(57)【要約】【課題】溶液試料が複数の検出対象物質を含むときに、各検出対象物質について高感度に検出することができる光熱変換分光分析方法及びその装置を提供する。【解決手段】光熱変換分光分析装置は、溶液試料を流す流路２０４が内部に形成された流路付き板状部材２０と、周波数の異なる励起光及び検出光を一端の屈折率分布型ロッドレンズ１０２から流路２０４を流れる溶液試料に集光照射する複数のレンズ付き光ファイバ１０と、流路付き板状部材２０に関してレンズ付き光ファイバ１０の反対側で検出光を検出する光電変換器４０１とを備える。レンズ付き光ファイバ１０は励起光の数だけ流路２０４に沿って並べられており、溶液試料中に含まれる複数の検出対象物質の濃度は、各レンズ付き光ファイバ１０から周波数の異なる各励起光を同時に照射した時の熱レンズ信号強度を元に計算される。【選択図】　　　図２
2004020262.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
励起光と検出光とを溶液試料に集光照射する集光照射工程と、
前記励起光の集光照射によって前記溶液試料中に形成された熱レンズを透過した前記検出光の強度の変化を測定する測定工程とを有する光熱変換分光分析方法において、
前記溶液試料は、周波数に関して吸収スペクトルが部分的に互いに重ならない少なくとも２つの検出対象物質を含み、
前記励起光は、周波数が互いに異なると共に、前記検出対象物質と同数の光から成り、且つ当該同数の光の各周波数は、前記検出対象物質の１つのみが光吸収により熱レンズ形成を行うように設定されていることを特徴とする光熱変換分光分析方法。
【請求項２】
励起光と検出光とを溶液試料に集光照射する集光照射工程と、
前記励起光の集光照射によって前記溶液試料中に形成された熱レンズを透過した前記検出光の強度の変化を測定する測定工程とを有する光熱変換分光分析方法において、
前記溶液試料は、吸収スペクトルが異なる少なくとも２つの検出対象物質を含み、
前記励起光は、周波数が互いに異なる複数の光から成り、
前記測定工程は、
前記検出対象物質毎に、当該検出対象物質を溶媒に溶解して既知濃度の溶液とした基準溶液試料を作製する作製工程と、
前記複数の光を前記検出対象物質毎に作製された基準溶液試料に照射して前記強度の変化を予め測定する第１の測定工程と、
前記複数の光を前記溶液試料に照射して前記強度の変化を測定する第２の測定工程とを有することを特徴とする光熱変換分光分析方法。
【請求項３】
励起光と検出光とを溶液試料に集光照射する集光照射手段と、
前記励起光の集光照射によって前記溶液試料中に形成された熱レンズを透過した前記検出光の強度の変化を測定する測定手段とを備える光熱変換分光分析装置において、
前記溶液試料は、周波数に関して吸収スペクトルが部分的に互いに重ならない少なくとも２つの検出対象物質を含み、
前記励起光は、周波数が互いに異なると共に、前記検出対象物質と同数の光から成り、且つ当該同数の光の各周波数は、前記検出対象物質の１つのみが光吸収により熱レンズ形成を行うように設定されていることを特徴とする光熱変換分光分析装置。
【請求項４】
励起光と検出光とを溶液試料に集光照射する集光照射手段と、
前記励起光の集光照射によって前記溶液試料中に形成された熱レンズを透過した前記検出光の強度の変化を測定する測定手段とを備える光熱変換分光分析装置において、
前記溶液試料は、吸収スペクトルが異なる少なくとも２つの検出対象物質を含み、
前記励起光は、周波数が互いに異なる複数の光から成り、
前記測定手段は、
前記検出対象物質毎に、当該検出対象物質を溶媒に溶解して既知濃度の溶液とした基準溶液試料を作製する作製手段と、
前記複数の光を前記検出対象物質毎に作製された基準溶液試料に照射して前記強度の変化を予め測定する第１の測定手段と、
前記複数の光を前記溶液試料に照射して前記強度の変化を測定する第２の測定手段とを備えることを特徴とする光熱変換分光分析装置。
【請求項５】
前記集光照射手段は、１の集光レンズにより前記複数の光を順番に前記溶液試料に照射することを特徴とする請求項３又は４記載の光熱変換分光分析装置。
【請求項６】
前記集光照射手段は、前記複数の光の数と同数の集光レンズにより同時に前記溶液試料に照射することを特徴とする請求項３又は４記載の光熱変換分光分析装置。
【請求項７】
前記集光レンズは、屈折率分布型レンズであることを特徴とする請求項５又は６記載の光熱変換分光分析装置。
【請求項８】
前記屈折率分布型レンズは、ロッドレンズであることを特徴とする請求項７記載の光熱変換分光分析装置。
【請求項９】
前記集光レンズまで前記励起光及び前記検出光を導く誘導光学系に光ファイバが用いられていることを特徴とする請求項５乃至８のいずれか１項に記載の光熱変換分光分析装置。
【請求項１０】
前記集光レンズは、前記励起光及び前記検出光を伝搬する前記光ファイバの端部に固定されたことを特徴とする請求項９記載の光熱変換分光分析装置。
【請求項１１】
