JP4331126B2 - 熱レンズ分光分析装置 - Google Patents
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Description
このようなPOC分析等に適した検出法としては、溶液中の色素等の物質が光を吸収して、その緩和過程で発生する熱量を測定する光熱変換分光分析法がある。この光熱変換分光分析法は高感度な濃度測定法として知られており、特に、発生した熱により生じた温度分布による屈折率分布を利用する熱レンズ分光分析法は、透過光量を測定する吸光光度法と比較して、100倍以上高感度であることが知られている(特許文献1〜3及び非特許文献1〜6を参照)。
そこで、本発明は上記のような従来の熱レンズ分光分析装置が有する問題点を解決し、部品に位置ずれや振動が生じても分析の感度や精度の低下が生じにくく、且つ、分析前の細かな調整が不要な熱レンズ分光分析装置を提供することを課題とする。
(2)前記プローブ光集光用光学素子は、光線束の最大錐角の半角の正弦が0.15以下となるように前記プローブ光を集光するものである。
(3)前記検出手段の受光部が、前記プローブ光のうち前記熱レンズにより変化した部分のみを受光し、前記熱レンズの影響を受けていない部分は受光しないように、前記受光部の大きさが設定されている。
(4)前記励起光の焦点位置と前記プローブ光の焦点位置を独立して調整可能とし、前記両焦点位置間の距離が200μm以上である。
次に、(4)の条件について説明する。励起光の焦点位置とプローブ光の焦点位置とをある程度離すことにより、十分な分析感度を有していると同時に、光路に沿う方向の位置ずれや同方向の振動が部品に生じても、分析の感度や精度の低下が小さいことを実現した。そして、励起光の焦点位置とプローブ光の焦点位置との間の距離を100μm以上とすれば、十分な分析感度を有しているとともに、前述の位置ずれや振動による分析の感度や精度の低下が特に生じにくい。励起光の焦点位置とプローブ光の焦点位置との間の距離が100μm未満であると、プローブ光のうち熱レンズにより変化した部分の割合が大きすぎるため、熱レンズにより変化した部分の形状が歪んで分析に支障が生じるだけでなく、後述する励起光とプローブ光との光軸のズレに対する耐性の低下の度合いが高まる。なお、このような不都合がより生じにくくするためには、励起光の焦点位置とプローブ光の焦点位置との間の距離を200μm以上とすることがより好ましい。
T≧125000×(前記励起光又は前記プローブ光の光線束の最大錐角の半角の正弦)×〔D+2×(前記受光部の許容位置ずれ量)〕/〔250+2×(前記受光部の許容位置ずれ量)〕
なお、T,D,及び前記受光部の許容位置ずれ量の単位はμmである。
T≧(前記励起光又は前記プローブ光の光線束の最大錐角の半角の正弦)×〔D+40〕×400
なお、T及びDの単位はμmである。
なお、受光部の形状がどのような形状であっても熱レンズ信号の検出は可能であるが、熱レンズが近似的にガウシアン的な分布をすると想定できるため、受光部の面積が同一であっても形状が異なると検出される熱レンズ信号は必ずしも同一ではない。レーザー等からなるプローブ光の断面形状は円形又は楕円形であり、その結果、熱レンズの分布も基本的に円形又は楕円形と考えられるので、受光部の形状についても円形又は楕円形が好ましい。ただし、四角形等の他の形状でも差し支えなく、その場合は、その形状に応じて上記式の「D」の値を補正する必要がある。
このような構成であれば、部品点数を減らすことになるから、コストや小型化の点でも好ましい。
熱レンズ分光分析装置の製造時の組み立て精度等の影響により、同一の光学素子により集光されたとしても励起光の光軸とプローブ光の光軸とがずれることがあり、その場合には、プローブ光のうち熱レンズにより変化した部分は、励起光の焦点位置とプローブ光の焦点位置とを結ぶ線の延長線上に位置することになる。よって、検出手段の受光部の中心部分を前記延長線上に配すれば、熱レンズ分光分析装置の感度を高めることができる。
さらに、本発明に係る請求項8の熱レンズ分光分析装置は、請求項7に記載の熱レンズ分光分析装置において、前記励起光集光用光学素子を透過した前記励起光と、前記プローブ光集光用光学素子を透過した前記プローブ光とが、同軸ではないことを特徴とする。
試料セル6に試料溶液Sが収納されている場合と収納されていない場合とにおいて、それぞれ測定を行い、検出手段9の検出値の差を熱レンズ信号とすればよい。この熱レンズ信号は、熱レンズの度、すなわち試料溶液Sの濃度に比例する。通常は、励起光Eに対し変調を掛け、その変調周波数に応じたプローブ光Pの変動のみをロックインアンプ等を用いて取り出すことで、より精度の高い結果を得ることができる。
