JP6201547B2 - 分光器の波長校正方法 - Google Patents
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Description
本発明は、回折格子を有する分光器の波長校正方法、及び、そのような波長校正機能を有する分光光度計に関する。
回折格子（グレーティング）を搭載する分光器は分光光度計やクロマトグラフの検出器などに用いられている（特許文献１参照）。一般的な分光光度計の一例として分光蛍光光度計の概略構成を図１に示す（特許文献２参照）。分光蛍光光度計１００は、光源部１０、励起分光部２０、モニタ部３０、試料室４０及び蛍光分光部５０から構成されている。
光源部１０は、光源１１（例えば、キセノンランプ）の発する光を集めるための集光鏡１２を備えている。集光鏡１２により集められた光は、第一のスリット１３を通って励起分光部２０に入る。
励起分光部２０に入った光は反射鏡２１により波長分散素子である第一の回折格子２２へ向けて反射され、該回折格子２２により波長方向に分散される。回折格子２２により分散された光の一部は励起光として第二のスリット２３を通りモニタ部３０へ入る。更に、励起分光部２０には、回転軸２２ａを中心として回折格子２２を回転駆動するための格子駆動機構２４が備えられている。励起光の波長は、格子駆動機構２４で回折格子２２を回転させることにより、所定波長範囲内で任意に設定することができる。
モニタ部３０における励起光の光路上にはビームスプリッタ３１が配置されており、これにより励起光は２方向に分離される。すなわち、励起光の一部はビームスプリッタ３１を通過し、第一のレンズ３２により集められ、試料室４０内に配置された試料セル４１に到達する。一方、励起光の他の部分はビームスプリッタ３１により反射され、第二のレンズ３３により集められ、対照光検出器３４（例えばフォトダイオード）により検出される。
試料セル４１に励起光が到達すると、その中の試料が蛍光を発する。この蛍光の一部は、第三のレンズ４２により集められ、蛍光分光部５０へ入る。
蛍光分光部５０へ入った蛍光の一部は、第三のスリット５１を通って第二の回折格子５２に到達し、該回折格子５２により波長方向に分散される。こうして分散された光のうち、ある波長を有する一部の光は第四のスリット５３を通じて蛍光検出器５４（例えば、光電子増倍管）により検出される。更に、蛍光分光部５０には、回転軸５２ａを中心として回折格子５２を回転駆動するための格子駆動機構５５が備えられている。蛍光検出器５４により検出される光の波長は、格子駆動機構５５で回折格子５２を回転させることにより、所定波長範囲内で任意に設定することができる。
このような分光蛍光光度計を用いて試料の分析を正しく行うためには、第二のスリット２３を通過する励起光の波長や第四のスリット５３を通過する検出光の波長が正しい値を示さなければならない。そのため、それらの波長を正しい値にするための「校正」と呼ばれる作業が必要となる。
このような分光器の波長校正は、基準となる輝線スペクトル光を発生するナトリウムランプや水銀ランプなどの標準光源を用いて行われる（特許文献３および４参照）。上述の分光蛍光光度計において波長校正を行うときは、まず、光源１１を波長校正用の標準光源に交換するか、波長校正用の標準光源を内蔵している場合にはミラーなどで光軸を波長校正用の標準光源側に切り替えることで、分光器に基準となる輝線スペクトル光を入射できるように設定する。その後、分光器の回折格子（第一の回折格子２２、第二の回折格子５２）を回転させつつ、対照光検出器３４や蛍光検出器５４等により検出される、回折格子（第一の回折格子２２、第二の回折格子５２）からの回折光の強度が最大になる回転位置を見つける。こうして、当該最大強度の回転位置を標準光源の波長と対応付けることで波長校正を行っている。
上述の波長校正方法では、回折格子を所定の波長分解能単位で徐々に回転させつつ、各回転位置において分光器の回折光受光部の受光強度を検出し、所定範囲内の回転位置の中で受光強度が最大になる回折格子の回転位置を見つけるという方法がとられる。しかし、波長校正用の標準光源の発光強度に変動があると、各回転位置において検出される受光強度がばらつき、受光強度が最大となる回転位置を正しく検出することができなくなって正確な波長校正が行えない、という問題がある。
