JP5436319B2

JP5436319B2 - 分光測定方法、分光測定装置

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Publication number: JP5436319B2
Application number: JP2010101406A
Authority: JP
Inventors: 勉井上; 浩司永森; 政昭湯本
Original assignee: Jasco Corp
Current assignee: Jasco Corp
Priority date: 2010-04-26
Filing date: 2010-04-26
Publication date: 2014-03-05
Anticipated expiration: 2030-04-26
Also published as: JP2011232107A

Description

本発明は、溶液試料を対象にしたラマン散乱分光測定および蛍光分光測定などの各種の分光測定方法および分光測定装置に関し、特にラマン散乱光や蛍光など、溶液試料からの光を増強して測定感度を改善することに関する。

従来、溶液試料に光を照射して、溶液試料からのラマン散乱光や発光などを測定することにより溶液を分析する各種の分光測定法が知られている。試料によっては、採取する光の強度が非常に弱いものがある。特にラマン散乱光は極めて弱い光である。ラマン散乱光の強度は使用するレーザー光の強度に比例するので、一般的に大きいパワーのレーザー光を用いて測定する。しかし、試料によってはレーザー光を吸収し温度上昇を起こして変質するという問題があり、レーザー光の強度にも限度がある。また、発光（蛍光や燐光をまとめて発光と呼ぶ。）についても一般的に微弱な光である。

従来の分光測定装置の一例としてラマン散乱分光測定装置について説明する。試料にレーザー部からのレーザー光を励起光として照射すると、試料からラマン散乱光が生じる。ラマン散乱光は対物レンズで集光され、結像レンズによりアパーチャ位置にて結像する。アパーチャで絞られたラマン散乱光はラマン光導入光学系部に導光された後、ＣＣＤ検出部により検出されるようになっている（特許文献１）。
特許文献１の測定装置では、レーザー光は対物レンズで集光されて試料に照射される。つまり試料上にレーザースポットが形成されるため、レーザー光を平行光のまま照射するよりも強いレーザー光を照射できる。そして、レーザースポットを試料から生じるラマン散乱光の光源とみなすことができる。

特開平９−７２８４８号公報

特許文献１のラマン散乱分光測定装置において、レーザースポットに集光されたレーザー光は、試料によって散乱光となるが、大半の散乱光はレーザー光と波長が等しいレイリー散乱光であり、散乱光の極一部がラマン散乱光となる。また、多くのレーザー光は、レーザースポットでは散乱せずに更に進んでいく。従って、試料からのラマン光は、レーザースポットでの散乱によるものだけではなく、レーザースポットからのレイリー散乱光によって生じるものもあり、またレーザースポットにて散乱せず更に進んだレーザー光によって生じるものもある。

しかしながら、レーザースポットからのラマン散乱光については、対物レンズおよび結像レンズによってアパーチャ位置に像を形成するが、レーザースポット以外のところで生じるラマン散乱光については、対物レンズおよび結像レンズによってアパーチャ位置に像を形成することができない。このように、レーザースポット以外のところで生じたラマン散乱光を採取して測定対象にすることができなかった。
このように従来の測定装置では、微弱なラマン散乱光しか採取できず、ラマン散乱光を増強させることが困難であった。このような問題は、ラマン散乱光の測定に限らず、試料に励起光を照射して生じる蛍光や燐光などの発光を測定する際にも同様に生じる問題であった。

本発明は上記課題に鑑みなされたものであり、その目的は、溶液試料に照射光を照射することによって生じる溶液試料からの光を検出し、該光のスペクトルに基づいて溶液試料を分析する分光測定方法および分光測定装置において、溶液試料からの光を増強させることにより測定感度を改善することにある。

分光測定方法
上記目的を達成するため、本発明にかかる分光測定方法は、照射手段からの照射光を溶液試料に照射することによって生じる溶液試料からの光を、溶液試料よりも前記照射手段側にて検出し、該光のスペクトルに基づいて溶液試料を分析する分光測定方法であって、
筒状部材を用いて、一方の開口端を溶液試料に浸して、他方の開口端を自由開放にして、該筒状部材の筒部に溶液試料を取り込み、
前記筒部の他方の開口端に向けて前記照射光を照射して、該開口に照射光の照射スポットを形成し、該照射スポットの照射光が前記取り込まれた溶液試料中を進むことによって生じる溶液試料からの光を、前記筒部の内周面により多重反射させることによって、前記他方の開口端から出射する光を増強させ、
前記照射スポットを通る光を集光する位置に設けられた前記対物光学手段によって、前記他方の開口端からの光を検出して分析に用いることを特徴とする。
上記の分光測定方法において、前記一方の開口端から溶液試料を毛細管現象によって前記筒部内に取り込むことが好適である。