前記光ファイバは、前記励起光と前記検出光をシングルモードで伝搬することを特徴とする請求項９又は１０記載の光熱変換分光分析装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光熱変換分光分析方法及びその装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、半導体や生体試料、あるいは各種の液体試料等の分析や測定を行う方法として分光分析方法が広く利用されてきている。しかし、従来の分光分析方法では、微小空間での微量な物質あるいは微小な物質を分析する場合には、測定条件として真空が必要であったり、電子ビームやイオンビームの利用にともなって、溶液試料が破壊されたり損傷されたりする等の問題があった。また、生体組織等の超微量の溶液試料を扱う場合には、光学領域の顕微鏡の使用が必須となるが、高精度で高い空間分解能での分析が必要とされるこのような光学領域の顕微鏡として実際的に利用されているのはレーザ蛍光顕微鏡に限られており、このため、分析の対象もおのずと蛍光分子に限られている。このような事情から、測定条件として真空を必要とすることがなく、非接触、非損傷での分析が可能であって、しかも分析対象が蛍光分子に限定されることなしに、高精度で、高い空間分解能での分析が可能な分析方法が求められてきた。
【０００３】
これらの要求を満たす分析方法として、光熱変換現象による熱レンズ効果を利用した光熱変換分光分析法が注目されている。
【０００４】
この光熱変換分光分析法は、溶液試料に光を集光照射したときに溶液試料中の検出対象物質の光吸収に起因してその後放出される熱エネルギーによって溶媒が局所的に温度上昇して屈折率が変化し、その結果熱レンズが形成されるという光熱変換効果を利用するものである。
【０００５】
図７は、熱レンズの原理の説明図である。
【０００６】
図７において、対物レンズを介して励起光を極微量の溶液試料に集光照射すると光熱変換効果が誘起される。多くの物質では温度上昇に伴い屈折率が小さくなるので、励起光が集光照射された溶液試料は、集光中心付近は温度上昇により屈折率が低下し、熱拡散により周囲にいくにつれて温度上昇の度合いが低くなるので屈折率の低下も少なくなっていく。光学的にはこの屈折率分布はちょうど凹レンズと同じ効果を持つので、この効果を熱レンズ効果と呼び、効果の大きさ、即ち凹レンズの度数は溶液試料中の検出対象物質の光吸収度に比例する。また、屈折率が温度が高くなるに従い大きくなる場合は凸レンズが形成される。
【０００７】
このように、上記光熱変換分光分析法は、熱の拡散、即ち屈折率の変化を観察するものであるので、溶液試料中の極微量の検出対象物質の濃度を検出するのに適している。
【０００８】
上記光熱変換分光分析法を実行する光熱変換分光分析装置としては、例えば特開平１０−２３２２１０号公報に記載されたものが提案されている。
【０００９】
このような光熱変換分光分析装置においては、溶液試料は顕微鏡の対物レンズの下方の測定部に配置され、励起光用光源から出力された所定波長の励起光は、顕微鏡に入射し、この顕微鏡の対物レンズによって溶液試料中の極微小領域に集光照射される。この集光照射位置を中心として溶液試料中に熱レンズが形成される。
【００１０】
一方、検出光用光源から出力され、波長が励起光と異なる検出光は、顕微鏡を介して励起光により溶液試料に形成された熱レンズに集光照射された後、溶液試料を透過して発散または集光する。この溶液試料から発散又は集光して出射された光は信号光となり、その信号光は、集光レンズ及びフィルタ又はフィルタのみを経て検出器により検出される。検出された信号光の強度は、溶液試料中に励起光を照射したことによる熱レンズ効果の大きさに応じて変化するものである。
【００１１】
上記検出光に関しては、励起光と同じ周波数でもよく、また励起光が検出光を兼ねることもできる。しかしながら、一般的には励起光と検出光の周波数を異なるものとした場合の方が良い感度が得られる。
【００１２】
また、光熱変換分光分析法により溶液試料中の極微小の検出対象物質を検出する場合、励起光並びに検出光をできるだけ小さく絞る必要があり、さらにその感度を高くするためには、測定に用いられる励起光をできるだけ小さく絞り、単位体積当りに照射される励起光の量を増加させて光熱変換に利用されるエネルギーを高くするとともに、励起光によって形成された熱レンズを収差の少ないレンズとする必要がある。このため、励起光の光源としては通常レーザが用いられる。レーザは位相が揃っているコヒーレント光であるとともに、非常に方向性が揃っているので、集光レンズを用いて小さく絞るのに適しているからである。
【００１３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、励起光としてレーザを用いた場合は、その周波数が固定されてしまうため、複数の検出対象物質を含む溶液試料の場合は夫々の検出対象物質の信号がかぶさって分離できず、各物質ごとの検出ができない。このため、予め検出位置に検出対象物質が１つしか含まれないように測定前に分離しておく必要があった。
【００１４】
また、上記従来の光熱変換分光分析装置は、光源や、測定部や検出器の光学系等が複雑にシステムアップされているので、大型であり可搬性にかけていた。そのため、光熱変換分光分析装置を利用して分析を行ったり、化学反応を行う際には、その場所や操作が限定されるという問題がある。
【００１５】
また、上述のような光熱変換分光分析装置は励起光及び検出光を空間光として溶液試料まで導いているので、光源、ミラー、レンズ等の光学系の各部品を堅固な定盤の上に固定することによって、それらが測定中に動くことを防止する必要がある。さらに、温度等の環境の変化によって励起光及び検出光の光軸がずれた場合に、そのずれを調整するための治具が必要である。これらも、光熱変換分光分析装置が大型化して、可搬性を欠く原因となっている。
【００１６】
多くの場合、熱レンズ効果を用いた光熱変換分析法を用いる場合には、励起光の焦点位置と検出光の焦点位置が異なっていることが必要となる。
【００１７】
図８は、励起光の光軸方向（Ｚ方向）に関する熱レンズの形成位置と検出光の焦点位置の説明図であり、（ａ）は対物レンズが色収差をもつ場合を示し、（ｂ）は対物レンズが色収差を持たない場合を示す。
