JPH0718757B2 - 光子計数測光装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は光子計数測光装置、特に光電子増倍管を利用し
て生物、化学発光等の微弱光を測光し、光子計数法によ
り発光試料の分析を行う光子計数測光装置に関する。

［従来の技術］ 光電子放出現象を利用した測光装置において、光電子増
倍管、光導電セル、イメージオルシコン、イオンチェン
バ等が光の検出、測定用に使用されている。

特に、光電子増倍管（フォトマルチプライヤー、以下PM
Tと称する）は、光電陰極と出力電極との間に１つ以上
の２次電子放出電極（ダイノード）を有しており、高い
電流増幅率が得られる光電管である。

従って、このPMTは特に高い光電感度や入射光強度の変
化に対する早い応答性が要求される場合に微弱光束測定
用電子管として広範囲に利用されている。

そして、この種のPMTを用いた測光装置では、主に光子
計数法により発光試料の分析が行われている。

すなわち、この光子計数法は、光がPMTの光電面に入射
され、光電子が放出されるとき光が極微弱であれば、光
子数に比例した出力が検出されるという原理に基づいた
微弱光検出方法である。

一般に、この種の光子計数法による測光装置としては、
その回路構成は大別してPMTのパルス信号を直接、計数
するフォトンカウンティング方式と、PMTのパルス出力
信号の直流成分から所定のパルス信号に変換、出力して
計数する直流成分測定方式とのいずれかが採用されてお
り、両者共に広範囲に利用されている。

具体的には、このような光子計数法における測光装置
は、例えばPMTに波高値弁別器と計数回路とを組み合わ
せることにより構成され、微弱光の測定を行っている。

すなわち、前記フォトンカウンティング方式を用いた測
光装置は、入射光子による光電子の１つ１つに対応する
PMT出力パルス信号を直接計数するために、高感度に微
弱光を測光することができる特徴がある。従って、極微
弱光の測光に対しては高精度に測定が可能である。

ところが、このフォトンカウンティング方式では、該PM
T出力パルス数を電気的に調整制御することが不可能で
あり、このために、発光試料から発せられる光が比較的
大きな入射光に対しては、複数のパルスが連続して出力
されてしまい、これにより測光回路の応答速度が悪くな
り、正常なパルス数を計数することができなくなるとい
う欠点があった。

この結果、発光試料の発光量が多い時には、高精度測定
が不可能であった。

そこで、従来において発光量の多い発光試料の分析に対
しては、直流成分測定方式が使用されている。

すなわち、この直流成分測定方式を用いた測光装置で
は、前記PMTの出力する出力パルス数は前記フォトンカ
ウンティング値の1/10〜1/100程度と少なくなるが、前
記高圧電源回路のPMT入力電圧を調整することにより、
電気的にPMT出力の直流電流を調整して、所定の電圧レ
ベルに変換することができる。そして、この電圧レベル
に応じたパルス数を出力し、これを計数しているので、
入射光量の多い発光試料を測定することが可能となる。

以上のようなことから従来の測光装置としては、上記フ
ォトンカウンティング方式と直流成分測定方式とが利用
され、被測定物である発光試料の発光量に応じて測定者
は両者のいずかれを選択し、使い分けていた。

すなわち、測定者は予め発光試料の発する発光量を試料
の種類等から予測し、該発光量が微弱光の場合にはフォ
トンカウンティング方式の測光装置を、強い光量の場合
は直流成分測定方式の測光装置をそれぞれ用意して所望
の発光試料の光量を測定していた。

［発明が解決しようとする課題］ しかしながら、従来の測光装置である前記フォトンカウ
ンティング方式や直流成分測定方式のいずれか一方の１
台の装置だけでは、極微弱光から強い光まで発する発光
試料の測定を行うことは不可能であった。

すなわち、前述したフォトンカウンティング方式では、
極微弱光測定専用のため強い光を発する試料に対しては
高精度測定に対応できず、測定可能とする方法として
は、光学的な絞り機構やフィルタ等を付加することによ
り、PMTの入射光量を可変させることが考えられてい
る。