分光測定装置
本発明にかかる分光測定装置は、溶液試料に照射光を照射する照射手段と、照射によって溶液試料から生じて前記照射手段側へ進む光を集光する対物光学手段と、を備え、前記対物光学手段によって集光した光を検出して、該光のスペクトルに基づいて溶液試料を分析する分光測定装置であって、前記対物光学手段と溶液試料との間に設けられ、一方の開口端が溶液試料に浸され、他方の開口端が自由開放である状態で配置された筒状部材を備えることを特徴とする。
ここで、前記照射手段は、前記筒状部材の他方の開口端に向けて照射光を照射し、該開口に照射光の照射スポットを形成する。また、前記筒状部材は、前記一方の開口端から該筒状部材の筒部に溶液試料を取り込んで、前記照射スポットの照射光が前記取り込まれた溶液試料中を進むことによって生じる溶液試料からの光を、前記筒部の内周面により多重反射させることによって、前記他方の開口端から出射する光を増強する。そして、前記対物光学手段は、前記他方の開口における前記照射スポットを通る光を集光する位置に設けられている。
なお、本発明の分光測定装置は、溶液試料にレーザー光を照射してラマン散乱光を測定する際に用いられることが好ましい。

上記の分光測定装置において、前記筒状部材は中空ファイバーであることが好適である。あるいは、上記の分光測定装置において、前記筒部の内周面には金属で覆われた反射面が形成されていることが好適である。または、上記の分光測定装置において、前記筒状部材は、金属管であることが好適である。
また、本発明にかかる筒状部材は、前記分光測定装置に用いられるものであり、該分光測定装置の対物光学手段と溶液試料との間に設けられ、一方の開口端が溶液試料に浸された状態で配置されることを特徴とする。
また、本発明にかかる筒状部材は、溶液試料用の容器に保持されていることが好ましい。

本発明の分光測定方法、分光測定装置および筒状部材を使用すれば、まず、筒状部材の他方の開口端からの照射光によって、筒部に取り込まれた溶液試料が照射される。照射光が溶液試料の内部を進行するに従って、該照射光が溶液試料によって散乱してその一部がラマン散乱光となる。または、照射光が溶液試料を励起して、蛍光や燐光などの発光が溶液試料から生じる。このようなラマン散乱光または発光は、溶液試料からの光であり、筒部の内周面を１回以上の反射しながら他方の開口端へと向う。筒部の内周面を反射して他方の開口端から出射する光の分だけ、開口端からの光が増強されるのである。従って、各種の分光測定において、散乱光、発光などの溶液試料からの光のうち採取可能な光を増強することができ、結果として測定感度を改善することができる。

本発明の実施形態にかかる分光測定装置の概略構成図である。従来の分光測定方法を説明するための図である。（Ａ）、（Ｂ）は、本発明の実施形態にかかる中空ファイバーの他方の開口端に照射光を照射して、この開口端からの光を測定する方法を示す図である。従来の分光測定方法を説明するための図である。本発明の実施形態にかかる中空ファイバーの他方の開口端に照射光を照射して、この開口端からの光を測定する方法を示す図である。前記実施形態にかかる中空ファイバーの変形例を示す図である。本発明の実施例にかかるラマン散乱分光測定装置の構成図である。前記実施例の測定結果であるラマンスペクトルを示す図である。

以下に図面を参照して本発明の好適な実施形態について説明する。
図１は、本発明の実施形態にかかる分光測定装置の概略構成図である。図１の分光測定装置１０は、光源１と反射鏡２とを有する照射手段、対物レンズ（対物光学手段）３と、中空ファイバー（筒状部材）４と、分光手段５と、光検出手段６と、を備える。
光源１からの照射光は、対物レンズ３と分光手段５との間に配置された反射鏡２を反射して対物レンズ３を照射する。
対物レンズは３、照射光を中空ファイバー４に向けて集光し、該中空ファイバー４の開口端４１に照射エリアＡ_１を形成するとともに、この照射エリアＡ_１から出射する光を集光して分光手段５に導光する。照射エリアＡ_１は、開口の少なくとも一部の微小な面積を有する領域であればよく、好ましくは、照射光が開口の全体を照射した方がよい。