【００１８】
対物レンズ１３０が色収差を持つ場合は、図８（ａ）に示すように、熱レンズ１３１は励起光の焦点位置１３２に形成されると共に、検出光の焦点位置１３３は△Ｌだけ励起光の焦点位置１３２からずれるので、この検出光により熱レンズ１３１の屈折率の変化を検出光の焦点距離の変化として検出することができる。一方、対物レンズ１３０が色収差を持たない場合は、図８（ｂ）に示すように、検出光の焦点位置１３３は、励起光の焦点位置１３２に形成される熱レンズ１３１の位置とほぼ一致し、その結果、検出光は、熱レンズ１３１により偏向することはなく、熱レンズ１３１の屈折率の変化を検出することができない。
【００１９】
しかしながら、顕微鏡の対物レンズは、通常、色収差をもたないように製造されているので、上記の理由により、検出光の焦点位置１３３は、励起光の焦点位置１３２に形成される熱レンズ１３１の位置とほぼ一致し（図８（ｂ））、熱レンズ１３１の屈折率の変化を検出することができない。このため、測定の度に、熱レンズが形成される位置を、図９（ａ）及び図９（ｂ）に示すように、検出光の焦点位置１３３からずらしたり、図１０に示すように、図示しないレンズを用いて検出光を若干発散又は集光させて対物レンズに入射させることにより検出光の焦点位置１３２を熱レンズ１３１からずらしたりしなければならず、手間がかかるという問題もある。
【００２０】
本発明の目的は、溶液試料が複数の検出対象物質を含むときに、各検出対象物質について高感度に測定することができる光熱変換分光分析方法及びその装置を提供することにある。
【００２１】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、請求項１記載の光熱変換分光分析方法は、励起光と検出光とを溶液試料に集光照射する集光照射工程と、前記励起光の集光照射によって前記溶液試料中に形成された熱レンズを透過した前記検出光の強度の変化を測定する測定工程とを有する光熱変換分光分析方法において、前記溶液試料は、周波数に関して吸収スペクトルが部分的に互いに重ならない少なくとも２つの検出対象物質を含み、前記励起光は、周波数が互いに異なると共に、前記検出対象物質と同数の光から成り、且つ当該同数の光の各周波数は、前記検出対象物質の１つのみが光吸収により熱レンズ形成を行うように設定されていることを特徴とする。
【００２２】
請求項１記載の光熱変換分光分析方法によれば、周波数に関して吸収スペクトルが部分的に互いに重ならない少なくとも２つの検出対象物質を含む溶液試料に集光照射する励起光は、周波数が互いに異なると共に、検出対象物質と同数の光から成り、且つこの同数の光の各周波数は、検出対象物質の１つのみが光吸収により熱レンズ形成を行うように設定されているので、各検出対象物質について高感度に検出することができる。
【００２３】
請求項２記載の光熱変換分光分析方法は、励起光と検出光とを溶液試料に集光照射する集光照射工程と、前記励起光の集光照射によって前記溶液試料中に形成された熱レンズを透過した前記検出光の強度の変化を測定する測定工程とを有する光熱変換分光分析方法において、前記溶液試料は、吸収スペクトルが異なる少なくとも２つの検出対象物質を含み、前記励起光は、周波数が互いに異なる複数の光から成り、前記測定工程は、前記検出対象物質毎に、当該検出対象物質を溶媒に溶解して既知濃度の溶液とした基準溶液試料を作製する作製工程と、前記複数の光を前記検出対象物質毎に作製された基準溶液試料に照射して前記強度の変化を予め測定する第１の測定工程と、前記複数の光を前記溶液試料に照射して前記強度の変化を測定する第２の測定工程とを有することを特徴とする。
【００２４】
請求項２記載の光熱変換分光分析方法によれば、励起光を構成する周波数が互いに異なる複数の光を検出対象物質毎に作製された基準溶液試料に照射して検出光の強度の変化を予め測定し、前述の複数の光を溶液試料に照射して検出光の強度の変化を測定するので、これらの２つの測定を行う励起光を、溶液試料に含まれる各検出対象物質の吸収スペクトルの如何にかかわらず同じものとすることができ、その結果、装置の汎用性が非常に高くなる。
【００２５】
請求項３記載の光熱変換分光分析装置は、励起光と検出光とを溶液試料に集光照射する集光照射手段と、前記励起光の集光照射によって前記溶液試料中に形成された熱レンズを透過した前記検出光の強度の変化を測定する測定手段とを備える光熱変換分光分析装置において、前記溶液試料は、周波数に関して吸収スペクトルが部分的に互いに重ならない少なくとも２つの検出対象物質を含み、前記励起光は、周波数が互いに異なると共に、前記検出対象物質と同数の光から成り、且つ当該同数の光の各周波数は、前記検出対象物質の１つのみが光吸収により熱レンズ形成を行うように設定されていることを特徴とする。
【００２６】
請求項３記載の光熱変換分光分析装置によれば、周波数に関して吸収スペクトルが部分的に互いに重ならない少なくとも２つの検出対象物質を含む溶液試料に集光照射する励起光は、周波数が互いに異なると共に、検出対象物質と同数の光から成り、且つこの同数の光の各周波数は、検出対象物質の１つのみが光吸収により熱レンズ形成を行うように設定されているので、各検出対象物質について高感度に検出することができる。
【００２７】
