(57)【要約】【課題】光電面への入射光量が増えても正確な測定が出来る光量測定装置を提供する。【解決手段】サンプルからの発光を光電子増倍管により計測する光量測定装置において、前記光電子増倍管の光電面と前記サンプルとの間に透過率が異なる複数の減光部材からなるフィルタユニットを配置し、前記サンプルからの発光を前記減光部材の全てを通過して前記光電面に到達するように前記フィルタユニットを制御し、前記サンプルからの発光を前記減光部材毎に検出し、前記減光部材毎に検出された値の計測可否判断を行い、計測可であれば透過率が一番高い減光部材の検出結果を計測値とする減光率選択手段を備えた光量測定装置。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
サンプルからの発光を光電子増倍管により計測する光量測定装置において、
前記光電子増倍管の光電面と前記サンプルとの間に透過率が異なる複数の減光部材からなるフィルタユニットを配置し、
前記サンプルからの発光を前記減光部材の全てを通過して前記光電面に到達するように前記フィルタユニットを制御する光量測定装置。
【請求項２】
前記サンプルからの発光を前記減光部材毎に検出し、
前記減光部材毎に検出された値の計測可否判断を行い、計測可であれば透過率が一番高い減光部材の検出結果を計測値とする減光率選択手段を備えた請求項１に記載の光量測定装置。
【請求項３】
前記フィルタユニットは円板状であり、前記光電子増倍管の光電面と前記サンプルとの間に回転自在に設けられている請求項１に記載の光量測定装置。
【請求項４】
前記減光部材は、前記円板の中心軸の周囲に放射状に配置されている請求項３に記載の光量測定装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光電子増倍管を利用した光子計数法により化学発光や生物発光等の光量を測定する光量測定装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
光電子増倍管を利用し、光子計数法で光量を測定する手法は、微弱光を高感度に検出できる手法として知られており従来から化学発光や生物発光等の光量測定に利用されている。
【０００３】
光電子増倍管を利用した光子計数法によりサンプルの光量を測定する従来の光量測定装置を図６に示す。サンプル７００からの光は、集光レンズ７０１ａ、７０１ｂによって集光され光電子増倍管７０２の光電面へ入射する。その結果、光電面から光電子増倍管７０２内部の光電管へ向け光電子が放出され、放出された光電子は増倍されて電荷パルスとなり出力される。この電荷パルスは、アンプ７０３で電圧変換、増幅され、ディスクリミネータ７０４、波形整形回路７０５を経てカウンタ７０６で計数（カウント）される。アンプ７０３から出力される電圧パルスは、ディスクリミネータ７０４で、予め設定した基準電圧と比較され、基準電圧未満のものは雑音パルスとして排除される。カウンタ７０６が計数した値（以後、計数値と称する。）はメモリ７０７へ格納され、コントローラ７０８によってデータ転送部７０９を介し結果表示部７１０へ表示される。
【０００４】
図７に光子が光電子増倍管７０２の光電面に入射して、その後電圧パルスとなってカウンタ７０６へ入力されるまでの各部の波形を示す。図７（ａ）は光電子増倍管への入射光量が少ない場合を、図７（ｂ）は光電子増倍管への入射光量が多い場合を示している。
【０００５】
図７（ａ）において（１）のように光電子増倍管の光電面へ光子が入射すると、（２）のように光電面から光電子が放出され、光電子増倍管から出力される電荷パルスは（３）のような離散パルスとなり、その後アンプ７０３、ディスクリミネータ７０４、波形整形回路７０５を経て（４）のような電圧パルスとなる。カウンタ７０６は（４）の電圧パルスを計数することで、サンプル７００からの光量を測定していた（例えば、非特許文献１および２参照。）。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００６】
【非特許文献１】浜松ホトニクス株式会社  編集委員会著、「光電子増倍管その基礎と応用第３版」浜松ホトニクス、２００５年、第６章
【非特許文献２】鈴木範人著、「光の検出器とその使い方」学会出版センター、１９９９年、１章