しかし、機構的に装置が複雑になり、大型化するなどの
問題点があり、更に装置自体のS/N比が悪化するという
問題があった。

また、直流成分測定方式では、極微弱光に対しては著し
く低い直流レベルを検出することとなるので、どうして
も感度不足となる問題点があった。

従って、従来においては、極微弱光から強い光の測光に
対しては予めフォトンカウンティング方式と直流成分測
定方式との２台の測光装置を準備し、光量に応じていず
れかの方式を使用しなければ測定できなかった。

また、このために、測定者は異なる測定方式の２台の測
光装置を取り扱わなければならず、測定に手間と時間が
かかっていた。

発明の目的 本発明は上記従来の課題に鑑みなされたものであり、そ
の目的は、フォトンカウンティング回路と直流成分測定
回路とを並設して、極微弱光から強い光までの光量を発
する発光試料などに対しても１台の装置で測光可能とす
る光子計数測光装置を提供することにある。

［課題を解決するための手段］ 上記目的を達成するために、本発明に係る光子計数測光
装置によれば、発光試料の発光を光電子増倍管に入射さ
せ、該光電子増倍管により光量に応じた所定数及び波高
値のパルス信号を出力し、該パルス信号を計数して光量
を測定する光子計数測光装置において、前記パルス信号
のうち所定波高値以上を所定のパルスを出力するフォト
ンカウンティング回路と、前記パルス信号の光量に応じ
た直流レベルを検出し、この直流レベルに対応したパル
ス間隔のパルス信号を出力する直流成分測定回路と、前
記フォトンカウンティング回路と前記直流成分測定回路
との少なくともいずれか一方又は双方の出力するパルス
信号を入力し、該パルス信号を計数して測光値を出力す
る測光値出力回路とを有することを特徴としている。

［作用］ 以上のような構成としたので本発明によれば、発光試料
の発光量が予めわかっている場合において、発光試料か
ら発せられる光量が極微弱光のときは、前記フォトンカ
ウンティング回路を動作させ、所定波高値以上のパルス
信号を出力し、また、発光試料から発せられる光量が強
い光の時には直流成分測定回路を動作させ、光量に応じ
た直流レベルを検出し所定のパルス信号を出力する。

従って、前記測光値出力回路により、前記発光試料の発
する光量に応じて前記フォトンカウンティング回路と前
記直流成分測定回路との少なくとも一方又は双方の出力
するパルス信号を計数して、測光値を出力することがで
きる。

この結果、上記フォトンカウンティング回路と直流成分
測定回路との並設により、１台の測光装置で発光試料の
発する極微弱光から強い光までの光量を高精度に測定す
ることができる。

［実施例］ 以下、図面に基づいて本発明に係る測光装置の好適な実
施例を説明する。

第１図は本発明の第１実施例であり、フォトンカウンテ
ィング回路と直流成分測定回路と測光値出力回路とから
構成された測光装置の一例である。

図において、発光試料10は、生物発光、化学発光等の試
料特有の極微弱光10aや比較的強い光10bを発する液体で
ある。

PMT12は、発光試料が発する光10a,10bを入射する光電子
増倍管であり、該入射される光量に応じた所定数及び波
高値のパルスをパルス信号12a,12bとして出力する。

高圧電源回路14は、前記PMT12に高圧電圧、すなわちPMT
電圧14aを供給しており、PMT12の出力するパルス信号12
a,12bの波高値を可変することができ、所定値に設定し
ている。

次に、発光試料の極微弱光10aを測光するフォトンカウ
ンティング回路20は、図示の如くプリアンプ22とコンパ
レータ24と波形整形回路26とで構成され、コンデンサC1
により前記PMT12に接続されている。

コンデンサC1は、前記PMT12の出力するPMT出力信号12a
をフォトンカウンティング回路20へ入力するための結合
コンデンサであり、該パルス信号12aの直流成分を除去
している。そして、このコンデンサC1はプリアンプ22に
接続されている。