さらに、試料溶液Sと光ファイバ8の受光面8aとの間の距離に応じて受光面8aの大きさ(光ファイバ8の径)が設定されていて、光ファイバ8の受光面8aが、プローブ光Pのうち熱レンズLにより変化した部分P’のみを受光し、熱レンズLの影響を受けていない部分は受光しないようになっているので(すなわち、光ファイバ8の受光面8aの大きさが、プローブ光Pのうち熱レンズLにより変化した部分P’よりも小さいか又は同一)、熱レンズ分光分析装置は十分な分析感度を有している。光ファイバ8の受光面8aが大きすぎると、プローブ光Pのうち熱レンズLの影響を受けていない部分も受光してしまうので、その影響を受けて熱レンズ信号の強度が小さくなる。
T≧(励起光E及びプローブ光Pの光線束の最大錐角の半角の正弦)×〔D+40〕×400
よって、光路に直交する方向の位置ずれや同方向の振動が部品に生じても、熱レンズ信号の変動の程度が小さく、分析の感度や精度の低下が小さい。また、運搬時の振動等により前記方向の位置ずれが部品に生じていたとしても、分析の感度や精度の低下が小さいので、分析現場において分析前に熱レンズ分光分析装置を細かく調整する必要がない。
さらに、本実施形態の熱レンズ分光分析装置は、プローブ光Pの焦点位置が励起光Eの焦点位置よりも光ファイバ8の受光面8aに近い位置に存在する。そのため、熱レンズ信号が安定している。両焦点位置が同位置に存在したり、前述の場合とは逆に励起光Eの焦点位置がプローブ光Pの焦点位置よりも光ファイバ8の受光面8aに近い位置に存在したりすると、熱レンズ信号分布にムラや歪みが観測されることがあり、分析に不具合が生じる場合がある。
励起光Eの光源であるレーザー発光手段1として用いられるレーザーの種類は特に限定されるものではなく、ガスレーザー,固体レーザー等を問題なく用いることができるが、安価且つ小型であることから半導体レーザーが望ましい。ただし、半導体レーザーを用いる場合には、各光学部品からの反射光が再び励起光Eの光源に入射すると出力変化によるノイズとなるので、半導体レーザーに高周波重畳をかけるか、又は、偏光依存ビームスプリッタと4分の1波長板との組み合わせによる光アイソレータを組み込むことが望ましい。
さらに、反射板3はプローブ光Pをビームスプリッタ4に導くためのものであり、プローブ光Pの波長において十分な反射率を有するものであれば問題なく用いることができる。ただし、100%に近い反射率であることが望ましい。
〔励起光の焦点位置とプローブ光の焦点位置との間の距離について〕
両焦点位置間の距離と熱レンズ信号の強度との関係を、図3のグラフに示す。このグラフから、両焦点位置間の距離が200μm以上であっても、熱レンズ信号の強度(熱レンズ信号の総和)が高く、分析感度が十分であることが分かる。両焦点位置間の距離が200μm未満の場合は、前述したように、プローブ光のうち熱レンズにより変化した部分の割合が大きすぎるため、プローブ光のうち熱レンズにより変化した部分の形状が歪むなどして分析に支障が生じるとともに、励起光とプローブ光との光軸のズレに対する耐性の低下の度合いが高まる。
なお、励起光の焦点位置とプローブ光の焦点位置との間の距離と、プローブ光のうち熱レンズにより変化した部分の大きさ(熱レンズ信号の平均半値幅)と、の関係を示した図4のグラフから分かるように、両焦点位置間の距離が小さいほど、プローブ光のうち熱レンズにより変化した部分(熱レンズ信号の平均半値幅)が大きくなる。よって、両焦点位置間の距離が小さいほど、光ファイバ(受光部)の光路に直交する方向の位置ずれに対する許容誤差が大きくなる傾向がある。ただし、両焦点位置間の距離が小さ過ぎると、プローブ光のうち熱レンズにより変化した部分の歪みや、励起光とプローブ光との光軸のズレの影響を受けやすいことは前述の通りである。また、両焦点位置間の距離が大きいほど、熱レンズ形成の中心領域となる励起光の焦点位置におけるプローブ光の光径は大きくなるので、両光の光軸のズレに対する許容誤差が大きくなる傾向がある。
試料とプローブ光の受光部との間の距離と、プローブ光のうち熱レンズにより変化した部分の大きさ(熱レンズ信号の平均半値幅)と、の関係を図4のグラフに示す。このグラフから、試料とプローブ光の受光部との間の距離が大きい方が、熱レンズ信号の平均半値幅が大きいことが分かる。よって、試料とプローブ光の受光部との間の距離が大きい方が、光路に直交する方向の位置ずれが光ファイバ(受光部)に生じても、分析の感度や精度の低下が小さいことが分かる。
T≧(光線束の最大錐角の半角の正弦)×〔D+40〕×400
