(57)【要約】【課題】十分な感度で広いダイナミックレンジを有する発光検出装置を提供する。【解決手段】発光検出装置１は、シリコンフォトダイオード３０と駆動回路４０とを備える。シリコンフォトダイオード３０は、試料Ｓから発せられた発光を受光する。駆動回路４０は、シリコンフォトダイオード３０をゼロバイアス駆動する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
試料から発せられた光を受光する半導体光電変換素子と、
前記半導体光電変換素子をゼロバイアス駆動する駆動回路と、を備える、発光検出装置。
【請求項２】
前記半導体光電変換素子はシリコンフォトダイオードである、請求項１記載の発光検出装置。
【請求項３】
前記試料から発せられた前記光を前記半導体光電変換素子の受光面に集光する縮小光学系をさらに備える、請求項１又は２記載の発光検出装置。
【請求項４】
前記試料と前記半導体光電変換素子との間の光路上に配置され、検出対象の波長範囲以外の光を遮断し、且つ前記検出対象の波長範囲の光を透過させる光学フィルタをさらに備える、請求項１〜３のいずれか一項記載の発光検出装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、試料から発せられた光を検出する発光検出装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、例えば生体試料等の試料に含有される物質の濃度を測定するために、試料から発せられた光を光検出器により検出し、検出された発光の強度を解析する発光測定装置が知られている（例えば特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００５−２４９４９６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上述の発光測定装置においては、光検出器に光電子増倍管を用いると、特に試料中の物質の濃度が低い低濃度域においても、高感度な測定が可能となる。しかしながら、一般的な光電子増倍管のダイナミックレンジは、下限が暗電流（１ｎＡ程度）、上限がブリーダー電流（１０μＡ程度）によりそれぞれ制限されるため、発光測定装置のダイナミックレンジが制限される場合がある。
【０００５】
光電子増倍管で微弱光検出に用いる光電子計数法（フォトンカウンティング法）を用いても入射光遮断時には１００カウント／秒程度のダークカウントが存在し、このダークカウントにより測定可能範囲の下限が決定される一方、上限は信号パルスの重なりで計数損失を起こす１０メガカウント／秒程度が測定可能な上限となっている。
【０００６】
したがって、光電子増倍管を用いた発光測定装置においては光電子増倍管の動作条件を変更せずに計測可能なダイナミックレンジの範囲は上述のように狭く、大きな発光強度変化を測定するには光電子増倍管の動作電圧の調節や光学系での光強度調節などで測定可能範囲に収める必要がある。
【０００７】
しかしながら、光電子増倍管を用いた発光測定装置で通常行われる光電子増倍管の動作電圧調整を試料測定中に行うと測定条件の一貫性が崩れ計測結果に影響する問題があった。
【０００８】
特に発光強度変化が大きい爆発や放電に伴う発光現象や、試薬混合等による過渡的な発光現象の時間的変化の測定には常に光電子増倍管の感度と測定可能なダイナミックレンジ範囲に条件設定する必要がある。
【０００９】
また、フラッシュフォトリシス測定やりん光、遅延蛍光など励起光照射直後から発生する発光・吸光現象の計測では、光電子増倍管が励起光によってダメージを受けないようにメカニカルシャッターなどを用いて励起光照射時に強い励起光が光電子増倍管に入射しないようにする仕組みが必要である。
【００１０】
しかしながら、メカニカルシャッターをミリ秒以下で動作させるのは難しく、そのため、ミリ秒以下の領域のりん光や遅延蛍光などの発光を計測することは難しかった。
【００１１】
そこで、本発明は、上記の問題点を解決し、十分な感度で広いダイナミックレンジを有する発光検出装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明の発光検出装置は、試料から発せられた光を受光する半導体光電変換素子と、半導体光電変換素子をゼロバイアス駆動する駆動回路と、を備える。
【００１３】
この発光検出装置では、試料から発せられた光が半導体光電変換素子によって受光される。このとき、半導体光電変換素子は、駆動回路によってゼロバイアス駆動されている。これにより、半導体光電変換素子の暗電流が著しく減少するため、半導体光電変換素子の暗電流によって決定される発光検出装置のダイナミックレンジの下限を低下させて発光検出装置のダイナミックレンジを拡大することができる。