本発明が解決しようとする課題は、波長校正用の標準光源の発光強度に変動がある場合であっても、正確な波長校正を行うことができる波長校正方法を提供することである。
発明者は、波長校正用の標準光源の電源として商用電源を用いた場合、標準光源の発光強度が変動することがあり、これが正確な波長校正を妨げていることを見出した。すなわち、商用交流電源の瞬間電力値は周期Ｔｓ（東日本では１／５０ｓ、西日本では１／６０ｓ）の１／２の周期Ｔ（東日本では１０ｍｓ、西日本では８.３ｍｓ）で変動しているため、これを用いた標準光源の発光強度にも周期Ｔの変動成分が含まれることを見出し、本発明を成すに至った。
そこで、上記課題を解決するために成された本発明に係る分光器の波長校正方法は、発光強度が所定の周期の変化を含む標準光源の光を該分光器の回折格子に照射し、該回折格子により反射された光の強度を測定することにより波長を校正する方法であって、
a)前記標準光源の輝線スペクトル光のピーク波長を含む範囲の各波長に対応する前記回折格子の各回転位置において、前記回折格子で反射した反射光の強度を前記周期の間に少なくとも２回測定し、
b)該回転位置における全測定値に基づき、該回転位置における強度値を決定し、
c)前記強度値が最大となる波長を前記輝線スペクトル光のピーク波長と決定する
ことを特徴とする。
a)前記標準光源の輝線スペクトル光のピーク波長を含む範囲の各波長に対応する前記回折格子の各回転位置において、前記回折格子で反射した反射光の強度を前記周期の間に少なくとも２回測定し、
b)該回転位置における全測定値に基づき、該回転位置における強度値を決定し、
c)前記強度値が最大となる波長を前記輝線スペクトル光のピーク波長と決定する
ことを特徴とする。
また、上記課題を解決するために成された本発明に係る分光光度計は、
a)発光強度が所定の周期の変化を含む、既知の輝線スペクトル光を発する標準光源からの光を受け、分光する回折格子および該回折格子を回転駆動するための格子駆動機構を有する分光器と、
b)前記分光器からの光の強度を測定する測光部と、
c)前記輝線スペクトル光のピーク波長を含む範囲で所定波長毎に前記回折格子を回転するように前記格子駆動機構を制御する分光制御部と、
d)前記回折格子の各回転位置において前記周期の間に少なくとも２回前記分光器からの光の強度を測定し、該回転位置における全測定値に基づき、該回転位置の強度値を決定する発光強度決定部と、
e)前記範囲内において前記強度値が最大となる波長を前記輝線スペクトル光のピーク波長と決定するピーク決定部と
を備えることを特徴とする。
a)発光強度が所定の周期の変化を含む、既知の輝線スペクトル光を発する標準光源からの光を受け、分光する回折格子および該回折格子を回転駆動するための格子駆動機構を有する分光器と、
b)前記分光器からの光の強度を測定する測光部と、
c)前記輝線スペクトル光のピーク波長を含む範囲で所定波長毎に前記回折格子を回転するように前記格子駆動機構を制御する分光制御部と、
d)前記回折格子の各回転位置において前記周期の間に少なくとも２回前記分光器からの光の強度を測定し、該回転位置における全測定値に基づき、該回転位置の強度値を決定する発光強度決定部と、
e)前記範囲内において前記強度値が最大となる波長を前記輝線スペクトル光のピーク波長と決定するピーク決定部と
を備えることを特徴とする。
前記発光強度決定部は、各回転位置における強度値を、全測定値の中の最大強度あるいは最小強度で決定しても良いし、全測定値の平均値や中央値などの統計量を算出して決定しても良い。いずれにせよ、前記範囲内の各回転位置（波長）において統一した基準で決定すればよい。
分光器からの光の強度の測定は、所定の周期の間に少なくとも２回であれば良いが、標準光源の発光強度の変化を詳細に把握するため、前記周期の間に５回以上行うことが好ましい。
回折格子を波長分解能単位で回転させながら、分光器の回折格子で反射した標準光源の発光強度が最大になる回折格子の回転位置を見つける波長校正方法において、標準光源の発光強度の周期的な変動周期内で、回折格子で反射した反射光強度を少なくとも２回測定し、全測定値に基づき、当該回折格子の回転位置における強度値とすることで、上記標準光源の発光強度の周期的な変動の影響を除去できる。