請求項４記載の光熱変換分光分析装置は、励起光と検出光とを溶液試料に集光照射する集光照射手段と、前記励起光の集光照射によって前記溶液試料中に形成された熱レンズを透過した前記検出光の強度の変化を測定する測定手段とを備える光熱変換分光分析装置において、前記溶液試料は、吸収スペクトルが異なる少なくとも２つの検出対象物質を含み、前記励起光は、周波数が互いに異なる複数の光から成り、前記測定手段は、前記検出対象物質毎に、当該検出対象物質を溶媒に溶解して既知濃度の溶液とした基準溶液試料を作製する作製手段と、前記複数の光を前記検出対象物質毎に作製された基準溶液試料に照射して前記強度の変化を予め測定する第１の測定手段と、前記複数の光を前記溶液試料に照射して前記強度の変化を測定する第２の測定手段とを備えることを特徴とする。
【００２８】
請求項４記載の光熱変換分光分析装置によれば、励起光を構成する周波数が互いに異なる複数の光を検出対象物質毎に作製された基準溶液試料に照射して検出光の強度の変化を予め測定し、前述の複数の光を溶液試料に照射して検出光の強度の変化を測定するので、これらの２つの測定を行う励起光を、溶液試料に含まれる各検出対象物質の吸収スペクトルの如何にかかわらず同じものとすることができ、その結果、装置の汎用性が非常に高くなる。
【００２９】
請求項５記載の光熱変換分光分析装置は、請求項３又は４記載の光熱変換分光分析装置において、前記集光照射手段は、１の集光レンズにより前記複数の光を順番に前記溶液試料に照射することを特徴とする。
【００３０】
請求項５記載の光熱変換分光分析装置によれば、１の集光レンズにより複数の光を順番に溶液試料に照射するので、集光照射手段は１つのみでよく、もって装置を小型化することができる。
【００３１】
請求項６記載の光熱変換分光分析装置は、請求項３又は４記載の光熱変換分光分析装置において、前記集光照射手段は、前記複数の光の数と同数の集光レンズにより同時に前記溶液試料に照射することを特徴とする。
【００３２】
請求項６記載の光熱変換分光分析装置によれば、溶液試料を照射する複数の光の数と同数の集光レンズにより同時に溶液試料に照射することを特徴とするので、複数の検出対象物質を同時に検出することができる。
【００３３】
請求項７記載の光熱変換分光分析装置は、請求項５又は６記載の光熱変換分光分析装置において、前記集光レンズは、屈折率分布型レンズであることを特徴とする。
【００３４】
請求項７記載の光熱変換分光分析装置によれば、集光レンズは、屈折率分布型レンズであるので、集光レンズを小さくすることができ、もって装置を小型化することができる。
【００３５】
請求項８記載の光熱変換分光分析装置は、請求項７記載の光熱変換分光分析装置において、前記屈折率分布型レンズは、ロッドレンズであることを特徴とする。
【００３６】
請求項８記載の光熱変換分光分析装置によれば、集光レンズは、屈折率分布型ロッドレンズであるので、集光レンズを非常に小型な円柱状レンズとすることができる結果、複数個を並べる場合でも光軸合わせが容易で面積を必要とせず、各レンズでの測定点を近接することができ、もって各レンズでの測定条件を同一にして測定することができる。
【００３７】
請求項９記載の光熱変換分光分析装置は、請求項５乃至８のいずれか１項に記載の光熱変換分光分析装置において、前記集光レンズまで前記励起光及び前記検出光を導く誘導光学系に光ファイバが用いられていることを特徴とする。
【００３８】
請求項９記載の光熱変換分光分析装置によれば、誘導光学系が光ファイバであるので、励起光と検出光の光軸を確実に同軸とできる結果、励起光と検出光の光軸調整を不要とし、且つ光軸調整用の治具も不要とすることができる。
【００３９】
請求項１０記載の光熱変換分光分析装置は、請求項９記載の光熱変換分光分析装置において、前記集光レンズは、前記励起光及び前記検出光を伝搬する前記光ファイバの端部に固定されたことを特徴とする。
【００４０】
請求項１０記載の光熱変換分光分析装置によれば、集光レンズが光ファイバの端部に固定されているので、励起光、検出光及び集光レンズの光軸が常に同軸となる結果、励起光、検出光及び集光レンズの光軸調整を不要とし、且つ光軸調整用の治具も不要とすることができる。
【００４１】
請求項１１記載の光熱変換分光分析装置は、請求項９又は１０記載の光熱変換分光分析装置において、前記光ファイバは、前記励起光と前記検出光をシングルモードで伝搬することを特徴とする。
【００４２】
請求項１１記載の光熱変換分光分析装置によれば、光ファイバが励起光と検出光をシングルモードで伝搬するので、光ファイバから出射される光は常にガウス分布になり励起光を小さく絞ることができる結果、光熱変換に利用されるエネルギーを高くすることができるとともに励起光によって形成された熱レンズを収差の少ないレンズにすることができ、正確で感度の高い測定ができる。
【００４３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態に係る光熱変換分光分析装置を図面を参照しながら詳細に説明する。ただし、本発明は以下の実施の形態に限定されるものではない。
【００４４】
図１は、本発明の第１の実施の形態に係る光熱変換分光分析装置の概略構成を示す模式図である。
【００４５】
図１において、流路付き板状部材２０は、３層に重ねて接着されたガラス基板２０１，２０２，２０３から成り、ガラス基板２０２にはさらに溶液試料を流す流路２０４が形成されている。
【００４６】
本実施の形態においては、流路付き板状部材２０は、この流路２０４の中を流れる溶液試料中の検出対象物質の検出を光熱変換分光分析により行うものであるが、これに限定されるわけでなく、例えば、検出対象物質の混合、攪拌、合成、分離、抽出等を行ってもよい。また、これらは、分離だけを目的としたような単一の機能のみで用いられてもよく、また複合的に用いられてもよい。
【００４７】
