KR20020077397A

KR20020077397A - 광열 변환 분광 분석 장치

Info

Publication number: KR20020077397A
Application number: KR1020027009693A
Authority: KR
Inventors: 마와따리가즈마
Original assignee: 아사히 가세이 가부시키가이샤
Priority date: 2000-01-28
Filing date: 2001-01-29
Publication date: 2002-10-11
Also published as: AU2884401A; US7036979B2; WO2001055706A1; US20030002038A1; EP1251348A1; CN1397014A; EP1251348A4; KR100487055B1

Abstract

여기광의 입사에 따라 시료에 발생되는 열 렌즈에 프로브광을 입사시키고, 이때의 상기 프로브광의 상기 열 렌즈에 의한 변화에 의거하여 상기 시료의 분석을 수행하는 광열 변환 분광 분석 장치에 있어서, 상기 여기광의 광원을 반도체 레이저 발생 수단으로 구성하고, 상기 프로브광의 광원을 별도의 반도체 레이저 발광 수단으로 구성하며, 아울러 상기 여기광을 상기 시료에 집광시키는 집광 렌즈와 상기 프로브광을 상기 열 렌즈에 집광시키는 집광 렌즈를 공통의 집광 렌즈로 구성하였다.

이와 같은 본 발명의 광열 변환 분광 장치는, POC 분석 등을 수행하는 장치로서 필요한 소형이며 저가이고, 고감도이며 고정밀도이고, 유지·보수가 자유로우며, 입상 시간이 빠르고, 측정의 자동화가 가능하다는 요건을 모두 구비한다.

Description

광열 변환 분광 분석 장치 {PHOTOTHERMIC TRANSDUCING SPECTROSCOPIC ANALYZER}

의료 진단에 필요한 측정을 환자 근방에서 수행하는 베드 사이드 진단용 분석(POC(point of care) 분석)이나, 하천이나 폐기물중의 유해물질의 분석을 하천이나 폐기물 처리장 등의 현장에서 수행하는 일이나, 식품의 조리, 수확, 수입시의 오염 검사 등 분석·측정이 필요한 현장 또는 현장 근방에서 분석·측정을 수행하는 일(이하, "POC 분석 등"으로 총칭한다)의 중요성이 주목받고 있다. 그리고, 최근에는 이와 같은 POC 분석 등에 적용되는 검출법이나 검출 장치의 개발이 중요시되고 있다.

이와 같은 POC 분석 등에 적용되는 검출법이나 검출 장치는 간편하고 단시간에, 또한 저가로 분석을 수행하는 것이 요구된다. 아울러, 의료 진단이나 환경 분석에서는 국가가 규정한 기준치와의 비교를 정밀하게 수행하기 위하여 일반적으로 고감도 분석의 수행이 요구된다.

최근에는 10cm에서 수 cm 각정도(角程度) 이하의 유리나 실리콘제의 평판형칩 표면에 수십 μm에서 수백 μm의 홈을 파고, 이 홈속에서 필요한 반응, 분리, 검출을 단시간에 모두 수행하는 μ-TAS(micro total analysis system)의 연구가 활발하게 이루어지고 있다(예를 들면, 일본 특허 공개 공보 평성2년 제245655호).

μ-TAS를 채용하면 검체량, 검출에 필요한 시약량, 검출에 이용되는 소모품 등의 폐기물, 폐액의 양이 적어지고 이울러 검출에 필요한 시간도 단시간이라는 잇점이 있다.

또한, 저가이며 일회용인 칩의 개발을 목적으로 하는 수지로 칩을 작성하는 방법(R. M. Mccormick et al., Anal. Chem. Vol.69, 2626-2630, 1997, 일본 특허 공개 공보 평성2년 제259557호, 일본 특허 제2639087호(1997. 04. 25 등록, 시마쯔 제작소 주식회사))도 제안되었다.

그러나 μ-TAS에 있어서, 측정 대상물을 광학적으로 검출하는 경우에는 광로의 길이가 수십 μm에서 수백 μm로 통상의 조건에 비해 10분의 1에서 100분의 1이기 때문에 검출 장치의 감도는 그에 반비례하여 10배에서 100배 정도 더 고감도일 것이 요구된다.

종래, 측정 대상물을 광학적으로 검출하는 고감도 장치는 측정 대상물로부터의 발광 현상을 이용하며, 그 발광 광량으로부터 측정 대상물의 농도 등을 분석하는 광여기 형광법이나 화학 발광법을 채용하였다. 그러나, 광여기 형광법은 일반적으로 측정 대상물을 여기하는 광원으로 자외광에 가까운 파장의 광을 이용하기 때문에 상잡(爽雜)물이 많은 실제 시료에서는 측정 대상물 이외로부터의 형광에 의해 백그라운드가 높아진다는 문제가 있었다. 또한, 측정 대상물이 형광 물질에 한정되기 때문에 혈액 성분 분석 등의 임상 검사에서는 측정법으로 일반적이지 못하다.

또한, 화학 발광법은 여기하는 광원을 필요로 하지 않는다는 잇점은 있으나, 광여기 형광법과 마찬가지로 범용성이 부족하다.

한편, 일반적인 측정법으로 광의 흡수 정도에 따라 측정 대상물의 농도 등을 분석하는 흡광도법이 있다. 흡광도법은 여기되는 파장의 광을 흡수하는 어떠한 대상물에도 적용될 수 있는 방법으로, 매우 범용성이 높은 측정법으로 이제까지 이용되어 왔다.

이 흡광도법은 광여기 형광법이나 화학 발광법에 비해 감도가 낮아 측정 대상물을 수십 mL 충분량 준비하고 광로 길이를 1cm로 길게 취하여 농도 감도를 향상시키고 있다. 그러나, μ-TAS에서는 전술과 같이 광로의 길이가 10분의 1에서 100분의 1이기 때문에 흡광도법이 일반적이고 범용성이 높은 측정법임에도 불구하고 μ-TAS에 적용하기에는 감도가 낮다는 문제점이 있었다.

상기 문제점을 동시에 해결하는 측정법으로 광열 변환 분광 분석법을 들 수 있다. 이 측정법은 측정 대상물의 흡수 파장과 동일한 파장을 갖는 광(이후 여기광이라 표기한다)인 주로 레이저광을 입사시키고, 이 광을 흡수한 이후에 완화 과정중에서 상기 측정 대상물이 주위의 용매로 열을 방출하는(광열 변환 효과) 현상을 이용하는데, 그 열량을 측정하여 측정 대상물의 농도 등을 분석하는 방법이다. 흡광도법이 광의 흡수량을 투과 광량의 감소분으로서 간접적으로 측정하는 데에 비해 광열 변환 분광 분석법은 흡수량, 즉 열량을 직접 측정할 수 있다는 특징이 있다.

이와 같은 광열 변환 분광 분석법 가운데에서도 열 렌즈 효과를 이용하는 열 렌즈 분광 분석법은 가장 고감도의 측정법으로 알려져 있다. 레이저광을 집광 렌즈를 통해 집광시켜 측정 대상물에 입사시키면 상기와 같은 광열 변환 효과에 의해 촛점(집광 위치) 근방에서 열이 발생하여 온도가 상승한다. 상기 촛점에서의 레이저광의 공간 강도 분포가 일반적으로 가우스형이기 때문에 그 강도 분포에 비례하여 발생되는 발열량 분포나, 그 결과로 인해 발생되는 온도 분포도 가우스형이 된다. 그리고, 용매의 굴절율은 온도 상승에 의해 감소되므로, 굴절율 분포는 반전 가우스형이 된다. 이 굴절율 분포는 광학적으로 오목 렌즈와 등가로 간주할 수 있는데, 이와 같은 굴절율 분포를 열 렌즈라 한다. 이 열 렌즈 분광 분석법은 측정 대상물이 흡광도법과 마찬가지로 여기되는 파장의 광을 흡수하지만 흡광도법에 비해 100배 이상의 고감도라는 우수한 특징을 구비하고 있다.

이와 같은 열 렌즈 분광 분석법은 하나의 레이저로 열 렌즈의 유기 및 검출을 모두 수행하는 싱글 빔법과, 열 렌즈의 유기용 및 검출용으로 2개의 레이저를 이용하는 더블 빔법이 있다. 싱글 빔법은 구조가 간단하고 광학 조정을 수행하기 쉽다는 특징을 갖지만, 하나의 레이저로 열 렌즈의 유기 및 검출을 모두 수행하기 때문에 유기 및 검출 각각을 위한 최적의 광학 배치를 설정하기 곤란하여 더블 빔법에 비해 감도가 낮다.

한편, 더블 빔법은 열 렌즈의 유기 및 검출에 별도의 레이저를 이용하므로, 각각에 최적인 광학 배치를 설정할 수 있음에 따라 고감도화할 수 있다. 그리고,이와 같은 더블 빔법의 예는 다수 알려져 있다.

또한, 이 더블 빔법을 μ-TAS에 적용하여 고감도의 측정을 수행하는 예가 있다(Manabu Tokeshi et al., J. Lumin. Vol.83-84, 261-264, 1999). 이 더블 빔법에서는 여기 광원으로 아르곤 이온 레이저를, 검출 광원(이후에는 검출광을 프로브광이라 표기한다)으로 헬륨 네온 레이저를 이용하는데, 이들 2개의 레이저를 동축으로 한 이후에 현미경으로 인도하고 칩 상에 파인 홈 속에 존재하는 시료에 대물 렌즈를 통해 집광시킨다.

이와 같은 종래의 열 렌즈 분광 분석법에서는 아르곤 이온 레이저나 헬륨 네온 레이저 등의 가스 레이저나, 가스 레이저 여기의 색소 레이저 등이 일반적으로 사용되었다. 그러나, 실용화시에는 상기와 같이 레이저광을 발생시키는 장치가 대형이고 출력이 높아지면 수냉(水冷) 등의 대규모 냉각 수단이 필요한 동시에 매우 고가라는 문제점이 있다. 이들 문제를 극복하기 위하여 반도체 레이저를 사용하여 비교적 소형인 시스템을 구축하는 예가 다수 알려져 있다.

먼저, 싱글 빔법을 이용한 예를 설명한다. 일본 특허 공개 공보 평성4년 제369467호에서는 반도체 레이저를 사용하며, 아울러 시료와 검출기간의 거리를 짧게 하기 위하여 반사광의 초점 오차를 검출하는 광학계를 채용하여 광학 헤드의 소형화를 실현하고 있다.

또한, 파장 670nm의 반도체 레이저를 이용한 싱글 빔법으로, 소형이며 운반이 가능한 장치를 실현하고 아울러 시료와 검출기간을 파이버로 연결하여 전체를 소형화한 예도 있다(KIM S-H, Bull. Korean Chem. Soc. Vol. 18, 108-109, KIM S-Het al., Bull. Korean Chem. Soc. Vol. 17, 536-538, 1996).

한편, 더블 빔법을 이용한 예도 있다. 예를 들면, 파장 824nm의 반도체 레이저를 여기광으로 인의 분석을 수행하고, 수용액에서 0.35ppb의 검출 한계를 얻고 있다(K. Nakanishi et al., Anal. Chem. Vol.57, 1219-1223, 1985).

제7도는 종래의 반도체 레이저를 이용한 더블 빔법의 광열 변환 분광 분석 장치의 구성을 설명하는 구성도를 도시한 것이다. 이와 같은 광열 변환 분광 분석 장치에서는 여기광이 반도체 레이저 발광 장치(71)로부터 출력되고, 이 여기광은 렌즈(72)에 의해 집광된 이후에 길이 1cm의 광로 길이를 갖는 유리로 이루어진 시료 셀(75)에 구비된 시료에 집광 렌즈(73)에 의해 집광된다. 그리고, 상기 여기광이 입사되는 상기 시료에는 열 렌즈가 형성된다.

또한, 헬륨 네온 레이저 장치(81)로부터 출력되는 프로브광은 빔 스플리터(74)에 의해 평행광으로 변환되어 상기 여기광과 동축으로 시료 셀(75)로 인도된다. 상기 열 렌즈에 입사되는 프로브광은 시료 셀(75)중에서 열 렌즈 효과를 받으며 미러(76)에 의해 반사되어 집광 렌즈(77)에 의해 집광된 후, 여기광 컷 필터(78), 핀 홀(79)을 통과하여 포토 다이오드(80)에 의해 수광되어 신호 해석된다.

마찬가지로, 파장 795nm의 GaAlAs 반도체 레이저를 여기광으로 이용하며 10mW의 여기광 출력으로 Nd³⁺수용액에서 8 × 10^-5M의 검출 한도를 얻는 예도 있다(D. Rojas et al., Rev. Sci. Instrum. Vol.63, 2989-2993, 1992).