以下、本発明を実施するための形態を実施例を用いて説明する。
本発明の実施例を図２（ａ）、図２（ｂ）および図３を参照して説明する。図２（ａ）は回折格子の回転位置に対応する波長位置と当該回折格子で反射した周期的な変動を有する標準光源の発光強度との関係を示す概略図である。また、図２（ｂ）は回折格子の各回転位置に対応する各波長位置毎に決定された強度値をプロットした図である。図３は本実施例の分光蛍光光度計の構成を示す概略図である。なお、図３の本実施例の分光蛍光光度計は、図１に示した従来の分光蛍光光度計に分光制御部６１、発光強度決定部６２およびピーク決定部６３を有する制御室６０が追加されていること以外は、図１に示した従来の分光蛍光光度計と構成は同じであるため、重複する説明を省略する。
図３に示す本実施例の分光蛍光光度計１では、波長校正を行う際に、通常使用時の光源１１に代えて、標準光源として輝線スペクトル光のピーク波長２５３.７ｎｍを有する水銀ランプを用いる。標準光源は、トランスを含む電源回路を介して商用電源から電力が供給される。このため、標準光源の発光強度は、商用交流電源の周期Ｔｓの１／２の周期Ｔの正弦波状の周期的変動を含んでいる。
校正は標準光源の輝線スペクトル光のピーク波長２５３.７ｎｍ近傍の波長範囲を走査すれば良いため、本実施例では、上記ピーク波長を含む２０４.０ｎｍ〜３０３.４ｎｍの範囲を波長校正実施範囲とする。
分光蛍光光度計１の分光制御部６１が格子駆動機構２４、５５を制御し、上記波長校正実施範囲の波長に対応する回折格子２２、５２の回転位置の範囲で、回折格子２２、５２を所定の波長分解能単位（αｎｍ＝０.７ｎｍ）で徐々に回転軸２２ａ、５２ａを中心として回転させる。
回折格子２２、５２が波長Ａｎｍに対応する回転位置になっている場合を図２（ａ）を参照して説明する。回折格子２２、５２がこの回転位置で停止している間、回折格子２２、５２で反射した水銀ランプの発光強度を、対照光検出器３４や蛍光検出器５４などの測光部で測定する。
測光部での測定は、前記変動周期Ｔ（東日本では１０ｍｓ、西日本では８.３ｍｓ）内で少なくとも２回測定すれば良いが、本実施例では、図２（ａ）のように、周期Ｔの間に６回測定した場合を説明する。周期Ｔ内で少なくとも２回測定するため、測光部での測定は、１回当たり５ｍｓ（又は４ｍｓ）以内で行う必要がある。測定回数が多くなるほど１回当たりの測定時間は短くする必要があるが、通常の光検出器における測定時間は、高々数十〜数百μｓあれば十分である。
図２（ａ）には波長Ａｎｍに対応する回折格子２２、５２の回転位置で、回折格子２２、５２で反射した水銀ランプの発光強度を６回測定した結果をプロットしており、６回の測定結果は全て異なる値である。図２（ａ）の例では、６回の全測定値の中の最大強度を該回折格子２２、５２の回転位置における強度値とする場合を示しており、発光強度決定部６２は、最大強度である２回目の測定結果を、波長Ａｎｍに相当する回折格子２２、５２の回転位置における強度値２０１と決定する。なお、本実施例では、全測定値の中の最大強度を該回折格子の回転位置における強度値２０１としたが、発光強度決定部６２は、全測定値の中の最小強度で決定しても良いし、全測定値の平均値や中央値などの統計量を算出して決定しても良い。いずれにしても、統一した基準で決定すればよい。
次に、格子駆動機構２４、５５が回折格子２２、５２を波長（Ａ＋α）ｎｍに対応する回転位置になるように回転させる。そして、この回転位置で停止している間、再び回折格子２２、５２で反射した水銀ランプの発光強度を、対照光検出器３４や蛍光検出器５４などの測光部で測定する。この時の６回の全測定結果も図２（ａ）にプロットしている。波長Ａｎｍの場合と同様に、発光強度決定部６２は、６回の全測定値の中の最大強度である２回目の測定結果を波長（Ａ＋α）ｎｍに対応する回折格子２２、５２の回転位置における強度値２０１として決定する。
このような分光器からの光の強度の測定および回折格子２２、５２の各回転位置における強度値２０１の決定を、上記波長校正実施範囲について繰り返して行うと、図２（ｂ）に示すような、回折格子２２、５２の各回転位置に対応する各波長位置毎に決定された強度値２０１をプロットした図が得られる。
