（トロイダル３０ｍｍ×６０ｍｍ）
水面方向曲率半径 ７０．８１２８ｍｍ
垂直方向曲率半径 ６６．０６９３ｍｍ
コリメータ鏡Ｍ２（トロイダル２０ｍｍ×４０ｍｍ）
水面方向曲率半径 １０６．３５３９２６６ｍｍ
垂直方向曲率半径 ５６．６４７５２４７１ｍｍ
テレメータ鏡Ｍ３（シリンドリカル２０ｍｍ×２０ｍｍ）
水面方向曲率半径 １１１．７３９ｍｍ
垂直方向曲率半径 ∞
発生本数２１５，４００本 光線本数２，９１３本
この場合、出口スリット４を経て投影面５に入る光量率は１．３５％である。
凹面鏡Ｍ１（トロイダル３０ｍｍ×６０ｍｍ）
水面方向曲率半径 ７０．８１２８ｍｍ
垂直方向曲率半径 ６６．０６９３ｍｍ
コリメータ鏡Ｍ２（トロイダル２０ｍｍ×４０ｍｍ）
水面方向曲率半径 １０６．３５３９２６６ｍｍ
垂直方向曲率半径 ５６．６４７５２４７１ｍｍ
テレメータ鏡Ｍ３（シリンドリカル２０ｍｍ×２０ｍｍ）
水面方向曲率半径 １１１．７３９ｍｍ
垂直方向曲率半径 ∞
発生本数２１５，４００本 光線本数２，９１３本
この場合、出口スリット４を経て投影面５に入る光量率は１．３５％である。
つぎに、本発明が第２に提供する分光光度計用分光器の光学系を説明する。
この第２の実施例の光学系における、各光学要素の配置関係は第１の実施例と同一で、特徴とする点はテレメータ鏡Ｍ３を球面鏡とした点にある。したがって、各光学要素について図１を参照して説明する。すなわち、図１において光源１が発した光は第１の凹面鏡Ｍ１で集光されて入口スリット２に投影される。入口スリット２を通過した光は第２の球面鏡であるコリメータ鏡Ｍ２によって平面回折格子３に導かれる。そして、この平面回折格子３からの光は第３の球面鏡であるテレメータ鏡Ｍ３に集光し、そして投影面５に照射される。この投影面５上での垂直方向をＸ軸、水平方向をＹ軸とすると、入口スリット２のスリット開口はＸ軸と平行な方向に延伸している。ここで、コリメータ鏡Ｍ２はトロイダル鏡であるが、テレメータ鏡Ｍ３は上記したとおり球面鏡で構成する。トロイダル鏡は垂直方向（すなわちＸ軸に平行な方向）、水平方向（同じくＸ軸に直交する方向）にそれぞれ異なる曲率半径を有する凹面鏡である。本発明は以上のように構成するとともにコリメータ鏡Ｍ２と平面回折格子３および平面回折格子３とテレメータ鏡Ｍ３との距離を特定し、平面回折格子３からの光がテレメータ鏡Ｍ３の球面鏡の軸に集光させるようにしたものである。この場合、コリメータ鏡Ｍ２と平面回折格子３および平面回折格子３とテレメータ鏡Ｍ３との距離は第１の実施例と同一である。テレメータ鏡Ｍ３を球面鏡とすることでコストが低減する。
この第２の実施例の光学系における、各光学要素の配置関係は第１の実施例と同一で、特徴とする点はテレメータ鏡Ｍ３を球面鏡とした点にある。したがって、各光学要素について図１を参照して説明する。すなわち、図１において光源１が発した光は第１の凹面鏡Ｍ１で集光されて入口スリット２に投影される。入口スリット２を通過した光は第２の球面鏡であるコリメータ鏡Ｍ２によって平面回折格子３に導かれる。そして、この平面回折格子３からの光は第３の球面鏡であるテレメータ鏡Ｍ３に集光し、そして投影面５に照射される。この投影面５上での垂直方向をＸ軸、水平方向をＹ軸とすると、入口スリット２のスリット開口はＸ軸と平行な方向に延伸している。ここで、コリメータ鏡Ｍ２はトロイダル鏡であるが、テレメータ鏡Ｍ３は上記したとおり球面鏡で構成する。トロイダル鏡は垂直方向（すなわちＸ軸に平行な方向）、水平方向（同じくＸ軸に直交する方向）にそれぞれ異なる曲率半径を有する凹面鏡である。本発明は以上のように構成するとともにコリメータ鏡Ｍ２と平面回折格子３および平面回折格子３とテレメータ鏡Ｍ３との距離を特定し、平面回折格子３からの光がテレメータ鏡Ｍ３の球面鏡の軸に集光させるようにしたものである。この場合、コリメータ鏡Ｍ２と平面回折格子３および平面回折格子３とテレメータ鏡Ｍ３との距離は第１の実施例と同一である。テレメータ鏡Ｍ３を球面鏡とすることでコストが低減する。
具体的にはつぎのような光学要素が組み合わされる。