プリアンプ22は、PMT出力の微弱電流を所定振幅レベル
まで増幅する増幅回路である。

コンパレータ24は、前記プリアンプ出力の増幅された電
流値を入力し、設定されている電流波高値Vtと比較して
該波高値Vt以上の電流値を出力している。

波形整形回路26は、前記コンパレータ24の出力するVt以
上の電流値を波形整形して所定のパルス電圧信号を出力
する。

また、発光試料10の比較的強い光10bを測光する直流成
分測定回路としてのＣ−Ｐコンバータ30は、LP（ローパ
ス）フィルタ回路32と積分回路34とコンパレータ36、ワ
ンショット回路38、ドライブ回路40及びスイッチング素
子42により構成されている。

このＣ−Ｐ（カレント−パルス数）コンパレータ30は、
前記PMT12に接続され、LPフィルタ回路32にPMT出力信号
12bを入力している。

LPフィルタ回路32は、抵抗R1,R2及びコンデンサC2で構
成され、入力側の抵抗R1、出力側に抵抗R2とが直列接続
され、該抵抗R1,R2間の接続点からコンデンサC2を介し
てアースに接続されている。これにより、入力されるPM
T出力信号12bの直流成分から光量に応じた直流レベルを
検出している。

積分回路34は、オペアンプ33と積分コンデンサC3とで構
成され、前記抵抗R2に接続されているオペアンプ33の反
転入力端子（−）は、積分コンデンサC3を介して出力端
子に接続され、他方の非反転入力端子（＋）はアースに
接続されている。

この積分回路34は、前記LPフィルタ回路32らの直流電圧
レベルを入力し、該積分コンデンサC3の充放電により、
所定レベルの三角波積分電圧を出力する。

スイッチング素子42は、前記積分コンデンサC3と並列に
接続され、積分波形を生成するために、スイッチング
（ON/OFF）して、該積分コンデンサC3の充放電を行うス
イッチング回路である。例えば、TrやFET等が用いられ
る。

コンパレータ36は、前記積分回路34の出力する積分電圧
を入力し、設定されている電圧レベルVtと比較する比較
器である。

ワンショット回路38は、前記コンパレータ36の出力する
比較結果を入力し、これに対応して所定のパルス信号を
出力する、例えば単安定マルチバイブレータ等である。

ドライブ回路40は、前記ワンショット回路38の出力する
パルス信号に応じて前記スイッチング素子42をON/OFF駆
動するための回路である。すなわち、このドライブ回路
40により、該スイッチング素子42の駆動を停止して積分
回路34の動作を停止させることができる。

測光値出力回路50は、切替スイッチ52とカウンタ回路5
4、CPU回路56とから構成されており、前記フォトンカウ
ンティング回路20やＣ−Ｐコンバータ30の出力するパル
ス信号を該切替スイッチ52を介して入力させ、表示回路
60へ測光値信号として出力している。

すなわち、この測光値出力回路50は、この切替スイッチ
52の一方の入力接点ａには前記波形整形回路26の出力端
子が接続され、他方の入力接点ｂには前記ワンショット
回路38の出力端子が接続されている。

そして、該切替スイッチ52の出力端子はカウンタ回路54
に接続され、このカウンタ回路54の出力はCPU回路56に
接続されている。

切替スイッチ52は、前記フォトンカウンティング回路20
か、Ｃ−Ｐコンバータ30かのどちらかの出力するパルス
信号を選択するための２入力接点１出力スイッチであ
る。

ここで、前記フォトンカウンティング回路20を選択して
切替えた場合は、切替スイッチ52から停止制御信号52a
がＣ−Ｐコンバータ30のドライブ回路40へ出力される。

次に、第１図に示されている測光装置の回路動作を各部
の波形が示されている第２図を用いて説明する。

第２図は第１図に示されている各回路部で出力されるパ
ルス波形であり、横軸に時間ｔ、縦軸に電流Ｉ又は電圧
レベルＶを示す。

第１図において、まず、発光試料10を測光する場合、測
定者は発光試料の種類あるいは量等により極微弱光から
強い光までの発光量を予測して、切替スイッチ52を切替
える。すなわち、例えば発光量が極微弱光である場合を
以下、説明する。