この流路付き板状部材２０の材料は耐久性、耐薬品性の面からガラスが望ましく、さらに、細胞等の生体溶液試料、例えばＤＮＡ解析用としての用途を考慮すると、耐酸性、耐アルカリ性の高いガラス、具体的には、ホウケイ酸ガラス、ソーダライムガラス、アルミノホウケイ酸ガラス、石英ガラス等が望ましい。しかし、用途を限定することによってプラスチック等の有機物を用いることができる。
【００４８】
ガラス基板２０１，２０２，２０３同士を接着させる接着剤には、例えば、紫外線硬化型、熱硬化型、２液硬化型のアクリル系、エポキシ系の有機接着剤、及び無機接着剤等がある。また、熱融着によってガラス基板２０１，２０２，２０３を融着してもよい。
【００４９】
レンズ付き光ファイバ１０は、後述する屈折率分布型ロッドレンズ１０２が流路付き板状部材２０を構成するガラス基板２０１側となるように設置される。
【００５０】
レンズ付き光ファイバ１０は、光ファイバ１０１及びその一端に接続された屈折率分布型ロッドレンズ１０２を備えるものであり、光ファイバ１０１の外径を屈折率分布型ロッドレンズ１０２の外径と同一にするため、屈折率分布型ロッドレンズ１０２の外径と同一の外径を有するフェルール１０３で光ファイバ１０１を囲んで固定し、さらに、屈折率分布型ロッドレンズ１０２とフェルール１０３とをチューブ１０４内に固定する。ここで、光ファイバ１０１と屈折率分布型ロッドレンズ１０２とは密着していてもよいし、隙間があっても良い。
【００５１】
光ファイバ１０１の他端には、２波長合波素子１０８を介して励起光用光源１０５及び検出光用光源１０６が接続されている。励起光用光源１０５には、励起光を変調する変調器１０７が接続されている。これにより、励起光用光源１０５から出射された変調励起光及び検出光用光源１０６から出射された検出光は２波長合波素子１０８により合波され、レンズ付き光ファイバ１０を介して流路付き板状部材２０の内部の流路２０４に照射される。
【００５２】
流路付き板状部材２０に関してレンズ付き光ファイバ１０の反対側において、流路２０４に面する位置には、励起光と検出光とを分離して検出光のみを選択的に透過させる波長フィルタ４０２と検出光を光電変換するための光電変換器４０１とが配設されている。光電変換器４０１は、レンズ付き光ファイバ１０ごとに設置しても、１個を夫々のレンズ付き光ファイバ１０の位置に移動させる機構を用いるようにして設置してもよく、また、アレイ状のものを設置してもよい。流路付き板状部材２０と光電変換器４０１との間に、検出光の一部のみを選択的に透過させるためのピンホールを配置してもよい。光電変換器４０１から得られた信号は、励起光を変調するための用いる変調器１０７と同期させるためにロックインアンプ４０３に送られ、その後コンピュータ４０４で解析される。
【００５３】
屈折率分布型ロッドレンズ１０２は、中心から周辺に向かって屈折率が連続的に変化する、例えばガラス又はプラスチック製の円柱状透明体から成り（例えば、特公昭６３−６３５０２号公報）、中心軸から半径方向でｒの距離の位置における屈折率ｎ（ｒ）が、軸上屈折率をｎ０、２乗分布定数をｇとして、近似的にｒに関する２次方程式
ｎ（ｒ）＝ｎ０｛１−（ｇ２／２）・ｒ２｝
で表される集束性光伝送体として知られている。
【００５４】
屈折率分布型ロッドレンズ１０２は、その長さｚ０を０＜ｚ０＜π／２ｇの範囲内で選ぶとき、その結像性は、両端面が平坦でありながら通常の凸レンズと同じであり、平行入射光線によって出射端より、
Ｓ０＝ｃｏｔ（ｇｚ０）／ｎ０ｇ
の位置に焦点が作られる。
【００５５】
また、屈折率分布型ロッドレンズ１０２は、例えば以下のような方法で製造される。
【００５６】
即ち、モル百分率でＳｉＯ２：５７〜６３％、Ｂ２Ｏ３：１７〜２３％、Ｎａ２Ｏ：５〜１７％、Ｔｌ２Ｏ：３〜１５％を主成分とするガラスでロッドを形成した後、このガラスロッドを硝酸カリウム塩等のイオン交換媒体中で処理し、ガラス中のタリウムイオン及びナトリウムイオンと媒体中のカリウムイオンとをイオン交換して、ガラスロッド内に中心から周辺に向けて連続的に低減する屈折率分布を与える。
【００５７】
屈折率分布型ロッドレンズ１０２の底面が平面であるので、光ファイバ１０１の端面に容易に取り付けることができるとともに、屈折率分布型ロッドレンズ１０２の光軸と光ファイバ１０１の光軸とを容易に一致させることができる。また、屈折率分布型ロッドレンズ１０２は円柱状であるのでレンズ付き光ファイバ１０も容易に円柱状にできる。これによって、治具３０によるレンズ付き光ファイバ１０の保持が極めて容易である。
【００５８】
誘導光学系として用いられる光ファイバは励起光及び検出光を透過させるものであればどのようなものでも使用できるが、マルチモード光ファイバを使用した場合は、出射光がガウス分布にならない上に、光ファイバの曲がり具合等の種々の条件によって出射バターンが変化するので、必ずしも安定な出射光が得られない。これに対して、シングルモード光ファイバを使用した場合は、光ファイバから出射される光は常にガウス分布になるので励起光を小さく絞ることができ、光熱変換に利用されるエネルギーを高くすることができるとともに、励起光によって形成された熱レンズを収差の少ないレンズにすることができ、正確で感度の高い測定ができる。
【００５９】
また、励起光によって形成された熱レンズが小さい場合、この熱レンズを透過する検出光の光量をできる限り多くするためには、検出光もできる限り小さく絞ることが望ましい。この点から、検出光においてシングルモード光ファイバであることが望ましい。また、導光光学系に用いられる光ファイバについてもシングルモード光ファイバであることが望ましい。
【００６０】
