JPH0674895A - 電界型全反射測定装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【構成】 カセグレン主鏡１２２及びカセグレン副鏡１
２４を有し、前記副鏡１２２、主鏡１２４の順に反射さ
れた光を被測定試料上に集光し、その全反射光を主鏡１
２４、副鏡１２２の順に反射させて得るカセグレン鏡１
２０と、半球状あるいは先端が平頭円錐状に形成され、
該半球状の平面あるいは円錐状の平頭面が被測定試料に
当接されるとともに、前記カセグレン鏡１２０の集光位
置となるように配置された導電性材料からなる全反射プ
リズム１１６と、前記全反射プリズム１１６側に配置さ
れ、所定極性の電圧が印加される誘引電極部と、前記誘
引電極部とは逆極性の電圧が印加された電極端面が前記
被測定試料に浸漬されるとともに、前記全反射プリズム
１１６の平面あるいは平頭面と平行に対向配置された対
向電極部１２３と、を備えたことを特徴とする全反射測
定装置。 【効果】 微量な被測定試料中の測定荷電物質の全反射
測定を正確かつ容易に行うことが可能となる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は電界型全反射測定装置、
特に荷電粒子を含んだ液状試料の測定に好適に用いられ
る電界型全反射測定装置の改良に関する。

【０００２】

【従来の技術】荷電粒子を含んだ液状試料の各種光学的
データーを得るために、電気泳動法により試料中の成分
を分離させ、該分離した試料からの反射光、或いは試料
の透過光を測定する方法が周知である。前記電気泳動法
は、一般的にゲル等の支持体をチューブ内に充填し、該
チューブの一部に液状試料を注入した後、チューブ両端
に電圧を印加することにより、試料中の物質がそれぞれ
の性質に伴い対極したどちらかの極に移動する現象を利
用して試料中の成分を分離させるものである。しかし、
前記方法では測定終了毎にチューブ内の支持体を取り出
し、新たな支持体を充填しなおさなければならず作業効
率が悪いという問題がある。また、チューブ内の所定部
分に一定量の試料を正確に注入する工程も作業効率をさ
らに低下させてしまう。

【０００３】そこで、支持体を用いずに測定する方法と
して、図４に示すようにセル１２の対向面を二つの電極
部材１４ａ，１４ｂで形成し、該電極部材１４ａ，１４
ｂを電源１５に接続する。そして、セル１２内に荷電粒
子を含む液状試料１０を充填し、電源１５により電極部
材１４ａ，１４ｂに電圧を加えて液体試料１０中の荷電
物質を直接一方の電極１４ａ側に誘引させる方法が検討
されている。そして、図４中、Ｌ₁で示すように電極１
４ａ近傍に該電極１４ａと平行に光を透過させるか、或
いはＬ₂で示すように電極１４ａと直交するように光を
透過させなければならない。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかし、Ｌ₁のように
に光を透過させる場合、電極１４ａに誘引された物質を
測定するためには、該電極１４ａにより近接した位置に
光を透過させなければならないが、電極１４ａが邪魔に
なってしまい、光路調整が非常に困難である。また、前
記Ｌ₂のように光を透過させた場合には、分離した試料
全体に光を透過させるため平均化された測定結果がえら
れるのみであり、正確な測定結果を得るためには有効な
方法ではない。さらに、前記荷電粒子を含んだ液状試料
は、その大部分が水溶液であり、例えば赤外分光法によ
り該水溶液の光学的データーを得る際には、水が赤外領
域において非常に強い吸収を有するため赤外光透過測定
を行うことは極めて困難である。即ち、前記水による赤
外光吸収の影響を軽減するためには、光が透過する方向
のセル１２の厚みを非常に薄くしなければならい。しか
し、セル１２の厚みを薄くすると、セル１２の内面にお
ける多重反射による干渉が発生し、測定スペクトルに歪
を与え正確な測定結果が得られなくなってしまうのであ
る。本発明は前記従来技術の課題に鑑みなされたもので
あり、その目的は荷電粒子を含んだ溶液に電界をかけ
て、その挙動を光学的に把握することのできる電界型全
反射測定装置を提供することにある。

