JP5761433B2

JP5761433B2 - 干渉分光光度計

Info

Publication number: JP5761433B2
Application number: JP2014132484A
Authority: JP
Inventors: 福田　久人; 久人福田
Original assignee: Shimadzu Corp
Current assignee: Shimadzu Corp
Priority date: 2014-06-27
Filing date: 2014-06-27
Publication date: 2015-08-12
Anticipated expiration: 2031-07-13
Also published as: JP2014170018A

Description

本発明は、干渉分光光度計に関し、特にフーリエ変換赤外分光光度計（以下、「ＦＴＩＲ」と略す）に関する。

ＦＴＩＲに利用されるマイケルソン二光束干渉計では、赤外光源から発した赤外光をビームスプリッタで固定鏡と移動鏡との二方向に分割し、固定鏡で反射して戻ってきた赤外光と移動鏡で反射して戻ってきた赤外光とをビームスプリッタで合成して一つの光路へと送るという構成を有している。このとき、移動鏡を入射光軸方向で前後に移動させると、分割された二光束の光路長の差が変化するから、合成された光は移動鏡の位置に応じて光強度が変化する干渉光信号（インターフェログラム）となる。

図４は、従来のＦＴＩＲの要部の構成を示す図である。ＦＴＩＲ２０１は、主干渉計主要部４０と、赤外光を出射する赤外光源部１０と、試料Ｓが配置される赤外光検出部２０と、移動鏡速度情報検出部３０と、コンピュータ２５０とを備える（例えば、特許文献１参照）。
赤外光源部１０は、赤外光を出射する赤外光源と、集光鏡と、コリメータ鏡とを備える。これにより、赤外光源から出射された赤外光は、集光鏡、コリメータ鏡を介して主干渉計主要部４０のビームスプリッタ７０に照射されるようになっている。
赤外光検出部２０は、放物面鏡と、楕円面鏡と、インターフェログラム（ＩＦＧ信号）を検出する赤外検出器２１と、試料Ｓが配置される試料配置部とを備える。これにより、放物面鏡にて集光された光は、試料Ｓに照射され、試料Ｓを透過（又は反射）した光は、楕円面鏡により赤外検出器２１へ集光されるようになっている。

主干渉計主要部４０は、内部空間を有する筐体４２を備え、図４の上部に移動鏡ユニット２６０が配置され、図４の中部にビームスプリッタ７０が配置され、図４の下部に固定鏡８５を備えた固定鏡ユニット８０が配置されている。
図５は、移動鏡ユニット２６０の縦断面図である。移動鏡ユニット２６０は、天板２６４と、底板２６５と、２個のプレート２６６、２６７とを備える。プレート２６６の上端部は、天板２６４の下面の左側部と連結されるとともに、プレート２６６の下端部は、底板２６５の上面の左側部と連結されている。また、プレート２６７の上端部は、天板２６４の下面の右側部と連結されるとともに、プレート２６７の下端部は、底板２６５の上面の右側部と連結されている。
これにより、底板２６５は、プレート２６６、２６７を介して、天板２６４に対して左右方向に移動可能となるように吊るされている。

天板２６４の下面の中央部には、ヨーク２６８が固定されており、ヨーク２６８には、マグネット２６９ａとポールピース２６９ｂとがボルト２７０によって固定されている。
底板２６５の上面の中央部には、イケール２７１を介してボイスコイル２７２が固定されている。ボイスコイル２７２には、導線２７３が電気的に接続されており、ボイスコイル２７２はマグネット２６９ａとヨーク２６８とポールピース２６９ｂとにより形成される磁界中を移動するようになっている。

底板２６５の上面の左側には、ミラーホルダ２６１が固定され、円板状の移動鏡２６２の中央部が、ミラーホルダ２６１の上端部に固定されている。これにより、ボイスコイル２７２に導線２７３を介して電流を流すと、ボイスコイル２７２はヨーク２６８とポールピース２６９ｂとの間に形成される磁界によって電磁力を受け、底板２６５が左右方向に移動することで、移動鏡２６２も左右方向Ｍに移動するようになっている。
そして、移動鏡ユニット２６０の天板２６４は、ネジやワッシャ２６３を用いて筐体４２に取り付けられている。