【００１４】
また、発光検出装置において、半導体光電変換素子はシリコンフォトダイオードであってもよい。シリコンフォトダイオードの光電変換量子効率は、波長６００ｎｍ〜１０００ｎｍ程度の領域において高い。したがって、この構成によれば、波長６００ｎｍ〜１０００ｎｍ程度の領域の発光を用いた生体測定の分野での使用に特に好適となる。
【００１５】
また、発光検出装置は、試料から発せられた光を半導体光電変換素子の受光面に集光する縮小光学系をさらに備えていてもよい。この構成によれば、半導体光電変換素子の受光面を小さくして、暗電流を一層減少させることができる。したがって、発光検出装置のダイナミックレンジを一層拡大することができる。
【００１６】
また、発光検出装置は、試料と半導体光電変換素子との間の光路上に配置され、試料から発せられた光のうち検出対象の波長範囲以外の光を遮断し、且つ検出対象の波長範囲の光を透過させる光学フィルタをさらに備えていてもよい。この構成によれば、検出対象の波長範囲以外の光の半導体光電変換素子への入射によって半導体光電変換素子で発生する電流が、本来の検出対象となる波長範囲の光に由来する電流に重畳されることが防止される。したがって、試料により発せられる光をより精度よく測定することができる。
【発明の効果】
【００１７】
本発明によれば、メカニカルシャッターを必要とせず、高感度で広いダイナミックレンジを有する発光検出装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】本発明の一実施形態の発光検出装置の構成図である。
【図２】図１の駆動回路の回路図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
以下、本発明の好適な実施形態について、図面を参照して詳細に説明する。なお、各図において同一又は相当部分には同一符号を付し、重複する説明を省略する。
【００２０】
図１に示されるように、発光検出装置１は、試料Ｓから発せられた光をシリコンフォトダイオード３０（半導体光電変換素子）により受光する。発光検出装置１は、このようにして発光強度を測定することにより試料Ｓ中の物質の濃度を測定することができる。
【００２１】
発光検出装置１には、試料Ｓを配置するための部分である試料受容部１５が設けられている。この試料受容部１５には、溶液状とされるとともに発光プローブが混合された、又は発光物質を含む液体状態の試料Ｓがサンプルキュベット１６に収容された状態で配置される。サンプルキュベット１６は、例えば、断面が１０ｍｍ四方の四角形である四角柱形状の容器であり、ガラスやプラスチックなどの透明な材料からなる。なお、試料Ｓとしては、化学反応により光を発する、いわゆる化学発光を生じる試料、あるいは生体由来の酵素などが関与する生物発光を生じる試料、あるいは目的とする物質を定量するための化学発光プローブや生物発光プローブを混合させた試料等を用いることができる。また、電子を供与する還元剤と電子を受容する酸化剤とを含む試料についても、両者の還元剤と酸化剤との反応により電子の授受が起こり、結果として光を放出するので本発光検出装置１の試料Ｓとして用いることができる。また、試料Ｓとしては、遅延発光、又は光誘起発光を生じる試料を用いることもできる。サンプルキュベット１６への試料の注入には、例えば、液体を吐出するための装置であるシリンジ１８を用いることができる。また、サンプルキュベット１６内での試料の撹拌には、マグネット撹拌子１９を用いることができる。
【００２２】
また、発光検出装置１は、試料Ｓから発せられた光を受光するためのシリコンフォトダイオード３０を備えている。このシリコンフォトダイオード３０は、試料受容部１５に対向するように配置されている。シリコンフォトダイオード３０としては、試料Ｓにより発せられる光の波長に対する受光感度が良いシリコンフォトダイオードを使用することができる。また、シリコンフォトダイオード３０は、例えば直径３ｍｍの受光面を有するものとすることができる。
【００２３】
試料受容部１５からシリコンフォトダイオード３０に至る光路上において、試料受容部１５の近傍には、レンズ２１、波長選択フィルタ２２（光学フィルタ）及び必要に応じてアパーチャ２３が配置される。レンズ２１は、試料受容部１５から発せられた光をシリコンフォトダイオード３０に導光するための部品である。波長選択フィルタ２２は、検出対象の波長範囲以外の光を遮断し、検出対象の波長範囲の光を透過させるための光学フィルタである。また、アパーチャ２３は、レンズ２１及び波長選択フィルタ２２を通過した試料Ｓからの発光の光路幅の広がりを必要に応じて制限するための部品であり、円形の開口が設けられている。
【００２４】
