JP4713037B2 - レーザ励起による蛍光毛管インターフェース - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の分野】
本発明は、分光分析法の分野に関し、より具体的には、占有容積が小さい試料の分光分析法に関する。
【０００２】
【発明の背景】
毛管電気泳動法（ＣＥ）は、荷電した粒子の電界内での移動差に基づいて分離する技術である。細い毛管（内径２０乃至１００μｍ）は、分析物質が移行することのできる媒質を提供する電解液にて充填されている。ＣＥ装置の一端に試料を導入する。典型的に、１００乃至６００Ｖｃｍ^-1の電界が毛管全体に亙って印加されて、分析物質の種が毛管の端部付近にて移行する際（通常、ＵＶ又は蛍光）検出器を通過するときのその電気泳動の易動度（ｕ）に従ってその分析物質の種の移行を容易にする。
【０００３】
この分離技術は、充填毛管液体クロマトグラフィ、毛管電気クロマトグラフィ及び超臨界的クロマトグラフィのような他の方法と同様に、容積が極めて小さい流れる流体試料の分光測定を行なうことを必要とする。典型的な適用例の場合、内径が１５乃至１５０μｍの範囲であり、外径が１５０乃至３００μｍの範囲にある溶融二酸化ケイ素毛管を通って試料が流れる。適当な源からかかる小さい容積の試料セル内に且つ／又はそのセルを通して光を照射し、また、セルの内側から放出される光を得て且つその光を光検出器又は分析計器に照射し、そのセル内に保持された試料を光学的に分析し又は検出するために色々な技術が現在、使用されている。源から毛管セル、特に、ボア及びその内部の試料に光を効率的に照射し且つ／又はセルから放出する光線を検出器に照射し得るように光学装置を整合させることは問題を生ずる。
【０００４】
基本的な問題点は、全体として、レーザのような光源からの光を光学的アクセス口に対して垂直な小さい断面積を有する対象の容積に又は該容積を通じて照射する目的のため、構成要素を選び且つそれらの構成要素を正確に整合させることに関連したものである。対象となる容積から放出される光を集め且つその光を光検出器又は分析器に向けるとき、同様の問題が生ずる。
【０００５】
ホロセック（Ｈｌｏｕｓｅｋ）への米国特許第５，０３７，１９９号に記載された実施の形態は、これらの合焦及び整合上の問題点を解決するため光学的方法を利用するものである。ホロセックの開示によれば、ボールレンズを使用して分離毛管又はセルの管腔内にレーザビームを合焦させる。このボールレンズ及び毛管／セルは共に、１つのユニットとして取り付けられる。レンズは、源からの光をボールレンズ上に合焦する。源及び毛管／セルに対する軸線上に１つ又は２つ以上の適宜な形状の開口を配置することによって、光の大きさ及び形状を制御し且つ／又は選ぶことができる。球形レンズすなわちボールレンズは、レーザビーム源からのゆっくりと収斂する光を迅速に収斂する光の円錐体に変換するため極めて短い焦点距離のレンズとして作用することにより、光を集める。この収斂した光の円錐体は、セル内の対象とする容積内に又は該容積を通じて源の像を形成する。
【０００６】
このように使用されるボールレンズは、顕著な色収差、特に、球面色収差及びコマ収差の問題点を伴い、レーザの焦点を望ましいものよりも大きくするという欠点がある。毛管の円筒状外面における光線の屈折は、非点収差を生じさせ、また、焦点を更に拡大することになる。更に、ボールレンズ対空気及び空気対毛管インターフェースにおける表面反射に起因して光の損失が生じる。その結果、試料の蛍光励起の効率が損なわれる。同様に、ビームを効率良く集める能力も好ましくない影響を受ける。
【０００７】
【発明の概要】
本発明は、球面収差及びコマ収差を実質的に解消し、これにより、集光効率及び蛍光の励起を大幅に向上させる光学的方法を提供するものである。
【０００８】
本発明によれば、この光学的方法は、過半球体の湾曲面を通じて顕微鏡の対物レンズのような光学的構成要素により合焦されたレーザビームを利用するものである。この過半球体は、球面収差及びコマ収差を回避しつつ、ビームを既知の点にて鮮明に合焦させる。
