JP4381182B2 - 誘導ラマン分光方法及び装置 - Google Patents

Description

本発明はレーザを使った誘導ラマン分光法による生体分子や高分子のテラヘルツ帯の分子振動を測定する方法及び装置に関する。

ＤＮＡ、タンパク質などの生体分子、高分子はテラヘルツ帯に分子の共振スペクトルを有している。しかし、これらの分子が水溶液中にあるときはテラヘルツ波の水による吸収が大きいため、直接にテラヘルツ波の吸収スペクトルを得ることが困難となる。水による吸収はテラヘルツ周波数の増大とともに増大するので高い周波数で問題となる。

水溶液中や有機溶液中のテラヘルツ振動を観測する方法として自然ラマン散乱分光はフロレセンスなどの存在によりテラヘルツ帯で測定が困難となる。

これに対してコヒーレントアンチストークスラマン（ＣＡＲＳ）分光はＴＨｚ帯振動を観測するのに有効であることが示されている。しかし、ＣＡＲＳはポンプ光、ストークス光、アンチストークス光三者の位相整合が必要であり、そのため三つのビームの間の角度を微妙に整合させなければならず、サンプル毎にその調整を必要とし光学系の制御が複雑微妙とならざるを得なかった。

これに対して誘導ラマン分光測定法はポンプ光と信号光の二つのみを使い、位相整合の必要がないので光学系は単純となる。しかし、各種分子のテラヘルツ帯振動によるラマン増幅係数が小さいため、ポンプ光強度を極めて大きくしなければならなかった。二つの波長可変モードロックＴｉ−サファイアレーザを使い、一方を、ポンプレーザ、他方を信号レーザとし、信号光強度の増大分ΔＩを観測する方式が知られているが強度の弱いテラヘルツ振動を観測することは困難であった。

本発明は光学系が極めて単純となる誘導ラマン分光法によって、生体分子結晶や水溶液中の分子のテラヘルツ帯振動を高感度で測定する方法及び装置を提供する。

従来のような二台のモードロックＴｉ−サファイアレーザを使う誘導ラマン増幅分光方式には二つの問題があった。一つはモードロックパルス幅τがピコ秒或いはそれ以下の狭いパルスであるため、周波数分解能１／２πτが１００ＧＨｚ以上になり、分子の尖鋭なスペクトルを測定できないことである。第二の問題は信号光の入射パルスの強度変動があるため、その変動より小さい増幅強度ΔＩを観測することができないことである。通常はΔＩ／Ｉが０．１（１０％）以下になると観測が困難となる。

本発明ではポンプ光としてオプティカルパラメトリックオシレータ（ＯＰＯ）などの、パルス幅が０．０５ｎｓ（５０ｐｓ）から１００ｎｓ以内の範囲にある波長可変のパルスレーザを使用し、一方、信号レーザとしてはパルスレーザに替わって連続波（ｃｗ）レーザを用いる。

ｃｗレーザとしてはＤＦＢ（ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ ｆｅｅｄｂａｃｋ）レーザダイオード、又はＤＢＲ（ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ Ｂｒａｇｇ ｒｅｆｌｅｃｔｏｒ）レーザダイオードはモード不安定による強度雑音がないので最ものぞましい。出力が低い時はレーザダイオード増幅器付の光源を使うことができる。レーザダイオードで励起されるｃｗＹＡＧレーザも強度雑音が小さく且つ出力が大きいので適当である。

信号光はパルスでないのでポンプ光が存在する時間のみ増幅ΔＩが観測される。誘導ラマン効果は増幅過程であるからΔＩは信号強度Ｉに比例する。ｃｗ信号光強度がある程度大きく低雑音であればΔＩ／Ｉが１０^−４以下の微小な増幅度まで検出できるから従来に比べて１０００倍の感度が得られる。分解能はポンプ光のパルス幅できまるので１００ＭＨｚ以下の先鋭な分解能が得られる。