【０００５】

【課題を解決するための手段】前記目的を達成するため
に本発明にかかる電界型全反射測定装置は、カセグレン
主鏡及びカセグレン副鏡を有し、前記副鏡、主鏡の順に
反射された光を荷電粒子を含む被測定試料上に集光し、
その全反射光を主鏡、副鏡の順に反射させて得るカセグ
レン鏡と、カセグレン副鏡の下部に配置され、半球状あ
るいは先端が平頭な円錐状に形成され、該半球状の平面
あるいは円錐状の平頭面が前記荷電粒子を含む被測定試
料に当接されるとともに、前記カセグレン鏡の集光位置
となるように配置された導電性材料からなる全反射プリ
ズムと、前記全反射プリズムの平頭面近傍に荷電粒子を
誘引させるため、該全反射プリズム側に配置され、所定
極性の電圧が印加される誘引電極部と、前記誘引電極部
とは逆極性の電圧が印加された電極端面が前記荷電粒子
を含む被測定試料に浸漬されるとともに、前記全反射プ
リズムの平頭面と平行に対向配置された対向電極部と、
を備えたことを特徴とする。

【０００６】

【作用】本発明者らは、前記荷電粒子を含んだ液状試料
である水溶液の測定に、試料溶液に光を透過させる必要
のない全反射測定法（ＡＴＲ）を応用することとした。
この全反射測定原理を図５に従って説明する。同図にお
いて、被測定物１０上に、該被測定物１０の屈折率ｎ₂
よりも大きい屈折率ｎ₁を有するＡＴＲ半球状プリズム
１６又はＡＴＲ三角柱プリズム１６を搭載し、外部から
プリズム１６に波長λの光束を入射させる。そして、プ
リズム１６から被測定物１０に対する入射角θを臨界角
θ_cより大きくすると、入射光は被測定物１０とプリズ
ム１６の臨界面で全反射されるが、この反射点では被測
定物１０内に光束が僅かに進入する。この進入深さd_pを
光強度が１／ｅになる深さで定義すると、波長λの場
合、進入深さｄ_Pは次の数１で示される。

【０００７】

【数１】 ｄ_P=λ／［２πｎ₁｛（ｓｉｎ²θ−（ｎ₂/ｎ₁）²｝^1/2］ 従って、被測定物１０が光を吸収すると、臨界面上で全
反射される光はその分減少する。このような被測定物１
０とプリズム１６の臨界面における全反射光の特性を解
析することにより、被測定物１０が前記水溶液のように
著しく強い赤外光の吸収を示す場合であっても、該被測
定物１０から光学的情報を得ることが可能となる。そし
て、本発明にかかる全反射測定装置においては、前述し
たように全反射プリズムへの入射及び反射光はカセグレ
ン鏡により集光され、該カセグレン鏡によって入射及び
反射角度範囲についてプリズムを透過する。従って、該
プリズムの平面あるいは平頭面を被測定試料に当接させ
るのみで、該被測定液の全反射測定を行うことが可能と
なり、例えば液滴等が被測定試料であっても、極めて容
易に全反射測定を行うことが出来る。

【０００８】全反射プリズム側には、所定極性の電圧が
印加された誘引電極部が配置され、一方該全反射プリズ
ムの平面あるいは平頭面と対向位置には、電源の他方の
極と接続された対向電極部の電極端面が配置されてい
る。そして、前記誘引電極部及び対向電極部の電極端面
とも荷電粒子を含む被測定試料に接しているため、電源
より被測定試料に電圧が印加される。この結果、前記平
面あるいは平頭面と電極端面の間にある被測定試料中の
成分の内、誘引電極部と反対極性の荷電を有する物質は
全反射プリズムの平面あるいは平頭面近傍に、また対向
電極部と反対極性の荷電を有する物質は電極端面近傍に
それぞれ誘引される。なお、電源の接続向きを逆にする
ことにより前記誘引される物質もそれぞれ逆になる。従
って、前記全反射プリズムの平面あるいは平頭面におい
て全反射測定を行うことにより、該平面あるいは平頭面
近傍に誘引された成分の正確な全反射測定が可能とな
る。