아울러, 감도를 올리기 위하여 파장 818nm의 어레이형 반도체 레이저를 이용하는 것으로, 여기광의 출력을 100mW로 고출력화하며 수용액에서 1.1 × 10^-3의 흡광도 한계를 얻는 예도 있다(Cladera Rorteza et al., Anal. Chem. Acta Vol.282, 613-623, 1993).

단, 이들 3예는 모두 프로브광으로 비교적 대형이며 고가인 헬륨 네온 레이저를 이용하고 있으므로, 완전하게 반도체 레이저만으로 장치를 구축하는 것은 아니다.

상술한 바와 같이 광열 변환 분광 분석법은 흡광 광도법과 마찬가지로 광 흡수를 이용하여 시료의 분석을 수행하지만, 흡광 광도법과 비교해서 고감도이고, 반도체 레이저를 여기광으로 이용함에 따라 광열 변환 분광 분석 장치를 어느 정도 소형화할 수 있다.

그러나, POC 분석 등을 수행하기 위해서 반드시 필요한 요건, 즉 운반 가능한 정도의 소형이며 저가라는 특징 이외에 고감도이며 고정밀이고, 유지·보수가 자유로우며 입상 시간이 빠르고, 신뢰성과 편리함을 겸비한 광열 변환 분광 분석 장치를 실현하기 위해서는 상기의 종래 기술에는 하기와 같은 문제점이 있다.

먼저, 전술한 바와 같이 반도체 레이저를 이용한 싱글 빔법은 광학계의 조정이 용이하다는 잇점은 있다. 그러나, 더블 빔법에 비해 감도가 낮으므로, 의료 진단이나 환경 분석 등과 같이 데이터에 높은 정밀도가 요구되는 경우에는 감도가 불충분한 경우가 많다.

다음으로, 종래의 더블 빔법에서는 여기광의 광원만을 반도체 레이저를 이용하고, 프로브광의 광원은 여전히 대형이고 고가인 헬륨 네온 레이저를 이용하고 있다. 이와 같은 경우에 광원을 제외한 광학계는 약 30cm × 30cm가 최소 사이즈로 보고되고 있다. 그러나, 광원인 헬륨 네온 레이저는 통상 직경 5cm × 길이 20cm의 원통 형상이므로, 이것을 추가하면 장치가 대형이 된다(D. Rojas et al., Rev. Sci. Instrum. Vol.63, 2989-2993, 1992).

또한, 헬륨 네온 레이저 등의 대형 레이저를 이용하고 있기 때문에 광원과 광학계를 일체화할 수 없으며, 광학 정반상(定盤上)에 광원과 광학계를 별도로 고정하고 있으므로 운반이 불가능하다. 또한, 가스 레이저에는 고전압 전원이 필요하다는 등의 문제점도 있다.

아울러, 종래에는 충분한 측정 감도를 얻기 위하여 시료로부터 핀 홀에 상당하는 소자까지의 거리를 1m 이상으로 길게 잡을 필요가 있었다. 즉, 시료에 의한 열 렌즈 효과의 영향을 받은 프로브광을 핀 홀로 인도하기까지 긴 거리가 필요한데, 이와 같이 시료로부터 소자까지의 거리 제약 때문에 광학계 전체의 소형화가 저해되고 있다. 만약, 이 거리를 아무런 대안 없이 단축한다면 감도 저하로 이어진다고 예상된다.

또한, 수광 방식을 핀 홀에 의한 방식이 아니라 초점 오차를 직접 검출하는 광학계에 의한 방식으로 상술의 거리를 단축하는 예가 있다. 그러나, 이 방식이 핀 홀 방식보다 감도가 우수하다는 보고는 없다(요코가와 전기 주식회사, 일본 특허 공개 공보 평성 4년 제369467호).

또한, 열 렌즈 분광 분석법의 감도를 향상시키는 방법으로써, 시료 셀의 깊이(즉, 광로 길이)에 대하여 집광도를 최적으로 하면서 프로브광의 집광 위치를 시료로부터 어긋나게 조정하는 것이 중요하다는 것은 일반적으로 알려져 있다(Thierry Berthoud et al., Anal. Chem. Vol.57, 1216-1219, 1985). 단, 최적인 집광도나 프로브광의 집광 위치는 다른 복수의 패러미터에 의존하는데, 이들 패러미터를 모두 통일적으로 이론 해석하는 것은 불가능하기 때문에 이제까지 집광도를 향상시킨 경우의 최적치를 이론 해석했다는 보고는 없다.

특히, μ-TAS에서는 광로 길이가 짧기 때문에 어느 정도 집광도를 올릴 필요가 있다고 예상된다. 집광도를 올리려면 집광 렌즈의 개구수를 높게 하면 된다. 개구수를 높게 하면 초점 거리가 수cm 레벨로 짧아지므로, 종래와 같이 여기광과 프로브광에 별도의 집광 렌즈를 이용하여 집광도와 프로브광의 집광 위치를 조정하려는 경우에는 공간적인 이유로 인해 여기광과 프로브광을 동축으로 할 수 없다.

따라서, 다른 종래의 기술과 같이 여기광 및 프로브광의 집광 렌즈를 공통으로 이용하면 동축으로 한 이후에 집광시키므로, 높은 개구수의 집광 렌즈를 사용할 수 있게 된다(Manabu Tokeshi et al., J. Lumin. Vol.83-84, 261-264, 1999). 그러나, 집광 렌즈를 공통으로 이용하는 경우의 프로브광의 집광 위치의 조정 방법에 대한 보고는 없다.

특히, 반도체 레이저의 출력광이 가스 레이저와는 전혀 다르다는 것이 알려져 있으므로, 반도체 레이저의 특성에 맞춘 간이적인 집광 위치의 조정법이 필요하다.

먼저, 반도체 레이저의 출력광은 발산광이며, 그 단면 형상은 타원형이 된다. 아울러, 그 출력광을 그대로 집광시키면 집광 단면의 방향에 의해 집광 위치가 달라지는 비점격차가 존재한다. 따라서, 여기광의 광원 및 프로브광의 광원으로 반도체 레이저를 이용하는 경우에는 이들 반도체 레이저의 출력광의 특성을 보정할 필요가 있다.

이와 같이 여기광의 광원 및 프로브광의 광원으로 반도체 레이저를 이용하는 경우에는 상기와 같은 보정을 수행할 것과 프로브광의 집광 위치를 조정하는 간단하고 저가인 수단이 필요하다.

또한, 집광 렌즈의 개구수를 높게 하여 집광도를 향상시키는 경우에는 시료 셀에서의 여기광 및 프로브광의 집광 위치를 고정밀도로 조정할 필요가 있다. 종래에는 현미경을 사용하여 눈으로 집광 위치와 시료 셀의 위치 관계를 조정하였기 때문에 눈에 의한 조정 오차가 발생할 뿐만 아니라 측정자에 따른 조정 오차도 포함하게 된다. 또한, 이와 같은 눈에 의한 방법으로는 상기 위치 관계의 조정을 기계를 통해 자동적으로 수행하기 불가능하다. 아울러, 현미경을 사용함에 따라 장치는 대형이 된다.

또한, 가스 레이저는 전원이 인가된 이후에 안정되기까지에 통상 10분 정도의 시간이 필요할 뿐만 아니라 출력을 변조시키는 경우에는 초퍼 등의 기계적인 변조 수단이 필요하기 때문에 소형화, 저가화가 용이하지 않다.

또한, POC 분석 등에 사용되는 광열 변환 분광 분석 장치는 환경인 온도 변화나 진동에 강한 것이 요구된다. 아울러, POC 분석 등에 사용되는 광열 변환 분광 분석 장치는 고전압 전원을 필요로 하지 않으며 건전지 등으로 구동 가능한 것이 바람직하다.

이상에서 설명한 바와 같이, POC 분석 등에 사용되는 광열 변환 분광 분석 장치에 반드시 요구되는 특성에 대하여 종래 기술은 거의 대책이 이루어져 있지 않았다.

본 발명은 반도체 레이저를 이용하여 미량의 시료를 고감도로 분석하는 소형이며 저가인 광열 변환 분광 분석 장치에 관한 것이다.

제1도는 본 발명의 광열 변환 분광 분석 장치의 일 실시 형태를 도시한 구성도이다.

제2도는 실시예1의 광열 변환 분광 분석 장치의 구성을 설명하는 구성도이다.

제3도는 키실렌 시아놀 수용액의 열 렌즈 신호를 측정한 결과를 도시한 차트이다.

제4도는 키실렌 시아놀 수용액에 있어서의 열 렌즈 신호 강도의 키실렌 시아놀 농도에 대한 농도 의존성을 도시한 그래프이다.

제5도는 실시예2의 광열 변한 분광 분석 장치의 구성을 설명하는 구성도이다.

제6도는 시료 셀의 위치를 이동시킨 경우의 4분할 포토 다이오드 출력의 연산 결과를 도시한 차트이다.

제7도는 종래의 광열 변환 분광 분석 장치의 구성을 설명하는 구성도이다.

이에, 본 발명은 상기와 같은 종래의 광열 변환 분광 분석 장치가 갖는 문제점을 해결하고, POC 분석 등을 수행하는 장치로서 필요한 소형이며 저가이고, 고감도이며 고정밀도이고, 유지·보수가 자유롭고, 입상 시간이 빠르며 측정의 자동화가 가능하다는 요건을 모두 갖춘 광열 변환 분광 분석 장치를 제공하는 것을 과제로 한다.

상기 과제를 해결하기 위해 본 발명은 다음과 같은 구성으로 이루어진다. 즉, 본 발명의 광열 변환 분광 분석 장치는 여기광의 입사에 따라 시료에 발생되는 열 렌즈에 프로브광을 입사시키고, 이때 상기 열 렌즈에 의한 상기 프로브광의 변환에 의거하여 상기 시료의 분석을 수행하는 광열 변환 분광 분석 장치로, 상기 여기광의 광원을 반도체 레이저 발광 수단으로 구성하고, 상기 프로브광의 광원을 별도의 반도체 레이저 발광 수단으로 구성하며, 아울러 상기 여기광을 상기 시료에 집광시키는 집광 렌즈와 상기 프로브광을 상기 열 렌즈에 집광시키는 집광 렌즈를 공통의 집광 렌즈로 구성하는 것을 특징으로 한다.

이와 같이 구성하면, 상기 여기광의 광원 및 상기 프로브광의 광원이 모두반도체 레이저 발광 수단으로 구성되므로, 매우 소형이고 저가인 광열 변환 분광 분석 장치를 실현할 수 있다. 따라서, 상기 광원과 상기 집광 렌즈를 포함하는 광학계를 광학 정반상에 별도로 고정하지 않고 상기 양자를 일체화하여 약 15cm × 15cm의 작은 사이즈의 유닛으로 구성할 수 있다. 또한, 광원이나 광학계 등의 광학 부품을 일체화하여 유닛으로 형성함에 따라 외부의 진동에 대하여 매우 강한 구조로 구성할 수 있다.

또한, 반도체 레이저의 수명이 가스 레이저에 비해 약 10배 길기 때문에 광원의 유지·보수를 수행하는 간격을 길게 할 수 있다.

아울러, 상기 여기광을 집광시키는 집광 렌즈와 상기 프로브광을 집광시키는 집광 렌즈가 공통의 렌즈이므로, 종래 기술과 같이 상기 집광 렌즈가 공통이 아닌 경우에 비해 상기 여기광의 광원 및 상기 프로브광의 광원으로부터 발광된 상기 반도체 레이저광을 동축으로 하기 위한 공간을 충분히 확보할 수 있다. 따라서, 상기 집광 렌즈로 개구수가 높은 렌즈를 이용할 수 있으며, 그 결과 상기 반도체 레이저광을 고도로 집광하여 시료에 입사시킬 수 있으므로, 광로 길이가 짧은 μ-TAS에서도 고감도의 분석을 수행할 수 있다.

또한, 본 발명의 광열 변환 분광 분석 장치는 상기 집광 렌즈에 의해 집광된 상기 여기광 및 상기 프로브광의 집광 위치에서의 빔 지름을 모두 0.2 내지 50μm로 한다.

종래, 여기광의 집광도에 대한 검토는 정성(定性)적으로 수행되어 왔지만, 프로브광에 대한 집광도 향상의 효과에 대해서는 전혀 고려되지 않았다. 본 발명에서는 집광 렌즈를 공통으로 하여 프로브광의 집광도를 향상시킴에 따라 종래 기술에 비해 흡광도에서의 감도를 향상시킬 수 있으며 또한 시료로부터 핀 홀에 상당하는 소자까지의 거리를 현저하게 단축시킬 수 있다.

종래 기술에서는 장치의 소형화를 지향하는 것이어도 여기광의 빔 지름이 최소 50μm 정도이고, 프로브광의 빔 지름이 최소 200μm 정도이었다. 이 경우에 감도를 충분히 얻기 위해서는 시료로부터 핀 홀까지의 거리가 2m 정도 필요하였다 (Thierry Berthoud et al, Anal. Chem. Vol.57, 1216-1219, 1985). 가령, 이 거리를 짧게 하면 감도가 현저히 저하될 것이 예상되므로, 이 거리는 광학계 전체의 소형화를 제한한다.

