JP5420725B2 - 光学測定装置 - Google Patents

Description

本発明は、試料溶液の蛍光測定に用いられる光学測定装置に関する。

従来より、試料溶液の成分や濃度を調べるために、光源部から光（励起光）を試料溶液に照射し、試料溶液から発せられる蛍光を伝送し、その周波数成分を検出するすることにより測定するような光学測定装置が用いられている。測定に際しては、試料保持のための試料セル（キュベット）に所要量の試料溶液を注入することで、蛍光測定を行うことが広く行われている。

これに対して、本願出願人は、試料セルを必要とせず、試料溶液が微量であっても蛍光測定が可能となるような光学測定装置を特許文献１において提案している。この光学測定装置は、柱状をなす基部材とガイド部材とを有する試料保持部を備えており、蛍光を伝送する光ファイバーの入光面（蛍光入射側端面）が基部材の上端面に位置しており、ガイド部材はこの入光面を跨いで取り付けられている。この光学測定装置は、ピペットによって滴下された試料溶液を、基部材の上端面とガイド部材により形成する空間に適正に保持することにより、正確な蛍光測定が迅速にできる。

特開２０１１−２２０６５公報

ところで、これまでの光学測定装置では、光源部からの励起光は空中を通って試料溶液に照射され、試料溶液から発せられる蛍光は、励起光の照射の向きとほぼ垂直な向きに発したものが検出され測定されるのが一般的である。

しかし、励起光は、試料溶液とその外界との界面などで反射又は散乱されるので、一部がバックグランドとして蛍光に混ざって測定される。そのため、通常、励起光を水溶液（希釈溶媒のみの溶液）に照射して測定するバックグランド測定を前もって行い、試料溶液の測定結果からそのバックグランド測定結果を差し引いて、励起光の入射による影響を取り除くバックグランド処理が行われる。よって、バックグランド処理後において、バックグランドの強度が少なければ、それだけ正確な試料溶液の測定結果を得ることができる。

本発明は、係る事由に鑑みてなされたものであり、その目的は、試料溶液が微量であっても蛍光測定が可能であって、より正確な測定を行うことができる光学測定装置を提供することにある。

上記目的を達成するために、請求項１に記載の光学測定装置は、試料溶液に照射する励起光を発する光源部と、励起光を伝送する励起光伝送部と、蛍光を伝送する蛍光伝送部と、前記試料溶液を保持する試料保持面を有する試料保持部と、前記試料溶液から発せられる蛍光の周波数成分を検出する光検出部と、を備えてなり、前記励起光伝送部は、前記励起光を励起光入射側端面に入射させ、その光を伝送して励起光出射側端面から前記試料溶液に照射する励起光伝送ファイバーを有し、前記蛍光伝送部は、前記試料溶液が発する蛍光を蛍光入射側端面に入射させ、その光を伝送して蛍光出射側端面から前記光検出部に放射する蛍光伝送ファイバーを有し、前記試料保持面は、前記励起光出射側端面と前記蛍光入射側端面が揃えて配置されて形成されており、前記励起光伝送ファイバーは複数設けられており、前記光源部は、発する光の波長が互いに異なり、光量が制御可能な複数種類の発光ダイオードを有して構成され、前記複数の励起光伝送ファイバーは、各々の発光ダイオードに対応するようにして複数の励起光伝送ファイバー束に分けられ、前記複数種類の発光ダイオードのそれぞれから発する光は、前記試料溶液の中で互いに混合されることを特徴とする。

請求項２に記載の光学測定装置は、請求項１に記載の光学測定装置において、前記試料保持部は、前記試料保持面の中央近傍を跨ぐように曲げて形成され、前記試料保持面との間に前記試料溶液を保持する空間を形成するガイド部材を更に有することを特徴とする。

請求項３に記載の光学測定装置は、請求項１又は２に記載の光学測定装置において、前記蛍光伝送ファイバーは複数設けられていることを特徴とする。

請求項４に記載の光学測定装置は、請求項３に記載の光学測定装置において、前記複数の蛍光伝送ファイバーは、それらの蛍光出射側端面が直線状の列をなすように設けられていることを特徴とする。