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、前記従来構成では、図７（ｂ）（１）’に示すように光電子増倍管の光電面への入射光量が増えると、光電面から多量の光電子が放出されるため（図７（ｂ）（２）’）、光電子増倍管の出力が重なり合う（図７（ｂ）（３）’）。そのため、カウンタに入力されるパルスが入射光量に比例しなくなる（図７（ｂ）（４）’）。すなわち、従来の光量測定装置では、光電面への入射光量が多いと正確な測定が出来ないという課題を有していた。
【０００８】
本発明は、前記従来の課題を解決するもので、光電面への入射光量が増えても正確な測定が出来る光量測定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】
【０００９】
前記従来の課題を解決するために、本発明の光量測定装置は、サンプルからの発光を光電子増倍管により計測する光量測定装置において、前記光電子増倍管の光電面と前記サンプルとの間に透過率が異なる複数の減光部材からなるフィルタユニットを配置し、前記サンプルからの発光を前記減光部材の全てを通過して前記光電面に到達するように前記フィルタユニットを制御することを特徴としたものである。
【発明の効果】
【００１０】
本発明の光量検出装置によれば、光電子増倍管の光電面への入射光量が多い場合でも、減光率の異なる複数の減光フィルタを切替えながら光電子増倍管の出力パルスの計数を行い、最適な減光フィルタで測定した計数値のみを測定結果とするので微弱光から比較的強い光量の領域まで光量測定を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本実施の形態１における光量測定装置の構成図
【図２】本実施の形態１におけるフィルタユニット４の構成図
【図３】本実施の形態１におけるフィルタの減光率選択ユニット１００の内部構成図
【図４】本実施の形態１におけるスポット径２７があたるフィルタユニット４の位置と、タイミング生成部１８から出力する信号と、計数値１３と、バッファ１０２ａ〜１０２ｃに保持された計数値との関係を示したタイミング図
【図５】本実施の形態１の光量測定装置と、従来の光量測定装置で電気化学発光物質の光量測定を行った結果を示す図
【図６】従来の光量測定装置の構成図
【図７】異なる入射光量での光電子増倍管の出力波形を示した図
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下に、本発明の光量測定装置の実施の形態を図面とともに詳細に説明する。
【００１３】
（実施の形態１）
図１は本発明の実施の形態１の光量測定装置の構成図である。この装置の構成要素を一連の測定動作に沿って説明する。
【００１４】
まず、測定前の準備動作として、コントローラ１は、予め定めた回転速度をモータ制御回路２に設定し、モータ３の回転軸２５に接続したフィルタユニット４をこの速度で回転させる。フィルタユニット４には、減光率の異なる３つの減光フィルタ５が取り付けられている。モータ３が回転することにより、サンプル６からの光２６は、それぞれの減光フィルタ５が通して、光電子増倍管８に入力される。
【００１５】
フィルタユニット４が予め定めた回転速度になれば、測定を開始する。すなわち、サンプル６からの光２６を集光レンズ７ａ、減光フィルタ５、集光レンズ７ｂを介して光電子増倍管８へ導入させると、光電子増倍管８は入射光量に応じた電荷パルスを出力する。その後電荷パルスはアンプ９で電圧変換、増幅され、ディスクリミネータ１０、波形整形回路１１を経てカウンタ１２で計数する。
【００１６】
本実施の形態１のカウンタ１２はリセットとラッチの機能を備えており、リセット信号１９でリセット機能を、ラッチ信号１４でラッチ機能を制御する。また、本実施の形態１のカウンタ１２は、リセット信号１９が「０」のとき計数値をリセットし、「１」のとき計数動作を行う。また、本実施の形態１のカウンタ１２はラッチ信号１４の立下りエッジで計数値を自身に備えたラッチ用メモリ（図示なし）に保持する。前記ラッチ用メモリの出力が計数値１３であり、フィルタの減光率選択ユニット１００に接続している。
【００１７】
リセット信号１９とラッチ信号１４は、フィルタユニット４の回転に連動してタイミング生成部１８が生成する。フィルタユニット４の1回転をインデックスセンサ１５で検出し、インデックス検出回路１６で２値化したインデックス検出信号１７をタイミング生成部１８へ入力する。
【００１８】