또한, 절반(折返) 미러 등을 이용하여 시료로부터 핀 홀까지의 거리를 충분한 길이로 하는 동시에 광학계를 어느 정도 소형화할 수 있다. 그러나, 이 경우에는 레이저광의 포인팅 노이즈에 의한 악영향이 있다는 문제점이 있다. 포인팅 노이즈란, 레이저광의 광축의 흔들림에 유래하는 노이즈로, 절반 미러 등을 이용하여도 광로 길이는 변화하지 않으므로, 이 노이즈 레벨은 내려가지 않는다.

본 발명은 여기광 및 프로브광의 집광 렌즈를 공통으로 하고 프로브광의 집광 위치에서의 빔 지름을 종래 기술보다 충분히 작게 함으로써, 시료로부터 핀 홀까지의 거리를 감도의 저하 없이 현저히 짧게 할 수 있다. 상기 거리가 짧아지면 그 거리의 단축분에 비례하여 포인팅 노이즈가 작아진다. 즉, 프로브광의 집광도를 향상시킴으로써, 고감도를 유지한 채로 포인팅 노이즈를 작게 하여 S/N비 (Signal-to-Noise ratio)의 향상을 실현하는 동시에 광학계 전체의 소형화가 가능해진다.

아울러, 본 발명의 광열 변환 분광 분석 장치는 상기 열 렌즈에 의한 상기 프로브광의 변화를 검출하는 검출 수단과, 상기 시료 및 상기 검출 수단의 사이에 배치되며 상기 열 렌즈에 의해 변화된 상기 프로브광 가운데 일부를 투과시키는 투과 수단중 적어도 상기 검출 수단을 구비하며, 상기 투과 수단을 구비하는 경우에는 상기 투과 수단과 상기 시료간의 광축 방향의 거리를 10cm 이하로 구성하고, 상기 투과 수단을 구비하지 않은 경우에는 상기 검출 수단과 상기 시료간의 광축 방향의 거리를 10cm 이하로 구성할 수 있다.

여기광 및 프로브광의 집광 렌즈를 공통으로 하고 상기 프로브광의 집광도를 향상시켜 감도의 저하 없이 상기 검출 수단 또는 상기 투과 수단과 상기 시료간의 광축 방향의 거리를 10cm 이하로 구성할 수 있으므로, 광학계 전체를 운반 가능한 사이즈로까지 소형화할 수 있다. 또한, 상기 투과 수단으로는, 예를 들면 핀 홀에 상당하는 소자를 들 수 있다.

또한, 더블 빔법에서는 프로브광의 집광 위치와 여기광의 집광 위치를 소정의 거리만큼 어긋나게 하여 감도를 향상시키고 있는데, 이를 위해 상기 거리 조정 수단이 설치된다. 종래 기술에서는 여기광과 프로브광에 별도의 집광 렌즈를 이용하기 때문에 프로브광을 집광시키는 집광 렌즈의 위치를 광축 방향으로 이동시켜 상기 거리의 조정을 수행하였다.

그러나, 본 발명과 같이 여기광의 집광 렌즈와 프로브광의 집광 렌즈를 공통으로 하는 경우에는 상기와 같은 수법을 적용할 수 없다. 또한, 프로브광의 집광위치를 조정하기 위한 렌즈를 부가하는 것은 부품 점수 및 그에 동반되는 조정의 수고가 증가하므로 저코스트화를 저해하게 된다. 아울러, 전술한 바와 같이 반도체 레이저광의 출사광은 타원형으로 발산하면서 출사되기 때문에 이를 보정하는 보정 기구가 필요하다.

이에 본 발명의 광열 변환 분광 분석 장치는 상기 여기광의 광원으로부터 발광된 반도체 레이저광이 입사되는 콜리메이터 렌즈 및 상기 프로브광의 광원으로부터 발광된 반도체 레이저광이 입사되는 콜리메이터 렌즈중 적어도 하나를 구비할 수 있다.

이와 같이 구성하면, 상기 콜레메이터 렌즈를 통해 발산광인 반도체 레이저광을 평행광에 근접시킬 수 있으므로, 집광 렌즈에서의 파워 로스를 억제할 수 있고, 또한 평행광에 근접하면 집광 렌즈에 의한 집광성을 향상시킬 수 있으므로, 상기 광열 변환 분광 분석 장치의 감도를 향상시킬 수 있다.

아울러, 반도체 레이저광이 평행광이 되는 위치로부터 광축 방향으로 어긋나게 상기 콜리메이터 렌즈를 구비함에 따라 프로브광의 집광 위치의 조정이 가능해지므로, 상기 광열 변환 분광 분석 장치의 감도를 향상시킬 수 있다. 아울러, 부품 점수를 최소화할 수 있으므로, 상기 광열 변환 분광 분석 장치를 저가로 구현할 수 있다.

또한, 프로브광의 집광 위치의 조정은 프로브광의 집광 위치와 여기광의 집광 위치간의 거리의 조정이기 때문에 프로브광의 집광 위치로부터 소정 거리만큼 떨어진 위치에서 초점을 맺도록 여기광의 광원으로부터 발광된 반도체 레이저광이입사되는 콜리메이터 렌즈를 설치하여도 상관없다.

아울러, 본 발명의 광열 변환 분광 분석 장치는 상기 콜리메이터 렌즈중 적어도 한쪽에서 상기 콜리메이터 렌즈와 상기 광원간의 광축 방향의 거리를 변화시켜 상기 반도체 레이저광의 집광 위치를 조정하는 집광 위치 조정 수단을 구비하여 구성할 수 있다.

이와 같이 구성하면, 상기 반도체 레이저 발광 수단을 수명 등으로 인하여 교환하는 경우에 발산각이나 파장의 로트차로 인한 오차를 조정하거나, 상기 반도체 레이저 발광 수단으로부터의 상기 발산각이 경시적으로 변화하는 경우에 그 때마다 조정하여 최적화할 수 있다.

아울러, 본 발명의 광열 변환 분광 분석 장치는 상기 여기광의 광원 및 상기 프로브광의 광원중 적어도 한쪽과 상기 집광 렌즈간에 상기 광원으로부터 발광된 반도체 레이저광의 단면 형상을 진원(眞圓)형에 근접시키는 진원화 수단을 구비하여도 된다.

이와 같이 구성하면, 반도체 레이저광의 단면 형상을 타원형에서 진원형으로 근접시킬 수 있으므로, 집광 위치에서의 빔 지름의 단면(광축 방향에 대하여 수직인 면에 대한 단면)에 이방(異方)성을 없앨 수 있다. 따라서, 빔 지름을 일의적으로 규정할 수 있으므로, 빔 지름의 최적화가 용이해진다.

아울러, 본 발명의 광열 변환 분광 분석 장치는 상기 여기광의 광원 및 상기 프로브광의 광원중 적어도 한쪽과 상기 집광 렌즈간에 상기 광원으로부터 발광된 반도체 레이저광의 비점격차를 저감시키는 비점격차 보정 수단을 구비하여도 된다.

이와 같이 구성하면, 반도체 레이저광이 본래 가지고 있는 비점격차를 보정할 수 있으므로, 집광 위치에서의 빔 지름의 단면에 이방성을 없앨 수 있다. 따라서, 집광 위치를 일의적으로 규정할 수 있으므로, 집광 위치의 최적화가 용이해진다.

아울러, 본 발명의 광열 변환 분광 분석 장치는 상기 여기광의 광원 및 상기 프로브광의 광원을 출력 제어 가능한 반도체 레이저 발광 수단으로 구성하여도 된다.

이와 같이 구성하면, 반도체 레이저 발광 수단의 특징인 출력 제어를 수행할 수 있으므로, 노이즈가 적은 안정된 측정이 가능하다. 통상적으로, 가스 레이저는 입상된 이후에 온도가 안정되어 그 결과 출력이 안정되기까지 10분정도 소요되고 또한 외부 온도 변화의 영향을 받기 쉽다. 그러나, 상기와 같은 구성의 광열 변환 분광 분석 장치는 온도 변화가 일어나도 출력을 직접 제어하여 입상 시간을 1분 이내로 제한할 수 있으며 외부 온도 변화의 영향도 잘 안 받는다.

아울러, 본 발명의 광열 변환 분광 분석 장치는 상기 여기광의 파장을 400 내지 700nm으로 하는 것이 바람직하다.

이와 같이 구성하면, 종래에 여기광으로 780nm 부근의 파장을 갖는 근적외광을 이용하기 때문에 발생하던 물의 흡수로 인한 백그라운드를 대략 1자리 낮게 할 수 있어 측정 정밀도를 높일 수 있다.

아울러, 본 발명의 광열 변환 분광 분석 장치는 상기 여기광의 광원을 전기적으로 변조 가능한 반도체 레이저 발광 수단으로 구성하여도 된다.

이와 같이 구성하면, 종래의 가스 레이저에서 필요로 하는 초퍼 등의 기계적 변조 수단이 불필요하기 때문에 기계적 변조 수단을 설치함으로 인해 발생되던 생리적 진동의 발생, 광학계의 대형화, 장치의 고가화의 문제점이 발생하지 않는다.

아울러, 본 발명의 광열 변환 분광 분석 장치는 동기 검파에 따른 신호 추출 수단을 구비하여도 된다.

이와 같이 구성하면, 상기의 전기적인 변조를 이용하여 락 인 앰프 등을 통해 고정밀도의 신호 추출을 수행할 수 있으므로, 측정 정밀도를 높일 수 있다.

아울러, 본 발명의 광열 변환 분광 분석 장치는 상기 시료를 넣는 시료 셀로부터의 반사광을 이용하여 상기 여기광 및 상기 프로브광중 적어도 한쪽의 집광 위치와 상기 시료 셀간의 거리를 조정하는 수단을 구비하여도 된다.

이와 같이 구성하면, 시료 셀로부터의 반사광을 이용하여 여기광, 프로브광의 집광 위치 및 시료 셀의 위치 관계를 정량화할 수 있으므로, 개구수가 높은 집광 렌즈를 사용하는 경우에 필요한 고정밀도의 위치 조정이 가능해진다. 또한, 상기 위치 관계를 정량화할 수 있으므로, 시료 셀을 광열 변환 분광 분석 장치에 설치한 이후의 시료 셀의 위치 조정을 자동화할 수 있다.

본 발명에 관한 광열 변환 분광 분석 장치의 실시 형태를 도면을 참조하여 상세히 설명한다.

제1도는 본 발명의 일 실시 형태인 광열 변환 분광 분석 장치의 구성을 설명하는 구성도이다. 또한, 본 실시 형태는 본 발명의 일예를 도시한 것으로, 본 발명은 본 실시 형태에 한정되는 것은 아니다.

제1도의 광열 변환 분광 분석 장치는 여기광의 광원인 반도체 레이저 발광 수단(10)과, 프로브광의 광원인 반도체 레이저 발광 수단(20)과, 시료가 설치되는 시료 셀(16)과, 상기 여기광용 및 상기 프로브광용 콜리메이터 렌즈(11, 21)나 상기 여기광을 상기 시료에 집광시키고 또한 상기 프로브광을 열 렌즈에 집광시키는 집광 렌즈(15) 등으로 구성되는 집광 광학계와, 필터(19) 및 핀 홀(17)로 구성되는수광 광학계와, 상기 열 렌즈를 통해 상기 프로브광의 발산도 또는 집광도를 검출하는 검출 수단(18)을 구비한다.

이와 같은 광열 변환 분광 분석 장치에서는 여기광이 반도체 레이저 발광 수단(10)으로부터 출력되는데, 이것은 여기광용 콜리메이터 렌즈(11)에 의해 거의 평행광으로 변환된다. 그리고, 프리즘(12) 및 비점격차를 보정하는 실린드리컬 렌즈(13)(비점격차 보정 수단)를 통과한 후, 집광 렌즈(15)에 의해 시료 셀(16)에 구비된 상기 시료에 집광되는데, 상기 시료에는 도시되지 않은 열 렌즈가 형성된다.

또한, 반도체 레이저 발광 수단(20)으로부터 출력된 프로브광은 프로브광용 콜리메이터 렌즈(21)에 의해 거의 평행광으로 변환된다. 그리고, 프리즘(22)을 통과하여 빔 스플리터(14)에 의해 상기 여기광과 동축이 되며, 집광 렌즈(15)에 의해 상기 열 렌즈에 집광된다. 상기 시료에 형성된 상기 열 렌즈에 입사되는 상기 프로브광은 시료 셀(16)내에서 열 렌즈 효과를 받으며, 필터(19) 및 핀 홀(17)을 통과하여 검출 수단(18)에 의해 수광되어 신호 해석된다.

