JPH01197617A - 分光器 - Google Patents
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Abstract
め要約のデータは記録されません。
Description
icbeam)の分光組成を測定するフォトダイオード
・アレイ分光器に関する。このような分光器は、たとえ
ば、サンプルの化学組成およびサンプル中の個々の構成
成分の量についての情報を得るためにサンプル物質の吸
収スペクトルを測定するのに使用することができる。
1984年4月発行の)Iewlett−Packar
dJourna Iの「高速分光計式LC検出器(rA
)Iigh−3peed Spectrophoto
metric LCDetector J ) Jと題
する論文に記載されている。従来の分光器はクロマトグ
ラフのカラムから溶離した物質を分析する液体クロマト
グラフに使用されている。この検出器(分光器)は紫外
線と可視放射の広域のスペクトルを発生する光源と、分
析するサンプル物質が流れるサンプル・セルにビームを
集中させる光学系とから構成されている。サンプル・セ
ルを通って流れる特定の物質に応じて、サンプルはサン
プル・セルに入る放射のある特性スペクトル部分を吸収
し、セルを流出する放射に対する分光組成によりサンプ
ル物質が示される。
トルはセルの後方の光路中に設置された回折格子を用い
て得られる。回折格子はいろいろな波長の光線をいろい
ろな方向に向ける。フォトダイオードの直線状アレイ
(linear array)は格子により回折された
光を受けるように配置されるこのようにして各ダイオー
ドは異なる波長範囲に対応する光を受ける。各フォトダ
イオード内に入射する光により生ずる電気信号は読出し
回路により読出され、特定のダイオードに当たる光の強
さを表わすディジタル・データ値に変換される。これら
データ値は次に波長の関数として便利な形で、たとえば
CRT画面に表示される。アレイのフォトダイオード全
部から非常に短い時間内で、典型的にはミリ秒の範囲で
、読出すことができるので液体がセルを通して連続して
流れていても、特定の時刻のサンプル・セル内に含まれ
る試料成分を表わすスペクトルを発生することができる
。
あり、これは波長が密接して隣り合っている放射成分が
如何に良く分離されて別々の成分として識別することが
できるかを示すものである。
たとえば、分光器の人口スリットの幅、回折格子の格子
定数、およびフォトダイオード・アレイの単位長あたり
のフォトダイオードの数に依存する。典型的には、フォ
トダイオード・アレイはフォトダイオード・アレイ分光
器の、分解能を最も制限する要素である。分解能は理論
的には単位長あたりのフォトダイオードの数を増し、隣
接フォトダイオード間の間隔を減らせば向上させること
ができるが、フォトダイオードの「バッキング密度(p
acking density)」に対する実際的な限
界が存在する。その結果、既知のフォトダイオード・ア
レイ分光器の分解能は限られ、到達可能な分解能は成る
用途にとっては不充分である。
解能を有する分光器を提供することにある。
び回折手段により回折されたビームの別 々の相対位置
をフォトダイオードによってそれぞれ受光された波長範
囲が小さい段階的に変ることができるように調節する変
位手段を備えている。
置で特定のフォトダイオードにより受光される波長範囲
は従って、他の相対位置におけるそのフォトダイオード
が受光する波長範囲とは異なる。異なる相対位置の調整
は連続する二つのステップで特定のフォトダイオードに
より受光される波長間隔が部分的に重なるような小さい
ステップで行うことができる。本発明に係る分光器は特
定のフォトダイオードに入射する波長範囲が常に同じで
ある従来のフォトダイオード・アレイ分光器より回折ビ
ームを細かくサンプルすることができる。従って本発明
は回折ビームの空間サンプリングを確実に改善し、それ
故、回折ビームの異なる位置が異なる波長に対応するの
でスペクトルのサンプリングが改善され、分光器の分光
分解能が向上する。本発明はまた、アレイと回折ビーム
との一つの相対位置で、フォトダイオード間のギャップ
に入射する回折光が他の相対位置で確実にフォトダイオ
ードに入射することが保障されるので回折ビームに含ま
れている実質上すべてのスペクトル情報を収集すること
ができ、従って分解能の向上にも寄与する。