請求項５に記載の光学測定装置は、請求項４に記載の光学測定装置において、前記複数の蛍光伝送ファイバーの端に取り付けられるコネクタは、直方体形状をなし、光前記検出部の所定の箇所に嵌め合わされていることを特徴とする。

本発明の光学測定装置によれば、励起光出射側端面から試料溶液に照射される励起光の向きが、蛍光入射側端面に入射される光線の向きとほぼ逆であるので、蛍光入射側端面に直接入射する励起光はなく、試料溶液とその外界との界面などによって励起光が反射又は散乱しても、蛍光入射側端面に入射する励起光は僅かになる。その結果、より正確な蛍光測定を行うことが可能になる。

本発明の実施形態に係る光学測定装置１を示すもので、筐体を切り欠いて内部を見えるようにした概略側面図である。 同上の光学測定装置１の内部を説明するための拡大概略側面図である。 同上の光学測定装置１の試料保持部５の拡大概略平面図である。 同上の光学測定装置１のガイド部材５２を変形した試料保持部５を示すものであって、（ａ）が拡大概略側面図、（ｂ）が拡大概略平面図である。 同上の光学測定装置１における試料溶液Ｓの状態を示すものであって、（ａ）が図２と直交する方向の拡大概略側面図、（ｂ）が平面図である。 同上の光学測定装置１の使用方法を示す概略側面図である。 同上の光学測定装置１’の蛍光出射側端面４０ｂ近傍を示すものであって、（ａ）が拡大概略側面図、（ｂ）が（ａ）と直交する方向の拡大概略側面図、（ｃ）が拡大概略底面図である。 同上の光学測定装置１’の励起光出射側端面３０ｂと蛍光入射側端面４０ａの配置を模式的に示す平面図である。 同上の光学測定装置１（又は１’）の光源部２とその近傍の励起光伝送部３を変形した形態を示す拡大概略側面図である。 図９で示す形態における試料溶液Ｓの特性と発光ダイオード２０Ａ、２０Ｂ、２０Ｃ・・・の光量との関係の例を示す特性図である。

以下、本発明を実施するための好ましい形態を説明する。本発明の実施形態に係る光学測定装置１は、蛍光測定によって試料溶液Ｓを分析するものであって、図１に示すように、基本的構成として、光源部２と励起光伝送部３と蛍光伝送部４と試料保持部５と光検出部６とを備えている。なお、図中の符号１ａは筐体、１ｂは仕切り板、１ｃは試料保持部５を支持する基台、７は光検出部６からの出力信号を処理する信号処理部、８は光源部２や光検出部６などに電力を供給する電源部を示している。

光源部２は、試料溶液Ｓに照射する光（励起光）を発するものである。具体的には、発光ダイオードやレーザダイオードなどが用いられ、励起光は、例えば、紫外線又は青色などの可視光線のナローバンドの光である。

励起光伝送部３は、励起光を伝送するものであって、図２に示すように、複数の励起光伝送ファイバー３０、３０、・・・から構成されている。励起光伝送ファイバー３０は、光源部２が発する励起光を一方の端面である励起光入射側端面３０ａに入射させ、その光を伝送して他方の端面である励起光出射側端面３０ｂから試料溶液Ｓに照射する。

蛍光伝送部４は、蛍光を伝送するものであって、１本の蛍光伝送ファイバー４０から構成されている。蛍光伝送ファイバー４０は、試料溶液Ｓが発する蛍光を一方の端面である蛍光入射側端面４０ａに入射させ、その光を伝送して他方の端面である蛍光出射側端面４０ｂから光検出部６に放射するものである。