各励起光用光源１０５は、溶液試料が光吸収し熱レンズを形成するための励起光を出射するものであり、変調器１０７により励起光を変調後、光ファイバを介して２波長合波素子１０８に入射する。また、検出光用光源１０６は、溶液試料を検出するための検出光を出射して、同じく光ファイバを介して２波長合波素子１０８に入射する。
【００６１】
また、本発明では励起光及び検出光の誘導光学系に光ファイバを用いているが、光ファイバのかわりに光導波路を用いることもできる。
【００６２】
２波長合波素子１０８は、入射した励起光及び検出光を合波した後、その合波した光を光ファイバ１０１に入射する。尚、励起光と検出光を同軸にして光ファイバ１０１に入射するには、誘導光学系である光ファイバや２波長合波素子１０８を用いなくともよいが、その場合、ダイクロイックミラー等を用いて励起光と検出光の光軸を調整する必要がある。
【００６３】
これに対し、誘導光学系である光ファイバを用いる場合、励起光及び検出光を２波長合波素子１０８に光ファイバで導光することで励起光と検出光の光軸を確実に同軸とできる結果、励起光と検出光の光軸を調整する必要がなく、ユーザの作業効率を向上できるとともに、光軸を調整する治具が不要となり、装置を小型化することができる。
【００６４】
前述したように、屈折率分布型ロッドレンズ１０２は流路付き板状部材２０に接触している必要はないが、接触させる場合は流路付き板状部材２０のガラス基板２０１の厚みで屈折率分布型ロッドレンズ１０２の焦点距離を調整できる。ガラス基板２０１の厚みが足りない場合は、屈折率分布型ロッドレンズ１０２とガラス基板２０１との間に焦点距離を調整するためのスペーサーを入れても良い。このように励起光の焦点位置を流路付き板状部材２０の流路２０４の中に固定しておく場合は、焦点距離の調整も不要になるので、光熱変換分光分析装置をさらに小型化できる。
【００６５】
ロッドレンズ１０２は、励起光の焦点位置に対して検出光の焦点位置がわずかに△Ｌだけずれるように設定される（図８（ａ））。
【００６６】
Ｉｃは、共焦点長（ｎｍ）として、Ｉｃ＝π・（ｄ／２）２／λ１で計算される。ここで、ｄはｄ＝１．２２×λ１／ＮＡで計算されるエアリーディスクであり、λ１は、励起光の波長（ｎｍ）、ＮＡは、ロッドレンズ１０２の開口数である。光ファイバの出射光の開口数が小さいため、大きな開口数を有するロッドレンズを用いた場合は光ファイバの開口数を用いて計算する必要がある。
【００６７】
上記△Ｌ値は、測定する試料の厚みによって変化する。共焦点長より薄い試料を測定する場合は、上記△Ｌ値は、△Ｌ＝√３・Ｉｃであることが最も好ましい。
【００６８】
この△Ｌの値は、検出光の焦点位置と励起光の焦点位置の差を表しているので、検出光の焦点距離が励起光の焦点距離よりも長い場合であっても、短い場合であっても同じ結果となる。
【００６９】
光ファイバ１０１の一端を球形等に加工してレンズを形成すれば、光ファイバ１０１の一端に屈折率分布型ロッドレンズ１０２を取り付けなくても励起光及び検出光を絞ることが可能であるが、この場合、色収差がほとんどないために励起光と検出光の焦点位置がほぼ同じとなる結果、熱レンズの信号がほとんど検出されないという問題がある。また、光ファイバ１０１の一端を加工することにより形成されたレンズは収差が大きいので、励起光並びに検出光の焦点が大きいという問題もある。従って、本実施の形態では光ファイバ１０１の一端に屈折率分布型ロッドレンズ１０２が取りつけられている。
【００７０】
本実施の形態における屈折率分布型ロッドレンズ１０２は、所定の色収差を有し、検出光及び励起光を集光するレンズであればよく、屈折率分布型のロッドレンズに限られるものではない。
【００７１】
流路付き板状部材２０内部の流路２０４は、溶液試料を液体の特性を維持して流すことができればよく、深さは通常５０〜１００μｍ程度である（例えば、特開平８−１７８８９７号公報）。これは、流路２０４に流れる溶液試料は微量であり、溶液試料中に含まれる微量な検出対象物質の検出をするには非常に高感度の測定をしなければならないことを意味する。従って、光熱変換分光分析測定においては、励起光が検出光を兼ねることも可能ではあるが、異なった周波数の光を利用して感度良く測定することが望ましい。また、検出光は通常検出対象物質が吸収しない周波数から選択される。
【００７２】
図２は、図１におけるレンズ付き光ファイバ１０の説明図である。
【００７３】
図２において、３つのレンズ付き光ファイバ１０が流路２０４に沿って並べられている。
【００７４】
各レンズ付き光ファイバ１０に入射される励起光は、複数の励起光用光源１０５の１つから出射されたものであり、複数のレンズ付き光ファイバ１０の夫々が流路付き板状部材２０の流路２０４を流れる溶液試料中に異なる周波数の励起光を同時に集光照射できるように、治具３０によって固定されている。
【００７５】
また、各レンズ付き光ファイバ１０に入射される検出光は、複数の検出光用光源１０６から出射されたものであり、励起光が集光照射された溶液試料中に複数のレンズ付き光ファイバ１０の夫々から検出光が同時に集光照射される。尚、各レンズ付き光ファイバ１０に入射する検出光の周波数は同一のものを使用できるので、３つのレンズ付き光ファイバ１０はその検出光を共有できる。従って、検出光用光源を３つ揃えずに光路の途中で３つに分岐して使用してもよい。
【００７６】
さらに、各レンズ付き光ファイバ１０から溶液試料中に集光照射された検出光を検出し、不図示のコンピュータ４０４で熱レンズ信号強度を算出できるように、１の光電変換器４０１が流路２０４に面する位置において、レンズ付き光ファイバ１０に対向する位置に配設されている。
