JPS63302345A - 光−熱変換分析法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ この発明は、分析されるべき試料に光を照射したとき、
その光が熱に変換される原理を利用する、光−熱変換分
析法に関するものである。

［従来の技術］ たとえば吸光種（色素）を溶解した溶液の濃度を測定す
るため、吸光光度分析法が用いられている。このような
分析法においては、試料内を透過した光の強度がたとえ
ば光電素子によって検出され、この光電素子から出力さ
れる電気信号に基づき、溶液の濃度が決定される。

［発明が解決しようとする問題点］ 上述した吸光光度分析法において、ランベルト・ベール
の法則に従った吸光度を示す数値は、感度と相関関係を
有しており、従来、この吸光度は、“０．００１“のオ
ーダであった。なお、この数値は、より小さいほど、感
度が高いことを示すものである。

そこで、この発明は、従来の吸光光度分析法に比べて、
さらに高い感度を可能にする、光−熱変換分析法を提供
することを目的とするものである。

［問題点を解決するための手段］ この発明は、分析されるべき試料に光を照射したときに
生じる熱を測定することによって、試料が有する特性を
分析する、光−熱変換分析法であって、上述した技術的
課題を解決するため、次のような手段が講じられる。

すなわち、この発明に係る光−熱変換分析法は、前記光
として断続光を用い、当該断続光の光路上に前記試料を
置き、前記断続光が前記試料によって影響を及ぼされた
後の前記光路上に焦電型赤外線センサを配置して前記断
続光に伴なって断続的に発せられる熱に基づく温度変化
を前記焦電型赤外線センサによって検出することを特徴
とするものである。

なお、この発明に係る分析法において、試料との関係で
、断続光の光路が形成される位置に関して、典型的には
、次の２種類がある。その第１は、断続光が試料内へ入
射される場合である。この場合には、焦電型赤外線セン
サは試料内を通った後の断続光を受けるように配置され
る。その第２は、断続光が試料の表面へ入射され、この
断続光の少なくとも一部が試料の表面で反射される場合
である。この場合には、焦電型赤外線センサは、試料の
表面から反射した後の断続光を受けるように配置される
。上述した第１の実施態様は、特に試料が光透過性であ
る場合にのみ適用可能である。また、第２の実施態様は
、試料が光透過性を存していない場合に有利に適用され
るものであるが、たとえ試料が光透過性を有している場
合であっても適用できる。

［作用］ この発明において、試料に照射された断続光は、この試
料特有の性質によって影響が及ぼされる。

したがって、このように試料によって影響を及ぼされた
後の断続光の光路上に配置された焦電型赤外線センサは
、断続光に伴なって断続的に発せられる熱に基づく温度
変化を検出し、その結果、温度変化の度合に応じた大き
さの電気信号を出力する。

［発明の効果］ この発明によれば、断続光を用いながら、この断続光が
試料によって影響を及ぼされた後において、断続光に伴
なって断続的に発せられる熱に基づく温度変化を焦電型
赤外線センサによって検出する方法が採用されている。

このような方法を適用したとき、前述した吸光度は“０
．０００１“のオーダにまで小さくなり、したがって感
度が高められることがわかった。したがって、分析精度
の点において信頼性の高い測定結果を期待することがで
きる。

［実施例］ 第１図には、この発明の一実施例を実施するための装置
の概略がブロック図によって示されている。この実施例
は、溶液の濃度を測定する方法に向けられている。

試料溶液１は、透明な測定セル２内に入れられ、分析に
供せられる。このような試料溶液１に照射されるべき励
起光として、たとえば、可視レーザ光３が用いられ、こ
れは、レーザ光源４から発せられる。なお、レーザ光源
４としては、たとえば、Ｈｅ−Ｎｅレーザ装置またはＡ
ｒ＋レーザ装置を用いることができる。レーザ光３は、
チョッパ５を通して、たとえば１０Ｈｚ程度の周波数に
変調基れた断続光６となる。この断続光６は、測定セル
２に入射される。