このような主干渉計主要部４０によれば、赤外光源部１０から出射された赤外光は、ビームスプリッタ７０に照射され、ビームスプリッタ７０で固定鏡８５と移動鏡２６２との二方向に分割される。そして、固定鏡８５で反射して戻ってきた赤外光と移動鏡２６２で反射して戻ってきた赤外光とはビームスプリッタ７０へ戻り、ビームスプリッタ７０で合成されて赤外光検出部２０へ向かう光路に送られる。このとき、移動鏡２６２は入射光軸方向Ｍで前後に往復動しているため、分割された二光束の光路長の差は周期的に変化し、ビームスプリッタ７０から赤外光検出部２０へ向かう光は、時間的に振幅が変動するインターフェログラムとなる。そして、試料Ｓを透過したインターフェログラムは、赤外検出器２１へ集光される。図６は、光強度と移動鏡位置との関係の一例を示すＩＦＧ信号を示す図である。

また、ＦＴＩＲ２０１には、移動鏡速度情報を検出する移動鏡速度情報検出部３０が設けられている。移動鏡速度情報検出部３０は、レーザ光を用いた速度情報検出を行っており、レーザ光を出射するＨｅ−Ｎｅレーザ光源部３１と、レーザ光を反射するハーフミラー３２、３３と、レーザ光情報を検出するレーザ光検出部３４とを備える（例えば、特許文献２参照）。

このような移動鏡速度情報検出部３０によれば、Ｈｅ−Ｎｅレーザ光源部３１から出射されたレーザ光は、ビームスプリッタ７０に照射され、ビームスプリッタ７０で固定鏡８５と移動鏡２６２との二方向に分割される。そして、固定鏡８５で反射して戻ってきたレーザ光と移動鏡２６２で反射して戻ってきたレーザ光とはビームスプリッタ７０へ戻り、ビームスプリッタ７０で合成されてレーザ光検出部３４へ向かう光路に送られる。このときにも、同様に移動鏡２６２は入射光軸方向Ｍで前後に往復動しているため、分割された二光束の光路長の差は周期的に変化し、ビームスプリッタ７０からレーザ光検出部３４へ向かう光は、時間的に振幅が変動するレーザ干渉光となる。そして、レーザ干渉光は、レーザ光検出部３４へ導入される。このレーザ光検出器による検出信号、つまりレーザ光干渉縞信号により、移動鏡２６２の位置や移動鏡速度Ｖｃ等が算出されるようになっている。

コンピュータ２５０は、ＣＰＵ（制御部）２５１とメモリ２５２とを備え、表示装置５３と入力装置５４とが連結されている。ＣＰＵ２５１が処理する機能をブロック化して説明すると、赤外検出器２１から光強度情報を取得する光強度情報取得部２５１ａと、レーザ光検出部３４から移動鏡速度情報（移動鏡速度Ｖｃ等）を取得する移動鏡速度情報取得部２５１ｂと、移動鏡ユニット２６０における移動鏡速度Ｖｃを制御する移動鏡制御部２５１ｃと、試料Ｓの吸光度スペクトルを算出する試料測定部２５１ｄとを有する。

ところで、赤外検出器２１としてＤＬＡＴＧＳ検出器を使用する場合、ＤＬＡＴＧＳ検出器２１は周波数特性を有する。そのため、移動鏡２６２の移動鏡速度Ｖｃが一定でないと、インターフェログラムの明滅の周波数が一定でなくなり、試料Ｓの吸光度スペクトルに測定誤差となって現れる。具体的には、バックグランドの測定時の移動鏡２６２の移動鏡速度Ｖｃと、試料Ｓの測定時の移動鏡２６２の移動鏡速度Ｖｃとが異なると、吸光度スペクトルのベースラインの歪みやＳ／Ｎの悪化を伴う。また、バックグランドの測定時や試料Ｓの測定時に、移動鏡２６２に往復移動を繰り返させることによりＩＦＧ信号の積算を行うが、このＩＦＧ信号の積算中に移動鏡２６２の移動鏡速度Ｖｃが変化しても、Ｓ／Ｎの悪化を伴う。

