JPH08509295A - 円偏光ダイクロイズム、旋光および吸収スペクトルの測定方法および測定用ダイクログラフ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 このダイクログラフおよび従属する方法は、検出器の光電流の第一調和による円偏光ダイクロイズム、第二調和による旋光およびゼロ調和による透過率の並行測定に用いることができる。これには、これから２個の平行光線、すなわち測定光線（４）および参照光線（５）が出て１個の相互楕円率変調器（６）を通過する光線のスイッチ（３）、円単位の較正の間に参照光線（５）の中に設置された色消し４分の１波長相要素（９）が含まれている。さらにこれには、２個のアナライザー、すなわちキュベット（７）の後の測定光線（４）の中の測定アナライザー（８）および参照光線（５）の中の参照アナライザー（１０）が含まれている。測定アナライザー（８）は、変調器（６）と同じ４５°回転した光学軸を有している。参照アナライザー（１０）は、測定アナライザー（８）に対して測定の間に単位角度、たとえば１°回転している。

Description

【発明の詳細な説明】 円偏光ダイクロイズム、旋光および吸収スペクトル の測定方法および測定用ダイクログラフ 技術分野 本発明の主題は、分光偏光法による光学活性ジャイロトロピック物質（optica lactive，gyrotropic，substance）に於ける円偏光ダイクロイズム、旋光および 吸収スペクトルの測定方法およびこの測定を行うための装置の構成である。 背景技術 現在、円偏光ダイクロイズムスペクトルは、分光偏光装置であるダイクログラ フによって測定することができ、その装置は光学系を再調整した後、試験する物 質の旋光および／または吸収のような他の光学的性質の測定用にも使用すること ができる。円偏光ダイクロイズムの測定のために、この装置には少なくとも既知 の波長の光源、直線偏光器、楕円率の変調器、試験物質用のホルダーおよび／ま たはキュベット並びに検出器が含まれていなくてはならない。同じ装置により旋 光を測定するために、偏光面を光線振幅の変化に変換するアナライザーを検出器 の前に挿入する必要がある。吸収を測定するために、光学系から偏光要素群、す なわち偏光器、楕円率変調器およびアナライザーを取り除くことが有利である。 実際問題としてこのことは、公知の形式のダイクログラフを利用する現在用い られている方法によっては、上記の三つの光学的性質の全てを同時に、すなわち リアルタイムで測定することができないことを意味している。このことは、試験 する物質の性質または組成が化学反応の間に急速に変化する場合、または例えば 、ヒアルロニダーゼのような非安定性有機物質を測定する場合に非常に不便であ る。 現在のダイクログラフの他の欠点は、実際にたとえば、３００〜６００ｎｍの 間隔で許容できる広いスペクトル領域で一定の円偏光ダイクロイズムを示す利用 可能なエタロン物質が存在しないために、これらが円偏光ダイクロイズムの対応 する単位を決定するために参照光線を利用することができないと言う事実にある 。 この事実は現在公知のダイクログラフで行われる測定の精度を制限する。 本発明の目的は、上記の欠点を実質的に解決し、現在公知のダイクログラフを 修正した後、円偏光ダイクロイズム、旋光および吸収スペクトルの同時測定をリ アルタイムにおよび受容できる広いスペクトル間隔で可能にする測定方法を作り 出すことである。 発明の開示 上記の目的は、決定された波長について、測定システムの事前の較正および単 位値の決定の後、光学活性物質および測定光線振幅の変化を電気信号の変化に変 換するアナライザーを通過した後の変調楕円率を有する測定光線の偏光状態を調 和分析の手段により確認する光学活性物質の透過率、円偏光ダイクロイズムおよ び旋光の測定方法である本発明の主題により達成される。 本発明による方法の主題は、測定光学活性物質の透過率、円偏光ダイクロイズ ムおよび旋光に対応するゼロ調和成分、第一調和成分および第二調和成分に分け 、第一調和成分の周波数を変調周波数に対応させ、そしてこの方法により決定さ れた調和成分の振幅を較正により得られた個々の単位値と比較することである。 本発明による方法の別の主題は、参照光線として第二光線を形成する二重光線 装置を用いて、参照光線を測定光線と同じに較正および変調し、参照光線の振幅 の変化を測定光線振幅の対応する変化の変換と共に交互に電気信号の変化に変換 し、両光線、すなわち測定光線および参照光線の交替の周波数が変調周波数より 少なくとも１０ｘ小さいことである。 