또한, 반도체 레이저 발광 수단(10, 20)으로는 통상적으로 반도체 레이저 발광 장치 등이 사용되며, 검출 수단(18)으로는 포토 다이오드 등이 사용된다.

그리고, 이 광열 변환 분광 분석 장치의 프로브광용 콜리메이터 렌즈(21)는 프로브광의 광축 방향으로 변위 가능하게 구성됨에 따라 반도체 레이저 발광 수단(20)과 프로브광용 콜레메이터 렌즈(21)간의 거리를 가변시킬 수 있다. 프로브광용 콜리메이터 렌즈(21)를 변위시켜 상기 거리를 변화시키면 프로브광의 집광위치가 변위되는데, 프로브광이 상기 열 렌즈의 가장 바람직한 위치(고감도로 측정할 수 있는 위치)에 집광되도록 프로브광용 콜리메이터 렌즈(21)를 변위시키고, 그 후에 프로브광용 콜리메이터 렌즈(21)를 고정한다.

또한, 프로브광용 콜리메이터 렌즈(21) 대신에 반도체 레이저 발광 수단(20)을 변위시켜 상기 거리를 변화시켜도 되고, 양자를 변위시켜 상기 거리를 변화시켜도 된다.

아울러, 여기광에 대해서도 마찬가지로 반도체 레이저 발광 수단(10) 및 여기광용 콜리메이터 렌즈(11)중 적어도 한쪽을 변위 가능하게 구성하여 프로브광의 집광 위치에 대하여 여기광의 집광 위치를 조정할 수 있도록 하여도 된다.

이하, 제1도의 광열 변환 분광 분석 장치의 각 부분에 대하여 개별로 설명한다.

(반도체 레이저에 대하여)

여기광으로 이용되는 반도체 레이저의 파장은 기본적으로 시료가 어느 정도 흡수할 수 있는 범위라면 지장이 없지만, 시료의 극대 흡수 파장과 일치하는 것이 바람직하다.

그러나, 종래와 같이 780nm 근방의 파장의 광을 여기광으로 이용하여 수용액의 분석을 수행하는 경우, 이 파장역에서는 물의 흡수로 인한 무시할 수 없는 백그라운드 신호가 발생하게 되어 측정 정밀도가 저하된다. 따라서, 여기광의 파장역은 400 내지 700nm의 가시광역을 사용하는 것이 바람직하다.

또한, 반도체 레이저의 출력은 출력에 비례하여 측정 감도가 향상되므로 가능한 높은 것이 바람직하다. 따라서, 물의 몰 흡광 계수, 측정 시료의 몰 흡광 계수 및 반도체 레이저의 출력을 고려하여 흡광도가 가능한 높은 파장을 선택하면 된다.

또한, 반도체 레이저는 일반적으로 굴절율 도파형과 이득 도파형으로 분류된다. 굴절율 도파형 반도체 레이저는 이득 도파형에 비해 스펙트럼이 단일하며, 통상 출력 변동이 적고 비점격차가 10μm 이하라는 특성을 갖고 있다. 열 렌즈 분광 분석법에 적용시, 상기 3개의 특성은 열 렌즈 신호의 S/N비(Signal-to-Noise ratio)에 영향을 끼치므로, 굴절율 도파형을 사용하는 것이 바람직하다.

한편, 프로브광으로 이용되는 반도체 레이저는 파장이 여기광의 파장과 다르면 문제가 없는데, 출력은 사용되는 검출 수단(18)이 충분히 검출할 수 있을 정도면 된다. 단, 파장에 대해서는 시료에 의한 흡수가 적고, 또한 다른 이물질에 의한 흡수가 적은 편이 바람직하다. 아울러, 시료가 광 분해성을 갖는 경우에는 보다 적외에 가까운 장파장의 반도체 레이저를 사용하는 것이 바람직하다. 도파형은 여기광의 경우와 마찬가지로 굴절율 도파형 반도체 레이저가 바람직하다.

또한, 다른 종류의 반도체 레이저로는 공진기내에 회절 격자가 새겨진 분포 귀환(DFB)형이나 분포 반사(DBR)형이 스펙트럼 폭을 좁힐 수 있으며 파장을 안정화시킬 수 있으므로 바람직하다.

아울러 사용 가능한 반도체 레이저로는, 출력광은 여전히 발산광이지만 진원화를 위한 광학계(예를 들면 마이크로 렌즈)를 반도체 레이저 소자 자체에 포함시켜 출력광의 빔 형상을 진원화한 것도 사용할 수 있고, 반도체 레이저에 광 파이버를 접속하고 그 광 파이버로부터의 출사광을 이용하여도 된다. 이들의 경우, 진원화를 위한 수단을 별도로 설치할 필요는 없지만, 출력광이 발산광이기 때문에 콜리메이터 렌즈를 이용하여 평행광으로 근접시키고 또한 집광 렌즈를 통한 집광 위치의 조정을 수행하는 것이 매우 유효할 수 있다.

마찬가지로, 소형이며 저가인 발광 수단으로 발광 다이오드(LED)가 있는데, 반도체 레이저 대신에 필요한 출력을 구비한 LED를 이용하여도 된다. 아울러, LED로부터의 출사광을 임의의 수단으로 분광시키면 반도체 레이저 아울러 스펙트럼을 좁힐 수 있는데, 분광되는 파장을 바꾸면 LED의 발진 파장의 범위내에서 측정 시료의 흡수 스펙트럼을 얻을 수 있어 보다 바람직하다.

또한, 고가이기는 하지만 여기광 또는 프로브광의 일측에 소형 고정 레이저(예를 들면 YAG 레이저 등)를 이용하여도 된다.

반도체 레이저를 구동시키는 기구로는 출력 제어형이나 전류 제어형이어도 지장은 없다. 단, 출력 제어형 쪽이 후술되는 펠티에 소자를 필요로 하지 않으므로 그 만큼 저가이다.

출력 제어형은 반도체 레이저로부터의 출력을 직접 모니터하고 그 신호 레벨을 일정하게 하므로, 레이저 발진에 의해 온도 변화가 일어나도 출력이 변화되지 않아 측정치에 끼치는 영향이 작다. 이것은 반도체 레이저의 출력이 구동 전압에 의해 직접 제어될 수 있기 때문인데, 그 안정성은 가스 레이저와 달리 1% 이하로 하는 것이 가능하다.

이와 같은 특성에 의해 반도체 레이저는 입상된 이후 1분 이내에 1% 이하의출력 안정성을 얻을 수 있다. 또한, 온 사이트에서의 분석시에도 공기의 대류 등으로 인한 온도 변화의 발생을 용이하게 예상할 수 있는데, 이 경우에도 출력을 일정하게 유지할 수 있으므로, 출력 제어의 가능 여부는 POC 분석 등에 있어서 매우 중요한 특성이 된다.

전류 제어형은 구동 전류를 일정하게 하지만 온도 변화에 따라 그 출력이 영향을 받는다. 이러한 경우에는 펠티에 소자 등을 통해 반도체 레이저 발광 장치의 온도를 하강시켜 일정 온도로 유지하면 출력을 안정화시킬 수 있다. 아울러, 반도체 레이저의 수명 연장이 가능하여 장치의 유지·보수의 빈도가 보다 적어도 되므로 바람직하다. 아울러, 이와 같은 온도 제어를 통해 공진기 내부의 온도 변화에 따른 반도체 레이저광의 광축 방향의 흔들림을 저감시킬 수 있으므로, 상기 검출 수단(18)에서의 노이즈를 저감시킬 수 있어 더욱 바람직하다.

여기광의 제어 장치는 전기적 변조 기구를 구비하여 여기광을 전기적으로 변조 가능한 것이 바람직하다. 즉, 전기적 변조 기구를 통해 여기광의 출력을 변조할 수 있으면 주기적인 반복 신호가 되는데, 신호 추출시 적분 등의 연산을 수행할 수 있어 상기 S/N비를 향상시킬 수 있다. 또한, 이로 인해 신호 추출시 락 인 앰프 등의 동기 검파 수단을 사용할 수 있으므로 한층 더 고정밀도화를 실현할 수 있다.

아울러, 이 변조를 100MHz 정도까지 가능하게 하면 통상 높아야 10kHz 정도인 열 렌즈용 변조 주파수의 주파수대가 10000배 달라지므로, 이 고주파의 영향을 받지 않으며 2개의 주파수를 동시에 중첩시킬 수 있다. 따라서, 열 렌즈 측정이가능해지는 동시에 복귀광으로 인한 노이즈의 증가를 저감시킬 수 있다.

또한, He-Ne 레이저 등의 희소 가스 레이저에서는, 입사되는 레이저를 전기적으로 변조시킬 수 없어 초퍼 등의 기계적 변조 수단을 여기광의 광로속에 설치할 필요가 있다. 이 경우에는 초퍼의 회전에 따른 진동이 발생하여 노이즈가 되므로 장치의 소형화, 저가화를 더욱 저해하는 원인이 될 수 있다.

(집광 광학계에 대하여)

전술한 바와 같이 열 렌즈 분광 분석법에는, 여기광의 지름을 최적인 범위까지 집광하는 것 및 프로브광의 집광 위치를 여기광의 집광 위치와 다른 위치로 하는 것이 고S/N화를 위한 중요한 포인트이다.

반도체 레이저의 출사광은 일반적으로 발산광이며, 그 발산각은 빔의 단면 방향에 따라 다르다. 아울러, 상기 출사광을 렌즈를 통해 집광하여도 빔의 단면 방향에 따라 집광 위치가 다른 비점격차가 발생하기 때문에 열 렌즈에 입사할 때에는 그것을 보정할 필요가 있다. 이 보정을 통해 빔 지름이나 집광 위치를 단면 형상에 의존하지 않고 일의적으로 규정할 수 있으므로, 빔 지름이나 집광 위치의 최적화가 용이해져 바람직하다. 또한, 반도체 레이저 발광 수단으로부터의 출사 직후의 빔을 그대로 렌즈를 통해 시료에 집광하여도 10μm 이하의 빔 지름으로의 집광은 불가능하다.

이에, 여기광용 콜리메이터 렌즈(11)를 통해 여기광을 콜리메이트하는 것이 바람직하다. 이로 따라, 발산광인 출사광은 콜리메이트되어 평행광이 된다. 여기광용 콜리메이터 렌즈(11)는 정(正)의 초점 거리를 갖는 것이면 단(單) 렌즈이어도되고 조합 렌즈이어도 되며 굴절율 분포를 갖는 GRIN 렌즈를 이용하여도 상관없다. 바람직하게는, 수차를 보정하고 있는 조합 렌즈가 수차를 최소한으로 억제하여 빔 특성을 양호하게 유지할 수 있으므로 바람직하다. 또한, 반도체 레이저의 출사창의 두께에 의해 발생되는 수차를 보정하고 있는 것이 더욱 바람직하다. 이 렌즈 특성은 프로브광용 콜리메이터 렌즈(21)에 대해서도 동일하다.

또한, 반도체 레이저 발광 수단은 광학계에 의한 복귀광에 약한데, 복귀광에 의해 출력 변동 등이 발생하여 노이즈 성분이 커지기 때문에 양 콜리메이터 렌즈(11, 21)에는 감반사(減反射) 코팅 등이 실시되어 있는 것이 바람직하다.

전술한 바와 같이, 빔의 지름을 어느 정도 좁혀서 시료에 집광시키는 집광 렌즈를 여기광과 프로브광에 공통으로 이용하는 경우, 가장 간이적인 프로브광의 집광 위치 조정 수단은 프로브광용 콜리메이터 렌즈(21)를 그 콜리메이터 위치로부터 광축 방향으로 변위시키는 것이다.

종래 방법에서는 여기광용 집광 렌즈 및 프로브광용 집광 렌즈로 별도의 렌즈를 이용하고, 그 렌즈의 위치를 광축 방향으로 변위시켜 프로브광의 집광 위치를 감도가 최적이 되는 위치로 조정하였다. 그러나, 이 경우에 집광성을 향상시키기 위하여 각각의 집광 렌즈의 초점 거리를 짧게 하면 여기광과 프로브광을 동축으로 하기 위한 공간을 확보할 수 없기 때문에 집광 위치에서의 빔 지름을 작게 하는 것에는 한계가 있다.

본 실시 형태는 여기광의 빔 지름을 좁히는 동시에 프로브광의 집광 위치의 간이적인 조정을 가장 적은 수의 부품으로 실현할 수 있다. 이것은 반도체 레이저의 출사광이 가스 레이저와는 달리 발산광이기 때문에 가능해지는 것이다.