【０００９】

【実施例】以下、図面に基づき本発明の好適な実施例を
説明する。図１には本発明の一実施例にかかる電界型全
反射測定装置の概略構成が示されており、前記従来技術
と対応する部分には符合１００を加えて示し説明を省略
する。また、図２には本実施例に用いられる全反射プリ
ズム及び電極部の拡大図が示されている。同図に示す電
界型全反射測定顕微鏡は、カセグレン鏡１２０と、それ
自体誘引電極部を構成するＡＴＲプリズム１１６と、電
極接続部１２１と対向電極部１２３とを備えている。即
ち、前記カセグレン鏡１２０は、中心部に穴１２２ａが
形成された凹面鏡よりなるカセグレン主鏡１２２と、前
記カセグレン主鏡１２２よりも径の小さい凸面鏡よりな
るカセグレン副鏡１２４とを、中心軸Ｃを一致させて対
向配置している。

【００１０】一方、全反射プリズム１１６は、図２に示
されるように略円錐状に形成され、その先端部が平頭面
１１６ａを形成している。前記カセグレン主鏡１２２は
主鏡保持部材１２６に接着固定され、一方カセグレン副
鏡１２４は副鏡保持部材１２８により光路を妨げないよ
うに保持されている。そして、主鏡保持部材１２６は外
枠１３０に上下動自在に螺合されており、任意の螺合位
置で固定ネジ１３１を締めつけることにより固定可能で
ある。また前記副鏡保持部材１２８は同じく外枠１３０
に対し光軸調整ネジ１３２によって保持されており、該
光軸調節ネジ１３２を調整することにより、カセグレン
副鏡をその光軸と直交する面上で位置調整することがで
きる。従って、前記外枠１３０と主鏡保持部材１２６の
螺合状態を変更することにより主鏡１２２と副鏡１２４
の相対距離を変更し、更に光軸調整ネジ１３２を調整す
ることにより主鏡１２２と副鏡１２４の光軸を一致させ
ることが出来る。

【００１１】一方、前記プリズム１１６は、コーン状保
持枠１３４の先端部に、該プリズム１１６の平頭面を表
出した状態で接着固定されており、該コーン状保持枠１
３４はホルダー１３６に調整ネジ１３８によって光軸と
直交する平面上で位置変更可能に保持されている。該ホ
ルダー１３６は前記外枠１３０に上下動自在に螺合され
ており、位置決めネジ１４０を絞めつけることにより、
任意の上下位置でプリズム１１６を位置決めすることが
できる。また、前記全反射プリズム１１６は導電性を有
する半導体材料より形成されている。即ち、一般的なＡ
ＴＲプリズムとしては、水溶液の屈折率が小さいため、
ＺｎＳｅが用いられているが、該ＺｎＳｅは絶縁物質で
あり、誘引電極部として機能させることができないので
ある。なお、前記半導体材料としては、ゲルマニウムが
好適である。

【００１２】そして、電極接続部１２１はオーミックコ
ンタクト膜１４２及びリード線１４４ａよりなり、前記
図２に示すように前記全反射プリズム１１６の円錐面に
は該オーミックコンタクト膜１４２が付着メッキされて
いる。さらに、前記オーミックコンタクト膜１４２に
は、電源１１５の一方の極から伸びたリード線１４４ａ
がコーン状保持枠１３４に形成された穴を通して接続さ
れている。リード線１４４ａはコーン状保持枠１３４に
接着剤１４６により固着されている。即ち、前記全反射
プリズム１１６が半導体材料のため、リード線１４４ａ
を直接接続しても、全反射プリズム１１６を直接電極と
しては用いられない。このため、全反射プリズム１１６
とリード線１４４ａの接続媒体としてオーミックスコン
タクト膜１４２を設けているのである。ここで、全反射
プリズム１１６に用いられるゲルマニウムは一般的にｎ
型或いはｐ型の半導体となっている。そして、ｎ型の場
合には、前記オーミックコンタクト膜１２５の材料とし
てＳｎを、またｐ型の場合にはＡｕ或いはＩｎ等を用い
るのが好適である。

【００１３】また、前記全反射プリズム１１６の対向位
置には円柱状の対向電極部１２３が設けられており、該
対向電極部１２３の平面な電極端面１２３ａが全反射プ
リズム１１６の平頭面１１６ａと平行となるように配置
されている。そして、前記対向電極部１２３は前記電源
１１５の他方の極とリード線１４４ｂを介して接続され
ている。なお、対向電極部１２３の材質は電界を掛けた
時に安定したものであれば良く、Ａｕ或いはカーボン等
が好適である。図３には前記対向電極部１２３の設置構
成が示されている。同図に示すように絶縁材であるガラ
ス板１４８の表面中央に形成されたカップ状の窪み１４
８ａに対向電極部１２３が埋め込まれている。そして、
対向電極部１２３の電極端面１２３ａの水平位置がガラ
ス板１４８の表面位置より若干低くなるように接着剤１
４９により該ガラス板１４８に固着されている。