この場合、切替スイッチ52をａ側にしてフォトンカウン
ティング回路20と測光値出力回路50とを接続する。そし
て、発光試料10を注入すると極微弱光10aが発せられ、P
MT12から所定のパルス信号12aが出力される。この出力
パルスは第２図（ａ）に示されているPMT出力電流分布
となる。

そして、このパルス信号12aは、直流成分を含んでお
り、１つ１つの光電子に対応する出力パルスのみをフォ
トンカウンテイング回路20に供給するため、直流分をカ
ットするコンデンサC1を介してこのプリアンプ22に該パ
ルス信号12aが入力される。

そして、プリアンプ22により所定レベルに増幅されたPM
T出力電流分布は、第２図（ｂ）のようになり、コンパ
レータ24に入力され、図に示すようにコンパレータ24が
設定された所定の波高値レベルVtと比較し、入力される
パルス信号12aのVt以上の波高値パルス信号24aのみを出
力する。

更に、該パルス信号24aは、波形整形回路26により波形
整形されて第２図（ｃ）のような光量に応じたパルス信
号に変換される。

これにより、前記フォトンカウンティング回路20から出
力されるこのパルス信号が測光値出力回路50の切替スイ
ッチ52を介し、カウンタ回路54により計数される。

そして、この計数結果を更にCPU回路56で画像信号にD/A
（デジタル・アナログ）変換し、所望の測光値を出力し
て表示回路60に画像表示させる。これにより、極微弱光
10aを発する発光試料の分析が行われる。

なお、前記切替スイッチ52は、フォトンカウンティング
回路20の動作時には停止制御信号52aをＣ−Ｐコンバー
タ回路30のドライブ回路40に出力して動作を一時停止さ
せている。

これにより、高感度、高帯域の微弱電流を増幅するプリ
アンプ22へのＣ−Ｐコンバータ30から発するスイッチン
グノイズによる影響を防止している。

また、フォトンカウンティング動作時において、高圧電
源回路14の高圧電圧14aは、一定のPMT出力パルス波高値
をPMT12から出力させるため、例えばCPU回路56の出力す
る制御信号により予め設定された一定値に保持されてい
る。

次に、発光試料の発する光量が多い場合の測定におい
て、例えば強い光を発する発光試料の光量を測光する場
合について、以下説明する。

まず、この場合には前記切替スイッチ52を前記ａ側から
ｂ側に切替え、測光値出力回路50をＣ−Ｐコンバータ30
に接続する。

そして、発光試料10を注入すると、強い光が発せられ、
PMT12からその光量に応じたパルス信号12bが出力され
る。

すなわち、このPMT出力電流のパルス信号12bは、１つ１
つの光子に対応する出力パルスのランダムな集まりであ
り、入射光量が多くなると各パルス間の間隔が狭くな
り、最終的に直流に近い状態となる。

そして、この出力パルス信号12bはLPフィルタ32に入力
され、これにより該パルス信号に含まれている直流成分
だけを通過させ、これに基づいて、例えば直流電圧に変
換して光量に応じた所定の直流電圧レベルが検出され
る。

ここで、もちろん、この出力パルス信号12bは、フォト
ンカウンティング回路20にはコンデンサC1により直流成
分が入力されない。

そして、この直流電圧レベルが積分回路34に入力され
る。

すなわち、オペアンプ33の反転入力端子（−）に直流電
圧が供給されると、積分コンデンサC3に電圧が充電さ
れ、ここで、充電電圧が次段のコンパレータ36に入力さ
れる。充電時には、スイッチ素子42は、スイッチオフ状
態（OFF）であるものとする。

そして、この充電電圧レベルはコンパレータ36に設定さ
れている設定レベルVrと比較され、Vrと一致する該コン
パレータ36は、ワンショット回路38にトリガ検出信号を
出力する。