励起光伝送ファイバー３０と蛍光伝送ファイバー４０はそれぞれ、コアとクラッドの２層を有する光ファイバーである。励起光伝送ファイバー３０と蛍光伝送ファイバー４０はそれぞれ、端面が通常は円形であり、所定の角度（例えば、２０度程度以内）の光が入射又は出射される。また、励起光伝送ファイバー３０は細く、蛍光伝送ファイバー４０は励起光伝送ファイバー３０に比べて太い。励起光伝送ファイバー３０と蛍光伝送ファイバー４０のそれぞれの具体的な直径は、後述の試料保持面５ａの大きさなどに応じて適宜決められるが、例えば、励起光伝送ファイバー３０が１００μｍ〜２００μｍ程度、蛍光伝送ファイバー４０が１ｍｍ程度とすることが可能である。また、励起光伝送ファイバー３０、３０、・・・の本数も、試料保持面５ａの大きさなどに応じて適宜決められる。なお、本図面では、コアとクラッドの境目の線は省略している。

試料保持部５は、基部材５１とガイド部材５２から構成されている。基部材５１は、励起光伝送ファイバー３０、３０、・・・と蛍光伝送ファイバー４０が、励起光出射側端面３０ｂと蛍光入射側端面４０ａの近傍で、同方向に配列するように束ねられて樹脂等の固着材Ｆにより互いに隙間なく接着され、両端面３０ｂ、４０ａが揃えて配置されることにより、柱状（例えば、直径が２ｍｍ程度の円柱状）に形成されている。すなわち、励起光伝送部３と蛍光伝送部４は、一部が試料保持部５を兼用している。そして、励起光出射側端面３０ｂと蛍光入射側端面４０ａは、図３に示すように、試料溶液Ｓを保持する試料保持面５ａを形成する。また、蛍光入射側端面４０ａが試料保持面５ａの中央に、励起光出射側端面３０ｂがその周りに配置される。なお、両端面３０ｂ、４０ａを揃えるには、束ねられて接着された励起光伝送ファイバー３０、３０、・・・と蛍光伝送ファイバー４０の端を研削などすればよい。

蛍光伝送ファイバー４０は、図２に示すように、その端にコネクタ４Ａが取り付けられ、コネクタ４Ａは光検出部６の所定の箇所（図２では省略）に嵌め合わされる。

また、試料保持部５のガイド部材５２は、試料保持面５ａの上方にその中央近傍を跨ぐように曲げて形成されている。つまり、ガイド部材５２は、試料保持面５ａに対向する側が狭い幅の曲面になっている。その曲面は、通常、略円弧状のものである。そうすることにより、試料保持面５ａとガイド部材５２との間には、試料溶液Ｓを保持する空間が形成される。

ガイド部材５２は、より具体的には、図２に示すように、線材（断面の直径が例えば２００μｍ程度）とし、直径が２ｍｍ程度の略半円状に形成することができる。線材のガイド部材５２は、基部材５１の外側面に螺旋状に巻き付けることにより、それらに固定することができる。また、ガイド部材５２は、図４に示すように、基部材５１の外側面に嵌め合わせるような筒状部分５２ａを設け、試料保持面５ａの上方に跨ぐように形成された部分５２ｂと一体に成形したものとすることもできる。

このガイド部材５２を用いると、試料溶液Ｓは、後述のようにピペットＰによって試料保持面５ａに滴下されたときにガイド部材５２を伝って落下し、図５に示すように、ガイド部材５２と試料保持面５ａとにより形成された空間に表面張力によって保持される。こうして容易に迅速な測定が可能になり、また、保持される試料溶液Ｓは安定した形状に保たれるので、正確な測定をすることができる。なお、試料溶液Ｓの形状は、粘度などによって変わる。

また、迅速さや正確さは損なわれ易いが、光学測定装置１が特に簡易さや廉価を特長とする場合などでは、ガイド部材５２を省略することも場合によっては可能である。

光検出部６は、蛍光伝送部４の蛍光伝送ファイバー４０の蛍光出射側端面４０ｂから放射される蛍光の周波数成分を検出するものである。光検出部６は、蛍光伝送ファイバー４０の端に取り付けられたコネクタ４Ａが所定の箇所に嵌め合わされることにより、スリット６１（例えば、幅が２０μｍ〜５０μｍ程度で長さが１ｍｍ程度）に向かって蛍光が放射される（図２参照）。蛍光は、スリット６１を通過することによって各周波数成分に分けられる（分光する）。そして、その蛍光の周波数成分は、分光検出器６２において電気信号に変換されることでその強度が検出される。