【００７７】
また、各レンズ付き光ファイバ１０に接続された屈折率分布型ロッドレンズ１０２は非常に小型であるので、複数個を並べる場合でも光軸合わせが容易で面積を必要とせず、各レンズでの測定点を近接することができるので、各レンズでの測定条件を同一にして測定することができる。これらのことは、溶液試料が反応しながら、又は分離しながら流れている等の時間安定性がない非定常状態で非常に効果を発揮する。
【００７８】
これにより、異なる周波数の各励起光及び検出光を、夫々独立した屈折率分布型ロッドレンズ１０２を用いて溶液試料に照射するので、複数の検出対象物質を同時に検出することができる。
【００７９】
ここで、周波数の異なる３つの励起光を用いて、溶液試料中に含まれる３つの検出対象物質の各濃度を測定する方法を説明する。
【００８０】
図１の各励起光用光源１０５は、異なる吸収スペクトルを有する３つの検出対象物質を検出するため、図３に示すように各検出対象物質が光吸収し熱レンズを形成する周波数の励起光を出射する。また、検出光の周波数は、３つの検出対象物質すべてが光吸収を行なわない周波数領域から選択する。
【００８１】
図４は、図１の光熱変換分光分析装置によって実行される検出対象物質検出処理のフローチャートである。
【００８２】
まず、検出対象物質毎に、その検出対象物質を溶媒に溶解してある基準濃度（ここでは１０−４ｍｏｌ／Ｌの濃度）の溶液とした基準溶液試料を作製する（ステップＳ１）。
【００８３】
次に、各基準溶液試料を流路付き板状部材２０の流路２０４に流し、各周波数の励起光を集光照射したときの熱レンズ信号強度を測定する（ステップＳ２）。表１に、ステップＳ２で得られる熱レンズ信号強度を示す。
【００８４】
【表１】
2004020262.tif 000003
【００８５】
その後、溶液試料を流路付き板状部材２０の流路２０４に流し、各周波数の励起光を集光照射したときの熱レンズ信号強度を測定する（ステップＳ３）。表２に、ステップＳ２で得られる熱レンズ信号強度を示す。
【００８６】
【表２】
2004020262.tif 000004
【００８７】
ステップＳ２，Ｓ３で測定された熱レンズ信号強度から溶液試料中の各検出対象物質の濃度を算出する（ステップＳ４）。具体的には、表１と表２の結果得られる以下の３つの式を連立方程式として各検出対象物質の濃度を算出する。
【００８８】
励起光１の測定　０．８＝１６ｘ
励起光２の測定　１．４＝１４ｘ＋５０ｙ＋８ｚ
励起光３の測定　１．０＝２０ｙ＋３２ｚ
上記の連立方程式を解くと、ｘ＝０．０５，ｙ＝０．０１，ｚ＝０．０２５となる。これらの数値は基準濃度との比に相当するので、溶液試料ａに含まれる検出対象物質１の濃度は基準濃度１０−４ｍｏｌ／Ｌに０．０５をかけて５×１０‐６ｍｏｌ／Ｌと算出される。同様に、検出対象物質２の濃度は１０‐６ｍｏｌ／Ｌ、検出対象物質３の濃度は２．５×１０−６ｍｏｌ／Ｌと算出される。
【００８９】
本発明の第１の実施の形態に係る光熱変換分光分析装置によれば、周波数の異なる複数の励起光を用いて、各検出対象物質の基準溶液試料及び溶液試料の熱レンズ信号強度を測定し（ステップＳ２，３）、測定された熱レンズ信号強度測定結果から溶液試料中の各検出対象物質の濃度を算出するので（ステップＳ４）、各検出対象物質について一度に高感度に検出することができる。
【００９０】
さらに、溶液試料に含まれる検出対象物質の数以上の複数の異なる周波数の光を励起光とすると、各検出対象物質がどのような吸収スペクトルを有するものであっても同じ励起光のセットを使用することができるので、装置の汎用性が非常に高くなる。
【００９１】
尚、図５に示すように、各励起光が各検出対象物質に光吸収されることにより熱レンズを形成する周波数の光であって、その周波数は各検出対象物質の１つのみが光吸収し熱レンズを形成するものとすることができれば、連立方程式を計算することなく（図４のステップＳ４）、各検出対象物質の濃度を各周波数の励起光にて測定することができる。即ち、溶液試料に励起光１，２，３を照射したときの熱レンズ強度が、夫々検出対象物質１，２，３の溶液試料中の存在比率となるため、溶液試料に含まれる３つの検出対象物質の濃度をより簡易に算出することができる。
【００９２】
図６は、本発明の第２の実施の形態に係る光熱変換分光分析装置の概略構成を示す模式図である。
【００９３】
第２の実施の形態に係る光熱変換分光分析装置は、レンズ付き光ファイバ１０、検出光用光源１０６及び２波長合波素子１０８を１つしか用いない点と、３つの励起光用光源１０５と２波長合波素子１０８の間に配設した光スイッチ１０９によって２波長合波素子１０８に入射する周波数の異なる各励起光を切り替える点とを除いて基本的には第１の実施の形態に係る光熱変換分光分析装置と同じであるため、同じ構成部材には同一の符号を付して説明を省略する。
【００９４】
具体的には、各励起光用光源１０５は、夫々に設置された変調器１０７により励起光を変調した後出射する。各励起光は光ファイバを経て光スイッチ１０９に入射され、光スイッチ１０９で選択された周波数の励起光のみが２波長合波素子１０８で検出光と合波され、レンズ付き光ファイバ１０から流路２０４内の溶液試料に照射される。
【００９５】
本発明の第２の実施の形態に係る光熱変換分光分析装置によれば、上述した周波数の異なる３つの励起光及び検出光を合波したものを順番に溶液試料に集光照射するため、レンズ付き光ファイバ１０は１つのみでよく、装置を小型化することができる。
【００９６】
【発明の効果】