즉, 평행광인 가스 레이저를 이용하는 경우에는 프로브광의 광원과 프로브광용 콜리메이터 렌즈(21)간의 광축 방향의 거리를 바꾸어도 집광 위치를 조정할 수 없다. 또한, 프로브광용 콜리메이터 렌즈(21)는 프로브광의 집광 위치 조정을 수행하는 동시에 반도체 레이저의 출력광을 평행광에 근접시키고 또한 최적인 빔 지름으로 집광 렌즈로 유도할 수 있기 때문에 프로브광의 집광도를 향상시키고 파워 로스를 억제하는 열 렌즈 분광 분석법의 중요한 2가지 기능을 동시에 실현할 수 있다.

본 실시 형태와 같이 가장 간이적으로 집광 위치의 조정을 수행하는 프로브광용 콜리메이터 렌즈(21)로는 초점 거리가 보다 긴 렌즈를 사용하는 것이 바람직하다. 초점 거리가 특히 짧은 렌즈를 사용하면 개구수를 크게 취할 수 있고 프로브광용 콜리메이터 렌즈(21)의 파워 손실을 최소한으로 억제한 상태로 빔을 평행광에 근접시킬 수 있다. 그러나, 반도체 레이저를 프로브광으로 이용하는 경우에 콜리메이터광은 단면 방향의 발산 각도의 비에 의해 결정되는 타원이 되며, 이를 타원형인 상태로 집광시키면 집광면, 즉 초점에서의 빔 웨스트가 단면 방향에서 다른 값이 된다.

공지 기술을 통해 알려진 최적인 여기광 및 프로브광의 집광 위치의 어긋남량은 이 빔 웨스트에 의존한다(Thierry Berthoud et al., An al. Chem. Vol.57, 1216-1219, 1985). 단, 그 최적값은 기타 여러 가지의 파라미터에 의존하고 있어 복잡하며, 이제까지 제안된 이론식은 모두 완전하지 않기 때문에 예측이 불가능하다. 따라서, 최적값은 그 계에 따라 실험적으로 결정할 필요가 있다.

상기와 같이 단면 방향에 따라 빔 웨스트가 다른 경우에는 최적인 집광 위치의 어긋남량이 다르므로, 양 방향으로 최적인 값을 설정하기 곤란하다. 이 경우에는 프리즘 등의 빔을 한 방향으로만 확대하는 수단을 콜리메이터 렌즈의 직후에 설치하여 타원형의 콜리메이터광을 보정할 필요가 있다. 또한, 최적인 집광 위치의 어긋남량은 반도체 레이저의 비점격차의 값에 따라서도 달라진다.

초점 거리가 어느 정도 긴 경우에는 프로브광용 콜리메이터 렌즈(21)에서 킥(kick?)이 발생하여 파워 손실이 일어난다. 그러나, 이 출력광은 타원보다 진원에 가까운 프로파일이고 빔 웨스트치도 단면 방향에 따라 달라지는 정도가 작아지기 때문에 집광 위치의 어긋남량을 최적으로 설정하기 용이하다. 이 경우에도 집광 위치를 조정하는 수단으로 가장 간단하고 저가인 방법은 프로브광용 콜리메이터 렌즈를 콜리메이트 위치로부터 광축 방향으로 변위시키는 것이다.

본 실시 형태에서는, 빔을 좁혀 감도를 향상시키기 위하여 종래 기술과 달리 집광용으로 공통의 집광 렌즈(15)를 설치하고 있는데, 이 경우에 프로브광용 콜리메이터 렌즈(21)의 위치를 변위시키면 간단하게 필요한 경우에는 연속적으로 집광 위치를 조정할 수 있다. 반도체 레이저와 같이 발산각이 그 발광 장치의 로트에 따라 분산되는 경우에도 특별히 렌즈의 특성을 변경할 필요가 없으므로 매우 유효하다. 또한, 이득 도파형 반도체 레이저와 같이 비점격차가 매우 큰 경우에는 이 콜리메이터 렌즈(21)의 전 또는 후에 비점격차를 보정하는 광학계(실린드리컬 렌즈 등)를 설치하면 된다.

다음으로, μ-TAS에서의 분석과 같이 광로 길이가 더욱 짧은 경우에는 여기광의 빔을 더욱 좁히기 위한 광학계가 필요하다.

먼저, 열 렌즈 신호의 감도는 여기광의 강도에 비례하기 때문에 광학계는 가능한 파워 손실을 억제할 수 있도록 설계할 필요가 있다. 따라서, 여기광용 콜리메이터 렌즈(11)는 초점 거리가 긴 것을 사용할 수 없다. 또한, 너무 짧으면 빔의 일측 방향만을 확대시키는 프리즘(12)에 대한 입사각이 커지고, 이곳에서의 반사 손실이 브루스터 각도 이상에서는 프레넬의 식에 의해 유도되는 바와 같이 비선형으로 커지기 때문에 이 반사 손실과 여기광용 콜리메이터 렌즈(11)의 킥에 의한 손실을 고려하여 초점 거리를 결정할 필요가 있다.

특히, 이들 손실은 반도체 레이저의 출력광의 원접장(遠接場)(반도체 레이저의 출사구로부터 50cm 이상 떨어진 점)에서의 타원의 장축과 반도체 레이저광의 편광 방향이 일치하는 경우에 보다 현저해진다. 이 경우에는 프리즘(12)을 2장 준비하고 경사면을 서로 대향시킨 것을 프리즘으로 사용하면 확대율을 일정하게 유지한 상태로 각 프리즘(12)에 대한 입사각을 작게 할 수 있기 때문에 반사 손실로 인한 여기광의 파워 손실을 억제할 수 있으므로 바람직하다. 프리즘(12)으로의 입사각은 여기광용 콜리메이터 렌즈(11)의 초점 거리에 의해 결정되는 타원의 장축과 단축을 동등하게 하는 각도로 설정하면 된다.

빔 스플리터(14)는 여기광과 프로브광을 집광 렌즈(15)에 동축으로 유도하기 위해 필요한데, 여기광을 반사시키는 반사율이 100%에 가까운 것이 바람직하다. 또한, 프로브광을 투과시키는 비율은 검출 수단(18)에서 필요한 감도를 얻을 수 있는 투과율인 것이 바람직하다.

또한, 집광 렌즈(15)는 그 눈동자 지름이 입사 직전의 여기광의 빔 지름과 같은 정도인 것이 파워 로스를 작게 하기 위하여 바람직하다. 집광 렌즈(15)로는 단 렌즈이어도 복수 장의 렌즈로 구성된 렌즈이어도 상관없으나, 수차 보정 렌즈인 것이 바람직하다.

또한, 실린드리컬 렌즈(13)는 여기광의 비점격차가 큰 경우의 보정 수단으로 이용되는데, 프리즘(12)의 바로 뒤에 설치된다. 또한, 여기광용 콜리메이터 렌즈(11)의 뒤에 설치하여도 된다.

이와 같이 빔을 강하게 좁히기 위한 광학계는 유리나 수지 등으로 이루어진 시료 셀(16)로부터의 반사광을 이용하여 자동적으로 위치맞춤을 수행하는 경우에도 위치맞춤의 정밀도를 향상시키는 것이 가능하여 측정을 자동화하기 위해 유효하다.

(수광 광학계에 대하여)

수광 광학계는 시료로부터 투과 혹은 반사되는 여기광을 컷하고, 마찬가지로 시료로부터 투과 혹은 반사되는 프로브광의 중심부를 검출 수단(18)으로 인도하는 역할을 갖는다. 아울러, 본 실시 형태는 투과광을 이용한 경우이다.

본 실시 형태에서는 여기광의 컷에 필터(19)를 이용하는데, 분광기 등을 사용하여도 된다. 아울러, 필터(19)는 광학 농도가 높은 것이 좋으며, 5이상인 것이 바람직하다.

또한, 투과 혹은 반사되는 프로브광의 중심 부분만을 투과시키는 것으로 핀 홀(17)을 채용하고 있는데, 핀 홀(17)을 이용하지 않고 프로브광의 중심 부분만을검출 수단(18)으로 인도하여도 된다.

종래에는 시료(16)로부터 핀 홀(17)까지의 거리가 통상 1m 정도 필요하였다. 즉, 시료(16)중의 도시되지 않은 열 렌즈로부터 1m 혹은 그 이상의 거리를 둔 위치에 핀 홀(17)을 설치하지 않으면 열 렌즈 효과에 의한 프로브광의 광량 변화가 적어지고, 그 결과 열 렌즈 신호의 감도가 저하되게 된다.

이는 수광 광학계를 포함한 광학계 전체의 소형화에 장해가 된다. 또한, 전술한 바와 같이 광로를 길게 하면 레이저광의 광축 방향의 흔들림으로 인한 포인팅 노이즈가 커져 측정 S/N비을 저하시키는 원인이 된다.

본 실시 형태에서는 감도 향상을 위하여 집광 렌즈의 집광성을 상승시킴에 따라 프로브광의 집광도가 향상되어 시료로부터 핀 홀까지의 거리를 짧게 할 수 있다.

종래 기술에서는 프로브광의 빔 지름이 작아도 약 200μm이고, 시료로부터 핀 홀까지의 거리가 적어도 1m 정도 필요하였다. 그러나, 본 실시 형태에서는 후술의 실시예에서 나타나는 바와 같이 프로브광의 빔 지름이 9μm일 때에 시료로부터 핀 홀까지의 거리가 2cm이며, 또한 흡광도의 감도는 종래 기술보다 1자리 고감도이다.

이 사실을 통해 빔 지름이 약 20배가 되면 시료로부터 핀 홀까지의 거리는 50배가 된다는 것을 알 수 있다. 가령, 이 거리를 10cm까지 허용한다면, 단순히 비례 계산하여도 프로브광의 빔 지름을 약 50μm까지 집광시키면 된다는 것이다. 또한, 상기 거리를 그 이상 짧게 하려면 더욱 프로브광을 좁히면 되는데, 이론 한계치인 0.2μm까지 가능하다.

본 실시 형태에서는 반도체 레이저를 이용하여 수광부 광학계까지 포함하는 광학계를 하나의 유닛으로 구성하고 또한 간이적인 프로브광의 집광 위치 조정 수단을 구비함에 따라 광원으로부터 집광 렌즈까지의 광학계에 있어서 그 크기를 제한하는 것은 구성 부품 자체의 크기이므로 시료와 핀 홀간의 거리의 단축은 그대로 광학계의 소형화로 연결된다.

이상은 시료로부터의 투과광을 이용하여 검출을 수행하는 경우인데, 시료로부터의 반사광을 이용하는 경우에도 마찬가지로 시료로부터 핀 홀까지의 거리를 짧게 할 수 있다. 반사광을 이용하는 경우에는 시료 셀(16)에 임의의 반사막을 부착하거나 혹은 시료 셀(16)의 뒤에 미러를 설치하면 된다. 시료 셀(16)에 직접 반사막을 붙이는 경우에는 후술되는 것처럼 이 막으로부터의 반사광의 강도가 커진다. 따라서, 이 반사광을 이용하면 후술되는 광학적인 오토 포커스를 수행하기 용이하므로 바람직하다. 그러나, 이 반사막이 상기 여기광을 1% 넘게 흡수하는 경우에는 백그라운드 신호에 의해 참 신호가 영향을 받으므로, 1% 이하의 저흡수 재료를 이용하는 것이 바람직하다.

또한, 반사광을 이용하는 경우에 프로브광의 집광 위치가 여기광의 집광 위치보다 집광 렌즈(15)로부터 멀면 반사 전후에 열 렌즈 효과가 없어지는 경향이 있으므로, 프로브광의 집광 위치는 여기광의 집광 위치보다 집광 렌즈(15)에 가까운 것이 바람직하다.

검출 수단(18)으로는 프로브광의 파장에 감도를 갖는 포토 다이오드 등이 이용된다. 필요하다면 검출 수단(18)에 저잡음 증폭기를 설치하고 전기 신호를 최종적으로 필요한 강도까지 증폭하여도 된다.

(시료 셀 및 시료에 대하여)

시료를 설치하기 위한 시료 셀(16)은 기본적으로 그 단면 형상이 어떠한 형상이라도 문제되지 않는다. 광이 입사하여 투과되는 면이 플랫인 것이 바람직하지만, 기타에 대해서는 깊이(광로 길이)가 적고 폭이 넓은 장방형의 단면이어도 되고, 폭이 10μm에서 수백 μm로 가는 유리 캐피러리나 마이크로 칩을 미세 가공 기술을 통해 가공한 마이크로 채널이어도 된다. 아울러, 사용액 양이 미소량이 되도록 시료 셀의 깊이는 1000μm 이하인 것이 바람직하다.

또한, 시료 셀(16)의 재질로는 광학적으로 투명한 재료라면 특별한 문제 없이 사용할 수 있지만, 여기광을 1% 넘게 흡수하는 경우에는 백그라운드 신호에 의해 참 신호가 영향을 받으므로, 1% 이하의 저흡수 재료를 이용하는 것이 바람직하다. 예를 들면, 아크릴 수지, 폴리카보네이트 수지, 폴리스틸렌 수지 등의 투명 수지를 들 수 있다. 이들 수지를 이용하여 사출 성형이나 압축 성형 등을 통해 마이크로 채널 등을 제조할 수 있다.

