(57)【要約】【課題】簡便で且つ非破壊でプリズムの表面近傍又は界面近傍における蛍光スペクトルの二次元情報を得ることができる。而も短時間で得られる。【解決手段】光源２から発射された光を入射側レンズ系３で集光し、測定用の台形プリズム５に一定の幅の波長範囲で入射する。測定用の台形プリズム５で一回全反射を行う。全反射を行うことでエバネッセント波が発生し、測定用の台形プリズム５の界面近傍の蛍光スペクトルデータを得ることができる。測定用の台形プリズム５、又は入射側及び出射側レンズ系３、６をＸ、Ｙ軸に沿って走査する。全反射して測定用のプリズム５から出射した光をＣＣＤ分光器７で分光し、蛍光スペクトルデータをコンピュータ９で編集することによって二次元の情報にする。そしてこれをその画面に表示する。【選択図】        図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
光源と、前記光源から発射された光を集光する入射側レンズ系と、該入射側レンズ系で集光された光を測定するために、光を１回反射させる台形又は三角プリズム、或いは複数回反射させる光導波路と、前記測定用のプリズム或いは光導波路の全反射界面から出射したエミッション光を集光する出射側レンズ系或いは凹面鏡と、前記出射側レンズ系或いは凹面鏡により集光した光をスペクトル測定する分光器と、蛍光スペクトルを編集し、マッピング表示するコンピュータとからなり、前記測定用のプリズム或いは光導波路、又は入射側、出射側レンズ系或いは凹面鏡をＸ、Ｙの軸方向へ走査して、平面として、又は平面上の任意の場所の蛍光スペクトルの情報を得、この蛍光スペクトルデータをコンピュータにて編集し、マッピング表示するようになしたことを特徴とするエバネッセント波励起による蛍光スペクトル測定装置。
【請求項２】
出射側レンズ系或いは凹面鏡と測定用のプリズム或いは光導波路の全反射界面との間に、出射した光の範囲を制限するための可変アパーチアを配置してなる請求項１記載のエバネッセント波励起による蛍光スペクトル測定装置。
【請求項３】
光源が、白色光又は特定の波長の光である請求項１又は２記載のエバネッセント波励起による蛍光スペクトル測定装置。
【請求項４】
光源と入射側レンズ系との間及び出射側レンズ系或いは凹面鏡と分光器との間を夫々光ファイバーをもって接続してなる請求項１、２又は３記載のエバネッセント波励起による蛍光スペクトル測定装置。
【請求項５】
入射側レンズ系と測定用のプリズム或いは光導波路との間にロール軸方向に回転可能な偏光子を配置してなる請求項１、２、３又は４記載のエバネッセント波励起による蛍光スペクトル測定装置。
【請求項６】
入射側レンズ系と測定用のプリズム或いは光導波路との間及び測定用のプリズム或いは光導波路と出射側レンズ系或いは凹面鏡との間に夫々ロール軸方向に回転可能な偏光子を配置してなる請求項１、２、３又は４記載のエバネッセント波励起による蛍光スペクトル測定装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はエバネッセント波励起による蛍光スペクトル測定装置に関し、更に詳細には測定用のプリズム内での１回の、或いは光導波路内での複数回の全反射により生じるエバネッセント波を利用して全反射界面近傍の構造、構造の欠陥、変化、効果、全反射界面吸着物の蛍光発光の情報を平面として位置情報とともに得ることができるようになしたエバネッセント波励起による蛍光スペクトル測定装置に係わる。
【０００２】
【従来の技術】
近年、高分子薄膜の高機能化や液晶の支持体等の用途により、界面近傍の物質の配向情報や構造の欠損、汚染等の情報を得るべく研究が進められている。そしてこれまでＸＰＳやＳＩＭＳ等の表面を観察する方法はあるが、簡便で非破壊で表面近傍、界面近傍における蛍光スペクトルを二次元測定できる方法がなかった。
【０００３】
また、従来の蛍光スペクトル測定装置では、溶液系でキュベットに特定の励起波長の励起光を入射し、励起光の散乱光を避けるために励起光の直行方向からエミッション光を観測し、分光器に導入して蛍光のスペクトル測定がなされてきた。
【０００４】
また、励起光の散乱光を避けるために励起光を単色光にし、エミッション光もＣＣＤ分光などできず、グレーティングを回転させながら単色光として波長走査測定していた。そのために露光時間掛ける連続波長分の時間が測定にかかった。
【０００５】