タイミング生成部１８はインデックス検出信号１７のインデックス検出タイミングをトリガとして、「所定の時間」でカウンタ１２が動作と停止を繰り返すよう、タイミング生成部１８の内部のタイマでリセット信号１９を生成しカウンタ１２へ出力する。この「所定の時間」はあらかじめコントローラ１でタイミング生成部１８に設定する。
【００１９】
また、タイミング生成部１８はインデックス検出信号１７より、入力している計数値１３が「どの減光フィルタで測定したときの計数値か」をフィルタの減光率選択ユニット１００に識別させるためのセレクト信号２０と、メモリ２２への出力を更新するタイミングを減光率選択ユニット１００に与えるタイミング信号２１を生成する。これらのタイミングの詳細については後述する。
【００２０】
減光率選択ユニット１００は、三つの入力信号（計数値１３、セレクト信号２０、タイミング信号２１）から、フィルタユニット４が1回転するごとに減光率が最適な減光フィルタの計数値を一つ選択しメモリ２２へ出力する。メモリ２２に格納した計数値はコントローラ１によってデータ転送部２３を介し結果表示部２４へ表示する。
【００２１】
図２はフィルタユニット４の構成図で、回転軸２５を中心として三種の減光フィルタ５ａ〜５ｃが配置されている。２７はサンプルからの光２６が集光レンズ７ａを通過した後の平行光のスポット径を示している。回転軸２５が回転すると、スポット径２７に当たる位置の減光フィルタは、５ａ、５ｂ、５ｃと順次切り替わる。本実施例では、減光フィルタ５ａ、５ｂ、５ｃの光の透過率を、各々１００％、１０％、１％とした。減光フィルタ５ａは透過率を１００％にするため中空にしてある。減光フィルタ５ｂ、減光フィルタ５ｃには光を吸収するタイプのＮＤフィルタを使用し、光の透過率公差が±１％以内のものを用いた。２８は、回転位置を検出するためのインデックスマークで、インデックス検出センサ１５によって検出される。光量測定はインデックスセンサ１５がインデックスマーク２８を検出した時点からはじまる。
【００２２】
図３はフィルタの減光率選択ユニット１００の内部構成である。１０１はデマルチプレクサであり、セレクト信号２０を元に、入力した計数値１３を、各々バッファ１０２ａ〜１０２ｃへ振り分ける。バッファ１０２ａは減光フィルタ５ａで計数した計数値を、バッファ１０２ｂは減光フィルタ５ｂで計数した計数値を、バッファ１０２ｃは減光フィルタ５ｃで計数した計数値を保持する。比較器１０３は、バッファ１０２ａ〜１０２ｃに保持した計数値が予め定めた「上限値」以上であれば「１」を、「上限値」未満であれば「０」をセレクタ制御器１０４へ出力する。
【００２３】
この「上限値」は、測定値が正確か否かを判断するための閾値である。前述したように「光電子増倍管の光電面」への入射光子（光量）が多くなると、光電子増倍管から出力される電荷パルスの重なる頻度が増加して計数損失（計数誤差）が生じる。電荷パルスが重なる頻度は、計数値が大きくなるほど高くなるので、計数値の上限値を設け、上限値を超えた計数値は測定値として用いないようにしている。本実施の形態１では、光電子増倍管８の入射光量と出力（電荷パルスの計数値）との関係からパルスの計数損失を調べ、パルスの計数損失が１％となる計数値１４０００００カウント／秒を上限のカウントレートとした。本実施例では、パルスを計数する単位時間を１５ｍｓｅｃとしたので、「上限値」は２１０００カウント（１４０００００×０．０１５）となる。この「上限値」を設けることで、計数損失が１％未満の計数値のみを測定値として扱える。そのため、従来に比べて正確な測定を行うことができる。
【００２４】
セレクタ制御器１０４は比較器１０３からの出力パターンに応じてセレクタ１０５を制御する。本実施例では、次のように制御した。
【００２５】
（１）
「バッファ１０２ａの計数値」と「上限値」の比較結果  ＝  ０
「バッファ１０２ｂの計数値」と「上限値」の比較結果  ＝  ０
「バッファ１０２ｃの計数値」と「上限値」の比較結果  ＝  ０
セレクタ制御器１０４は、バッファ１０２ａの計数値をラッチ回路１０６へ出力するようセレクタ１０５を制御する。
【００２６】
（２）
「バッファ１０２ａの計数値」と「上限値」の比較結果  ＝  １
「バッファ１０２ｂの計数値」と「上限値」の比較結果  ＝  ０
「バッファ１０２ｃの計数値」と「上限値」の比較結果  ＝  ０
セレクタ制御器１０４は、バッファ１０２ｂの計数値を選んでラッチ回路１０６へ出力するようセレクタ１０５を制御する。