測定セル２には、前述したように、試料溶液１が入れら
れており、したがって、断続光６は、試料溶液１内に入
射され、試料溶液１内において光路７を形成する。断続
光６が試料溶液１によって影響を及ぼされた後の光路７
上には、その焦電面８が断続光６に伴なって発せられる
熱を受は得る状態で、焦電型赤外線センサ９が配置され
る。このセンサ９は、断続光６に伴なって断続的に発せ
られる熱に基づく温度変化を検出するものである。

なお、焦電面８は、従来から一般的に用いられている黒
化膜によって形成してもよいが、耐溶液性と熱伝導性を
考慮して、金の蒸着膜によって形成してもよい。

焦電型赤外線センサ９については、第２図および第３図
を参照して、その詳細を後で説明するが、このセンサ９
は、ソース端子Ｓ１　ドレイン端子りおよびアース端子
Ｇを備えている。

前述のように、試料溶液１内を通った断続光６に伴なっ
て断続的に発せられる熱に基づく温度変化は、センサ９
によって検出され、ソース端子Ｓから電気信号として出
力される。この出力信号は、プリアンプ１０によって増
幅され、さらに、プリアンプ１０の出力信号は、ロック
インアンプ１１に入力される。ロックインアンプ１１に
は、チョッパ５から取出された基準信号が入力され、ロ
ックインアンプ１１において、チョッピング周波数に同
期した信号のみが出力される。この出力信号は、レコー
ダ１２に入力され、ここにおいて、センサ９からの出力
信号に対応する測定値が記録される。レコーダ１２は、
たとえば、ディスプレイに置換えられてもよく、また、
これら両者が用いられてもよい。さらに、マイクロ−Ｃ
ＰＵによるデータ処理装置でもよい。

第２図には、焦電型赤外線センサ９の等価回路の一例が
示されている。また、第３図には、同じくセンサ９の機
械的構造の一例が断面図で示されている。なお、第２図
および第３図において、“Ｓ”、′Ｄ”、“Ｇ＃は、そ
れぞれ、第１図に示した“Ｓ“、“Ｄ”、“Ｇ”と対応
している。

第２図を参照して、焦電体１３の一方の電極は、ＦＥＴ
１４のゲート電極に接続され、他方の電極は、アース端
子Ｇに接続されている。ＦＥＴ１４のドレイン電極に接
続されるドレイン端子りには、直流電圧が印加されてい
る。また、ＦＥＴ１４のソース電極には、ソース端子Ｓ
が接続されている。

さらに、焦電体１３と並列に、抵抗Ｒｇが接続されてい
る。また、ソース端子Ｓとアース端子０間には、抵抗Ｒ
８が接続されている。

焦電体１３には、温度変化に基づき電荷が発生し、この
電荷により抵抗Ｒｇに電流が流れ、抵抗Ｒｇの両端に電
位差が発生する。この電位差は、ＦＥＴ１４のソース争
フォロワ回路によりインピーダンス変換され、ソース端
子Ｓとアース端子Ｇとの間の抵抗Ｒ３の両端に電位差が
現われる。この電位差は、温度変化に基づき変化するも
のであるので、ドレイン端子りに印加されていた直流バ
イアス電圧が重畳された交流出力信号が、ソース端子Ｓ
より取出される。

第３図を参照して、焦電型赤外線センサ９の機械的構造
の一例について説明する。センサ９は、キャップ１５お
よび底板１６からなる金属ケース１７を備える。キャッ
プ１５には、赤外線を通すための窓１８が形成され、こ
の窓１８から入射した赤外線を受けるように、たとえば
平板状の焦電体１９が、キャップ１５の内面側に封止樹
脂２０によって貼付けられる。焦電体１９は、第２図に
示した焦電体１３に相当するものであり、その両面には
、それぞれ、電極（図示せず）が形成されている。焦電
体１９の、第３図における上面に形成された電極は、金
属ケース１７に電気的に接続された状態となる。