本発明によれば、非常に簡単な機構を用いて分解能が高く、且つ高感度のテラヘルツ帯分子振動観測が可能な誘導ラマン増幅分光方法及び装置が得られる。これによって、テラヘルツ計測が容易になり、特に水溶液中の分子についての測定ができるので、生体分子のテラヘルツ分光、食品・医薬品・毒物検査、ガン組織へのテラヘルツ波照射による診断・治療など広範に利用することができる。

発明を実施するための最良の形態、実施例１

図１において、ポンプ光源１はＯＰＯであり、ＹＡＧレーザ２の３逓倍波で励起され、波長可変であり、パルス幅は約５ｎｓ、線幅は３ＧＨｚである。信号光源３はＤＦＢまたはＤＢＲレーザダイオードの出力をレーザダイオード増幅器で増幅したものである。ｃｗ出力１００ｍＷ以上の高出力単一周波数であり強度雑音は極めて低い。

石英製サンプルセル４の中に生体分子の水溶液５がある。図１は後方散乱の場合を示してあり、信号光とポンプ光は１８０度に近い方向でサンプルセルに入射する。図には示さないが前方散乱で観測する場合は信号光とポンプ光の成す角度を０度に近くなるよう配置すれば良い。

半波長板６を回転させることにより、信号光の偏光方向をポンプ光と直交或いは平行にすることができる。直交方向、平行方向のスペクトル強度を比較してラマン散乱選択則から振動の形態についての情報を得ることができる。ＯＰＯの波長を掃引しながらΔＩ、あるいは、ΔＩ／Ｉを測定すれば誘導ラマン増幅スペクトルが得られる。

パルス出力はボクスカー積分器７を使って積分することにより、Ｓ／Ｎを高めている。なお、グレーティング分光器８はポンプ光が迷光となってデテクタに入り雑音となるのを防ぐフィルタとして使い、信号光波長のみをパルス光検出器９に導く。１０は信号光レーザが戻り光によって不安定になり雑音が増大するのを防ぐためのアイソレータである。

スペクトルを得るためにポンプ光の周波数（波長）と信号光周波数との差周波数が３０ＴＨｚから０．１ＴＨｚの範囲となるようにポンプ光周波数を掃引すればよい。

スペクトルの微細構造を見るには、ポンプ光の周波数を共鳴線の近くで固定し、ＤＦＢ又はＤＢＲレーザダイオードの温度をペルチエコントローラにより変化させる方法を付加することができる。ＤＦＢ（ＤＢＲ）レーザダイオードの発振周波数は温度１℃あたり２０ＧＨｚの傾きで減少するから温度を徐々に１℃変化させることによりわずか２０ＧＨｚの間隔内の微細構造を検出することができる。

図２はベンゼン液体における誘導ラマンスペクトル測定例である。信号光の波長は９７６ｎｍ、出力５０ｍＷを石英製サンプルセルに入射する。ポンプ光は約４ｍＪ、繰り返し１０Ｈｚのパルスであり、ポンプ光（ＯＰＯ）の波長可変範囲を８８９ｎｍから８９０ｎｍまでの１ｎｍの間隔を０．０１ｎｍステップ（３．７ＧＨｚステップ）で掃引することにより２９．８ＴＨｚ（９９２ｃｍ^−１）にあるベンゼン分子の振動スペクトルを得ている。分解能がこのように高いため、スペクトル幅がわずか５４ＧＨｚ（１．８ｃｍ^−１）であることが分かる。

図３は二糖類の一つであるトレハロースの水溶液の誘導ラマンスペクトルであり、６ＴＨｚから３０ＴＨｚの間にトレハロースに特有のテラヘルツ帯スペクトルが観測されている。このように水溶液での測定が可能である。

ポンプ光は実施例１と同様にＯＰＯであるが信号光源はレーザダイオードで励起されるｃｗＹＡＧレーザ（波長１０６４ｎｍ）である。本レーザはｃｗレーザダイオードで励起されることにより出力の変動が少ない、低雑音特性を有しているので本目的に合致している。出力は３００ｍＷの高出力が得られる。