【００２７】
（２）
「バッファ１０２ａの計数値」と「上限値」の比較結果  ＝  １
「バッファ１０２ｂの計数値」と「上限値」の比較結果  ＝  １
「バッファ１０２ｃの計数値」と「上限値」の比較結果  ＝  ０
セレクタ制御器１０４は、バッファ１０２ｃの計数値を選んでラッチ回路１０６へ出力するようセレクタ１０５を制御する。
【００２８】
すなわち、「上限値」より小さく、計数時に使用した減光フィルタの減光率が一番小さな（透過率が一番高い）計数値がラッチ回路１０６へ出力されるようにセレクタ１０５を制御する。セレクタ１０５で選択されたバッファの計数値は「計数時に使用した減光フィルタの透過率の逆数」を乗じた後、セレクタ１０５を介しラッチ回路１０６へ出力される。
【００２９】
図４はスポット径２７があたるフィルタユニット４の位置と、タイミング生成部１８から出力する信号と、計数値１３と、バッファ１０２ａ〜１０２ｃに保持された計数値との関係を示したタイミング図である。
【００３０】
図１において、フィルタ５ａがスポット径２７の位置に来たとき、インデックス検出センサ１５がインデックスマーク２８を検出するよう、インデックス検出センサ１５を配置している。インデックスセンサ１５がインデックスマーク２８を検出すると、インデックス検出信号１７が立ち上がる。タイミング生成部１８はインデックス検出信号１７の立ち上がりエッジをトリガとして内部のクロックでタイミングを取り、リセット信号１９、ラッチ信号１４、セレクト信号２０、タイミング信号２１を出力する。
【００３１】
ここで、図４中のｔｒはフィルタユニット４が１回転する時間である。また、ｔｒは本実施の形態１の光量測定装置のサンプリング時間に等しい。これは、本実施の形態１の光量測定装置がフィルタユニット４を1回転させて得られた三つの計数値の中から「減光率が最適な減光フィルタで測定した計数値」一つを選択し測定値とするためである。本実施の形態１ではｔｒを５０ｍｓｅｃとした。このため、コントローラ１からモータ制御回路２に設定するフィルタユニット４の回転数は１２００ｒｐｍとなる。
【００３２】
また、図４においてインデックス検出信号１７の立ち上がりエッジでリセット信号１９、ラッチ信号１４が「１」となり、カウンタ１２は計数を始める。そして、カウンタ１２はラッチ信号１４の立下りエッジで計数値を自身に備えたラッチ用メモリ（図示なし）に保持する。前記ラッチ用メモリの出力が計数値１３である。図４中、ｔｃｏｎはカウンタ１２が計数を始めてから計数値をラッチするまでの時間、すなわち計数時間であり、本実施の形態１ではｔｃｏｎを１５ｍｓｅｃに設定した。また、図４中、ｔｃｏｆｆはカウンタ１２が計数値をラッチしてから次の計数を始めるまでの時間であり、本実施の形態１ではｔｃｏｆｆを５／３ｍｓｅｃに設定した。ｔｃｏｎ、ｔｃｏｆｆの設定はコントローラ１でタイミング生成部１８に対して行う。ここでは、（ｔｃｏｎ＋ｔｃｏｆｆ）×３  ＝  ｔｒとなるようｔｒ、ｔｃｏｎ、ｔｃｏｆｆを設定しなければいけない。
【００３３】
図４中、１３ａ、１３ｂおよび１３ｃは、各々減光フィルタ５ａ、５ｂおよび５ｃで測定した計数値となる。計数値１３ａ〜１３ｃはフィルタの減光率選択ユニット１００へ入力されフィルタの減光率選択ユニット１００の内部で、セレクト信号２０ａ〜２０ｃをもとにデマルチプレクサ１０１によってバッファ１０２ａ〜１０２ｃへ振り分けられる。図４中２０ａ、２０ｂおよび２０ｃは、各々バッファ１０２ａ、１０２ｂおよび１０２ｃを選択するセレクト信号となる。
【００３４】
デマルチプレクサ１０１はセレクト信号２０ａにより自身の入力とバッファ１０２ａを接続し、セレクト信号２０ｂにより自身の入力とバッファ１０２ｂを接続し、セレクト信号２０ｃにより自身の入力とバッファ１０２ｃを接続する。これにより計数値１３ａはバッファ１０２ａに、計数値１３ｂはバッファ１０２ｂに、計数値１３ｃはバッファ１０２ｃに保持される。
【００３５】