以上の構成の光学測定装置１の使用方法の例について簡単に説明する。試料溶液Ｓは、微量な一定量がピペットＰによって、図６に示すように、試料保持部５の試料保持面５ａに滴下される。そして、試料保持面５ａに保持された試料溶液Ｓに、励起光伝送ファイバー３０、３０、・・・、・・・、・・・を通して光源部２からの励起光が照射される。そうすると、試料溶液Ｓがその成分に応じた蛍光を発し、その蛍光は蛍光伝送ファイバー４０を通って光検出部６まで伝送される。光検出部６は、伝送された蛍光の各周波数成分の大きさを検出する。こうして、光学測定装置１は、試料溶液Ｓの成分を特定したり濃度を検出したりすることができる。光検出部６からの出力信号は、信号処理部７によって処理され、表示部（図示せず）に２次元のグラフ（例えば、横軸が周波数で縦軸が強度）などが表示されたり、バックグランド処理が行われたりする。

このような光学測定装置１は、励起光出射側端面３０ｂから試料溶液Ｓに照射される励起光の向きが、蛍光入射側端面４０ａに入射される光線の向きとほぼ逆であるので、蛍光入射側端面４０ａに直接入射する励起光はなく、試料溶液とその外界との界面やガイド部材５２などによって励起光が反射又は散乱しても、蛍光入射側端面４０ａにバックグランドとして入射する励起光は僅かである。その結果、より正確な蛍光測定を行うことができ、また、光学測定装置１が正確さよりも簡易さや迅速さを特長とするような場合などでは、バックグランド処理を省略することも可能になる。

次に、蛍光伝送部４を複数の蛍光伝送ファイバー４０、４０、・・・で構成するようにした光学測定装置１’について説明する。光学測定装置１’の蛍光伝送ファイバー４０は、細いものが用いられる。蛍光伝送ファイバー４０は、具体的には、励起光伝送ファイバー３０と同じ光ファイバーを用いればよい。そうすると、励起光伝送ファイバー３０と蛍光伝送ファイバー４０を区別することなく試料保持部５の基部材５１を形成することができるので、製造が容易になり、また、励起光伝送ファイバー３０と蛍光伝送ファイバー４０の振り分けを容易に変更できる。

蛍光伝送ファイバー４０、４０、・・・、・・・の蛍光出射側端面４０ｂ、４０ｂ、・・・は、図７に示すように、直線状の列をなすように設けられているのが好ましい。これは、蛍光出射側端面４０ｂの列が、図７（ｃ）に示すように、光検出部６のスリット６１の長さ方向と平行になるようにするためである。そうすると、スリット６１を通過せず各周波数成分を検出するため使われない光の量が少なくなるので、蛍光出射側端面４０ｂ、４０ｂ、・・・の総面積、すなわち、蛍光入射側端面４０ａ、４０ａ、・・・の総面積が小さくて済むようになる。それにより、小さな面積の試料保持面５ａにおいて励起光出射側端面３０ｂ、３０ｂ、・・・又は蛍光入射側端面４０ａ、４０ａ、・・・を増加させたり配置の自由度を増したりすることが可能になる。蛍光出射側端面４０ｂの列がスリット６１と平行になるようにするには、それらの相対的な位置が固定されるように、コネクタ４Ａが直方体形状をなすようにして、同様に直方体形状をなすようにした光検出部６の所定の箇所に嵌め合わせるようにすればよい。