【００１４】本実施例にかかる全反射測定装置は概略以
上のように構成され、次にその作用について説明する。
まず、前述したようにプリズム１１６の平頭面１１６ａ
と対向電極部１２３の電極端面１２３ａとが平行に対向
配置するように顕微鏡のステージ上にガラス板１４８を
載置する。そして、ガラス板１４８の窪み１４８ａに荷
電粒子を含んだ被測定液１１０を滴下し、対向電極部１
２３を該被測定液１１０に浸漬させる。一方、カセグレ
ン鏡１２０及びプリズム１１６についても位置決めを行
う。そして、顕微鏡のステージの高さを調節して、ガラ
ス板１４８の窪み１４８ａに滴下した被測定液１１０の
液面にプリズム１１６の平頭面１１６ａを僅かに浸漬さ
せる。

【００１５】従って、被測定液１１０は、対向配置され
た平頭面１１６ａと電極端面１２３ａによって挟み込ま
れることとなる。この状態において電源１１５から電流
が流れ、プリズム１１６の平頭面１１６ａが一方の電極
となり、また対向電極部１２３の電極端面１２３ａが他
方の電極となり、被測定液１１０に電圧が印加される。
このため、被測定液１１０中の荷電粒子を含む物質が、
それぞれの有する極性と反対極性の電極へと誘引される
こととなる。従って、プリズム１１６の平頭面１１６の
電極を測定したい物質が有する極性と反対極性にするこ
とにより、測定物質を平頭面１１６ａに誘引することが
できる。そして、図１において赤外光源１５０から出射
された光束をマイケルソン干渉計１５２に導光して赤外
干渉光を生成し、これを固定鏡１５４で反射させて入射
光１５６を形成する。そして該入射光１５６はカセグレ
ン副鏡１２４、カセグレン主鏡１２２及びプリズム１１
６を介して被測定液１１０上に照射され、該被測定液１
１０とプリズム１１６の臨界面からの全反射光１５８が
形成される。該全反射光１５８は、固定鏡１６０で反射
されてＭＣＴ検出器１６２でその光強度が検出され、そ
の検出信号が信号処理装置１６４に供給される。一方レ
ーザー１６６から出射されたレーザー光をマイケルソン
干渉計１５２に導光し、レーザー干渉光を生成してその
光強度をホトダイオード１６８で検出し、その検出信号
をサンプリング信号として信号処理装置１６４に供給す
る。該信号処理装置１６４は、このサンプリング信号に
同期して、ＭＣＴ検出器１６２からの光強度信号を読取
り、公知の信号処理を行って赤外吸収スペクトルを求
め、これをレコーダー１７０に出力させる。

【００１６】なお、前記カセグレン副鏡１２４下部には
マスク１７２が設けられ、該マスク１７２はプリズム１
１６の全反射の臨界角より小さい入射角の光線を遮光す
る。以上のようにして、プリズム１１６の平頭面１１６
ａに誘引された測定荷電物質の全反射測定を行うことが
可能となる。なお、プリズム１１６の平頭面１１６ａに
測定荷電物質を効率良く正確に誘引するために、前記コ
ーン状保持枠１３４には、プラスチック等の絶縁物材を
用いるのが好適である。即ち、コーン状保持枠１３４が
被測定液１１０に僅かでも接触した場合、該コーン状保
持枠１３４が導電性を有していると電極となってしま
い、コーン状保持枠１３４にも測定荷電物質が誘引され
てしまうからである。