その後比較器１０３でバッファ１０２ａ〜１０２ｃに保持した計数値と、あらかじめ定めた上限値とをそれぞれ比較し、計数値が上限値より大きいか小さいかを比較結果としてセレクタ制御器１０４へ出力する。そしてセレクタ制御器１０４は比較器１０３からの比較結果をもとに「上限値」より小さく、計数時に使用した減光フィルタの減光率が一番小さな（透過率が一番高い）計数値がラッチ回路１０６へ出力されるようにセレクタ１０５を制御する。セレクタ１０５で選択されたバッファの計数値は「計数時に使用した減光フィルタの透過率の逆数」を乗じた後、セレクタ１０５を介しラッチ回路１０６へ出力される。ラッチ回路１０６はタイミング信号２１の立ち上がりエッジで自身に入力される計数値（選択された計数値）をラッチしてメモリ２２へ出力する。その後メモリ２２で計数値を格納し、コントローラ１によってデータ転送部２３を介し結果表示部２４へ表示する。
【００３６】
以上の装置構成により微弱光から比較的強い光量の領域まで光量測定を行うことができる。図５に本実施の形態１の光量測定装置と、従来の光量測定装置で電気化学発光物質の光量測定を行った結果を示す。図５（ａ）は本実施の形態１の光量測定装置で電気化学発光物の光量測定を行った結果で、図５（ｂ）は従来の光量測定装置で電気化学発光物質の光量測定を行った結果である。図５において、従来の光量測定装置で得た測定結果のピーク２０１が飽和しているが、本発明ではピーク２００が飽和しないため、本来の電気化学発光物質の光量を検出することができた。すなわち、本発明の光量測定装置は、従来装置では飽和する強い光量のサンプルを測定できる。
【００３７】
以上のように本発明のように、光電子増倍管の光電面に入射する光子数を減光率（透過率）の異なる複数の減光フィルタで測定し、測定した計数値の中から光電面に入射する光子数が最適であったときの計数値を真の測定値とする機能を備えることで、光量の変化の大きいサンプルの測定を行うことができる。
【００３８】
なお、本実施例では、減光フィルタ５ａ〜５ｃの透過率を１００％、１０％、１％としたが、サンプルの光量に応じて減光フィルタ５の透過率を変えても良い。また、実施の形態１のフィルタユニット４を容易に交換できるようにしておき、サンプルの光量に合わせて減光率の透過率の組み合わせが異なるフィルタユニットを様々用意しておけば、光量測定装置の光量の測定領域を容易に変化させることができる。さらに、フィルタユニット４の減光フィルタ５の数を増やすこともできる。
【００３９】
また、実施の形態１の生体サンプル分析装置はカウントを計数する時間（図４中  ｔｃｏｎ）を短く設定することでフィルタユニット４の回転速度を早くして、光量測定のサンプリング周期を短くすることができる。逆に、光量測定装置のサンプリング周期を長くすることで、（＝フィルタユニット４の回転速度を低くすることで、）カウントを計数する時間（図４中  ｔｃｏｎ）を長くすることもできる。
【産業上の利用可能性】
【００４０】
本発明にかかる光量測定装置は、微弱光から比較的強い光量の領域まで光量測定を行うことができ、化学発光や生物発光等の光量を測定する光量測定装置等として有用である。
【符号の説明】
【００４１】
１  コントローラ
２  モータ制御回路
３  モータ
４  フィルタユニット
５ａ〜５ｃ  減光フィルタ
６  サンプル
７ａ、７ｂ  集光レンズ
８  光電子増倍管
９  アンプ
１０  ディスクリミネータ
１１  波形整形回路
１２  カウンタ
１３ａ〜１３ｃ  計数値
１４  ラッチ信号
１５  インデックスセンサ
１６  インデックス検出回路
１７  インデックス検出信号
１８  タイミング生成部
１９  リセット信号
２０ａ〜２０ｃ  セレクト信号
２１  タイミング信号
２２  メモリ
２３  データ転送部
２４  結果表示部
２５  回転軸
２６  サンプル６からの光
２７  集光レンズ７ａを通過した後の平行光のスポット径
２８  インデックスマーク
１００  減光率選択ユニット
１０１  デマルチプレクサ
１０２ａ〜１０２ｃ  バッファ
１０３  比較器
１０４  セレクタ制御器
１０５  セレクタ
１０６  ラッチ回路
２００  本実施の形態１の光量測定装置で得た測定結果のピーク
２０１  従来の光量測定装置で得た測定結果のピーク
７００  サンプル
７０１ａ〜７０１ｂ  集光レンズ
７０２  光電子増倍管
７０３  アンプ
７０４  ディスクリミネータ
７０５  波形整形回路
７０６  カウンタ
７０７  メモリ
７０８  コントローラ
７０９  データ転送部
７１０  結果表示部
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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