図４は四塩化炭素における測定例である。ＯＰＯの波長を１０４２ｎｍから１００６ｎｍまで０．５ｎｍステップで測定し、６ＴＨｚから１６ＴＨｚまでの間のスペクトルを得ている。

ポンプ光源としてレーザダイオードで励起されるパルスＹＡＧレーザを用いる。パルス出力は約１ｍＪ、繰り返し周期は１ｋＨｚでありパルス幅は５０ｎｓから１００ｎｓである。ポンプ光波長は１０６４ｎｍに固定されているので信号光源を波長可変とするため、グレーティングを備えた外部共振器型の高出力レーザダイオードを使う。レーザ出力をダイオードから外部に取り出し、グレーティングによって発振波長を選択する。出力１００ｍＷを得ることができるが、安定な動作を得るためアイソレータを二重にすることが望ましい。

ポンプ光としてはモードロックＴｉ−サファイアレーザを使う。通常のモードロックＴｉ−サファイアレーザはピコ秒以下のパルス幅であり、周波数帯域幅に換算して１００ＧＨｚ以上となり誘導ラマン増幅スペクトルの広がりが大きすぎて望ましくないがＴｉ−サファイアレーザの共振器長を特に長くすることにより、パルス幅を５０ｐｓ（５０ピコ秒）以上の長さに設計することができるのでこのようなモードロックＴｉ−サファイアレーザをポンプ光源とすることにより２ＧＨｚより高い分解能を得ることができる。
信号光としては実施例１と同様にｃｗＤＢＲ（ＤＦＢ）レーザダイオードが最適である。

実施例１の構成を示す図である。 ベンゼン液体における誘導ラマン分光測定例を示す図である。 トレハロース水溶液における誘導ラマン分光測定例を示す図である。 実施例２の構成による四塩化炭素液体における誘導ラマン分光測定例を示す図である。

符号の説明

１…ＯＰＯ
２…ＹＡＧレーザ
３…信号光源
４…石英製サンプルセル
５…水溶液
６…半波長板
７…ボクスカー積分器
８…グレーティング分光器
９…パルス光検出器
１０…アイソレータ

Claims (4)

1. パルス幅が５０ｐｓから１００ｎｓの間にあるポンプ光を出射するポンプレーザと、
   低雑音で連続波の信号光を出射する信号レーザと、
   前記ポンプ光と前記信号光が入射した被測定試料中の分子により誘導ラマン増幅された信号光を検出する検出器
   とを備え、前記ポンプ光の周波数と前記信号レーザ光の周波数の少なくとも一方を、前記ポンプ光の周波数と前記信号光の周波数の差が０．１ＴＨｚから３０ＴＨｚの間で掃引することにより、前記信号光のパルス強度を前記検出器で検出しラマン増幅スペクトルを得ることを特徴とする、誘導ラマン分光装置。
2. 前記信号レーザがＤＦＢレーザダイオード、ＤＢＲレーザダイオード、外部共振器型波長可変レーザダイオード、或いはｃｗレーザダイオード励起ＹＡＧレーザであることを特徴とする請求項１に記載の誘導ラマン分光装置。
3. 前記ポンプレーザがオプティカルパラメトリックオシレータ（ＯＰＯ）、Ｔｉ−サファイアレーザ或いはＹＡＧレーザであることを特徴とする請求項１に記載の誘導ラマン分光装置。
4. パルス幅が５０ｐｓから１００ｎｓの間にあるポンプ光の周波数と低雑音で連続波の信号光の周波数との差が０．１ＴＨｚから３０ＴＨｚの間となるように、前記ポンプ光と前記信号光の少なくとも一方の周波数を掃引して、前記ポンプ光と前記信号光を被測定試料に入射させ、
   前記信号光が、前記被測定試料中の分子により誘導ラマン増幅されたパルス強度を検知し、ラマン増幅スペクトルを得ることを特徴とする、誘導ラマン分光方法。

Images