また、発光検出装置１は、試料受容部１５からシリコンフォトダイオード３０に至る光路上に、レンズ２４、波長選択フィルタ２５（光学フィルタ）、レンズ２６及びレンズ２７を備えている。このうち、レンズ２６及びレンズ２７が、試料Ｓから発せられた光をシリコンフォトダイオード３０の受光面上に集光する縮小光学系を構成する。レンズ２４、レンズ２６及びレンズ２７は、試料Ｓにより発せられた光をシリコンフォトダイオード３０の受光面に集光するためのレンズである。波長選択フィルタ２５は、波長選択フィルタ２２と同様に、試料Ｓにより発せられた光を透過させつつ、検出対象の波長範囲以外の光を遮断するための光学フィルタである。波長選択フィルタ２２及び波長選択フィルタ２５は、それぞれ複数枚の光学フィルタを組み合わせて合成したものとしてもよい。
【００２５】
さらに、発光検出装置１は、シリコンフォトダイオード３０をゼロバイアス駆動する駆動回路４０を備えている。なお、本明細書において、「シリコンフォトダイオード３０をゼロバイアス駆動する」とは、シリコンフォトダイオード３０の受光面に入射する光が遮断された状態において、シリコンフォトダイオード３０のアノード端子とカソード端子との間に印加される電圧を略ゼロとすること、より具体的にはシリコンフォトダイオード３０の出力信号を受けるＯＰアンプＡ１が持つ入力オフセット電圧を打ち消すようにシリコンフォトダイオード３０を駆動することを意味する。
【００２６】
なお、上記で説明した発光検出装置１の構成部品は、筐体１０に収容されている。筐体１０は、外部から入射する光を遮断する不透明な材質からなり、その形状は箱状とされている。そして、筐体１０には、試料Ｓを収容するサンプルキュベット１６を試料受容部１５に出し入れするための開口部（不図示）が設けられている。発光測定を行う際には、この開口部を蓋で覆い、外部からの光が入射しないようにする。
【００２７】
次に、駆動回路４０について、図２を参照して説明する。図２に示されるように、駆動回路４０は、ＯＰアンプＡ１、回路要素Ｚｆ、抵抗Ｒ１及び抵抗Ｒ２を含んで構成される。回路要素Ｚｆは、シリコンフォトダイオード３０からの電流を電圧に変換するための回路要素である。回路要素Ｚｆとしては、例えば抵抗やコンデンサなどを使用することができる。ＯＰアンプＡ１の非反転入力端子は接地されている。ＯＰアンプＡ１の反転入力端子は、シリコンフォトダイオード３０のアノード端子に接続されると共に、回路要素Ｚｆの一端に接続されている。ＯＰアンプＡ１の出力端子には回路要素Ｚｆの他端が接続されている。
【００２８】
また、抵抗Ｒ１の一端には調節電圧Ｖadjが入力され、抵抗Ｒ１の他端には抵抗Ｒ２の一端が接続され、抵抗Ｒ２の他端は接地されている。そして、抵抗Ｒ１の他端及び抵抗Ｒ２の一端には、シリコンフォトダイオード３０のカソードが接続される。抵抗Ｒ１の抵抗値は、抵抗Ｒ２の抵抗値と比較して十分に大きく設定する。例えば、抵抗Ｒ１の抵抗値を１ＭΩとし、抵抗Ｒ２の抵抗値は１〜１０Ω程度とする。
【００２９】
このような駆動回路４０において、ＯＰアンプＡ１の入力オフセット電圧（ＯＰアンプ内部の差動入力部分を構成するトランジスタやＦＥＴのペア特性の不一致により生ずる電圧）Ｖoffsetは、ＯＰアンプによって数ｍＶ程度から数μＶ程度となる。シリコンフォトダイオード３０のアノードはＯＰアンプＡ１の反転入力端子に接続されているため、シリコンフォトダイオード３０のアノードの電位もＶoffsetとなり、Ｖoffsetをシリコンフォトダイオード３０のアノード・カソード間抵抗で除算した値の暗電流が生じてしまう。その暗電流を生じさせないためにシリコンフォトダイオード３０のカソード電位をＶoffsetと同じ電位に調整できるように、抵抗Ｒ１及び抵抗Ｒ２は、調整電圧Ｖadjを分圧する回路を構成している。抵抗Ｒ１と抵抗Ｒ２とが接続されたノードに接続されるシリコンフォトダイオード３０のカソードの電位Ｖpdは、抵抗Ｒ１及び抵抗Ｒ２によりＶadjを分圧して得られる値であるＶadj×（Ｒ２／（Ｒ１＋Ｒ２））となる。ここで、上述したようにＲ１の抵抗値はＲ２の抵抗値と比べて十分大きく設定されているため、Ｖpdの値は調整電圧Ｖadjに応じて数ｍＶから数μＶ程度の範囲の任意の値を容易に設定できる。例えばＲ１を１ＭΩ、Ｒ２を１Ωとした場合、Ｖadjに１Ｖの調節電圧を入力すると、Ｖpd≒１μＶとなる。したがって、調整電圧Ｖadjを適宜調整することにより、シリコンフォトダイオード３０のカソードの電位Ｖpdをシリコンフォトダイオード３０のアノードの電位Ｖoffsetとほぼ等しくすることができ、駆動回路４０はシリコンフォトダイオード３０をゼロバイアス駆動することができる。このようにシリコンフォトダイオード３０がゼロバイアス駆動された状態においては、シリコンフォトダイオード３０の暗電流は、シリコンフォトダイオード３０のアノード・カソード間抵抗が１ＧΩの場合、１ｆＡ程度まで減少する。