試料保持面５ａを構成する励起光出射側端面３０ｂ、３０ｂ、・・・と蛍光入射側端面４０ａ、４０ａ、・・・の配置の仕方について、図８に基づいて説明する。図８では、蛍光入射側端面４０ａを黒丸、励起光出射側端面３０ｂを白丸で示している。蛍光入射側端面４０ａ、４０ａ、・・・は、各々を互いに隣接させ、図８（ａ）に示すように、試料保持面５ａにおける中央付近に集中させて配置させたり、図８（ｂ）に示すように、試料保持面５ａにおける中央付近において直線状の列をなすように配置させたりすることができる。従って、複数の励起光出射側端面３０ｂ、３０ｂ、・・・は、蛍光入射側端面４０ａ、４０ａ、・・・を取り囲むように配置する。これは、試料保持面５ａの中央付近の直上は試料溶液Ｓに高さが有り試料溶液Ｓの量が多いため、蛍光入射側端面４０ａ、４０ａ、・・・に入射する蛍光の量も多くなるからである。蛍光入射側端面４０ａ、４０ａ、・・・を直線状の列をなすように配置させる場合には、平面視において、試料保持面５ａの上方のガイド部材５２に対して蛍光入射側端面４０ａの列が直交したり平行に（ガイド部材５２に隠れるように）したりすることができる。

また、これらのかわりに、試料保持面５ａを構成する蛍光入射側端面４０ａ、４０ａ、・・・は、各々を互いに隣接させずに、図８（ｃ）に示すように、試料保持面５ａにおいて分散するように配置させることも可能である。これにより、蛍光を試料溶液Ｓ全体から蛍光入射側端面４０ａ、４０ａ、・・・に入射させることができる。

以上、本発明の実施形態に係る光学測定装置について説明したが、本発明は、実施形態に記載したものに限られることなく、特許請求の範囲に記載した事項の範囲内でのさまざまな設計変更が可能である。

また、上述した光学測定装置１（又は１’）の光源部２の詳細な形態として次に述べる形態も可能である。すなわち、光源部２に発光ダイオードを用いた場合、光源部２を、図９に示すように、発する光の波長が互いに異なる複数種類の発光ダイオード２０Ａ、２０Ｂ、２０Ｃ、・・・を有して構成されるようにすることができる。そして、発光ダイオード２０Ａ、２０Ｂ、２０Ｃ、・・・の各々に対応するようにして、励起光伝送部３を構成する複数の励起光伝送ファイバー３０、３０、・・・を複数の励起光伝送ファイバー束３０Ａ、３０Ｂ、３０Ｃ、・・・に分ける。そして、例えば、励起光伝送ファイバー束３０Ａを構成する励起光伝送ファイバー３０、３０、・・・の全ての励起光入射側端面３０ａを、発光ダイオード２０Ａに対面させて、それからの励起光を入射させる。他の励起光伝送ファイバー束３０Ｂ、３０Ｃ、・・・も同様である。励起光伝送ファイバー束３０Ａ、３０Ｂ、３０Ｃ、・・・のそれぞれは、２本以上の励起光伝送ファイバー３０、３０、・・・から構成されるのが好ましいが、場合によっては、１本の励起光伝送ファイバー３０から構成されることも可能である。

複数種類の発光ダイオード２０Ａ、２０Ｂ、２０Ｃ、・・・のそれぞれは、光量が制御可能である。光量の安定した制御のためには、発光ダイオード２０Ａ、２０Ｂ、２０Ｃ、・・・に流す電流を制御して行うのが好ましい。発光ダイオード２０Ａ、２０Ｂ、２０Ｃ、・・・のそれぞれから発する光は、試料保持部５の試料保持面５ａの励起光出射側端面３０ｂから照射され、試料溶液Ｓの中で互いに混合される。

このようにすると、例えば、図１０に示す例のように、試料溶液Ｓの吸光曲線ＣＳに合うように、発光ダイオード２０Ａ、２０Ｂ、２０Ｃ・・・の光量ＣＡ、ＣＢ、ＣＣ、・・・を制御して光を試料溶液Ｓに照射すると、光量の合計が作る曲線は吸光曲線ＣＳに近いものとなる。そうすると、より適正な蛍光を発生させて、より正確な蛍光測定に寄与することができる。好ましくは、種々の吸光曲線ＣＳに対応し易くするために、発光ダイオード２０Ａ、２０Ｂ、２０Ｃ・・・の種類を多く（例えば、１０以上に）して、なるべく光の波長を近接させたものを多く用意する。試料溶液Ｓに測定すべき物質が複数種類以上含まれる場合など、吸光曲線ＣＳが複雑になっても対応可能である。また、必要でない光の波長のものは、光量が零に制御される。