【０００９】
１つの実施の形態において、光学的方法は、過半球体及び半球体を備えている。該過半球体及び半球体の双方は、略平坦面を有している。過半球体のこの略平坦面は、毛管又はセルを配置することのできる無球面収差の内半径に最適に配置される。その結果、球面収差及びコマ収差が零となる毛管の管腔の位置に無球面収差焦点がある。半球体のアルミニウム被覆した半球状外面はビームを反射し、これにより、試料の容積を通る第二のパスを提供する。
【００１０】
１つの実施の形態において、過半球体及び半球体の略平坦面の各々は溝を有している。過半球体及び半球体は、その略平坦面が接触するように配置することにより合わされる。合わさったならば、過半球体及び半球体の溝は、溶融二酸化ケイ素の毛管が内部に配置される１つの通路を形成する。これにより、溶融二酸化ケイ素毛管の管腔は、過半球体の第二の無球面収差点に及び後方反射型半球体の中心に配置される。励起した小さい対象容積により放出された蛍光は、同一の光学素子を使用して集められ、当該技術分野の当業者に周知の手段によりダイクロイックビームスプリッタを使用して検出手段に向けられる。溶融二酸化ケイ素の毛管と溝との間の空気スペースは、これらと屈折率が適合するゲル又は液体にて充填され、このため、過半球体、毛管及び半球体は、単一の光学要素となり、これにより、空気／二酸化ケイ素の境界にて全ての反射又は損失を防止し、また、筒形の毛管の境界に起因する非点収差を防止する。
【００１１】
これと代替的に、略平坦面には、何ら溝は形成されないようにしてもよい。その代わり、略平坦面の各々は、研磨し、このため、溶融二酸化ケイ素の毛管が過半球体と半球体との間に嵌まり、光学的方法を保つ、すなわち、無球面収差の焦点にて毛管を平坦面に隣接する位置に配置することを容易にする。毛管の両側部にて過半球体と半球体との間の空気スペースは、屈折率が適合した物質すなわちゲル又は液体にて充填される。このゲル又は液体は、少なくとも毛管と屈折率が適合している。
【００１２】
別の実施の形態において、本発明によれば、略平坦面を有する単一の過半球体のみが使用される。この毛管は、単一の過半球体の略平坦面上の無球面収差点に配置される。
【００１３】
本発明の特徴は、その正確な位置が過半球体／毛管アセンブリの動きに対して比較的影響され難い分光分析装置を提供することを含む。この装置は、合焦誤差に対する許容公差が大きく、また、単一のアセンブリとして具体化される。
【００１４】
本発明にて使用される過半球体は、装置の開口比（Ｎ．Ａ．）を約５０％だけ増大させ、これにより、集光効率を向上させる。更に、１つの光学構成要素を毛管にて効率的に形成することにより、毛管の外壁の反射損失及びレンズ効果を失わせる。更に、単一の過半球体のアプローチ法は、装置に対し、整合誤差に対する極めて大きい許容公差を与える。
【００１５】
本発明の上記及びその他の特徴並びに有利な点は、添付図面と共に、一例としての実施の形態の以下の詳細な説明から一層よく理解されよう。
【００１６】
【詳細な説明】
本発明は、整合及び合焦誤差に対する大きい許容公差を維持しつつ極めて小さい試料の分光分析学的測定を許容する光学装置を備えている。
【００１７】
全体として、本発明による色々な実施の形態において、主要な光学構成要素は実質的に平坦面から成る半球体に適合した実質的な平坦面を有する過半球体である。図１には、屈折率「ｎ」及び曲率半径「Ｒ」の球面レンズが図示されている。球状の曲率中心面から距離ｎＲの点にて仮想対物を形成し得るように光が合焦されるならば、球面レンズの内側の一点である距離Ｒ／ｎにて光の実焦点となる。この焦点は無球面収差である、すなわち、球面収差及びコマ収差は零である。レンズの中心から無球面収差点までの距離は、無球面収差の内半径と称される。本発明において、球面レンズは、実質的な平坦面が無球面収差の内半径にある過半球体となるように研磨されている。このようにして、図示し且つ以下に詳細に説明する実施の形態におけるように、実質的に平坦面に配置された毛管に対し光を無球面収差状に合焦させることができる。