そこで、移動鏡２６２の移動鏡速度Ｖｃが一定となるように、移動鏡制御部２５１ｃが、現在の移動鏡速度Ｖｃと目標移動鏡速度Ｖｏとの速度誤差（１００×（Ｖｃ−Ｖｏ）／Ｖｏ）を求め、移動鏡ユニット２６０に与える電圧（移動鏡印加電圧）にフィードバックする制御を行っている。これにより、移動鏡速度Ｖｃが目標移動鏡速度Ｖｏ（一定）となるようにしている。なお、メモリ２５２に「目標移動鏡速度Ｖｏ」が測定者によって入力装置５４を用いて記憶されることになっている。図７は、速度誤差と移動鏡位置との関係の一例を示す速度誤差信号を示す図である。

特開２００２−１４８１１６号公報特開２００９−１３９３５２号公報

しかしながら、上述したようなＦＴＩＲ２０１は、フィードバックする制御を行っているが、外乱（振動、騒音）によって移動鏡速度Ｖｃが変動してしまうことがあった。なお、ＦＴＩＲ２０１は、耐震構造を取った設計を実施しているが、外乱を完全に防止することは不可能である。よって、上述したようなＦＴＩＲ２０１では、外乱が起こったときには、正確に試料Ｓの吸光度スペクトルを算出することができなかった。
そこで、本発明は、外乱が起こって移動鏡速度Ｖｃが一定とならなくても、正確に試料の吸光度又は透過率スペクトルを算出することができる干渉分光光度計を提供することを目的とする。

上記課題を解決するためになされた本発明の干渉分光光度計は、往復移動可能な移動鏡を有する移動鏡ユニットと、固定鏡と、赤外光を出射する赤外光源部と、前記赤外光源部からの赤外光を受けて、前記固定鏡と移動鏡とに向けて二分割するとともに、前記固定鏡で反射して戻ってきた赤外光と移動鏡で反射して戻ってきた赤外光とを受けて、干渉光に合成するビームスプリッタと、試料が配置され、当該試料を透過又は反射した干渉光の光強度情報を検出する干渉光検出部と、前記移動鏡の移動鏡速度情報を検出する移動鏡速度情報検出部と、前記光強度情報及び移動鏡速度情報を取得して、前記試料の吸光度又は透過率スペクトルを算出する制御部とを備える干渉分光光度計であって、移動鏡速度に対する光強度情報の変化を示す相関関数と、目標移動鏡速度とを記憶する記憶部を備え、前記制御部は、前記干渉光検出部で得られた光強度情報を、前記移動鏡速度情報及び相関関数を用いて前記移動鏡の移動鏡速度が目標移動鏡速度であったときに得られる補正光強度情報に補正するようにしている。

以上のように、本発明の干渉分光光度計によれば、干渉光検出部で得られた光強度情報を、移動鏡速度情報と相関関数とを用いて移動鏡の移動鏡速度が目標移動鏡速度であったときに得られる補正光強度情報に補正するので、正確に試料の吸光度又は透過率スペクトルを算出することができる。また、補正するため破棄するデータもないので、時間が長くなることがない。

（その他の課題を解決するための手段および効果）
また、上記発明において、前記移動鏡速度情報検出部は、レーザ光を出射するレーザ光源部と、当該レーザ光がビームスプリッタで前記固定鏡と移動鏡とに向けて二分割され、その後、前記固定鏡で反射して戻ってきたレーザ光と移動鏡で反射して戻ってきたレーザ光とのレーザ干渉光を検出するレーザ光検出部とを備え、前記制御部は、前記レーザ干渉光に基づいて、前記移動鏡の移動方向、前記移動鏡の位置及び移動鏡速度とを算出するようにしてもよい。

そして、上記発明において、前記制御部は、前記光強度情報、前記移動鏡の移動方向、前記移動鏡の位置及び移動鏡速度に基づいて、前記光強度情報と移動鏡の位置との関係を示す干渉光信号を作成して、前記移動鏡が往復移動を繰り返すことにより、前記干渉光信号を積算していくようにしてもよい。
さらに、上記発明において、前記制御部は、前記移動鏡速度が目標移動鏡速度になるように、前記移動鏡ユニットに与える電圧をフィードバック制御するようにしてもよい。

本発明に係るＦＴＩＲの要部の構成を示す図。移動鏡速度に対する光強度情報の変化を示す相関関数の一例を示す図。ＩＦＧ信号データの取得方法を説明するフローチャート。従来のＦＴＩＲの要部の構成を示す図。移動鏡ユニットの縦断面図。光強度と移動鏡位置との関係の一例を示すＩＦＧ信号を示す図。速度誤差と移動鏡位置との関係の一例を示す速度誤差信号を示す図。