中空ファイバー４は貫通する筒部４３を有し、対物レンズ３と溶液試料Ｗとの間に配置される。筒部４３の両端のうちの対物レンズ３側の開口端４１（これを他方の開口端と呼ぶ。）は、その中心軸が照射光の光軸と一致するように位置決めされ、かつ、照射エリアＡ_１の面積以上の開口面積を有する。また、図中で溶液試料Ｗ側の開口端４２（これを一方の開口端と呼ぶ。）は、溶液試料Ｗに浸されている。中空ファイバー４は図示しないホルダーなどで保持されている。また、中空ファイバー４と対物レンズ３との距離を調整できる調整機構を設けてもよい。溶液試料Ｗの容器７が中空ファイバー４を保持する構成でもよい。
分光手段５は対物レンズ３によって集光された光を分光し、光検出手段６はその光強度を検出する。このように分光測定装置１０は検出した光のスペクトルに基づいて溶液試料Ｗを分析することができる。

以下に本発明に特徴的な中空ファイバー４について、この中空ファイバー４を使用しない場合と比較しつつ、図２から図５に基づいて詳しく説明する。
図２は、溶液試料Ｗに照射光の焦点を直接合わせた従来の測定方法を示す。ここで、説明を簡単にするため、対物レンズ３で集光される照射光が、溶液試料Ｗ中に照射スポットＳ１を形成するものとする。従来の測定方法では、照射スポットＳ１からの光だけが溶液試料Ｗからの光として検出されていた。しかし、実際には、照射スポットＳ１に集光された照射光の一部は、散乱せずに照射スポットＳ１を透過して、点Ｓ２などに進む。また、照射光の他の一部は、照射スポットＳ１において散乱して、点Ｓ３などに進む。しかし、対物レンズ３または後段に設けられる光学系によって結像されるのは、照射スポットＳ１からの光だけであり、照射スポット以外の点Ｓ２や点Ｓ３などからの光は、照射スポットＳ１の結像点とずれてしまうため、検出対象にすることができない。

図３（Ａ）、（Ｂ）は、中空ファイバー４を用いて、その他方の開口端４１に照射光を照射して、この開口端４１から出射する光を測定する方法を示す。
中空ファイバー４の一方の開口端４２は溶液試料Ｗに浸されているので、その開口端４２から溶液試料Ｗを毛細管現象によって取り込んだ状態となっている。つまり、中空ファイバー４の一方の開口端４２を溶液試料Ｗに浸した時、他方の開口端４１は自由開放となっているので、筒部４３内の液面が容器７内の液面よりも上昇する。従って、筒部４３の全体または少なくとも内部の一部に、溶液試料Ｗが取り込まれている。ここでは、筒部４３内の全体が溶液試料Ｗで満たされている場合を説明する。

図３（Ａ）は、照射された照射光の一部が、照射スポットＳ１にて散乱しないで透過することによって、照射光の光軸上にある点Ｓ２を照射する様子を模式的に示した図である。点Ｓ２は、照射スポットＳ１を透過した光が通る点の一例であり、点Ｓ３は、照射スポットＳ１や点Ｓ２を散乱した光が通る点の一例である。なお、照射光は、中空ファイバー４の内周面を多重反射するため、図２の測定方法よりも強い光となって点Ｓ２や点Ｓ３などにある溶液試料Ｗを照射できる。この結果、点Ｓ２や点Ｓ３において、図２よりも強い光が生じる。
図３（Ｂ）は、点Ｓ２、点Ｓ３からの光が、照射スポットＳ１を通過して他の開口端４１が出射する様子を模式的に示した図である。点Ｓ２、点Ｓ３からの光は、照射光と同様に中空ファイバー４の内周面を多重反射するため、照射スポットＳ１を通過する光が増加する。これにより、対物レンズ３によって集光可能な照射スポットＳ１からの光が増強されるのである。

以上の説明は、中空ファイバー４の筒部４３の一部にのみ溶液試料Ｗが取り込まれた状態であっても、同様に説明できる。つまり、照射スポットＳ１まで溶液試料Ｗが取り込まれていなくても、照射光は中空ファイバー４内を多重反射によって溶液試料Ｗまで進行し、ほとんど減衰することなく筒内の溶液試料Ｗを照射できる。そして、溶液試料Ｗからの光も中空ファイバー４内を多重反射し、その一部が照射スポットＳ１を通過する。この照射スポットＳ１を通過する溶液試料Ｗからの光を対物レンズ３で集光すればよい。