【００１８】
図２（ａ）により示した第一の実施の形態にて図示したように、レンズの第一の部分は、過半球体１００の形態にて提供される。この過半球体１００は、全体として、溶融二酸化ケイ素毛管と同一の屈折率を有するように溶融二酸化ケイ素にて製造されている。この一例としての実施の形態における過半球体は直径３ｍｍである。
【００１９】
過半球体１００に実質的な平坦面１０２が形成されている。この実質的な平坦面は、無球面収差の内半径に配置されている。図２（ａ）に図示するように、過半球体１００の略平坦面の直径に沿って湾曲した溝１０４が形成されている。該溝は、例えば、３６０μｍのような毛管の外径に嵌まる寸法とされた半円筒体である。
【００２０】
レンズの第二の部分は、半球体１０６を形成する形態とされている。この半球体１０６は、毛管の屈折率に適合するように溶融二酸化ケイ素にて出来ている。過半球体及び半球体に対してその他の透明及び非蛍光材料を使用することができる。しかし、最適な結果となるためには、屈折率はフローセル（すなわち、単に「セル」と称する）又は毛管の屈折率に近いことを必要とする。この一例としての実施の形態における半球体の寸法は、その平坦面の寸法が過半球体の寸法と適合するように選んである。この半球体は、性能に影響を与えることなく、図示したものよりもより大きく又は小さくすることができる。本発明の実施の形態における半球状の外面１０８は、図２（ａ）に示すように、前方散乱光又は蛍光を集める後方反射半球体を形成するようにアルミニウム被覆される。この半球体は、散乱光を集める立体角を実質的に増大させる。更に、この半球体は、試料を通る励起ビームの有効経路長さを増し、信号の強さを極めて大幅に増大させることになる。
【００２１】
半球体１０６に実質的な平坦面１１０が形成される。過半球体の場合と同様に、半球体１０６の実質的な平坦面１１０は、過半球体における溝と同様の寸法のその直径に沿って形成された湾曲した溝１１２を有している。
【００２２】
過半球体１０２、及び半球体１１０の実質的な平坦面は、それぞれ、溝が図２（ａ）に図示するように、通路１１４を形成するように合わせる。例えば、５０μｍの内径及び例えば、３６０μｍの外径を有する溶融二酸化ケイ素毛管１１６がこの通路内に配置されている。熱伝導性及び条件を考慮して、この毛管電気泳動の実施の形態にて、典型的に、狭小なボアの毛管が使用される。ボアの寸法が縮小すると、表面積対容積の比は増大し、その結果、熱伝導率が増す。このことは、ジュール加熱が性能を劣化させ始める前に、より強力な電界を印加することを許容する。これらの強力な電界の結果、より迅速に且つより効率的に分離できる。更に、細い毛管におけるより小さい溶液の容積が低導電率であることは、印加された所定の電界に対する電流及びジュール加熱をより減少させることになる。
【００２３】
溶融二酸化ケイ素毛管と溝との間の空気スペース１１８には、鉱物油、塩溶液、砂糖溶液等のような屈折率適合液体又はゲルが充填される。屈折率適合液体及びゲルは、商業的に入手することができる。採用した波長にて透明であり且つ非蛍光性のものを選ぶことが重要である。屈折率適合液体又はゲルは、２つの部分が１つの光学的構成要素を効果的に結合するようにレンズを毛管と結合する。更に、レンズ及び毛管は同一の材料で出来ているため、毛管壁の全体的なレンズ効果が解消される。
【００２４】
第一の実施の形態の１つの変形例は、図２（ｂ）に図示するような構造とすることができ、この場合、湾曲した溝１０４、１１２を形成することは不要である。湾曲した溝を形成することに代えて、過半球体及び半球体の双方の実質的な平坦面を後方に研磨して、溶融二酸化ケイ素の毛管が光学的整合状態を保ちつつ、その両者の間に嵌まるようにしてある。毛管の中心、すなわち対象とする任意の光学点は、無球面収差点に配置される。毛管の両側部における空気スペース１５０、１５２には、屈折率適合ゲル又は液体にて充填されており（参照番号１５４にて全体として図示）、このため、要するに、単一の光学的構成要素が形成される。この変形例は、上述した実施の形態内に含まれる全ての作用上の特徴及び機能を有しており、構造の点のみが相違する。