金属ケース１７内には、たとえばアルミナからなる基板
２１が、底板１６とほぼ平行に延びるように配置される
。基板２１の上面には、ＦＥＴ２２が配置されている。

このＦＥＴ２２は、第２図に示したＦＥＴ１４に相当す
るものである。ＦＥＴ２２と焦電体１９の下面に形成さ
れた電極とを接続するように、リード線２３が図示され
ている。

このリード線２３は、第２図における焦電体１３とＦＥ
Ｔ１４のゲート電極とを接続するラインに相当するもの
である。

基板２１に保持されて、アース端子Ｇ１ソース端子Ｓお
よびドレイン端子りが、それぞれ、底板１６を貫通して
、金属ケース１７の外部に導出される。アース端子Ｇは
、導電性樹脂２４を介して、金属ケース１７に電気的に
接続される。これによって、焦電体１９の上面に形成さ
れた電極は、アース端子Ｇと電気的に接続された状態と
なる。ソース端子Ｓおよびドレイン端子りは、それぞれ
、金属ケース１７とは電気的に絶縁された状態とされる
。

なお、第３図において、焦電型赤外線センサ９を構成す
る主要な部品のみが図示されていることを指摘しておく
。

第３図に示したセンサ９は、その焦電体１９の上面が、
第１図における焦電面８を構成するように、測定セル２
および試料溶液１に対して位置決めされる。

次に、第１図に示した装置を用いて、適当な吸光種（色
素）が種々の濃度で溶解された水溶液を試料溶液１とし
て、その濃度に対する、センサ９から得られた信号強度
の相関関係を求めた実験例について紹介しておく。

まず、レーザ光源４として、０．　５　ｍＷのＨｅ−Ｎ
ｅレーザ装置を用いた。チョッパ５は、１０Ｈｚの断続
光６を与えるように制御した。また、試料溶液１に溶解
される吸光種（色素）としては、ブリリアントブルーを
用いた。ブリリアントブルーは、６３２．８ｎ＠の波長
の光において、ランベルト・ベールの法則に従ったモル
吸光係数が、１゜２７Ｘ１０’　ｃｔｘ−’　Ｍ−’で
ある。

第４図に、上述したブリリアントブルーの濃度Ｃ［Ｍ］
に対する、信号強度Ｐ［ｍＶ］のプロット結果が示され
ている。

第４図に示すように、色素濃度の低い領域では、レーザ
光は試料溶液１中でほとんど減衰せず、センサ９の焦電
面８にその実質的部分が直接到達するため、焦電面８上
で生じた光−熱交換に従って、大きな信号強度が得られ
ている。このような濃度領域では、色素濃度の増加に伴
ない、焦電面８に到達するレーザ光が減少するため、信
号強度も減少するが、この減少は、通常のベールの法則
に従っている。色素を含まない溶液に対して測定される
信号強度と色素を含む溶液に対して測定される信号強度
とから求めた吸光度は、ブリリアントブルー濃度（７）
２Ｘ　１０−　’　Ｍカラ８Ｘ　１０’　Ｍ（７）範囲
で濃度に比例し、検出限界は吸光度として２゜５Ｘ１０
−”であった。

色素濃度のさらに高い領域では、レーザ光は、溶液によ
ってほぼ完全に吸収され、事実上、焦電面８には到達せ
ず、単に溶液内で生じる光−熱変換による信号が検出さ
れるのみであった。この濃度領域は、第４図では、１０
−’Ｍを越える領域に相当し、信号強度は弱いものの、
信号強度は、濃度の増加に伴なって徐々に減少する傾向
が見られた。これは、濃度の増加に伴ない、レーザ光の
溶液への侵入深さが減少するため、その侵入深さ内で起
こる光−熱変換により発生した熱が焦電面８に到達しに
くくなるためであると説明することができる。しかしな
がら、このような比較的高い濃度領域においても、信号
強度が濃度の増加に伴ない徐々に減少することは事実で
あって、これを利用して、濃度の検出を行ない得る可能
性が残されている。