また、極大吸収波長と蛍光の極大波長の近い物質は励起光の散乱光を避けるための蛍光の極大波長から離れた吸収波長を使うため、効率の良い励起ができず、得られたエミッション光が弱く、Ｓ／Ｎの良いスペクトルが得られなかったり、励起光の散乱光が混入した状態での蛍光スペクトルとなり、不正確な蛍光スペクトル情報となっていた。
【０００６】
また、エバネッセント波を利用した測定法もあるが、スペクトル測定ではないため、そこにある蛍光物質のある無しや量的情報を得ることしかできず、物質の態の変化や蛍光物質のコンフォメーションまではわからなかった。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は上記の問題点に鑑みなされたものであって、エバネッセント波を励起光として利用し、励起光の散乱光の混入のない正確な蛍光スペクトルを、時間をかけずに測定することができるようになした装置を提供せんとするものである。
【０００８】
エバネッセント波は全反射した界面の反対側に染み出した光のことで、その到達距離はおよそ波長オーダーでその強度は界面から離れるに従い指数関数的に減少する光である。しかしながら波長の性質、波面の方向は保存されるため、界面近傍の物質の蛍光スペクトルの情報を得ることができるものである。
【０００９】
エバネッセント波を利用した蛍光測定で最も重要なことは、全反射の際に生じるエバネッセント波を利用していることで、このことは励起光とエミッション光を全反射界面若しくは導波路界面で完全に分離できることにほかならず、このことから今まで必ずといってよいほど混入することが避けられなかった励起光の散乱光をエミッション光と分離することが可能となるのである。そしてまた、このことにより励起光の波長を単色光とする必要がなく、白色光であってもエミッション光に散乱光として励起光が混入することがないのである。
【００１０】
本発明者らは、上記課題に鑑み種々検討した結果、一定の波長幅を持つ光を入射側レンズ系で集光し、測定用の台形又は三角プリズム或いは光導波路に入射させ、プリズム底面或いは光導波路界面に一回或いは複数回の全反射をさせ、全反射界面より出射したエミッション光を集光レンズ系或いは凹面鏡にて集光し、ファイバーを介し又は直接ＣＣＤ分光器へ導入し、プリズム界面をＸＹステージで走査することにより、表面、界面近傍での蛍光スペクトル情報の面的分布測定が短時間で可能になることを見いだした。本発明はこれらの知見に基づきなされるに至ったものである。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
而して、本発明の要旨とするところは、光源と、前記光源から発射された光を集光する入射側レンズ系と、該入射側レンズ系で集光された光を測定するために、光を１回反射させる台形又は三角プリズム、或いは複数回反射させる光導波路と、前記測定用のプリズム或いは光導波路の全反射界面から出射したエミッション光を集光する出射側レンズ系或いは凹面鏡と、前記出射側レンズ系或いは凹面鏡により集光した光をスペクトル測定する分光器と、蛍光スペクトルを編集し、マッピング表示するコンピュータとからなり、前記測定用のプリズム或いは光導波路、又は入射側、出射側レンズ系或いは凹面鏡をＸ、Ｙの軸方向へ走査して、平面として、又は平面上の任意の場所の蛍光スペクトルの情報を得、この蛍光スペクトルデータをコンピュータにて編集し、マッピング表示するようになしたことを特徴とするエバネッセント波励起による蛍光スペクトル測定装置にある。そしてまた、斯かる構成において、出射側レンズ系或いは凹面鏡と測定用のプリズム或いは光導波路の全反射界面との間に、出射した光の範囲を制限するための可変アパーチアを配置するようになしてもよい。
【００１２】
また、上記構成において、光源としては白色光又は特定の波長の光を用いることが望ましい。
【００１３】
また、上記構成において、光源と入射側レンズ系との間及び出射側レンズ系或いは凹面鏡と分光器との間を夫々光ファイバーをもって接続するようになしてもよい。
【００１４】
このようになした場合には、光学系或いは凹面鏡の配置の自由度を確保することが可能になり、入射及び出射角度を自由に変えたり、ステージを動かしたり、光源、測定用のプリズム或いは光導波路、分光器等の配置を自由に変えたりすることが可能になる。加えて、光ファイバーによる開口数の効果により、バックグランド光の影響を最小限にし、シグナル光を選択的に測定することが可能になる。