【００２５】
本発明の図３に示した、第二の実施の形態は、実質的な平坦面を有する、単一の過半球体のみを利用する。第一の実施の形態の場合と同様に、過半球体は、毛管の屈折率と適合するように溶融二酸化ケイ素にて出来ている。過半球体の実質的な平坦面は、毛管の管腔が無球面収差の内半径にあるような仕方にて配置されている。この過半球体は、それぞれ図２ａ及び図２ｂに示したものと類似した溝を備え、又は溝が存在しないようにすることができる。図３に図示するように、溶融二酸化ケイ素毛管１１６は過半球体１００の実質的な平坦面１０２に対して配置される。屈折率適合ゲル又は液体１５４は、毛管１１６の周りに配置されて、部品が実質的に１つの光学的構成要素を形成する。この実施の形態における作動原理は、この実施の形態は、励起光を試料に２回通すことを含む増強ファクタを使用しないこと、及び後方散乱光のみならず前方散乱光も集めることがないことを除いて、第一の実施の形態における原理と同様である。
【００２６】
図４には、レニショウ（Ｒｅｎｉｓｈａｗ）ファイバプローブ付近に配置されたＣＥ−ラーマン検出器にて使用される図３に図示した実施の形態の無球面収差の毛管インターフェースを含む光学装置が図示されている。この一例としての光学装置において、アルゴンイオンレーザ（図示せず）からの５１４．５ｎｍの光が５０μｍ光ファイバ４００を介してインターフェース光学素子に供給される。このビームはホログラフィックノッチフィルタ４０２により反射され且つ顕微鏡の対物レンズ４０４により過半球体−毛管アセンブリ３００内に合焦される。この過半球体は、上述したように毛管の管腔に対しレーザビームの収差無しの焦点を提供する。この一例としての光学装置において、有効距離が３．７ｍｍ以上の顕微鏡の対物レンズ４０４が好ましい。試料からの後方散乱光は顕微鏡の対物レンズ４０４を介して集められ且つノッチフィルタ４０６、４０８を通りこのノッチフィルタにて主たるレイニー散乱光が濾波されて除かれる。ラーマン散乱光は、例えば、レイショウＭｋ３分光計のような分光計に伝送し得るように光ファイバ４１０内に合焦され、この分光計は検出のために冷却したＣＣＤアレイを利用する。本発明は、レーザラーマン及びレーザ励起蛍光の双方に等しく適用可能であることが認識されよう。
【００２７】
上述した第一の実施の形態は、前方散乱光を集めるため後方反射型の半球面を利用するが、第二の実施の形態の性能を向上させるため毛管の裏側のミラー被覆を使用することも可能であることを理解すべきである。この場合、レーザ光の一部分は対象とする試料容積を２回通り、このため、前方散乱光又は蛍光の一部分が検出装置に戻される。
【００２８】
その一例としての実施の形態に関して本発明を図示し且つ説明したが、本発明の精神及び範囲から逸脱せずに、その形態及び細部の点で色々なその他の変更、省略及び追加を為すことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明による無球面収差の毛管インターフェースの基本となる光学的原理を示す線図である。
【図２】 ２（ａ）は、本発明の第一の実施の形態による無球面収差の毛管インターフェースの線図である。
２（ｂ）は、平坦面に何ら溝が形成されない本発明の第一の実施の形態の変形例を示す図である。
【図３】 本発明の別の実施の形態による無球面収差の毛管インターフェースの線図である。
【図４】 本発明による無球面収差の毛管インターフェースを含む光学装置の図である。

Claims (17)

1. 試料を分析する分光分析法にて使用される光学装置において、
   実質的な平坦面を含む過半球体と、
   実質的な平坦面を含む半球体とを備え、
   前記過半球体の前記実質的な平坦面が前記半球体の前記実質的な平坦面に近接して配置され且つ方向決めされており、