【００１７】以上説明した本実施例にかかる電界型全反
射測定装置は、プリズム１１６にｎ型半導体のゲルマニ
ウムを用い、円錐面にオーミックコンタクト膜１４２と
してＳｎを真空蒸着で約１ミクロン程度付着メッキし
た。また、プリズム１１６の平頭面１１６ａの直径を１
ｍｍに、対向電極部１３２の電極端面１３２ａの直径を
２ｍｍにそれぞれ形成し、電極端面１３２ａの水平位置
をガラス板１４８の表面位置より１ｍｍ低い位置に設定
することにより、荷電粒子を含んだ測定試料の平頭面１
１６ａへの誘引が効率良く行われた。なお、顕微鏡のス
テージを昇降させガラス板１４８の水平位置調整をする
ことにより平頭面１１６ａと電極端面１２３ａとの間
隔、即ち電極間の距離を、試料の特性と印加する電圧に
応じて好適な距離に設定することが可能となる。また、
被測定液の屈折率を１．４程度と想定し、またプリズム
１１６としてゲルマニウムを用いた場合、全反射の臨界
角は２０．５度となる。そして、カセグレン鏡１２０の
ＮＡをそれぞれ約１０度大きくとると、該カセグレン鏡
１２０の開口角は６０度となるため、プリズムの円錐角
も６０度に設定した。この結果曲率半径が３mmのプリズ
ム１１６を円錐角６０度に形成することにより、優れた
全反射測定能を得ることが出来た。

【００１８】以上のように本実施例に係る全反射測定装
置によれば、全反射プリズム１１６を電極として作用さ
せているため、電極面となる平頭面１１６ａにおいて全
反射測定ができ、平頭面１１６ａに誘引された荷電物質
を正確かつ容易に全反射測定することが可能となる。ま
た、従来の様に液体試料をセルに注入する必要がなく、
測定操作が極めて簡易であると共に、前記プリズム１１
６の先端部分の直径１ｍｍ程度の平面部のみを被測定液
に浸漬させればよいため、被測定液が極めて微量であっ
ても正確な全反射測定を行うことが可能となる。なお、
前記実施例においてはＡＴＲプリズム自体を誘引電極部
として用いたが、プリズムの全反射面に接触させて金属
ワイヤーのグリッド電極を配置すること、或いはプリズ
ムの全反射面に金属グリッドをメッキして電極とするこ
と等も可能である。また、前記実施例においては、ＡＴ
Ｒプリズムの形状を先端が平頭な円錐状としたが、該形
状は試料が液体の場合に好適であり、試料がゼリー状等
の半固体の場合には、ＡＴＲプリズムの形状を半球状に
形成することが好適である。

【００１９】

【発明の効果】以上説明したように本発明にかかる電界
型全反射測定装置によれば、全反射プリズム近傍に誘引
電極部を配置することにより、全反射プリズムの半球状
の平面あるいは円錐状の先端平頭面に被測定試料中の荷
電物質を誘引し、かつ前記平面あるいは先端平頭面を全
反射面としているので、微量な被測定試料中の測定荷電
物質の全反射測定を正確かつ容易に行うことが可能とな
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１実施例にかかる電界型全反射測定
装置の概略構成図である。

【図２】図１に示した電界型全反射測定装置に用いられ
るプリズム及び電極部の説明図である。

【図３】図２に示した対向電極部の設置構成の説明図で
ある。

【図４】従来の荷電粒子を含む液体試料の試料分離装置
の説明図である。

【図５】全反射測定原理の説明図である。

【符号の説明】

１０，１１０…被測定液 １１６…プリズム １２０…カセグレン鏡 １２３…対向電極部 １４２…オーミックコンタクト膜

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 カセグレン主鏡及びカセグレン副鏡を有
   し、前記副鏡、主鏡の順に反射された光を荷電粒子を含
   む被測定試料上に集光し、その全反射光を主鏡、副鏡の
   順に反射させて得るカセグレン鏡と、 カセグレン副鏡の下部に配置され、半球状あるいは先端
   が平頭な円錐状に形成され、該半球状の平面あるいは円
   錐状の平頭面が前記荷電粒子を含む被測定試料に当接さ
   れるとともに、前記カセグレン鏡の集光位置となるよう
   に配置された導電性材料からなる全反射プリズムと、 前記全反射プリズムの平頭面近傍に荷電粒子を誘引させ
   るため、該全反射プリズム側に配置され、所定極性の電
   圧が印加される誘引電極部と、 前記誘引電極部とは逆極性の電圧が印加された電極端面
   が前記荷電粒子を含む被測定試料に浸漬されるととも
   に、前記全反射プリズムの平頭面と平行に対向配置され
   た対向電極部と、 を備えたことを特徴とする全反射測定装置。