【００１５】
また、上記構成において、入射側レンズ系と測定用のプリズム或いは光導波路との間にロール軸方向に回転可能な偏光子を配置するようになしてもよい。
【００１６】
このようになした場合には、Ｓ偏光、Ｐ偏光を入射すると得られる蛍光スペクトルデータによりプリズム界面での分子配向の分布をコンピュータで編集し、二次元データとして得ることができるものである。
【００１７】
また、上記構成において、入射側レンズ系と測定用のプリズム或いは光導波路との間及び測定用のプリズム或いは光導波路と出射側レンズ系或いは凹面鏡との間に夫々ロール軸方向に回転可能な偏光子を配置するようになしてもよい。
【００１８】
このようになした場合には、偏光子をロール軸方向に回転させ、蛍光スペクトルの測定を行うことにより、プリズム界面近傍の旋光情報を二次元データとして得ることができる。
【００１９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照しつつ説明する。
図１は本発明の第１実施形態の説明図である。
【００２０】
図中、１は蛍光スペクトル測定装置である。２は光源である。また該光源２は、遠紫外から近赤外までのうち任意の波長範囲を持つ光を発射するもの、或いは特定の波長の光を発射するものが選ばれる。また、本実施形態では白色光を用いている。尚、斯かる白色光は一定の波長幅を持つ光である。
【００２１】
３は前記光源２から発射された光を集光する入射側レンズ系であり、角度調整可能である。更にまた、該入射側レンズ系３は、Ｘ軸方向及びＹ軸方向に走査可能である。そして、該入射側レンズ系３は、本実施形態にあっては光ファイバー４をもって前記光源２に接続している。
【００２２】
５は測定用の台形プリズムであり、図示はしないが三角形のものを用いてもよい。そしてまた、該測定用の台形プリズム５は、前記入射側レンズ系３で集光された光を１回反射させるものであり、全反射によるエバネッセント波による二次元の蛍光スペクトル測定を可能にする底面を持っている。また該測定用の台形プリズム５は、前記入射側レンズ系３及び後記出射側レンズ系をＸ軸方向及びＹ軸方向に走査可能とした場合には必要ないが、そうでない場合にはＸ軸方向及びＹ軸方向に走査可能とする。
【００２３】
また、該測定用の台形プリズム５は、蛍光分光測定をするため目的とする波長範囲で吸収がないことが望まれる。このため透明でなければならない。しかしながら特定波長の吸収測定を行う場合においては、その波長の光のみを透過することが可能である。また、プリズム内で全反射を起こさせるために、該プリズムはサンプルより屈折率が高いことが望ましい。また、材料としては、石英ガラス、サファイヤ、ダイヤモンド等が有用であり、ガラスでは高屈折率である重フリントガラス等も用いられる。サンプルの屈折率が下回ればその他のガラスもプリズムになり得る。また、他にも樹脂ではＰＭＭＡ等のアクリル系の樹脂等が利用可能である。
【００２４】
６は前記測定用の台形プリズム５から出射した光を集光する出射側レンズ系である。更にまた、該出射側レンズ系６は、Ｘ軸方向及びＹ軸方向に走査可能である。また、該出射側レンズ系６に代えて、図示はしないが凹面鏡を用いるようにしてもよい。
【００２５】
７は前記出射側レンズ系６により集光した光を分光測定するＣＣＤ分光器である。また、該ＣＣＤ分光器７は、本実施形態にあっては光ファイバー８をもって前記出射側レンズ系６に接続している。
【００２６】
９は前記ＣＣＤ分光器７に接続したコンピュータであり、蛍光スペクトルデータを編集し、モニターに二次元情報を画像として、即ちマッピング画像として表示するものである。尚、９ａは蛍光スペクトル表示、９ｂは二次元画像である。
【００２７】
本実施形態は、上記構成要素からなり、そして測定用の台形プリズム５、又は入射側、出射側レンズ系３、６をＸ、Ｙの軸方向へ走査して、平面として、又は平面上の任意の場所の蛍光スペクトルの情報を得、該情報をコンピュータ９にて編集し、マッピング表示するものである。
【００２８】
次に、図２に示した本発明の第２実施形態について説明する。
本実施形態と前記第１実施形態との相違点は、本実施形態において入射側レンズ系と測定用の台形プリズムとの間にロール軸方向に回転可能な偏光子１０を配置してなる点にある。尚、その他の構成は前記第１実施形態と同様であるから、同一の部材には同一の符号を付して詳細な説明は省略する。
【００２９】