複数の方法で行うことができる。本発明の一実施例では
、変位手段は回折手段の前方のビ−ム経路上に回転可能
な透明板を備えており、これによりビーム変位がビーム
の屈折のため生じ、板の回転の角度を調節することによ
り調節することができる。本実施例の長所は既に存在し
ている分光器の構成要素を再構成する必要無しに従来の
フォトダイオード・アレイ分光器で容易に実現すること
ができるということである。
経路内に設置された回転ミラーをビーム変位を行うのに
使用することができる。更に別の実施例において、分光
器を放射源からの放射を受けるように設置されたサンプ
ル・セル内のサンプルを分析するのに使うとすれば、ビ
ーム変位はビーム経路内でサンプル・セルを回転するこ
とにより行うことができ、サンプル・セルの前表面およ
び後表面での屈折によりビーム変位が得られる。
電駆動手段等を用いてフォトダイオード・アレイを機械
的に変位させることにより行うことができる。
ード・アレイとの所定数の相対位置を初期相対位置と最
終相対位置との間で調節し、これらの各位置ごとにフォ
トダイオード・アレイのすべてのフォトダイオードを読
出し、その読み取り値をストアする。初期相対位置と最
終相対位置との距離を隣接ダイオードの中心間距離に等
しくなるように選ぶことが好ましい。回折ビームを変位
しアレイを一定の位置に固定する一実施例では、このこ
とは回折ビームが全体としてその距離だけ複数個のステ
ップでシフトすることを意味し、フォトダイオード・ア
レイをシフトさせ、回折ビームを静止させてお〈実施例
では、このことはアレイの全変位経路が隣接ダイオード
間の距離に等しいことを意味する。両方の場合では、回
折ビームとフォトダイオード・アレイとの異なる相対位
置を調節することにより回折ビームに含まれているスペ
クトル情報が完全に走査される。スペクトルを発生する
場合、このようにして得たデータ値をフォトダイオード
の、それぞれ、データ値が誘導された位置に対応する波
長の値と関連づけられる。
プル・セルに含まれているサンプルを分析するのに使用
する場合には、サンプルがサンプル・セル内に存在する
状態で記録した第1のスペクトルを、サンプルがサンプ
ル・セル内に存在しないが他の条件は変らない状態での
ブランク・スペクトルとの差のスペクトルを形成するこ
とにより最終スペクトルを得るのが望ましい。この方法
で、サンプル・セルまたはセル内の溶媒により導入され
た光ビームの部分的変化を補償して、最終スペクトルが
サンプルそれ自身により光の変化だけを反映するように
することができる。
光器の伝達関数を使用してスペクトルの分解(deco
nvolution)を行うことにより更に処理するこ
とができる。分光器の伝達関数は分光器の人口スリット
および出口スリットの幅と回折手段の分散および結像特
定から計算することができる。
の多色光ビームの吸収を測定する、本発明に係る一実施
例を示す。本実施例は光源1、たとえば、重水素ランプ
を備えており、これは多色光放射(polychrom
atic radiation)のビーム2を発生する
。ビーム2はレンズ系3によりサンプル・セル5にフォ
ーカスされる。レンズ系は望ましくは異なる波長の光線
が実質上同じ焦点を持つようにする色消し系が好ましい
。シャッタ4は、フォトダイオード・アレイ11のフォ
トダイオードで暗信号(dark signal)を測
定するために光ビーム2を中断することができる。ビー
ム2がサンプル・セル5を通過する実際の測定プロセス
では、測定値より暗信号と他の電気的オフセット信号を
差し引くことにより測定誤差を補正する。
口6とを備えており、これを通して分析の対象となるサ
ンプル液体が連続して流れる。本実施例では、人ロアを
サンプル物質が連続的に溶出するクロマトグラフ分離カ
ラムに接続する液体クロマトグラフに使用するのに特に
適している。
固体の、サンプルを分光学的に分析しようとするすべて
の用途に有利に使用できる。
り部分的に吸収され、これにより、サンプル物質に応じ
て、一定波長の光線が他の波長の光線より強く吸収され
る。その結果、セルを出るビームはセルに入るビームと
は異なる分光組成を備えており、このようにして得られ
るスペクトルはセル内の物質とその量とに関する情報を
含んでいる。
el)ガラス板8を通して伝達される。ガラス板8は軸
9の周りにモータ14により回転することができるので