これにより、ワンショット回路38が第２図（ｅ）に示す
所定パルス幅のパルス信号を一発出力し、測光値出力回
路50へ入力させると共に、ドライブ回路40にも入力させ
る。

更に、そのパルス信号は、ドライブ回路40を介し、スイ
ッチング素子42に供給され、スイッチオフ状態（OFF）
からオン状態（ON）に変わる。

ここで、もちろん、ドライブ回路40には、切替スイッチ
52からの停止制御信号52aが入力されておらず、該ドラ
イブ回路40は動作状態にある。

この結果、積分コンデンサC3に充電された電圧は放電し
始め、第２図（ｅ）に示すようにコンパレータ36で設定
されている電圧レベルVrでリセットされる。

これによって積分コンデンサC3の充放電電圧は三角波の
積分電圧となる。

以上のようにして、Ｃ−Ｐコンバータ30ではPMT出力電
流の直流成分により積分コンデンサC3の充放電により積
分され、その積分電圧が所定レベルVrに達すると、スイ
ッチング素子42がオン・オフされ、リセットされてリセ
ットパルスが該Vrの設定に応じて所定の周期で繰り返し
出力される。

そして、このＣ−Ｐコンバータ30の出力は、該リセット
パルス、すなわちワンショット回路38の出力するパルス
信号となり、単位時間当りの出力パルス数（リセットす
る回数）は、Ｃ−Ｐコンバータ30の入力電流に比例する
ことになり、光量に応じたパルス信号を出力することが
できる。

そして、該パルス信号は、測定値出力回路50に入力さ
れ、同様にして切替スイッチ52を介し、カウンタ回路54
で計数され、更にCPU回路56を介して測光値出力が表示
回路60に画像表示される。

また、Ｃ−Ｐコンバータ動作時において、高圧電源回路
14のPMT高圧電圧14aは、光量に応じてＣ−Ｐコンバータ
の出力パルス数が適切な範囲の値となるように前記CPU
回路56で調整制御することができる。これにより、比較
的強い光量に対しても測光が可能となる。

なお、フォトンカウンティング回路20及びＣ−Ｐコンバ
ータ30は、共に入力電流が微弱なため、装置として例え
ば、入力ラインに寄生容量や浮遊容量などが加わると発
振してしまったり、また両回路を並列接続した場合に
は、入力容量やインピーダンス不整合による相互干渉を
起こしたりする不具合が生じる。

また、切替スイッチ52で両回路を切替える場合には、配
線等による寄生容量やスイッチ自体のリーク電流等が発
生する。

このようなことから、本実施例では前記直流カットコン
デンサC1やLPフィルタ回路32により、上記のような点を
改善することが可能となり、パルス成分と直流成分とを
有効に分離し、かつ両回路の相互干渉を防止している。

以上のようにして本実施例によれば、フォトンカウンテ
ィング回路20及びＣ−Ｐコンバータ30は、共にPMT12の
入射光量に比例した数のパルス信号を出力し、単一のカ
ウンタ回路54、CPU回路56、表示回路60をスイッチ又は
ゲート回路等により切替えて使用することが可能とな
り、その分、回路構成を共通化して簡略することができ
る。もちろん、カウンタ回路54をそれぞれ独立に設けて
計数しても良い。

次に、第３図には、Ｃ−Ｐコンバータ回路の他の実施例
が示されている。

このＣ−Ｐコンバータ70は、Ｃ−Ｐコンバータの回路形
式として積分コンデンサC4がコンパレータ33の反転入力
端子（−）とアース間に並列接続され構成されている。

これにより、積分コンデンサC4にはLPフィルタ回路32の
出力する直流電圧が入力されて充電が行われる。従っ
て、前述した第１図の積分回路34と同様な動作により、
積分された電圧出力を得ることができる。