측정 대상물인 시료는 여기광의 파장(예를 들면 635nm)을 흡수할 수 있으면 특별히 한정되지 않는다. 프로브광의 파장(예를 들면 780nm)을 흡수하여도 락 인 앰프 검출과 같이 여기광의 변조 주파수와 동일 주기의 성분을 추출하는 신호 처리법을 채용하면 시료에 의한 프로브광의 흡수가 열 렌즈 신호에 미치는 영향은 작다.

특히, 본 실시 형태와 같이 더블 빔법에 반도체 레이저를 적용하는 경우에는 가공이나 회전 정밀도를 필요로 하는 기계적 변조 구조가 불필요하며, 전류를 통해 저가로 여기광을 변조시킬 수 있다. 통상적으로, 여기광을 변조시키면 그 파형의 입상이나 입하에 반도체 레이저의 공진기내의 여기 전자의 완화 진동에 따른 오버 슛과 진동이 관측됨에 따라 여기광을 그대로 검출하는 싱글 빔법의 경우에는 그 파형의 변화가 렌즈 효과에 의한 파형 변화에 겹쳐 열 렌즈 신호에 현저한 영향을 준다.

그러나, 본 실시 형태와 같은 더블 빔법의 경우에는 변조광인 여기광이 아니라 프로브광을 검출할 뿐만 아니라 상기 완화 진동의 시간이 수십 ns로, 열 렌즈의 입상 시정수의 수 ms 내지 수백 ms와 비교하여 매우 빨라 무시할 수 있으므로, 여기광의 변조가 열 렌즈 신호에 거의 영향을 미치지 않으며 저가이고 편리한 변조 수단이 될 수 있다.

한편, 시료가 다성분으로 구성되어 목표 물질 이외의 물질이 여기광의 파장을 흡수하는 경우에는 목표 물질 단독의 열 렌즈 신호를 추출하기 곤란하다. 그러나, 이 경우에도 혈액 검사 등의 이물질중의 측정에서 처럼 효소 반응을 이용하여 목표 물질만을 특이적으로 발색시킬 수 있으면 문제되지 않는다. 이와 같은 예로, 혈액중의 콜레스테롤 측정시의 효소 반응이나 발색 반응계가 있으며, 콜레스테롤 E-HA 테스트 와코(와코순약 주식회사 제) 등의 키트를 이용하여 콜레스테롤의 농도를 열 렌즈 분광 분석법을 통해 정량적으로 측정할 수 있다.

또한, 그외에도 효소 반응이나 착체 형성 반응을 통해 목표 물질만 특이적으로 반응시켜 최종적으로 발색시키는 반응계가 다수 알려져 있는데, 이들을 이용하면 이물질이 많은 형액중이나 환경수중의 측정 등을 정밀하게 수행할 수 있다.

(위치맞춤 순서에 대하여)

집광 렌즈의 집광도를 향상시킨 경우에는 위치 맞춤에 종래 현미경이 이용되어 왔다. 즉, 시료 셀과 빔의 집광 위치와의 위치 관계를 현미경을 이용하여 눈으로 보고 조정하여 열 렌즈 신호를 계측하기에 최적인 위치로 시료 셀의 위치를 조정하였다.

그러나, 통상의 현미경은 작은 것이라도 세로 15cm × 가로 15cm × 높이 30cm의 크기를 가지므로 광학계가 대형이 되고, 또한 시료 셀의 위치 조정을 눈으로 보면서 매뉴얼 조정하므로 광열 변환 분광 분석 장치의 고정밀도화, 자동화의 장해가 되고 있다.

본 실시 형태에서는 시료 셀로부터의 반사광을 이용하여 시료 셀의 위치를 광학적으로 검출하고 정량화하기 때문에 현미경은 일절 불필요하며 소형화이라는 점에서도 대폭적인 개선이 있었다.

상기와 같은 광학적 검출 방법으로는, 예를 들면 시료 셀로부터의 반사광을 빔 스플리터를 통해 나누고, 아울러 실린드리컬 렌즈를 거쳐 4분할 포토 다이오드를 통해 상기 반사광의 단면 형상을 확인하여 시료 셀과 집광 위치의 위치 관계를 판단하는 비점 수차법을 들 수 있다. 이와 같은 비점 수차법은 집광 위치의 검출 감도가 높으므로 바람직하지만, 시료 셀의 위치를 광학적으로 검출하는 방법은 비점 수차법에 한정되는 것이 아니라 필요한 감도를 얻을 수 있다면 임계각법이나 나이프 엣지법이어도 문제되지 않는다.

이와 같은 포커스 서보를 이용하면 유리로 이루어진 시료 셀을 이용하는 경우에 유리와 공기의 계면 및 유리와 시료의 계면을 고정밀도로 검출할 수 있으므로, 그 결과를 이용하여 스테이지 등을 사용해서 집광 위치를 임의의 위치로 고정밀도로 맞출 수 있다.

특히, 본 실시 형태에서는 여기광 및 프로브광의 집광 렌즈를 공통으로 이용하여 빔을 강하게 좁힐 수 있으므로, 상기와 같은 포커스 서보를 통해 마이크로 미터 레벨의 정밀도로 위치맞춤이 가능하다.

또한, 상술한 바와 같이 수광 광학계에 반사 광학계를 이용하는 경우에 핀 홀에 의한 검출법 뿐만 아니라 상기 포커스를 판단하는 서보를 이용하여 열 렌즈 효과에 의한 집광 위치의 변화를 검출하면 수광 광학계와 오토 포커스 광학계를 공통화할 수 있으므로 간략화된 광학계를 실현하는 것이 가능하다.

아울러, 이와 같은 위치맞춤에 여기광을 이용하면 파장은 짧고 또한 평행광으로 대물 렌즈에 입사되기 때문에 집광 위치에서의 빔 지름이 작아져 정밀도 높은 위치맞춤이 가능해진다. 또한, 마이크로 칩 등에서 가는 홈 속으로 집광 위치를 맞출 필요가 있는 경우에도 동일한 방법을 이용하면 4분할 포토 다이오드에서 검출되는 각 광량의 연산 방식을 변경하는 것만으로 홈폭 방향에 대해서도 고정밀도로, 또한 자동적으로 집광 위치를 조정할 수 있다.

다음에는 본 발명에 관한 광열 변환 분광 분석 장치를 이용한 측정을 실시예에 따라 상세히 설명한다.

(실시예1)

광학부품이 광학 정반상에 별도로 고정되고 또한 현미경을 이용하며 반도체 레이저 발광 장치를 여기광 및 프로브광의 광원으로 사용하는 실시예를 상세히 설명한다.

제2도는 본 실시예에서 사용되는 광열 변환 분광 분석 장치의 구성을 설명하는 구성도이다. 아울러, 제2도의 광열 변환 분광 분석 장치의 구성은 제1도의 광열 변환 분광 분석 장치의 구성과 거의 동일하므로, 다른 부분만을 설명하고 동일한 부분의 설명은 생략한다. 또한, 제2도에서 제1도와 동일 또는 상당하는 부분에는 제1도와 동일한 부호를 붙였다.

여기광의 광원(10)으로 파장 635nm, 정격 출력 20mW의 반도체 레이저 발광 장치(DL-4038-025, 산요전기 주식회사 제)를 이용하였다. 이 장치의 구동 회로로는 반도체 레이저 소자를 25℃ 부근에서 온도 제어 가능한 펠티에 소자를 구비하는 정전류 제어 드라이버(TC-05 가시광형 DPST2001, 일본 과학 엔지니어링 주식회사)를 이용하였다. 또한, 이 드라이버는 변조 기능을 구비함에 따라 외부로부터 변조 신호가 입력되면 출력을 임의의 주파수로 변조시킬 수 있다. 이와 같은 변조 신호 발생기에는 펀크션 제너레이터(8116A, 휴렛 패커드 주식회사 제)를 이용하였다.

또한, 프로브광의 광원(20)으로는 파장 780nm, 정격 출력 15mW의 반도체 레이저 발광 장치(DL-4034-151, 산요전기 주식회사 제)를 이용하였다. 이 장치의 구동 회로로는 반도체 레이저 소자를 25℃ 부근에서 온도 제어 가능한 펠티에 소자를 구비하는 정전류 제어 드라이버(TC-05 적외광형 DPST2001, 일본 과학 엔지니어링주식회사 제)를 이용하였다.

아울러, 여기광용 콜리메이터(11)로는 초점 거리 f = 14.5mm, 개구수 0.276의 다이오드 레이저용 콜리메이팅 렌즈(06GLC003, 메레스그리오 주식회사 제)를 이용하였다. 그리고, 프로브광용 콜리메이터 렌즈(21)도 상기와 동일한 렌즈를 이용하였다. 이들 양 콜리메이터 렌즈(11, 21)의 마운트에는 도시되지 않은 트랜스레이션 스테이지(07TAC504, 메레스그리오 주식회사)를 설치하여 마이크로 미터 레벨의 분해능으로 광축 방향으로 변위시킬 수 있도록 하였다.

아울러, 여기광용 프리즘(12) 및 프로브광용 프리즘(22)으로는 아나몰픽 프리즘 페어용 비마운트 프리즘(06GPU001, 메레스그리오 주식회사 제)을 사용하였다.

아울러, 빔 스플리터(14)로는 다이오드 레이저용 파장 의존 빔 스플리터(03BDL003, 메레스그리오 주식회사 제)를 이용하였다. 이것의 반사대역은 550 내지 650nm, 투과대역은 760 내지 1600nm인데, 본 실시예의 광열 변환 분광 분석 장치에 이용되는 여기광(635nm) 및 프로브광(780nm)을 거의 100% 반사 혹은 투과하도록 제작되어 있다.

아울러, 현미경(30)으로는 동축의 여기광 및 프로브광을 그 측방으로부터 도입할 수 있도록 하프 미러(31)를 구비하는 공작용 현미경(XR1004, 카튼광학 주식회사 제)을 이용하였다. 또한, 하프 미러(31)에는 635nm, 780nm에 모두 작용하는 감(減)반사 코팅을 실시하였다. 현미경(30)의 대물 렌즈(32)로는 개구수 0.4의 아크로마트 대물 렌즈(M955-40, 카튼광학 주식회사 제)를 이용하였다. 이 대물 렌즈(32)는 여기광을 시료에 집광시키고 또한 프로브광을 상기 열 렌즈에 집광시키는 집광 렌즈{제1도에서의 집광 렌즈(15)}의 역할을 수행한다. 또한, 수광용 대물 렌즈(33)도 동일한 렌즈를 이용하였다.

아울러, 여기광을 컷하는 필터(19)로는 중심 파장 780nm, 반치폭(半値幅) 20nm의 레이저 라인 간섭 필터(03FIL056, 메레스그리오 주식회사 제)를 이용하였다.

아울러, 검출 수단(18)으로는 실리콘 PIN 포토 다이오드(DET110, THORLABS Inc. 제)를 이용하였다. 이 검출 수단(18)으로부터의 출력은 도시되지 않은 50Ω의 터미네이터(T4119, THORLABS Inc. 제)에 의해 전압 출력으로 변환된다. 전압의 증폭에는 게인이 100배인 저잡음 프리앰프(L1-75A, 엔에프회로 블록사 제)를 이용하였다(도시 않음). 그리고, 열 렌즈 신호 검출기로는 2위상 락 인 앰프(5610, 엔에프회로 블록사 제)를 이용하였다(도시 않음).

이 락 인 앰프의 출력은 BNC 케이블을 통해 커넥터(CB-50LP, 내셔널 인스트루먼트 주식회사 제)에 접속되고, 이 커넥터로부터의 출력을 데이터 집록(集錄) 카드(DAGCARD-700, 내셔널 인스트루먼트사 제)를 통해 노트북에 취입하였다. 노트북에 취입된 신호는 소프트 웨어(Labview5.0, 내셔널 인스트루먼트사 제)에 의해 상기 노트북의 표시 장치에 표시되고, 상기 노트북의 기록 장치에 보존된다. 또한, 레이저 빔의 빔 지름, 중심 좌표, 타원 장축 기울기각, 출력 및 이들의 경시 변화를 측정하기 위하여 도시되지 않은 빔 분석기(빔 어라이저 13KP001-SA, 메레스그리오 주식회사 제)를 사용하였다.

아울러, 시료 셀(16)이 재치되는 스테이지(34)로는 광축 방향 및 광축에 수직인 방향의 2축을 1마이크로 미터 레벨의 분해능으로 위치맞춤할 수 있는 자동 위치 결정 스테이지(MIN-60X MINI-5P, 시그마광기 주식회사 제)를 이용하였다.

다음에는 상기와 같은 광열 변환 분광 분석 장치의 광학계의 조정에서 열 렌즈 신호의 측정까지의 방법을 설명한다.