なお、図１０は、吸光曲線ＣＳの吸光度の最大値を１として、また、光量ＣＡ、ＣＢ、ＣＣのうちの最大値を１として、それぞれを正規化している。また、図１０においては、試料溶液Ｓの吸光曲線ＣＳの吸光度は、波長が約６３０〜６４０ｎｍに最大値が有り、発光ダイオード２０Ａは光の中心波長が約６６０ｎｍ、発光ダイオード２０Ｂは光の中心波長が約６３５ｎｍ、発光ダイオード２０Ｃは光の中心波長が約５８５ｎｍのものとしている。図１０では、これら３種類の光の合計により試料溶液Ｓの吸光曲線ＣＳに近い曲線を作っている。

１ 光学測定装置
２ 光源部
２０Ａ、２０Ｂ、２０Ｃ 発光ダイオード
３ 励起光伝送部
３０ 励起光伝送ファイバー
３０ａ 励起光入射側端面
３０ｂ 励起光出射側端面
３０Ａ、３０Ｂ、３０Ｃ 励起光伝送ファイバー束
４ 蛍光伝送部
４０ 蛍光伝送ファイバー
４０ａ 蛍光入射側端面
４０ｂ 蛍光出射側端面
４Ａ 蛍光伝送ファイバーのコネクタ
５ 試料保持部
５ａ 試料保持面
５１ 基部材
５２ ガイド部材
６ 光検出部
６１ スリット
６２ 分光検出器
Ｓ 試料溶液

Claims (5)

1. 試料溶液に照射する励起光を発する光源部と、
   励起光を伝送する励起光伝送部と、
   蛍光を伝送する蛍光伝送部と、
   前記試料溶液を保持する試料保持面を有する試料保持部と、
   前記試料溶液から発せられる蛍光の周波数成分を検出する光検出部と、
   を備えてなり、
   前記励起光伝送部は、前記励起光を励起光入射側端面に入射させ、その光を伝送して励起光出射側端面から前記試料溶液に照射する励起光伝送ファイバーを有し、
   前記蛍光伝送部は、前記試料溶液が発する蛍光を蛍光入射側端面に入射させ、その光を伝送して蛍光出射側端面から前記光検出部に放射する蛍光伝送ファイバーを有し、
   前記試料保持面は、前記励起光出射側端面と前記蛍光入射側端面が揃えて配置されて形成されており、
   前記励起光伝送ファイバーは複数設けられており、
   前記光源部は、発する光の波長が互いに異なり、光量が制御可能な複数種類の発光ダイオードを有して構成され、
   前記複数の励起光伝送ファイバーは、各々の発光ダイオードに対応するようにして複数の励起光伝送ファイバー束に分けられ、
   前記複数種類の発光ダイオードのそれぞれから発する光は、前記試料溶液の中で互いに混合されることを特徴とする光学測定装置。
2. 請求項１に記載の光学測定装置において、
   前記試料保持部は、前記試料保持面の中央近傍を跨ぐように曲げて形成され、前記試料保持面との間に前記試料溶液を保持する空間を形成するガイド部材を更に有することを特徴とする光学測定装置。
3. 請求項１又は２に記載の光学測定装置において、
   前記蛍光伝送ファイバーは複数設けられていることを特徴とする光学測定装置。
4. 請求項３に記載の光学測定装置において、
   前記複数の蛍光伝送ファイバーは、それらの蛍光出射側端面が直線状の列をなすように設けられていることを特徴とする光学測定装置。
5. 請求項４に記載の光学測定装置において、
   前記複数の蛍光伝送ファイバーの端に取り付けられるコネクタは、直方体形状をなし、光前記検出部の所定の箇所に嵌め合わされていることを特徴とする光学測定装置。

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