また、図１のように照射スポットが１点ではなく有限の面積（照射エリアＡ_１）である場合にも、同様に説明することができる。
図４は、溶液試料Ｗに照射光の照射エリアＡ_１を直接的に合わせた従来の測定方法を示す。照射エリアＡ_１は図２で説明した照射スポットＳ１が多数あると考えればよい。この場合も、点Ｓ２や点Ｓ３からの光は、対物レンズ３または後段に設けられる光学系によって像を結んだとしても、照射エリアＡ_１からの結像点とずれてしまうため、点Ｓ２、点Ｓ３からの光を検出対象とすることができない。

図５は、中空ファイバー４の他方の開口端４１に照射エリアＡ_１を合わせて、その開口端４１から出射される光を測定する方法を示す。図５では、照射エリアＡ_１に照射された照射光の一部が、さらに筒内の点Ｓ２を照射する様子を模式的に示した図である。照射光は中空ファイバー４の内周面を多重反射するため、図４の測定方法よりも強い光となって、点Ｓ２を照射することができる。これにより点Ｓ２からの光が増強される。図５中の点Ｓ２は、点Ｓ２は、照射エリアＡ_１を透過した光や照射エリアＡ_１で散乱した光などが通る点の一例である。

また、図５には、点Ｓ２からの光が多重反射により照射エリアＡ_１に戻る様子を模式的に示している。点Ｓ２からの光は、照射光と同様に中空ファイバー４の内周面を多重反射するため、その大半が照射エリアＡ_１に戻る。図４の測定方法と比べて、照射エリアＡ_１を通過する光は、多重反射により増強される。これにより、対物レンズ３によって集光可能な照射エリアＡ_１からの光が増強されるのである。照射エリアＡ_１を溶液試料Ｗからの光の光源の集合とみなせば、中空ファイバー４によってその光源の強度を増強できたと考えることができる。

このように、本実施形態の分光測定装置１０によれば、溶液試料Ｗからの光を増強できるため、高感度の分光測定が可能となる。特に、筒状部材としての中空ファイバー４が溶液試料Ｗの毛細管現象を誘起すれば、極微小量の溶液試料Ｗであっても、中空ファイバー４の筒部４３に溶液試料Ｗを容易に取り込むことができ、高感度の分光測定が可能となる。また、試料濃度Ｗを薄くしても従来に優る感度での分光測定ができる。

なお、中空ファイバー４に換えて、内周が金属で覆われた中空筒状の光学部材を用いてもよい。また、中空ファイバー４は、図６に示すように、彎曲した状態でもよく、または延長させることもできる。図６は、図１に示す中空ファイバー４を彎曲、延長した状態の例を示す。Ｖ１は溶液試料のない空間を示し、Ｖ２は中空ファイバー４に取り込まれた溶液試料を示す。
本発明の筒状部材としては、中空ファイバー４や、内周に金属層を有する筒状の光学部材に限らず、金属パイプであってもよい。特に、極微小量の溶液試料に対して毛細管現象を誘起しやすいように、０．０５ｍｍ〜２．５ｍｍ程度の微小内径の筒部を有する金属製の微細管がよい。分光測定装置に用いる金属パイプとしては、ＳＵＳ線にニッケルメッキを施した後、ＳＵＳ線を取り除くことによって、上記微小内径の筒部が形成されたニッケル製の微細管が好適である。

以上の実施形態で説明した分光測定装置１０および分光測定方法は、ラマン散乱光および、蛍光や燐光などの発光を対象とする分光測定およびこれらの分光測定装置に適用できる。

以下、実施例に基づき本発明をさらに説明するが、本発明はこれに限定されるものではない。以下の実施例では、全長２０ｍｍの中空ファイバー１０４を使って溶液試料Ｗであるアセトンのラマン散乱光を測定した。
図７はラマン散乱分光測定装置１１０の光学系構造を示す図である。
ラマン散乱分光測定装置１１０は、レーザー光源１０１と、反射鏡１０２と、対物レンズ１０３と、中空ファイバー１０４と、結像レンズ１０８と、アパーチャ１０９と、ラマン光導入光学系部１１１と、分光器部１０５と、ＣＣＤ検出部１０６と、を備える。結像レンズ１０８は、対物レンズ１０３とアパーチャ１０９の間の光路上に設置される。レーザー光源１０１からのレーザー光は、反射鏡１０２を反射して対物レンズ１０３に照射され、中空ファイバー１０４の開口端にレーザー照射エリアＡ１を形成する。溶液試料Ｗからのラマン散乱光は対物レンズ１０３によって集光され、結像レンズ１０８へと送られる。結像レンズ１０８はラマン散乱光をアパーチャ１０９面に結像させる。アパーチャ１０９では、測定したい特定部位のラマン散乱光のみを通過し、その他の部分からの光を遮断する。このようにしてアパーチャ１０９で絞られたラマン散乱光はラマン光導入光学系部１１１に導光された後、分光器部１０５を通ってＣＣＤ検出部１０６により検出されるようになっている。