以下、本発明の実施形態について図面を用いて説明する。なお、本発明は、以下に説明するような実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々の態様が含まれる。

図１は、本発明に係るＦＴＩＲの要部の構成を示す図である。なお、ＦＴＩＲ２０１と同様のものについては、同じ符号を付している。
ＦＴＩＲ１０１は、主干渉計主要部４０と、赤外光を出射する赤外光源部１０と、試料Ｓが配置される赤外光検出部２０と、移動鏡速度情報検出部３０と、コンピュータ１５０とを備える。

コンピュータ１５０は、ＣＰＵ（制御部）１５１とメモリ１５２とを備え、表示装置５３と入力装置５４とが連結されている。ＣＰＵ１５１が処理する機能をブロック化して説明すると、赤外検出器２１から光強度情報を取得する光強度情報取得部１５１ａと、レーザ光検出部３４から移動鏡速度情報（移動鏡速度Ｖｃ等）を取得する移動鏡速度情報取得部１５１ｂと、移動鏡ユニット２６０における移動鏡速度Ｖｃを制御する移動鏡制御部１５１ｃと、試料Ｓの吸光度スペクトルを算出する試料測定部１５１ｄと、補正ＩＦＧ信号作成部１５１ｅとを有する。

また、メモリ１５２には、ＩＦＧ信号を補正ＩＦＧ信号に変換するための移動鏡速度に対する光強度情報の変化を示す相関関数と、不適切な光強度情報を採用しないようにするための目標移動鏡速度範囲（Ｖｏ±Ｂ）とが予め記憶されている。Ｂは、任意の定数である。図２は、移動鏡速度に対する光強度情報の変化を示す相関関数の一例を示す図である。ここで、ＩＦＧ信号を補正ＩＦＧ信号に変換する変換方法について説明する。例えば、目標移動鏡速度Ｖｏが２．０ｍｍ／ｓであり、目標移動鏡速度範囲が（Ｖｏ±０．４ｍｍ／ｓ）であるときに、ＩＦＧ信号のある１点における移動鏡速度Ｖｃが外乱等により２．５ｍｍ／ｓになったとする。図２に示すように、２．５ｍｍ／ｓであったときに得られる光強度情報は、２．０ｍｍ／ｓであったときに得られる光強度情報に対して、０．８６倍になる。よって、この１点に関して、光強度情報を０．８６で除算する。これにより、２．５ｍｍ／ｓであったときに得られた光強度情報が、２．０ｍｍ／ｓであったときに得られる光強度情報（補正光強度情報）になる。なお、ＩＦＧ信号のある１点において補正したが、目標移動鏡速度範囲（Ｖｏ±Ｂ）を設けず全点において補正してもよい。

補正ＩＦＧ信号作成部１５１ｅは、移動鏡速度Ｖｃの絶対値が目標移動鏡速度範囲（Ｖｏ＋Ｂ）から外れたときに得られた光強度情報を、移動鏡速度Ｖｃと相関関数とを用いて移動鏡２６２の移動鏡速度Ｖが目標移動鏡速度Ｖｏであったときに得られる補正光強度情報に補正することにより、補正ＩＦＧ信号を作成する制御を行う。
ここで、積算回数Ｎ_ｍａｘの補正ＩＦＧ信号となるＩＦＧ信号データを取得する取得方法について説明する。図３は、ＩＦＧ信号データの取得方法について説明するためのフローチャートである。
まず、ステップＳ２０１の処理において、測定者は入力装置５４を用いて測定開始信号を入力する。このとき、測定者は、「積算回数Ｎ_ｍａｘ」と「目標移動鏡速度Ｖｏ」とを入力してメモリ１５２に記憶させる。

次に、ステップＳ２０２の処理において、積算回数パラメータＮ＝１とする。
次に、ステップＳ２０３の処理において、移動鏡制御部１５１ｃが移動鏡２６２を移動させることにより、光強度情報取得部１５１ａは光強度情報を取得していくとともに、移動鏡速度情報取得部１５１ｂは移動鏡速度情報（移動鏡速度Ｖｃ等）を取得していく。そして、光強度と移動鏡位置との関係を示すＮ回目のＩＦＧ信号を作成する（図６参照）。