、ビーム2の方向とガラス板8の前表面の法線との間を
所望の角度に調整することができる。
うに設置すれば、入射ビームは偏向せずにガラス板8を
通過する。ガラス板8をこのような角位置から離して回
転すれば、ビームはガラス−空気境界面での屈折率の差
のため、ガラス板8の前表面と後表面とで屈折する。そ
の結果、出て行くビーム(outgoing beam
)は入って来るビーム−(incoming beam
)に対して変位している(displ−ace )。ガ
ラス板8によるビームの変位(displ−aceme
nt of beam)については第2図を参照して以
下に詳述する。ガラス板8は、たとえば、紫外から可視
スペクトルの範囲までの広い波長範囲にわたり透明な材
料である5uprasilで作ることができる。
射し、回折格子10はこれに入射するビームの異なる波
長に従って光を分散する。回折格子10からの空間的に
分離された光はフォトダイオード・アレイ11に入射す
る。フォトダイオード・アレイ11は複数の個々のフォ
トダイオード15.16などから成り、これらは不感光
ギャップにより分離されている。各フォトダイオードは
回折放射線の特定のスペクトル部分を受光(1nter
cepts)する。
1個のフォトダイオードから成り、その中心間隔は61
μmであり、ギャップ幅は14μmである。
されていて各フォトダイオード15.16等からの電気
信号を周期的に読み出し、これによりこれらの信号はそ
れぞれのフォトダイオード20に入射する光信号の強度
を表わす。読出し回路20は、たとえば、ヒユーレット
・パラカード社製のHP 1040A分光光度計検出器
(詳しくは、1984年4月号のヒユーレット・パラカ
ード・ジャーナルlew−Iett−Packard
Journal)の第31頁から第41頁に記載されて
いる)に使用されている読出し回路である。フォトダイ
オード・アレイ11からの電気信号は、典型的にアナロ
グ・ディジタル変換器とこれらディジタル値を記憶し更
に処理する回路とから成る信号処理回路21で更に処理
される。
信号をフォトダイオードの前述の暗電流に関しておよび
他の効果に対して補正する回路をも備えている。、望ま
しくは、デイスプレィ手段22に表示すべき最終スペク
トルは、二つの強度分布(すなわち、スペクトル)、サ
ンプル・セルにサンプルが存在しない状態の第1の強度
分布とサンプル・セルにサンプルが充満している状態の
第2の強度分布の二つの強度分布くすなわち、スペクト
ル)を連続的に記録し、これら二つの強度分布を互いに
電気的に引き算して求められる。このようにして得られ
た値より最終スペクトルは形成され、デイスプレィの画
面に単一の図面で、あるいはハードコピー上に表示され
る。このような図面では、横軸は回折光の波長を表わし
、縦軸はそれぞれの波長における光の強度を、あるいは
別のグラフ表現によれば、サンプルにより吸収された光
の量を表わしている。このデイスプレー手段22より表
示される一例を第3図に示す。
処理回路21、およびデイスプレィ手段22の動作は一
般にマイクロプロセッサから成るコントローラ23によ
り制御される。コントローラ23は対応する制御信号を
モータ14に供給することにより回転可能なガラス板8
の角度設定値をも制御する。
光器は従来のフォトダイオード・アレイ分光器を比較的
わずかだけ修正することにより構成することができる。
可能なガラス板を追加することにより構成することがで
きる。たとえば、本発明に係る分光器は前述のヒユーレ
ット・パラカード社製の分光光度計検出器HP 104
0A(1984年4月号のヒユーレット・パラカード・
ジャーナル第31頁から第41頁に記載されている)に
第1図に示すように回転可能なガラス板8を設け、ガラ
ス板8の回転と検出器の残りの動作とを適切に制御する
ことにより得ることができる。
分解能は、回転可能なガラス板8の複数の角度設定位置
でフォトダイオード・アレイ11を読取り、読取ったす
べての信号から以下に詳細に説明する方法で複合スペク
トルを生成することにより改善される。ガラス板8の角
度設定値を調節することにより、ガラス板8を通過して
からのビームの方向を調節することができる。その結果
、回折格子lOからフォトダイオード・アレイ11に向
−って回折されたビームの方向を調節することができる
ので、回折ビームはフォトダイオード・アレイ11を小