同様に、吸光種（色素）として、ニューコクシンを用い
、また、レーザ光Ｒ４として、Ａｒ＋レーザ装置を用い
て実験を行なったが、上述した実験例と実質的に同様の
実験結果を得た。なお、ニューコクシンは、４８ｇ、Ｏ
ｎｍの波長の光において、ランベルト・ベールの法則に
おけるモル吸光係数が１．９０Ｘ１０’ｃｍ−’　Ｍ−
’である。

第５図および第６図には、それぞれ、この発明の他の実
施例が示されている。

第５図の実施例では、固体でありかつ光透過性の試料２
５が用いられている。第１図に示した方法と同様に発生
されたレーザ光の断続光６は、試料２５内へ入射される
。そして、試料２５内で形成された光路７が試料２５か
ら出る位置に、第１図ないし第３図に示したのと実質的
に同様の構造を存するセンサ９ａが配置される。なお、
図示の状態では、センサ９ａの焦電面８ａは、試料２５
に接するように配置されているが、試料２５の表面と所
定の間隔をおいて配置されていてもよい。

第５図に示した状態において、断続光６に伴なって断続
的に発せられる熱に基づく温度変化は、センサ９ａによ
って検出される。

第６図では、たとえば光透過性を有しない固体の試料２
６が分析に供されている。試料２６の一表面２７には、
第１図に示した方法により発生された断続光６が入射さ
れる。そして、断続光６は、試料２６の表面２７におい
て反射する。なお、試料２６の表面２７における少なく
とも入射点２８付近は、光の乱反射を防止するため、鏡
面とされることが好ましい。第１図ないし第３図に示し
たのと実質的に同様の構造を存する焦電型赤外線センサ
９ｂは、その焦電面８ｂにおいて、試料２６の表面２７
から反射した後の断続光６を受けるように配置される。

第６図に示した分析法において、試料２６の表面２７か
ら反射した後の断続光６に伴なって断続的に発せられる
熱に基づく温度変化は、センサ９ｂによって検出される
。

なお、第６図に示した分析法は、試料２６として、光透
過性を有しない固体である必要はなく、光透過性を有し
ていてもよく、また、液体であってもよい。

以上、この発明を、図示した実施例に関連して説明した
が、この発明の範囲内において、その他種々の変形例が
可能である。

たとえば、この発明に係る分析法によって測定される試
料の特性としては、前述した実施例のように、溶液の濃
度には限らない。たとえば、試料のバンドギャップを測
定することもできる。この場合には、断続光を構成する
光は、特定の波長範囲内にあるスペクトルに分解された
状態で与えられる。そして、ある特定の波長のところで
特異な信号がセンサから出力される。したがって、この
波長を見出すことにより、バンドギャップを測定するこ
とができる。

また、この発明に係る分析法は、たとえば第７図に示す
ような構成で１つの光源４からの光をハーフミラ−２９
を用いて２つの光路７ａおよび７ｂに分岐しながら、測
定用試料３０を第１の光路３２で両者の測定値の差をと
ることにより、測定操作と同時にブランクの信号強度を
補正することができる。

なお、第７図において、第１図に示した要素に相当の要
素には、同様の参照番号を付し、重複する説明は省略す
る。

第８図ないし第１１図には、外部雰囲気の熱変化、振動
によるノイズ発生を防止する目的で実施される、この発
明のさらに他の実施例を説明するための図である。

第８図および第９図には、この実施例で有利に用いられ
る焦電体１９ａに形成される電極形状の一例が示されて
いる。焦電体１９ａの熱感知面には、第８図に示すよう
に、中央に円形の感知電極３３が形成され、その周囲に
は、外部ノイズ補償用電極３４が形成される。感知電極
３３と外部ノイズ補償用電極３４とは、接続部３５を介
して、互いに電気的に接続される。感知電極３３と外部
ノイズ補償用電極３４とは、互いに等しい面積とされる
。他方、焦電体１９ａの、熱感知面とは逆の面には、第
９図に示すように、中央電極３６と３４と完全に重なる
寸法形状とされる。