T≧125000×(前記励起光又は前記プローブ光の光線束の最大錐角の半角の正弦)×〔D+2×(前記受光部の許容位置ずれ量)〕/〔250+2×(前記受光部の許容位置ずれ量)〕
この範囲であれば、光ファイバ等の受光部の位置ずれを許容できることになる。受光部をピンホール状とし、受光部の大きさをさらに小さくすれば、試料と受光部との間の距離を小さくできることになるが、実際にはサンプルの厚さ等の制限を受けることは言うまでもない。
励起光とプローブ光との光軸のズレは、小さい方が好ましい。図6のグラフから分かるように、プローブ光の光径に対するズレ量の比率(%)が小さいほど、熱レンズ信号の強度が高い。これは、光軸のズレが大きいと、プローブ光のうち熱レンズにより変化した部分が円形状にならず歪むためと考えられる。
ここで、より具体的な例を示して、熱レンズ分光分析装置をさらに詳細に説明する。集光レンズ5の開口数を0.1とし、光軸の位置決め剛性を±0.25μmとすると、熱レンズ信号の変動量が0.5%となるプローブ光と励起光との光軸のズレは0.35%程度であることが図6から分かるので、プローブ光の光径は70μmとなる(70μmの0.35%は0.25μm)。これは、励起光の焦点位置とプローブ光の焦点位置との間の距離が約300μmの場合のスポット径に相当する。
2 レーザー発光手段
5 集光レンズ
6 試料セル
8 光ファイバー
8a 受光面
9 検出手段
E 励起光
P プローブ光
P’ プローブ光のうち熱レンズにより変化した部分
L 熱レンズ
S 試料溶液
Claims (8)
- 励起光の入射によって試料に生じた熱レンズにプローブ光を入射し、その際の前記プローブ光の前記熱レンズによる変化に基づいて前記試料の分析を行う熱レンズ分光分析装置であって、
前記励起光を前記試料に集光する励起光集光用光学素子と、前記プローブ光を前記熱レンズに集光するプローブ光集光用光学素子と、前記熱レンズを透過した前記プローブ光を受光し検出する検出手段と、を備えるとともに、以下の4つの条件を満足することを特徴とする熱レンズ分光分析装置。
(1)前記励起光集光用光学素子は、光線束の最大錐角の半角の正弦が0.15以下となるように前記励起光を集光するものである。
(2)前記プローブ光集光用光学素子は、光線束の最大錐角の半角の正弦が0.15以下となるように前記プローブ光を集光するものである。
(3)前記検出手段の受光部が、前記プローブ光のうち前記熱レンズにより変化した部分のみを受光し、前記熱レンズの影響を受けていない部分は受光しないように、前記受光部の大きさが設定されている。
(4)前記励起光の焦点位置と前記プローブ光の焦点位置を独立して調整可能とし、前記両焦点位置間の距離が200μm以上である。 - 前記プローブ光の焦点位置と前記受光部との間の距離T、及び、前記受光部の径Dが、下記式を満足することを特徴とする請求項1に記載の熱レンズ分光分析装置。
T≧125000×(前記励起光又は前記プローブ光の光線束の最大錐角の半角の正弦)×〔D+2×(前記受光部の許容位置ずれ量)〕/〔250+2×(前記受光部の許容位置ずれ量)〕
なお、T,D,及び前記受光部の許容位置ずれ量の単位はμmである。 - 前記プローブ光の焦点位置と前記受光部との間の距離T、及び、前記受光部の径Dが、下記式を満足することを特徴とする請求項1に記載の熱レンズ分光分析装置。
T≧(前記励起光又は前記プローブ光の光線束の最大錐角の半角の正弦)×〔D+40〕×400
なお、T及びDの単位はμmである。 - 前記プローブ光の焦点位置が前記励起光の焦点位置よりも前記受光部に近い位置に存在することを特徴とする請求項1〜3のいずれか一項に記載の熱レンズ分光分析装置。
- 前記励起光及び前記プローブ光のいずれか一方又は両方の光路上にビームエクスパンダーを設置して、前記励起光及び前記プローブ光の各焦点位置を独立して調整可能としたことを特徴とする請求項1〜4のいずれか一項に記載の熱レンズ分光分析装置。
- 前記励起光集光用光学素子と前記プローブ光集光用光学素子とが同一の光学素子であることを特徴とする請求項1〜5のいずれか一項に記載の熱レンズ分光分析装置。
- 前記受光部の中心部分が、前記励起光の焦点位置と前記プローブ光の焦点位置とを結ぶ線の延長線上に位置することを特徴とする請求項1〜6のいずれか一項に記載の熱レンズ分光分析装置。
- 前記励起光集光用光学素子を透過した前記励起光と、前記プローブ光集光用光学素子を透過した前記プローブ光とが、同軸ではないことを特徴とする請求項7に記載の熱レンズ分光分析装置。
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