次に、ステップＳ２０４の処理において、Ｎ回目のＩＦＧ信号において移動鏡速度Ｖｃの絶対値が目標移動鏡速度範囲（Ｖｏ＋Ｂ）から外れたときに得られた光強度情報を、移動鏡速度Ｖｃと相関関数とを用いて移動鏡２６２の移動鏡速度Ｖが目標移動鏡速度Ｖｏであったときに得られる補正光強度情報に補正する。つまり、補正ＩＦＧ信号を作成する。そして、Ｎ＝Ｎ＋１とする。

次に、ステップＳ２０５の処理において、Ｎ＝Ｎ_ｍａｘであるか否かを判定する。Ｎ＝Ｎ_ｍａｘでないと判定したときには、ステップＳ２０３の処理に戻る。つまり、試料Ｓの吸光度スペクトルを算出する際に採用する補正ＩＦＧ信号がＮ_ｍａｘ個になるまで、ステップＳ２０３の処理〜ステップＳ２０５の処理が繰り返されることになる。
一方、Ｎ＝Ｎ_ｍａｘであると判定したときには、ステップＳ２０６の処理において、Ｎ_ｍａｘ個の補正ＩＦＧ信号を取得したので、測定終了信号を出力する。

以上のように、ＦＴＩＲ１０１によれば、移動鏡２６２の移動鏡速度Ｖｃの絶対値が目標移動鏡速度範囲（Ｖｏ＋Ｂ）から外れたときに得られた光強度情報を、移動鏡速度Ｖｃと相関関数とを用いて移動鏡２６２の移動鏡速度Ｖが目標移動鏡速度Ｖｏであったときに得られる補正光強度情報に補正するので、正確に試料Ｓの吸光度スペクトルを算出することができる。また、補正するために破棄するデータもないので、時間が長くなることがない。

＜他の実施形態＞
上述したＦＴＩＲ１０１において、移動鏡２６２の移動鏡速度Ｖｃの絶対値が目標移動鏡速度範囲（Ｖｏ＋Ｂ）から外れたときに得られた光強度情報を補正光強度情報に補正する構成としたが、さらに移動鏡２６２の移動鏡速度Ｖｃの絶対値の最大値が目標移動鏡速度範囲（Ｖｏ＋Ａ）から外れたときに得られた光強度情報を含むＩＦＧ信号を、試料Ｓの吸光度スペクトルを算出する際に採用しないような構成としてもよい。つまり、速度誤差があまりにも大きい場合には、ＩＦＧ信号を破棄するような構成としてもよい。

本発明は、フーリエ変換赤外分光光度計等の干渉分光光度計等に好適に利用できる。

１０赤外光源部
２０赤外光検出部（干渉光検出部）
３０移動鏡速度情報検出部
７０ビームスプリッタ
８５固定鏡
１０１ＦＴＩＲ（干渉分光光度計）
１５１ＣＰＵ（制御部）
１５２メモリ（記憶部）
２６０移動鏡ユニット
２６２移動鏡

Claims

往復移動可能な移動鏡を有する移動鏡ユニットと、
固定鏡と、
赤外光を出射する赤外光源部と、
前記赤外光源部からの赤外光を受けて、前記固定鏡と移動鏡とに向けて二分割するとともに、前記固定鏡で反射して戻ってきた赤外光と移動鏡で反射して戻ってきた赤外光とを受けて、干渉光に合成するビームスプリッタと、
試料が配置され、当該試料を透過又は反射した干渉光の光強度情報を検出する干渉光検出部と、
前記移動鏡の移動鏡速度情報を検出する移動鏡速度情報検出部と、
前記光強度情報及び移動鏡速度情報を取得して、前記試料の吸光度又は透過率スペクトルを算出する制御部とを備える干渉分光光度計であって、
移動鏡速度に対する光強度情報の変化を示す相関関数と、目標移動鏡速度とを記憶する記憶部を備え、
前記制御部は、前記干渉光検出部で得られた光強度情報を、前記移動鏡速度情報及び相関関数を用いて前記移動鏡の移動鏡速度が目標移動鏡速度であったときに得られる補正光強度情報に補正することを特徴とする干渉分光光度計。