【００３０】
次に、以上のように構成された発光検出装置１の動作について説明する。試料Ｓから光が発せられ、発せられた光は、レンズ２１、波長選択フィルタ２２、アパーチャ２３、レンズ２４、波長選択フィルタ２５、レンズ２６及びレンズ２７を経由してシリコンフォトダイオード３０の受光面に集光される。そして、シリコンフォトダイオード３０は、受光面に集光された発光の光量に応じた電流を発生し、ＯＰアンプＡ１及び回路要素Ｚｆが、シリコンフォトダイオード３０により発生した電流を電圧に変換し、電圧Ｖoとして出力する。
【００３１】
以上のように、本発光検出装置１によれば、試料Ｓから発せられた光がシリコンフォトダイオード３０によって受光される。このとき、シリコンフォトダイオード３０は、駆動回路４０によってゼロバイアス駆動されている。これにより、シリコンフォトダイオード３０の暗電流が著しく減少するため、シリコンフォトダイオード３０の暗電流によって決定される発光検出装置１のダイナミックレンジの下限が低下し、発光検出装置１のダイナミックレンジが拡大されている。
【００３２】
また、本発光検出装置１は、以下で説明するように生体試料の測定の分野において、特にその効果を好適に発揮する。近年、生体試料の測定の分野において、試料と混合される発光プローブから発せられる光に、共存する生体試料由来のタンパク成分等による自家発光が重畳され、発光プローブが発する光の測定に対して悪影響を及ぼすことが問題視されている。この自家発光は、主に波長が概ね６００ｎｍ以下の領域で発生し、波長が概ね６００ｎｍ以上の領域では自家発光の影響は小さい。また、生体を構成する水は、波長１０００ｎｍ以上の領域の赤外光を吸収しやすい。そのため、生体試料の測定の分野においては、波長が概ね６００ｎｍ〜１０００ｎｍ程度の赤色光から近赤外光にかけての発光を用いて測定を行いたいというニーズが存在する。
【００３３】
ここで、本発光検出装置１においては、発光を検出するための光検出器として、シリコンフォトダイオード３０が使用されている。一般に、シリコンフォトダイオードの光電変換量子効率は、光電子増倍管のそれと比較すると、波長６００ｎｍ〜１０００ｎｍ程度の領域において高い。したがって、発光検出装置１は、波長６００ｎｍ〜１０００ｎｍ程度の領域の発光を用いた生体測定の分野での使用に特に適しており、上記のニーズに対応しうる点で有用である。
【００３４】
また、発光検出装置１は、試料Ｓから発せられた光をシリコンフォトダイオード３０の受光面に集光する縮小光学系を備えているため、シリコンフォトダイオード３０の受光面を小さくして、シリコンフォトダイオード３０の暗電流が一層減少されており、その結果、発光検出装置１のダイナミックレンジが一層拡大されている。
【００３５】
また、発光検出装置１は、試料Ｓとシリコンフォトダイオード３０との間の光路上に、波長選択フィルタ２２及び波長選択フィルタ２５を備えているため、発光のシリコンフォトダイオード３０への入射によってシリコンフォトダイオード３０で発生する電流を本来の測定対象となる発光範囲に限定することでき、背景光に由来する電流が重畳されることが防止されている。したがって、試料Ｓによって発せられる光がより精度よく測定される。
【００３６】
また、発光検出装置１においては、発光を検出するための光検出器として、光電子増倍管でなくシリコンフォトダイオードが用いられているため、発光検出装置１が小型化され、光電子増倍管の駆動に使用される数百Ｖ程度の高電圧電源が不要となり、耐衝撃性も向上し、メカニカルシャッターなどを用いた強光入射時の保護や個体ごとのゲイン調節も不要となり、磁力や温度の影響も受けにくくなっている。
【００３７】
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は、上述した実施形態に限定されるものではない。例えば、半導体光電変換素子として、シリコンフォトダイオード３０に代えて、ＩｎＧａＡｓフォトダイオードを用いてもよい。また、試料Ｓから発せられる光の波長に応じて、シリコンフォトダイオード３０に代えて、受光波長が１〜３．２μｍであるＰｂＳ素子、受光波長が１．５〜５．２μｍであるＰｂＳｅ素子、受光波長が１〜６．７μｍであるＩｎＳｂ素子、受光波長が１〜３．８μｍであるＩｎＡｓ素子、受光波長が１〜５．８μｍであるＩｎＡｓＳｂ素子、又は受光波長が２〜２５μｍであるＨｇＣｄＴｅ素子を用いてもよい。
【符号の説明】
【００３８】
１…発光検出装置、３０…シリコンフォトダイオード（半導体光電検出素子）、４０…駆動回路、Ｓ…試料。
【図１】
2014062839.tif 000003
【図２】
2014062839.tif 000004