광학계를 조정할 때에는 먼저 프로브광부터 조정한다. 상기 빔 분석기의 빔 분석 결과를 보면서 출력광의 타원의 장축이 광학계를 고정하고 있는 정반의 최상면에 대하여 수직이 되도록 프로브광의 광원(20)을 마운트한다. 다음에는 프로브광용 콜리메이터 렌즈(21)의 광축을 조정한다. 즉, 프로브광용 콜리메이터 렌즈(21)의 근접점 및 1m 정도 떨어진 점에서의 빔 지름을 상기 빔 분석기로 측정하고, 이들이 동등해지도록 프로브광의 광원(20)과 프로브광용 콜리메이터 렌즈(21)간의 거리를 조정하여 평행광이 되도록 위치시킨다(기준 위치). 그 기준 위치로부터 프로브광용 콜리메이터 렌즈(21)를 일정 거리만큼 변위시켜 열 렌즈 측정에 최적인 위치로 조정한다. 프로브광의 집광 위치는 기준 위치로부터의 변위량에 의해 일의적으로 결정된다.

다음에는 프리즘(22)을 제2도와 같이 설치하고 상기 출력광의 타원의 단축과 장축이 동일 지름이 될 때까지 프리즘(22)을 회전 스테이지 등으로 회전시켜 입사각을 조정한다. 프리즘(22)으로부터의 출사광을 빔 스플리터(14)에 통과시킨 후, 프로브광을 현미경(30)의 대물 렌즈(32)로 입사시킨다. 아울러, 시료 셀(16)에 구비된 시료로부터의 투과광을 수광하기 위해 수광용 대물 렌즈(33)를 설치하고, 이 대물 렌즈(33)의 축을 광축에 맞추어 출사광이 평행광이 되도록 조정한다.

그 이후, 수광용 대물 렌즈(33)와 검출 수단(18)의 사이에 필터(19)를 배치한다. 또한, 제1도와 같이 필터(19)와 검출 수단(18)의 사이에 핀 홀을 설치하여도 되는데, 본 실시 형태에서는 수광용 대물 렌즈(33)를 평행광이 되는 위치에서 광축 방향으로 어긋나게 하여 집광 렌즈(33)에서 킥되도록 함으로써, 핀 홀을 대용하고 있다. 이때, 시료 셀(16)에서 핀 홀을 대체하는 대물 렌즈(33)까지의 거리는 약 2cm이다.

프로브광의 조정이 끝난 이후에 동일한 방법으로 여기광의 광원(10)의 설치와 여기광용 콜리메이터 렌즈(11) 및 프리즘(12)의 조정을 수행한다.

그리고, 빔 스플리터(14)상에서 여기 및 프로브광의 광축을 맞추고, 나아가 빔 스플리터(14)의 틀어짐을 조정한 이후에 빔 스플리터(14)로부터 충분히 먼 위치에서 양 광의 광축을 맞추는 2점에서의 조정을 통해 여기광과 프로브광을 동축으로 한다. 2점에서 축이 일치되면 여기광도 수직으로 대물 렌즈(32)의 눈동자 면에 입사된다. 이상의 조정을 더욱 용이하게 하려면 틀어짐형 미러를 적당한 부분에 설치하면 된다. 또한, 여기광의 광원(10) 및 프로브광의 광원(20)으로부터 시료 셀(16)까지의 광로 길이는 약 50cm이다.

이와 같은 광열 변환 분광 분석 장치를 이용하되. 시료 셀(16)로는 광로 길이 50μm의 유리 셀(AB20, 지엘 사이언스 주식회사 제)을 이용하고, 시료로는 키실렌시아놀 수용액을 이용하여 분석을 수행하였다.

측정할 때에는 먼저 시료가 설치된 시료 셀(16)을 스테이지(34)상에 재치한다. 그리고, 측정부위에 여기광 및 프로브광이 입사되도록 시료 셀(16)의 위치를조정한다. 아울러, 여기광의 집광 위치(깊이 위치)를 조정한다. 이때에는 스테이지(34)를 이동시켜 시료 셀(16)을 변위시키면서 현미경 등을 사용하여 집광 위치를 조정한다. 집광 위치가 공기와 유리의 계면 또는 유리와 시료의 계면과 완전히 일치하는 경우에 현미경에서 그 반사광이 휘점으로 명료하게 관측되므로, 그 휘점을 기준으로 스테이지(34)를 이용하여 시료 셀(16)을 변위시킨다. 이와같이 집광 위치를 소정의 깊이 위치에 맞춘 후, 열 렌즈 분광 분석법을 통해 측정을 수행한다.

제3도에 농도 25μM의 기킬렌시아놀 수용액의 열 렌즈 신호의 경시 변화를 측정한 결과를 도시하였다. 측정을 1초 간격으로 5분간 수행하였다. 변조 주파수는 2.1kHz, 락 인 앰프 시정수는 1초로 하였다. 또한, 이때의 여기광 및 프로브광의 빔 지름은 모두 9μm이었다.

제3도의 차트에서 알 수 있듯이, 프로브광만을 입사시킨 경우에는 락 인 앰프로부터의 출력이 평균 0.07V인 것에 비해 여기광을 입사시켜 열 렌즈를 형성시키면 출력은 6V 정도이었다. 이 5분간의 측정치의 표준 편차 σ가 0.044V이므로, 이 때의 측정 CV(Coefficient of Variance)는 약 0.7%가 되어 매우 안정된 측정이 수행되고 있는 것을 알 수 있다.

제4도에 키실렌시아놀 수용액의 열 렌즈 신호의 측정에 있어서의 열 렌즈 신호의 강도와 키실렌시아놀의 농도와의 상관을 나타내었다. 이 결과에서, 검출 한계 농도를 S/N(Signal-to-Noise ratio)이 2가 되는 농도로 하면 3.6 × 10^-7(mol/L)이었다. 이 값에 본 실시예에서 이용하는 키실렌시아놀의 몰 흡광 계수 3× 10⁴(L/cm/mol) 및 광로 길이 5.0 ×10^-3(cm)을 곱하여 본 실시예의 광열 변환 분광 분석 장치에의 흡광도의 검출 결과를 구하면, 수용액에서 약 5.4 × 10^-5(Abs.)이었다.

그리고, 종래 기술인 제7도의 광열 변환 분광 분석 장치에서의 흡광도의 검출 한계는 2-부탄올 용액을 이용한 측정에서 2 × 10^-4(Abs.), 즉 인의 농도에서 0.2ppb이었다. 단, 수용액을 이용하는 경우에 검출 한계는 0.7ppb이며, 파장 823.9nm에서의 몰 흡광 계수는 2-부탄올 용액의 경우와 비교하여 약 4분의 3배가 되므로, 수용액에서의 흡광도의 검출 한계는 5.3 × 10^-4(Abs.)로 계산된다. 따라서, 본 실시예는 종래 기술과 비교하여 약 10배 감도가 높은 것을 알 수 있다. 또한, 본 실시예에서는 여기광 및 프로브광 모두 비점격차가 완전히 보정되지 않아 40μm 정도 남아있다.

또한, 전술과 마찬가지로 여기광으로 반도체 레이저 광원을 채용하고 시료로부터 핀 홀까지의 거리를 아무런 대책 없이 10cm로 단축하는 다른 종래 기술(D. Rojas et al., Rev. Sci. Instrm. Vol.63, 2989-2993, 1992)과 동일한 비교를 하여도 약 24배 정도 고감도이다(아울러, 이 종래예에 대해서는 도시하지 않는다).

집광 렌즈의 개구수에 대해서는, 전술한 바와 같이 시료 셀의 깊이에 대하여 감도가 최적이 되는 값이 있다고 예상된다. 즉, 제7도의 종래 기술은 시료 셀의 깊이가 1cm로 깊으므로, 여기광의 빔 지름을 70μm 보다 더욱 작게 하는 것이 꼭감도의 향상으로 연결된다고 볼 수 없다. 그러나, 본 실시예에서는 반도체 레이저를 이용하여 여기광 및 프로브광의 빔 지름을 모두 9μm로 하고 시료에서 핀 홀까지의 거리를 2cm로 짧게 하므로, 깊이 50μm의 시료 셀중의 극소량의 시료를 고감도로 측정할 수 있다.

또한, 프로브광의 집광 위치의 조정은 집광 렌즈를 공통으로 이용하여 집광성을 향상시키고 부품 점수를 늘리지 않으며 프로브광용 콜리메이터 렌즈(21)를 변위시켜 프로브광의 광원(20)과 프로브광용 콜리메이터 렌즈(21)간의 거리를 조정하는 간이적인 방식을 통해 수행하였다. 따라서, 측정 감도가 향상되었다.

또한, 본 실시예에서는 프로브광의 광원(20)과 프로브광용 콜리메이터 렌즈(21)간의 거리 및 여기광의 광원(10)과 여기광용 콜리메이터 렌즈(11)간의 거리 양쪽을 가변시키지만, 한쪽만을 가변시켜도 된다.

(실시예2)

광원으로부터 검출 수단까지의 부분을 소형화 또한 일체화한 예에 대하여 제5도를 참조하여 상세히 설명한다. 또한, 제5도에서 제1도와 동일 또는 상당하는 부분에는 제1도와 동일한 부호를 붙였다. 또한, 본 실시예에서는 자작(自作)인 광학 부품이 몇 종류 사용되는데, 동일한 특성을 갖는 것이라면 시판되는 광학 부품을 사용하여도 된다.

여기광의 광원(10)으로는 파장 635nm, 정격 출력 30mW의 반도체 레이저 발광 장치(LT051PS, 샤프 주식회사 제)를 이용하였다. 또한, 프로브광의 광원(20)으로는 파장 780nm, 정격 출력 50mW의 반도체 레이저 발광 장치(ML60114R, 미쯔비시전기 주식회사 제)를 이용하였다. 이들 반도체 레이저는 도시되지 않은 시판중인 LD 드라이버(ALP-6323CA, 아사히 데이터 시스템즈사 제)에 의해 출력 제어 및 전류 제어되도록 구성하였다.

LD 드라이버는 마찬가지로 도시되지 않은 PCI 카드(NIPCI-6025E, 내셔널 인스투르먼트사 제)를 통해 퍼스널 컴퓨터에 접속되며, 반도체 레이저 발광 장치의 출력이나 전류, 변조 주파수는 퍼스널 컴퓨터에 의해 변조될 수 있도록 구성되어 있다. 또한, 여기광의 변조 주파수는 0 내지 100kHz까지 가능하도록 구성되어 있다. 또한, 여기광 및 브로브광 모두 350MHz의 고주파를 중첩시키며 복귀광에 의한 영향을 작게 하였다.

여기광용 콜리메이터 렌즈(11)로는 개구수 0.34, 초점 거리 8mm의 자작 렌즈를 이용하였다. 그리고, 프로브광용 콜리메이터 렌즈(21)로는 개구수 0.39, 초점 거리 7mm의 자작 렌즈를 이용하였다. 프로브광용 콜리메이터 렌즈(21)는 도시되지 않은 마이크로 미터 헤드(MHT3-5, 미쯔토요사 제)에 취부되며 마이크로 미터 오더의 분해능으로 광축 방향으로 변위할 수 있도록 구성하였다. 또한, 변위 방식에 대해서는 이 예에 한정되는 것은 아니다.

아울러, 여기광용 프리즘(12) 및 프로브광용 프리즘(22)으로는 2개의 자작 프리즘의 경사면 끼리를 대향시킨 것을 이용하였다. 또한, 여기광용 프리즘(12)에 대해서는 확대율이 3배가 되도록 2개의 프림즘간의 각도를 조정하였다. 또한, 프로브광용 프리즘(22)에 대해서는 확대율이 2.6배가 되도록 2개의 프리즘간의 각도를 조정하였다.

아울러, 여기광과 프로브광을 동축으로 하기 위한 빔 스플리터(14)로는 p편광에 대한 투과율이 100%이고, s편광에 대한 반사율이 100%인 자작 편광 의존 빔 스플리터를 이용하였다. 또한, 이 경우에 여기광은 s편광으로 되어 있고 프로브광은 p편광으로 되어 있기 때문에 빔 스플리터(14)에서의 파워 로스는 거의 0이 된다.

아울러, 집광 렌즈(15)로는 개구수 0.4, 초점 거리 4.5mm(350022, GELTECH사 제)을 이용하였다.

또한, 빔 스플리터(14)를 통과한 여기광 및 프로브광을 집광 렌즈(15)로 유도하기 위하여 상기 양 광을 90° 굴절시키는 미러 프리즘(56)을 사용하였다.