以上詳細に説明したように、請求項１記載の光熱変換分光分析方法及び請求項３記載の光熱変換分光分析装置によれば、周波数に関して吸収スペクトルが部分的に互いに重ならない少なくとも２つの検出対象物質を含む溶液試料に集光照射する励起光は、周波数が互いに異なると共に、検出対象物質と同数の光から成り、且つこの同数の光の各周波数は、検出対象物質の１つのみが光吸収により熱レンズ形成を行うように設定されているので、各検出対象物質について高感度に検出することができる。
【００９７】
請求項２記載の光熱変換分光分析方法及び請求項４記載の光熱変換分光分析装置によれば、励起光を構成する周波数が互いに異なる複数の光を検出対象物質毎に作製された基準溶液試料に照射して検出光の強度の変化を予め測定し、前述の複数の光を溶液試料に照射して検出光の強度の変化を測定するので、これらの２つの測定を行う励起光を、溶液試料に含まれる各検出対象物質の吸収スペクトルの如何にかかわらず同じものとすることができ、その結果、装置の汎用性が非常に高くなる。
【００９８】
請求項５記載の光熱変換分光分析装置によれば、１の集光レンズにより複数の光を順番に溶液試料に照射するので、集光照射手段は１つのみでよく、もって装置を小型化することができる。
【００９９】
請求項６記載の光熱変換分光分析装置によれば、溶液試料を照射する複数の光の数と同数の集光レンズにより同時に溶液試料に照射することを特徴とするので、複数の検出対象物質を同時に検出することができる。
【０１００】
請求項７記載の光熱変換分光分析装置によれば、集光レンズは屈折率分布型レンズであるので、集光レンズを小さくすることができ、もって装置を小型化することができる。
【０１０１】
請求項８記載の光熱変換分光分析装置によれば、集光レンズは屈折率分布型ロッドレンズであるので、集光レンズを非常に小型な円柱状レンズとすることができる結果、複数個を並べる場合でも光軸合わせが容易で面積を必要とせず、各レンズでの測定点を近接することができ、もって各レンズでの測定条件を同一にして測定することができる。
【０１０２】
請求項９記載の光熱変換分光分析装置によれば、誘導光学系が光ファイバであるので、励起光と検出光の光軸を確実に同軸とできる結果、励起光と検出光の光軸調整を不要とし、且つ光軸調整用の治具も不要とすることができる。
【０１０３】
請求項１０記載の光熱変換分光分析装置によれば、集光レンズが光ファイバの端部に固定されているので、励起光、検出光及び集光レンズの光軸が常に同軸となる結果、励起光、検出光及び集光レンズの光軸調整を不要とし、且つ光軸調整用の治具も不要とすることができる。
【０１０４】
請求項１１記載の光熱変換分光分析装置によれば、光ファイバが励起光と検出光をシングルモードで伝搬するので、光ファイバから出射される光は常にガウス分布になり励起光を小さく絞ることができる結果、光熱変換に利用されるエネルギーを高くすることができるとともに励起光によって形成された熱レンズを収差の少ないレンズにすることができ、正確で感度の高い測定ができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態に係る光熱変換分光分析装置の概略構成を示す模式図である。
【図２】図１におけるレンズ付き光ファイバ１０の説明図である。
【図３】図１における流路付き板状部材２０中を流れる溶液試料に含まれる検出対象物質の周波数に対するモル吸光係数の関係を示すグラフである。
【図４】図１の光熱変換分光分析装置によって実行される検出対象物質検出処理のフローチャートである。
【図５】図１における流路付き板状部材２０中を流れる溶液試料に含まれる検出対象物質の周波数に対するモル吸光係数の関係を示すグラフである。
【図６】本発明の第２の実施の形態に係る光熱変換分光分析装置の概略構成を示す模式略図である。
【図７】熱レンズの原理の説明図である。
【図８】励起光の光軸（Ｚ軸方向）に関する熱レンズの形成位置と検出光の焦点位置の説明図であり、（ａ）は、対物レンズが色収差をもつ場合を示し、（ｂ）は、対物レンズが色収差をもたない場合を示す。
【図９】励起光の光軸（Ｚ軸方向）に関する熱レンズの形成位置と検出光の焦点位置の説明図であり、（ａ）は、熱レンズが検出光の焦点位置よりも対物レンズ側に形成する場合、（ｂ）は、熱レンズが検出光の焦点位置よりも遠方側に形成する場合を示す。
【図１０】従来の光熱変換分析装置における熱レンズの屈折率の変化を検出する方法の説明図であり、検出光を光路の途中に凹レンズを入れて発散光とし、励起光の焦点距離位置よりも遠方に焦点位置がくるようにした場合を示す。
【符号の説明】
１０　レンズ付き光ファイバ
２０　流路付き板状部材
３０　治具
１０１　光ファイバ
１０２　屈折率分布型ロッドレシズ
１０３　フェル―ル
１０４　チューブ
１０５　励起光用光源
１０６　検出光用光源
１０７　変調器
１０８　２波長合波素子
１０９　光スイッチ
２０１，２０２，２０３　ガラス基板
２０４　流路
４０１　光電変換器
４０２　フィルタ
４０３　ロックインアンプ
４０４　コンピュータ
【図１】
2004020262.tif 000005
【図２】
2004020262.tif 000006
【図３】
2004020262.tif 000007
【図４】
2004020262.tif 000008
【図５】
2004020262.tif 000009
【図６】
2004020262.tif 000010
【図７】
2004020262.tif 000011
【図８】
2004020262.tif 000012
【図９】
2004020262.tif 000013
【図１０】
2004020262.tif 000014