さいステップで走査し、回折ビームに含まれているスペ
クトル情報のサンプリングが改善される。
について第2図を参照して説明する。周囲空気とガラス
板8との間のインターフェース12で、入射するビーム
2はガラス板8の屈折率と入射の環境および入射角度に
応じて屈折する。ガラス板8を出るとき、ビームはイン
ターフェース13で再び屈折し、出射するビームが入射
するビームに対して量Tだけ平行に変位するようになる
。屈折の法則により、変位Tは T=slnl:Td・(n−1)/n (1)に
等しい。ここでεはビーム2の入射角であり、dはガラ
ス板8の厚さであり、n′はガラス板8の屈折率であり
、1は空気の屈折率である。
をフォトダイオード・アレイ11の上に像の縮小率が1
であるように、すなわち、格子が拡大も縮小も行わない
ようにフォーカスされた凹面格子である。このような格
子では、第2図に示すようなガラス板8でのビームの変
位Tはフォトダイオード・アレイ11でも同量で生ずる
ので、フォトダイオード・アレイ11での回折光線の変
位はガラス板8が既知の角度εだけ回転するとき式(1
)から直接計算することができる。
レイ11の隣接フォトダイオード間の中心間距離は61
μmであると仮定する。格子で回折された任意の光線の
、従ってガラス板8を通過する全ビーム2の総変位量T
を61μmに選定すれば、ガラス板8の成る角位置でフ
ォトダイオードにすべての回折光線が確実に入射するこ
ととなる。厚さが1.5mmで屈折率が1.5のガラス
板を使用すると、ガラス板8をビーム2に垂直な位置か
ら回転しなければならない角度は7゛となる。この全角
度範囲は複数の角度ステップでカバーされ、このような
ステップごとにフォトダイオードが読取られ、対応する
データがストアされる。隣接フォトダイオードの中心間
隔がpで各ステップでのビーム変位のステップ幅がSで
ある一般的な場合を考えると、回折ビームを完全に走査
するには次の式が満足されなければならない。
折格子の結像性質はどんなものでもよく上述の例の場合
のように1対1の結像に限られるものではないことが理
解される。更に分光器の回折手段は格子である必要はな
く、例えば、プリズム等の任意の回折要素を使用できる
ことがわかる。
実施例について説明する。操作を例示するため、それぞ
れベンゼン・サンプルのスペクトルを示す第3A図およ
び第3B図を参照する。第3A図は従来のフォトダイオ
ード・アレイ分光器で得たベンゼン・サンプルのスペク
トルを示し、第3B図は本発明に係る分光器で得た第3
A図と同じサンプルのスペクトルを示す。これら二つの
場合に使用した光源、レンズ系、サンプル・セル、格子
、およびフォトダイオード・アレイは同じである。第3
A図および第3B図では、吸光度(単位:AU)を波長
(単位:nm)に対してプロットしている。吸光度は特
定の波長でサンプルにより吸収された光の量を表わす数
値である。第3A図および第3B図に示すプロットはサ
ンプル・セル内のサンプルがクロマトグラフ・カラムか
ら溶出するクロマトグラフの場合に対して一般的である
。
から構成されてり、このような各データ点はフォトダイ
オード・アレイ11の特定のフォトダイオードで測定さ
れた信号から信号処理回路21により得られる。たとえ
ば、第3A図のデータ点31、32.33.34はフォ
トダイオード・アレイll内の隣接する4個のフォトダ
イオードから得られる。
波長)軸上に示す。第3A図では、データ点はスペクト
ルのより良いグラフ的印象のために実線で結んでいる。
トルあるいは「ブランク」スペクトル(”blank’
spectrum)を誘導し記憶させる。
ない。第2ステツプで、サンプル・セルにサンプが充満
している状態で、サンプルのスペクトルを誘導し記憶さ
せる。サンプル・スペクトルのデータ点の数は基準スペ
クトルのデータ点の数に等しい。次に、各データ点につ
いてブランク・スペクトルのデータ点の吸光度の値をサ
ンプル・スペクトルの対応するデータ点の吸光度の値か
ら差引いて二つのスペクトルの差を得る。結果は第38
eに示すスペクトルである。
するステップを繰返し行うことにより同じ方法で得られ
る。すなわち、フォトダイオード・アレイのすべてのフ
ォトダイオードを読取ること、読取った信号を処理し、
処理した信号をストアすること、およびガラス板8を小
さい角度で新しい角位置まで回転させること。第3B図
の例では、ガラス板8は総角度7°を通じて26の角度