다음에는 시료 셀(16)로부터의 반사광을 이용하여 시료 셀(16)과 레이저 광의 집광 위치와의 위치 관계를 정량화하는 방법에 대하여 설명한다. 아울러, 본 실시예에서는 반사광의 빔의 단면 형상에 따라 시료 셀(16)의 위치를 검출하는 비점격차법을 이용하여 상기 위치 관계를 정량화하는 방법을 채용하고 있지만, 상기 위치 관계를 정량화하는 방법은 특별히 한정되는 것이 아니며 나이프 엣지법 및 임계각법을 이용하여도 상관없다.

시료 셀(16)로부터의 반사광은 여기광 및 프로브광에 대하여 투과율 80%, 반사율 20%로 설정된 자작 비편광 의존 빔 스플리터(51)에 의해 반사된 후, 시료 셀(16)의 위치를 검출하기 위한 광학계로 유도된다. 상기 광학계로 유도된 여기광 및 프로브광의 반사광은 중심 파장 635nm, 반치폭 10nm인 레이저 라인 간섭 필터(52)(03FIL250, 메레스그리오주식회사 제)에 의해 프로브광만이 컷되어 집광렌즈(53)로 유도된다. 집광 렌즈(53)로는 초점거리가 45.5mm인 자작 렌즈를 이용하였다.

실린드리컬 렌즈(54)로는 곡면에서의 초점 거리가 286mm인 자작 실린드리컬 렌즈를 이용하였다. 집광 렌즈(53) 및 실린드리컬 렌즈(54)에 의해 여기광은 4분할 포토 다이오드(55)(S6344, 하마마쯔 호토닉스사 제)로 집광되며, 4개의 포토 다이오드 각각에서 광의 강도는 전기 신호로 변환된다. 이들 전기 신호는 도시되지 않은 PCI 카드(NIPCI-6025E, 내셔널 인스트루먼트사 제)를 통해 마찬가지로 도시되지 않은 퍼스널 컴퓨터로 유도된다. 그리고, 상기 퍼스널 컴퓨터상에서 연산 처리되어 시료 셀과 여기광의 집광 위치와의 상대 거리가 정량화된다. 또한, 연산시에는 4분할 포토 다이오드의 출력의 합을 연산하고, 아울러 그 2개의 연산치의 차를 연산한다.

다음에는 수광부 광학계에 대하여 설명한다. 본 실시예는 투과광을 이용하여 검출을 수행하는 것인데, 전술한 바와 같이 미러나 반사막을 사용해서 반사광을 이용하여 검출을 수행하여도 된다.

시료를 투과한 여기광 및 프로브광을 평행광으로 변환하기 위한 수광 렌즈(57)로 집광 렌즈(15)와 동일한 렌즈를 사용하였다. 또한, 수광 렌즈(57)의 개구수는 집광 렌즈(15)의 개구수 이상의 것을 이용하면 문제되지 않는다. 아울러, 여기광을 컷하는 필터(19)로는 중심 파장 780nm, 반치폭 20nm인 레이저 라인 간섭 필터(03FIL056, 메레스그리오 주식회사 제)를 이용하였다.

상기 필터(19)를 투과한 프로브광은 핀 홀(17)에 의해 중심 부분만이 투과되고, 초점 거리가 10mm의 렌즈(58)(01LPX005, 메레스그리오 주식회사 제)에 의해 검출 수단(18)으로 집광되어 전기 신호로 변환된다. 검출 수단(18)으로는 4분할 포토 다이오드(S6344, 하라마쯔 호토닉스사 제)를 이용하였다. 본 실시 형태에서는 4개의 포토 다이오드의 각 전기 신호의 합을 연산하고, 그 신호를 검출 수단(18)으로부터의 출력으로 하였다. 검출 수단(18)으로 반드시 4분할 포토 다이오드를 이용할 필요는 없으며, 비분할 포토 다이오드라도 문제되지 않는다.

4분할 포토 다이오드로부터의 출력은 자작 회로에 의해 전류로부터 전압으로 변환된다. 전류로부터 전압으로의 변환 배율을 1000배로 하였다. 또한, 전류로부터 전압으로의 변환 회로는 변환 배율이 1000배라면 시판 제품이어도 상관없다.

아울러, 변환된 전압 신호는 게인이 100배인 저잡음 프리 앰프(L1-75A, 엔에프 회로 블록사 제)로 유도되고(도시 않음), 아울러 도시하지 않은 2위상 락 인 앰프(5610B, 엔에프 회로 블록사 제)로 유도되는데, 여기광의 변조 주파수와 동기하는 전기 신호만을 추출하여 그것을 열 렌즈 신호치(락 인 앰프의 출력)로 하였다.

이 락 인 앰프의 출력은 BNC 케이블을 통해 커넥터(CB-50LP, 내셔널 인스트루먼트 주식회사 제)에 접속되고, 커넥터로부터의 출력은 데이터 집록 카드(DAGCARD-700), 내셔널 인스트루먼트사 제)를 통해 노트북으로 취입된다. 노프북에 취입된 열 렌즈 신호는 소프트 웨어(LABVIEW5.0, 내셔널 인스트루먼트사 제)에 의해 상기 노트북의 표면 화면에 표시되며, 신호치 및 신호치의 경시 변화는 기록된다(모두 도시 않음).

아울러, 시료 셀(16)을 재치하는 도시되지 않은 스테이지로는 광축 방향으로1μm의 분해능으로 위치맞춤할 수 있는 자동 위치 결정 스테이지(MINI-60X MINI-5P, 시그마광기 주식회사 제)를 이용하였다.

광학계의 조정에 관해서는 실시예1과 동일한 순서로 수행하고, 프로브광용 콜리메이터 렌즈(21)를 제외하는 모든 광학 부품은 조정후에 알루미로 이루어진 박스(59)에 접착제를 통해 고정하여 일체화(유닛화)하였다.

다음에는 시료의 측정 순서에 대하여 설명한다. 시료 셀(16)로는 광로 길이 50μm의 유리 셀(AB20, 지엘 사이언스 주식회사 제)을 이용하고, 이를 도시되지 않은 스테이지에 얹어 고정한다. 그 이후, 스테이지를 광축 방향으로 이동시키며 도시되지 않은 퍼스널 컴퓨터를 통해 4분할 포토 다이오드(55)의 출력의 연산 결과를 모니터하면서 공기와 유리와의 계면을 찾고, 그곳으로부터 일정량 이동시킨 위치에서 열 렌즈 측정을 수행하였다.

스테이지를 깊이 방향으로 이동시킨 경우의 연산 결과를 제6도에 도시하였다. 제6도의 그래프중 부호 a로 나타낸 영역은 시료 셀(16)이 집광 렌즈(15)에 의한 여기광의 집광 위치로부터 먼 것을 나타내고, 또한 부호 c의 영역은 반대로 너무 가까운 것을 나타낸다. 베이스 라인을 가로지르는 부호 b의 점이 공기 및 유리의 계면과 여기광의 집광 위치가 완전히 일치하는 것을 나타낸다.

이때의 시료 셀(16)의 위치맞춤 정밀도가 최종적으로 열 렌즈의 측정 위치에 시료 셀(16)을 맞출 때의 위치맞춤 정밀도를 결정짓게 된다. 이 경우, 측정 결과로부터 2μm 이하의 정밀도에서 위치맞춤이 가능하다는 것을 나타낸다. 시료 셀(16)의 위치가 5μm 어긋나면 열 렌즈 신호는 약 2% 변화하는데, 후술의 결과에서 알 수 있듯이 통상 1% 정도의 정밀도가 요구되는 POC 분석 등에서 본 실시예의 광열 변환 분광 분석 장치는 열 렌즈 측정에 필요한 위치맞춤 정밀도를 가지고 있다고 말할 수 있다.

본 실시예의 광열 변환 분광 분석 장치를 이용하여 키실렌시아놀을 측정한 결과를 설명한다. 흡광도의 검출 한계는 1.0 × 10^-5(Abs.)가 되는데, 본 실시예의 광열 변환 분광 분석 장치는 실시예1과 마찬가지로 종래 기술과 비교하여 소형이며 또한 고감도이었다. 또한, 본 실시예에서는 시료로부터 핀 홀까지의 거리가 10cm이고, 광학계 전체의 크기는 세로 15cm × 가로 15cm × 높이 15cm이다. 따라서, 충분히 운반할 수 있는 사이즈이다.

이상과 같이, 본 발명의 광열 변환 분광 분석 장치는 POC 분석 등을 수행하는 장치로서 필요한 소형이며 저가이고, 고감도 및 고정밀도이며, 유지·보수가 자유롭고, 입상 시간이 빠르며, 측정의 자동화가 가능하다는 조건을 모두 갖추고 있다.

Claims

여기광의 입사에 따라 시료에 발생되는 열 렌즈에 프로브광을 입사시키고, 이때 상기 열 렌즈에 의한 상기 프로브광의 변환에 의거하여 상기 시료의 분석을 수행하는 광열 변환 분광 분석 장치로,

상기 여기광의 광원을 반도체 레이저 발광 수단으로 구성하고, 상기 프로브광의 광원을 별도의 반도체 레이저 발광 수단으로 구성하며,

아울러 상기 여기광을 상기 시료에 집광시키는 집광 렌즈와 상기 프로브광을 상기 열 렌즈에 집광시키는 집광 렌즈를 공통의 집광 렌즈로 구성하는 것을 특징으로 하는 광열 변환 분광 분석 장치.
제1항에 있어서, 상기 집광 렌즈에 의해 집광된 상기 여기광 및 상기 프로브광의 집광 위치에서의 빔 지름이 모두 0.2 내지 50μm인 것을 특징으로 하는 광열 변환 분광 분석 장치.
제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 프로브광의 상기 열 렌즈에 의한 변화를 검출하는 검출 수단과, 상기 시료 및 상기 검출 수단의 사이에 배치되며 상기 열 렌즈에 의해 변화된 상기 프로브광 가운데 일부를 투과시키는 투과 수단중 적어도 상기 검출 수단을 구비하며,

상기 투과 수단을 구비하는 경우에는 상기 투과 수단과 상기 시료간의 광축방향의 거리를 10cm 이하로 구성하고,

상기 투과 수단을 구비하지 않은 경우에는 상기 검출 수단과 상기 시료간의 광축 방향의 거리를 10cm 이하로 구성한 것을 특징으로 하는 광열 변환 분광 분석 장치.
제1항 내지 제3항중 어느 하나에 있어서, 상기 여기광의 광원으로부터 발광된 반도체 레이저광이 입사되는 콜리메이터 렌즈 및 상기 프로브광의 광원으로부터 발광된 반도체 레이저광이 입사되는 콜리메이터 렌즈중 적어도 하나를 구비한 것을 특징으로 하는 광열 변환 분광 분석 장치.
제4항에 있어서, 상기 콜리메이터 렌즈중 적어도 한쪽에서 상기 콜리메이터 렌즈와 상기 광원간의 광축 방향의 거리를 변화시켜 상기 반도체 레이저광의 집광 위치를 조정하는 집광 위치 조정 수단을 구비한 것을 특징으로 하는 광열 변환 분광 분석 장치.
제1항 내지 제5항중 어느 하나에 있어서, 상기 여기광의 광원 및 상기 프로브광의 광원중 적어도 한쪽과 상기 집광 렌즈간에 상기 광원으로부터 발광된 반도체 레이저광의 단면 형상을 진원(眞圓)형에 근접시키는 진원화 수단을 구비한 것을 특징으로 하는 광열 변환 분광 분석 장치.
제1항 내지 제6항중 어느 하나에 있어서, 상기 여기광의 광원 및 상기 프로브광의 광원중 적어도 한쪽과 상기 집광 렌즈간에 상기 광원으로부터 발광된 반도체 레이저광의 비점격차를 저감시키는 비점격차 보정 수단을 구비한 것을 특징으로 하는 광열 변환 분광 분석 장치.
제1항 내지 제7항중 어느 하나에 있어서, 상기 여기광의 광원 및 상기 프로브광의 광원이 출력 제어 가능한 반도체 레이저 발광 수단인 것을 특징으로 하는 광열 변환 분광 분석 장치.
제1항 내지 제8항중 어느 하나에 있어서, 상기 여기광의 파장이 400 내지 700nm인 것을 특징으로 하는 광열 변환 분광 분석 장치.
제1항 내지 제9항중 어느 하나에 있어서, 상기 여기광의 광원이 전기적으로 변조 가능한 반도체 레이저 발광 수단인 것을 특징으로 하는 광열 변환 분광 분석 장치.
제10항에 있어서, 동기 검파에 따른 신호 추출 수단을 구비하는 것을 특징으로 하는 광열 변환 분광 분석 장치.
제1항 내지 제11항중 어느 하나에 있어서, 상기 시료를 넣는 시료 셀로부터의 반사광을 이용하여 상기 여기광 및 상기 프로브광중 적어도 한쪽의 집광 위치와 상기 시료 셀간의 거리를 조정하는 수단을 구비한 것을 특징으로 하는 광열 변환 분광 분석 장치.