   前記過半球体の前記実質的な平坦面と前記半球体の前記実質的な平坦面との間に配置されたセルを更に備え、
   前記過半球体は、前記セル内の試料を分析するために光を前記セルへ向けるように構成されており、前記半球体は、前記セル内の試料を分析するために前記光を前記セルへ向けて後方反射させるように構成されている、光学装置。
2. 請求項１の光学装置において、前記セルが液体により取り巻かれている、光学装置。
3. 請求項２の光学装置において、前記液体が前記セルに対して屈折率が適合している、光学装置。
4. 請求項１の光学装置において、前記過半球体の前記実質的な平坦面が第一の湾曲した溝を有し、前記半球体の前記実質的な平坦面が第二の湾曲した溝を有し、前記過半球体の前記実質的な平坦面が前記半球体の前記実質的な平坦面に対面して配置され、前記セルが、前記第一及び第二の湾曲した溝により形成されたスペース内に配置される、光学装置。
5. 請求項１の光学装置において、前記過半球体、前記半球体及び前記セルが全て、実質的に同一の屈折率を有する材料にて製造される、光学装置。
6. 請求項１の光学装置において、前記過半球体、前記半球体及び前記セルが全て、溶融二酸化ケイ素にて製造される、光学装置。
7. 請求項１の光学装置において、前記半球体が反射型表面被覆を有する、光学装置。
8. 請求項１の光学装置において、前記過半球体を通る光が前記セル上で無球面収差状に合焦される、光学装置。
9. 請求項１の光学装置において、前記セルの表面の一部分に反射型被覆を更に含む、光学装置。
10. 試料を分析する分光分析法にて使用される光学装置において、
    実質的な平坦面を含む過半球体と、
    実質的な平坦面を含む半球体とを備え、
    前記過半球体の前記実質的な平坦面が前記半球体の前記実質的な平坦面に近接して配置され且つ方向決めされており、
    前記過半球体の前記実質的な平坦面に近接して配置されたセルを更に備え、
    前記過半球体は、前記セル内の試料を分析するために光を前記セルへ向けるように構成されており、前記半球体は、前記セル内の試料を分析するために前記光を前記セルへ向けて後方反射させるように構成されており、
    前記セルが前記過半球体の無球面収差点に位置している、光学装置。
11. 請求項１０の光学装置において、前記過半球体及び前記セルが実質的に同一の屈折率を有する材料にて製造される、光学装置。
12. 請求項１０の光学装置において、前記セルが液体により取り巻かれている、光学装置。
13. 請求項１２の光学装置において、前記液体が前記セルに対して屈折率が適合している、光学装置。
14. 請求項１０の光学装置において、前記過半球体の前記実質的な平坦面が湾曲した溝を有し、前記セルが前記湾曲した溝内に少なくとも部分的に配置される、光学装置。
15. 請求項１０の光学装置において、前記セルの表面の一部分に反射型被覆を更に含む、光学装置。
16. 請求項１０の光学装置において、前記半球体が反射型表面被覆を有する、光学装置。
17. 光分光分析法を使用して試料を分析する装置において、
    光源と、
    該光源からの光を受け取り得るように配置された顕微鏡の対物レンズと、
    該顕微鏡の対物レンズから光を受け取り得るように配置された光学装置であって、
    実質的な平坦面を有する過半球体と、
    実質的な平坦面を含む半球体とを有し、
    前記過半球体の前記実質的な平坦面が前記半球体の前記実質的な平坦面に近接して配置され且つ方向決めされており、
    前記過半球体の前記実質的な平坦面に近接して配置されて、前記試料を保持するセルとを有する前記光学装置とを更に有し、
    前記過半球体を通る光が前記セル内に保持された前記試料上に無球面収差状に合焦され、
    前記試料を通過した光を受け取り得るように配置された光検出構成要素を備える、分析装置。

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