ステップで回転する。フォトダイオード・アレイのフォ
トダイオードの総数をnと仮定すれば、n個のデータ点
がガラス板8の各角位置で記録される。
全な基準スペクトルまたは完全なサンプル・スペクトル
のデータ点の総数はnの26倍である。ガラス板8の各
折しい角位置に対して、特定のフォトダイオードが格子
lOからのビームの異なる部分を受信し、その結果異な
る波長範囲を受信することとなる。従って、吸光度の値
は従来のフォトダイオード・アレイ分光器の場合より実
質上多くの波長で得ることができるので、分光分解能が
実質上改善される。上述の実施例では、データ点の数は
従来の分光器で記録された第3A図のスペクトルと比較
して26倍増すことができる。本発明について更に例示
するため、第3A図の、データ点31と32との間のス
ペクトル範囲を考える。従来のフォトダイオード・アレ
イ分光計では、この範囲に2個のデータ点しかないが、
第3B図に示すスペクトルでは、この範囲に26個のデ
ータ点があり、分解能は向上される。第3A図に示す従
来のスペクトルでは、これらの二つのデータ点は隣接す
る二つのフォトダイオードから得られた信号に対応する
が、第3B図のスペクトルの上記の26個のデータ点は
一つのフォトダイオードからガラス板8の26の異なる
角位置で得られた信号に対応する。
変位はサンプル・セルと回折手段との間のビーム経路に
設置された回転ミラーによって行うことができる。ミラ
ーはサンプル・セルから伝達されたビームを回折手段に
向けて反射するが、この場合ミラーの回転角度を調節す
ることによりビームの変位を調節することができる。
レイに垂直な軸の周りに回転できるので、回折手段の回
転角を調節することにより所望のビーム変位を得ること
ができる。
イオード・アレイとの相対変位はフォトダイオード・ア
レイ前面の光路に光学要素を付加して得るのではなく、
フォトダイオード・アレイそのものを変位させて得る。
全体を直線に沿って小さいステップで偏移させることが
できる駆動手段、たとえば適切な歯車と結合したステッ
ピング・モータにより行うことができる。しかしながら
、フォトダイオード・アレイと結合した圧電素子を駆動
手段として使用することが好ましい。
ることにより簡単に制御できるからである。
転させるかわりに、アレイ11が段階的に直線的変位す
る他は、上述の実施例について説明したものと同じであ
る。
ば、アレイのフォトダイオードがそれぞれのスペクトル
範囲に感度を有する場合、可視、紫−外、または赤外の
各スペクトル範囲の放射の分光組成を確定するのに使用
できることが理解される。
用いた空間放射分布を走査する際の分解能の向上に使用
できることがわかる。
イと回折ビームの相対位置を複数のステップ区分でシフ
トさせることによって各フォトダイオードによるサンプ
リング・データ数が増加され、よって、スペクトル検出
の分解能を向上させることができる。
図は第1図のガラス板8の光路を示す部分詳細図。第3
A図は従来の分光計で得られたベンゼンのスペクトルを
表した図。第3B図は第1図の分光計で得られたベンゼ
ンのスペクトルを表わした図。 1:光源、3:レンズ系、4:シャッタ、5:サンプル
・セル、8ニガラス板、 10:回折格子、11:フォトダイオード・アレイ、1
4:モータ、20:読み出し回路、 21:信号処理回路、22:デイスプレー手段、23:
コントローラ。
Claims (2)
- (1)多色光放射ビームを受け、異なる波長についての
複数個の空間的に離れた回折光から成る回折ビームを生
成する回折手段と前記回折ビームのうち少なくとも一部
分を受光し、複数個のフォトダイオードより構成される
フォトダイオード・アレイを含む多色光放射ビームの分
光組成を決定する分光器において、前記フォトダイオー
ド・アレイの前記フォトダイオードと前記回折光の相対
的位置を調節する変位手段を具備することを特徴とする
分光器。 - (2)請求項第1項記載の分光器において、前記変位手
段は透明な面平行の板より成り、前記多色光放射ビーム
を受光し、前記回折手段に向けて前記多色光放射ビーム
を通過させ、前記板は駆動手段によって軸の周りに回転
可能であることより、前記板を通過した前記多色光放射
ビームの前記回折手段に対する入射角を変化させること
を特徴とする。
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