上述した焦電体１９ａを用いて構成された焦電型赤外線
センサ９Ｃの機械的構造が第１０図に示されている。第
１０図において、第３図に示した焦電型赤外線センサ９
と同一または相当の要素には、同様の参照符号を用い、
　重複する説明は省略する。

焦電＃−１９ａは、熱感知面の中央にある感知電極３３
のみが、窓１８より露出するように、電気絶縁性の封止
樹脂２０によって、金属ケース１７の内部に固定される
。感知電極３３とは反対側にある裏側の中央電極３６は
、リード線３８により、ＦＥＴ２２のゲート端子に電気
的に接続され、同じ側にある周囲電極３７は、リード線
３９により、アース端子Ｇに電気的に接続される。その
他の構成は、第３図に示した焦電型赤外線センサ９と実
質的に同様である。

第１０図に示した焦電型赤外線センサ９ｃは、第１１図
に示すような等価回路を実現する。すなわち、前述した
ような電極３３，３４，３６．３７を有する焦電体１９
ａは、直列接続された２つの焦電素子４０および４１を
構成することになる。

そして、これら焦電素子４０および４１において、矢印
で示すような分極方向を有することになる。

第１１図に示した等価回路は、第２図に示した等価回路
と同じ要素を多く含んでいるので、相当の要素には同様
の参照符号を付し、重複する説明は省略する。

【図面の簡単な説明】

第１図は、この発明の一実施例を実施するための装置を
示すブロック図である。第２図は、第１図に示した焦電
型赤外線センサ９の等価回路図である。第３図は、同じ
く焦電型赤外線センサ９の機械的構造を示す断面図であ
る。第４図は、この発明の実験例において、水溶液の濃
度Ｃに対するセンサからの信号強度Ｐを測定した結果を
示すグラフである。第５図および第６図は、それぞれ、
この発明の他の実施例を実施している状態を示す図解図
である。第７図は、この発明のさらに他の実施例を実施
するための装置を示すブロック図である。第８図および
第９図は、この発明のさらに他の実施例を実施するため
に有利に用いられる焦電体１９ａの電極形状の一例を示
す図である。第１０図は、第８図および第９図に示した
焦電体１９ａを用いて構成した焦電型赤外線センサ９Ｃ
の機械的構造を示す断面図である。第１１図は、第１０
図に示した焦電型赤外線センサ９Ｃの等価回路図である
。 図において、１は試料溶液（試料）、３はレーザ光（光
）、６は断続光、７，７ａ、７ｂは光路、９．９ａ、９
ｂ、９ｃは焦電型赤外線センサ、１３．１９，１９ａは
焦電体、２５．２６は試料、３０は測定用試料、３１は
参照用試料である。 第４図 第５図 第７図

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. （１）分析されるべき試料に光を照射したときに生じる
   熱の測定に基づく光−熱変換分析法であって、 前記光として断続光を用い、当該断続光の光路上に前記
   試料を置き、前記断続光が前記試料によって影響を及ぼ
   された後の前記光路上に焦電型赤外線センサを配置して
   前記断続光に伴なって断続的に発せられる熱に基づく温
   度変化を前記焦電型赤外線センサによって検出すること
   を特徴とする、光−熱変換分析法。
2. （２）前記試料は光透過性であり、前記断続光は前記試
   料内へ入射され、かつ前記焦電型赤外線センサは前記試
   料内を通った後の前記断続光を受けるように配置される
   、特許請求の範囲第１項記載の光−熱変換分析法。
3. （３）前記断続光は前記試料の表面へ入射され、かつ、
   前記焦電型赤外線センサは、前記試料の表面から反射し
   た後の前記断続光を受けるように配置される、特許請求
   の範囲第１項に記載の光−熱変換分析法。
4. （４）参照用試料を備え、前記断続光は前記測定用試料
   および参照用試料に照射され、前記断続光が前記参照用
   試料によって影響を及ぼされた後の前記光路上に前記焦
   電型赤外線センサが配置され、ブランク補正を可能にし
   た、特許請求の範囲第１項ないし第３項のいずれかに記
   載の光−熱変換分析法。