そして、このＣ−Ｐコンバータ70は前述したＣ−Ｐコン
バータ30よりもオペアンプ33を削除でき、簡単な回路構
成で直流成分の測定が可能である。

また、更に第４図には、直流成分測定回路として他の実
施例が示されており、前記Ｃ−Ｐコンバータ30,70に代
わってＩ−Ｖ変換回路80とA/Dコンバータ82とで構成さ
れた直流電流測定回路84が示されている。

図において、Ｉ−Ｖ変換回路80はオペアンプ84と帰還抵
抗R3で構成されており、この回路80は該オペアンプ84の
反転入力端子（−）と出力端子間に帰還抵抗R3が接続さ
れ、非反転入力端子（＋）は、アースに接続されてい
る。

これにより、前述した前記LPフィルタ回路32から入力さ
れる光量に応じた所定レベルの直流電流ＩをVo＝Ｉ×R3
により、電圧レベルにVoに変換している。

A/Dコンバータ82は、前記Ｉ−Ｖ変換回路80の出力電圧
を入力して、該電圧レベルに応じた所定のパルス信号を
生成し、かつ計数し、計数結果として測光量を出力す
る。

測光値出力回路90は、前述した測光値出力回路70と基本
的には同一機能の回路であり、フォトカウンティング回
路20の出力するパルス信号を計数するカウンタ回路54と
CPU回路57とから構成されている。すなわち、CPU回路57
は、前記A/Dコンバータ82及び該カウンタ回路54の出力
するパルス信号を入力し、両回路のいずれか一方又は双
方の計数結果を測光値出力信号として出力する。

これにより、本実施例では、前述した第１図に示されて
いる切替スイッチ54を設けること無く、例えばCPU回路5
7の制御によってフォトンカウンティング回路20及び直
流電流測定回路84のどちらか一方又は双方の出力結果、
すなわち極微弱光、強い光の測光値結果を表示回路60上
に画像表示することができる。

［発明の効果］ 以上のようなフォトンカウンティング回路と直流成分測
定回路とを並設した本発明に係る光子計数測光装置によ
れば、極微弱光から比較的強い光までの光量を発する各
種発光試料を１台の測光装置で簡単な操作により測定す
ることができる。

更に、並設されている前記各回路の出力信号を測光値出
力回路で共通に測光するので、回路構成を大幅に簡略化
でき、かつ光学系の機構も共通化できるので、装置自体
を小型化、軽量化できる効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明に係る第１実施例を示す光子計数測光
装置の回路構成図、 第２図は、前記第１実施例に示す回路構成の各回路部の
出力波形を示した説明図、 第３図は、前記第１実施例に示すＣ−Ｐコンバータの他
の実施例を示した回路構成図、 第４図は、本発明に係る第２実施例を示す光子計数測光
装置の回路構成図である。 10……発光試料 10a……極微弱光 10b……強い光 12……PMT 12a,12b……PMT出力パルス信号 20……フォトンカウンティング回路 22……プリアンプ 24,36……コンパレータ 26……波形整形回路 30……Ｃ−Ｐコンバータ 32……LPフィルタ回路 34……積分回路 38……ワンショット回路 40……ドライブ回路 42……スイッチング素子 50,90……測光値出力回路 52……切替スイッチ 54……カウンタ回路 56……CPU回路 C1……結合コンデンサ C2……コンデンサ C3,C4……積分コンデンサ R1,R2……抵抗 R3……帰還抵抗。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】発光試料の発する光を光電子増倍管に入射
   させ、該光電子増倍管により光量に応じた所定の数及び
   波高値のパルス信号を出力し、該パルス信号を計数して
   光量を測定する光子計数測光装置において、 前記パルス信号のうち所定波高値以上のパルスを出力す
   るフォトンカウンティング回路と、 前記パルス信号の光量に応じた直流レベルを検出し、こ
   の直流レベルに対応したパルス間隔のパルス信号を出力
   する直流成分測定回路と、 前記フォトンカウンティング回路と前記直流成分測定回
   路との少なくともいずれか一方又は双方の出力するパル
   ス信号を入力し、該パルス信号を計数して測光値を出力
   する測光値出力回路と、 を有することを特徴とする光子計数測光装置。