本実施形態によれば、Ｓ偏光、Ｐ偏光を入射すると得られる蛍光スペクトルデータにより、プリズム界面での分子配向の分布を二次元データとして得ることができるものである。
【００３０】
次に、図３に示した本発明の第３実施形態について説明する。
本実施形態と前記第１実施形態との相違点は、本実施形態において入射側レンズ系と測定用の台形プリズムとの間及び測定用の台形プリズムと出射側レンズ系或いは凹面鏡との間に夫々ロール軸方向に回転可能な偏光子１１、１２を配置してなる点にある。尚、その他の構成は前記第１実施形態と同様であるから、同一の部材には同一の符号を付して詳細な説明は省略する。
【００３１】
本実施形態によれば、偏光子１１、１２をロール軸方向に回転させ、蛍光スペクトルの測定を行うことにより、プリズム界面近傍の旋光情報を二次元データとして得ることができるものである。
【００３２】
次に、図４に示した本発明の第４実施形態について説明する。
本実施形態と前記第１実施形態との相違点は、第１実施形態における台形プリズムに代えて光導波路１３を用いた点にある。尚、その他の構成並びに作用は前記第１実施形態と同様であるから、同一の部材には同一の符号を付して詳細な説明は省略する。
【００３３】
また、上記第１乃至第４実施形態において、出射側レンズ系或いは凹面鏡と測定用のプリズム或いは光導波路の全反射界面との間に、出射した光の範囲を制限するための可変アパーチア１４を配置するようになしてもよい。
【００３４】
【発明の効果】
本発明によれば、簡便で且つ非破壊でプリズムの表面近傍又は界面近傍における蛍光スペクトルの二次元情報を得ることができ、而も短時間で得られるものである。そしてまた、本発明は全反射を用いた光学系であるため、励起光が白色光であっても、エミッション光は励起光の影響を受け難く、そのため幅広い波長域を同時に励起することができ、正確な蛍光スペクトルを簡便に得ることができ、蛍光物質の状態分析が可能になるものである。また、Ｅｘ光の波長走査の時間がいらないため、測定時間を短縮することができるものである。
【００３５】
また、光源と入射側レンズ系との間及び出射側レンズ系或いは凹面鏡と分光器との間を夫々光ファイバーをもって接続するようになした場合には、光学系の配置の自由度を確保することが可能となり、入射及び出射角度を自由に変えたり、ステージを動かしたり、光源、測定用のプリズム或いは光導波路、分光器等の配置を自由に変えたりすることが可能となるものである。加えて、光ファイバーによる開口数の効果により、バックグランド光の影響を最小限にし、シグナル光を選択的に測定することが可能となるものである。また被測定対象に光を当てながら測定したり、電気を流しながら測定するなどの状態分析も可能となるものである。
【００３６】
また、入射側レンズ系と測定用のプリズム或いは光導波路との間にロール軸方向に回転可能な偏光子を配置するようになした場合には、Ｓ偏光、Ｐ偏光を入射すると得られる蛍光スペクトルデータより、プリズム界面での分子配向の分布を二次元データとして得ることができるものである。
【００３７】
また、入射側レンズ系と測定用のプリズム或いは光導波路との間及び測定用のプリズム或いは光導波路と出射側レンズ系或いは凹面鏡との間に夫々ロール軸方向に回転可能な偏光子を配置するようになした場合には、偏光子をロール軸方向に回転させ、蛍光スペクトルの測定を行うことにより、プリズム界面近傍の旋光情報を二次元データとして得ることができるものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施形態の説明図である。
【図２】本発明の第２実施形態の説明図である。
【図３】本発明の第３実施形態の説明図である。
【図４】本発明の第４実施形態の説明図である。
【符号の説明】
１  蛍光スペクトル測定装置
２  光源
３  入射側レンズ系
４  光ファイバー
５  測定用の台形プリズム
６  出射側レンズ系
７  ＣＣＤ分光器
８  光ファイバー
９  コンピュータ
１０  偏光子
１１  偏光子
１２  偏光子
１３  光導波路
１４  可変アパーチア
【図１】
2004279041.tif 000003
【図２】
2004279041.tif 000004
【図３】
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【図４】
2004279041.tif 000006