アセトン分子は複数の分子結合により構成されているため、アセトンのラマンスペクトルには分子結合などに応じたアセトン固有の複数のピークが含まれる。
図８は、ラマンシフトの波数を横軸にとり、ラマン散乱光の強度を縦軸にとって、アセトンのラマンスペクトルを示したものである。溶液に焦点を直接合わせた従来の測定方法による結果と、本発明の中空ファイバー１０４を用いた測定方法による結果を合わせて示した。図８に示すように、本発明の測定方法によれば、ラマン散乱強度が従来の測定方法よりも５倍以上増強できることを確認した。これは、中空ファイバー１０４内で毛細管現象によって試料の液面が上昇し、中空ファイバー１０４内での多重反射によって採取可能なラマン散乱光が増強した結果と考えられる。

なお、上記の実施例１では、ラマン散乱光を採取する光軸と同じ光軸上より、レーザー光を試料に対して照射させている。このようなラマン散乱光を後方散乱光と呼ぶ。ラマン散乱光の測定方法としては、後方散乱光の測定に限らず、励起光であるレーザー光を試料に対して斜め方向に照射して、ラマン散乱光を採取する光軸とレーザー光の光軸を一致させない疑似後方散乱光の測定でも構わない。また、平行光束のレーザー光を、対物レンズ１０３を通さずに直接、中空ファイバー１０４の開口端に照射させてもよい。

３対物レンズ（対物光学手段）
４中空ファイバー（筒状部材）
１０分光測定装置
４１他方の開口端
４２一方の開口端
４３筒部
Ｗ溶液試料

Claims

溶液試料に照射光を照射する照射手段と、
照射によって溶液試料から生じて前記照射手段側へ進む光を集光する対物光学手段と、を備え、前記対物光学手段によって集光した光を検出して、該光のスペクトルに基づいて溶液試料を分析する分光測定装置であって、
前記対物光学手段と溶液試料との間に設けられ、一方の開口端が溶液試料に浸され、他方の開口端が自由開放である状態で配置された筒状部材を備え、
前記照射手段は、前記筒状部材の他方の開口端に向けて照射光を照射し、該開口に照射光の照射スポットを形成し、
前記筒状部材は、前記一方の開口端から該筒状部材の筒部に溶液試料を取り込んで、前記照射スポットの照射光が前記取り込まれた溶液試料中を進むことによって生じる溶液試料からの光を、前記筒部の内周面により多重反射させることによって、前記他方の開口端から出射する光を増強し、
前記対物光学手段は、前記他方の開口における前記照射スポットを通る光を集光する位置に設けられていることを特徴とする分光測定装置。
溶液試料にレーザー光を照射してラマン散乱光を測定する際に用いられることを特徴とする請求項１記載の分光測定装置。
請求項１または２記載の分光測定装置において、前記筒状部材は中空ファイバーであることを特徴とする分光測定装置。
請求項１または２記載の分光測定装置において、前記筒部の内周面には金属で覆われた反射面が形成されていることを特徴とする分光測定装置。
請求項１から４のいずれかに記載の分光測定装置であって、
前記筒状部材は、溶液試料用の容器に保持されていることを特徴とする分光測定装置。
照射手段からの照射光を溶液試料に照射することによって生じる溶液試料からの光を、溶液試料よりも前記照射手段側にて検出し、該光のスペクトルに基づいて溶液試料を分析する分光測定方法であって、
筒状部材を用いて、一方の開口端を溶液試料に浸して、他方の開口端を自由開放にして、該筒状部材の筒部に溶液試料を取り込み、
前記筒部の他方の開口端に向けて前記照射光を照射して、該開口に照射光の照射スポットを形成し、該照射スポットの照射光が前記取り込まれた溶液試料中を進むことによって生じる溶液試料からの光を、前記筒部の内周面により多重反射させることによって、前記他方の開口端から出射する光を増強させ、
前記照射スポットを通る光を集光する位置に設けられた前記対物光学手段によって、前記他方の開口端からの光を検出して分析に用いることを特徴とする分光測定方法。
請求項６記載の分光測定方法において、前記一方の開口端から溶液試料を毛細管現象によって前記筒部内に取り込むことを特徴とする分光測定方法。