凹面鏡Ｍ１（トロイダル３０ｍｍ×６０ｍｍ）
水面方向曲率半径 ７０．８１２８ｍｍ
垂直方向曲率半径 ６６．０６９３ｍｍ
コリメータ鏡Ｍ２（トロイダル２０ｍｍ×４０ｍｍ）
水面方向曲率半径 １０６．３５３９２６６ｍｍ
垂直方向曲率半径 ５６．６４７５２４７１ｍｍ
テレメータ鏡Ｍ３（球面鏡２０ｍｍ×２０ｍｍ）
水面方向曲率半径 １１１．７３９ｍｍ
垂直方向曲率半径 １１１．７３９ｍｍ
発生本数２０３，０００本 光線本数２，５７４本
この場合、出口スリット４を経て投影面５に入る光量率は１．２７％である。
凹面鏡Ｍ１（トロイダル３０ｍｍ×６０ｍｍ）
水面方向曲率半径 ７０．８１２８ｍｍ
垂直方向曲率半径 ６６．０６９３ｍｍ
コリメータ鏡Ｍ２（トロイダル２０ｍｍ×４０ｍｍ）
水面方向曲率半径 １０６．３５３９２６６ｍｍ
垂直方向曲率半径 ５６．６４７５２４７１ｍｍ
テレメータ鏡Ｍ３（球面鏡２０ｍｍ×２０ｍｍ）
水面方向曲率半径 １１１．７３９ｍｍ
垂直方向曲率半径 １１１．７３９ｍｍ
発生本数２０３，０００本 光線本数２，５７４本
この場合、出口スリット４を経て投影面５に入る光量率は１．２７％である。
以上詳述した本発明による光学系によれば、投影面５上でのスポットダイヤグラムを示すと図２から図７に示すとおりである。図２から図４は第１の実施例における平面回折格子３の角度を調整した３つの例をそれぞれ示すもので、図２はブレーズ波長＝１９０ｎｍの場合を示し、図３はブレーズ波長＝２５０ｎｍの場合であり、また図４はブレーズ波長＝３７０ｎｍの場合の単色光を得た結果を示す。他方、図５から図７は第２の実施例における平面回折格子３の角度を調整した３つの例をそれぞれ示すもので、図５はブレーズ波長＝１９０ｎｍの場合を示し、図６はブレーズ波長＝２５０ｎｍの場合であり、また図７はブレーズ波長＝３７０ｎｍの場合の単色光を得た結果を示している。
本発明の特徴は以上詳述したとおりであるが、上記に限定されない。まず、上記実施例はクロスド・ツェルニ・ターナ型分光器について説明したが、本発明は平面回折格子３への入射光と出射光とが交差しないツェルニ・ターナ型分光器にも適用できることは明らかである。さらに、本発明は上述したようなマイクロチップ電気泳動装置の検出器として使用される紫外可視光分光光度計において有用であるのみならず、一般に波長精度を要求される分光光度計において有用であり、各種分光光度計に適用可能である。
１ 光源
２ 入口スリット
３ 平面回折格子
４ 出口スリット
５ 投影面
Ｍ１ 凹面鏡
Ｍ２ コリメータ鏡
Ｍ３ テレメータ鏡
２ 入口スリット
３ 平面回折格子
４ 出口スリット
５ 投影面
Ｍ１ 凹面鏡
Ｍ２ コリメータ鏡
Ｍ３ テレメータ鏡
Claims (2)
- 入口スリットと、平面回折格子と、前記入口スリットを通して導入する光を前記平面回折格子に送るコリメータ鏡と、この平面回折格子で波長分散された光を集光するテレメータ鏡とを具備し、該テレメータ鏡で集光した光を出口スリットを介して試料に照射するように構成された光学系において、前記コリメータ鏡をトロイダル鏡とし、前記テレメータ鏡をシリンドリカル鏡とするとともに、平面回折格子とコリメータ鏡およびテレメータ鏡の距離を平面回折格子からの光がテレメータ鏡におけるシリンドリカル鏡の軸に集光するように設定したことを特徴とする分光光度計用分光器の光学系。
- 入口スリットと、平面回折格子と、前記入口スリットを通して導入する光を前記平面回折格子に送るコリメータ鏡と、この平面回折格子で波長分散された光を集光するテレメータ鏡とを具備し、該テレメータ鏡で集光した光を出口スリットを介して試料に照射するように構成された光学系において、前記コリメータ鏡をトロイダル鏡とし、前記テレメータ鏡を球面鏡とするとともに、平面回折格子とコリメータ鏡およびテレメータ鏡の距離を平面回折格子からの光がテレメータ鏡における球面鏡の軸に集光するように設定したことを特徴とする分光光度計用分光器の光学系。
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