図２（ｂ）にプロットされた各回折格子２２、５２の回転位置における強度値２０１の中で、最大の強度値が得られる点２０２が存在する。前記強度値が最大となる波長を決定するピーク決定部６３は、最大の強度値が得られる点２０２に対応する波長が標準光源である水銀ランプの輝線スペクトル光のピーク波長２５３.７ｎｍに相当すると決定する。そして、該波長に対応する回折格子２２、５２の回転位置が、標準光源である水銀ランプの輝線スペクトル光のピーク波長２５３.７ｎｍに対応することが確認され、分光蛍光光度計１の校正が行われる。
なお、本実施例では、標準光源として輝線スペクトル光のピーク波長２５３.７ｎｍを有する水銀ランプを用いたが、本発明はこれに限られず、ナトリウムランプなど、所定の輝線スペクトル光のピーク波長を有する任意の光源を用いても良い。また、標準光源が、分光蛍光光度計１の光源１１と交換される場合を説明したが、校正時に、ミラーなどで光軸を波長校正用の標準光源側に切り替えることで校正が行えるように、分光蛍光光度計が波長校正用の標準光源を内蔵していても良い。
標準光源の発光強度が商用交流電源の周期Ｔｓの１／２の周期Ｔで正弦波状に周期的に変動している場合を説明したが、本発明はこれに限られず、三角波状や矩形波状に周期的に変動している場合や、商用電源以外の原因で標準光源の発光強度が周期的に変動する場合でも、適用可能である。回折格子の各回転位置において、標準光源の変動周期内で少なくとも２回、回折格子からの反射光を測定し、全測定値に基づいて、該回折格子の回転位置における強度値を統一した基準で決定するため、標準光源の発光強度の周期的な変動の影響を除去して、標準光源の最大強度となる波長を正しく決定することができる。
１、１００…分光蛍光光度計
１０…光源部
１１…光源
１２…集光鏡
１３、２３、５１、５３…スリット
２０…励起分光部
２１…反射鏡
２２、５２…回折格子
２２ａ、５２ａ…回転軸
２４、５５…格子駆動機構
３０…モニタ部
３１…ビームスプリッタ
３２、３３、４２…レンズ
３４…対照光検出器
４０…試料室
４１…試料セル
５０…蛍光分光部
５４…蛍光検出器
６０…制御室
６１…分光制御部
６２…発光強度決定部
６３…ピーク決定部
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６３…ピーク決定部
Claims (2)
- 発光強度が所定の周期の変化を含む標準光源の光を分光器の回折格子に照射し、該回折格子により反射された光の強度を測定することにより波長を校正する方法であって、
a)前記標準光源の輝線スペクトル光のピーク波長を含む範囲の各波長に対応する前記回折格子の各回転位置において、前記回折格子で反射した反射光の強度を前記周期の間に少なくとも２回測定し、
b)該回転位置における全測定値に基づき、該回転位置における強度値を決定し、
c)前記強度値が最大となる波長を前記輝線スペクトル光のピーク波長と決定し、
前記強度値は前記全測定値の中の最大強度、前記全測定値の中の最小強度、前記全測定値の平均値、及び前記全測定値の中央値のいずれかである、ことを特徴とする分光器の波長校正方法。 - a)発光強度が所定の周期の変化を含む、既知の輝線スペクトル光を発する標準光源からの光を受け、分光する回折格子および該回折格子を回転駆動するための格子駆動機構を有する分光器と、
b)前記分光器からの光の強度を測定する測光部と、
c)前記輝線スペクトル光のピーク波長を含む範囲で所定波長毎に前記回折格子を回転するように前記格子駆動機構を制御する分光制御部と、
d)前記回折格子の各回転位置において前記周期の間に少なくとも２回前記分光器からの光の強度を測定し、該回転位置における全測定値に基づき、該回転位置の強度値を決定する発光強度決定部と、
e)前記範囲内において前記強度値が最大となる波長を前記輝線スペクトル光のピーク波長と決定するピーク決定部と
を備え、
前記強度値は前記全測定値の中の最大強度、前記全測定値の中の最小強度、前記全測定値の平均値、及び前記全測定値の中央値のいずれかである、ことを特徴とする分光光度計。
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