この方法を実施するためのダイクログラフは、既知波長の光線の光源、直線偏 光器、変調電圧の発生器に接続された楕円率の変調器、測定試料、アナライザー およびそのアウトレットに少なくとも２個の狭域増幅器が接続された電磁放射線 の検出器により構成され、本発明により、直線偏光器の後に入射光線中に光線の 方向スイッチが配置され、その後に２個の光線、すなわち測定光線および参照光 線が形成され、測定光線の光路内にさらに測定光線の楕円率変調器が配置され、 これは変調電圧の発生器および測定アナライザーに接続され、ここで測定アナラ イザーの光学軸が直線偏光器の光学軸に対して角度４５°に向けられ、これらの 間に測定試料たとえばキュベットが配置され、参照光線の光路内にさらに参照光 線の楕円率変調器が配置され、その光学軸が直線偏光器の光学軸に対して角度４ ５°に向けられ、上記参照光線の光路内にさらに少なくとも参照アナライザーが 配置され、その光学軸は直線偏光器の光学軸に対して角度４５°±単位角度（α ）で向けられ、測定光線および参照光線の光路内にさらにこれらの光線を電磁放 射線の相互検出器に向けるための光学要素、有利にはミラーが配置され、相互検 出器のアウトレットには三組の狭域増幅器、すなわちＡＣ増幅器、楕円率変調器 の周波数に対応する作動周波数を有する第一狭域増幅器および楕円率変調器の２ 倍の周波数に対応する作動周波数を有する第二狭域増幅器が接続され、さらに測 定光線および参照光線の光路内に光線断続器が配置されている。単位角度（α） は有利には±０．１°〜±４０°の値を有する。 さらに、光線断続器が入射光線のスイッチの一部を構成し、測定光線の楕円率 変調器および参照光線の楕円率変調器が相互楕円率変調器として構成されていて もよい。 最後に、本発明により入射光線の光源がモノクロメーターによって構成されて いてもよい。本発明の主題であるこの測定方法およびダイクログラフは、現在の 技術水準に対して、実際の試験物質について光学的性質を測定することができる 、同時にリアルタイムで全ての上記の３種の光学的属性、すなわち円偏光ダイク ロイズム、旋光およひ吸収を測定するかまたは試験する可能性に於ける重要な進 歩を提供する。本発明の主題の他の利点は広い波長スケールで連続測定を行う可 能性である。 図面の簡単な説明 ダイクログラフ装置の例を添付する図面に図解的に示す。図１はダイクログラ フの配置を示す。図２〜４は図１の平面ＡおよびＢでの偏光光線を示す。 発明を実施するための最良の形態 図１に示すダイクログラフは、たとえば、モノクロメーターのための入射単色 光線１００、たとえば、調節可能な波長を有するレーザまたは単色光線の光源− により構成されている。入射光線１００は直線偏光器２を通過して、例えば、半 透過性ミラーと反射性ミラーとの組合体により構成される光線スイッチ３に入る 。光線スイッチ３の後に、光線１００はたとえば、電気的に制御した回転要素− チョッパにより構成された断続器３０に向けられる。断続器３０から、アウトレ ット光線は測定光線４または参照光線５として交互に進み、この交番は予備調節 した周波数によってなされる。 測定光線４はさらに測定光線楕円率の変調器６４、測定試料７、即ちそのパラ メーターが測定される溶液の入ったキュベット、たとえば一般構成の結晶偏光器 により構成されている測定アナライザー８およびミラー１１を通って、ある種の 電磁放射線のセンサー、たとえば光電増倍管のようなある種の便利な光電センサ ーであってよい検出器１３の方に進む。 参照光線５は測定光線の測定変調器６４と同じものである楕円率の参照変調器 ６５を通過する。有利には両方の変調器は相互変調器６として実現することがで きる。次いで参照光線５は異方性物質から作られた一対の相互対向配置板により 構成されていてよい色消し４分の１波長相要素９を通過する。これらの板の一つ は半径方向に移動可能であり、後で述べるように参照光線５の中に交互に配置さ れている。参照光線５はさらに測定アナライザー８と同じ属性およびパラメータ ーを有する参照アナライザー１０を通過する。参照アナライザーから出た後、参 照光線５は参照光線４と同様にミラー１２の手段によって同じ電子放射線の検出 器１３に向けられる。 検出器１３のアウトレット１３４、１３５および１３６に、三組増幅器、すな わちＡＣ増幅器１４、第一狭域増幅器１５および第二狭域増幅器１６がある。狭 域増幅器１５および１６はたとえば、共通に接続されている同期検出器として構 成され、より低い周波数の一つの電圧が測定光線および参照光線の楕円率の変調 器６４および６５または楕円率の相互調節器６の制御用に用いられる交流電圧の 発生器１７に接続されている。第二の電圧は二倍の周波数を有し、第二狭域増幅 器１６用に用いられる。本発明により構成されるダイクログラフの適当な機能の ために必要な条件の一つは、発生器１７の作動周波数が光線断続器３０の作動周 波数、すなわち測定光線４４および参照光線５の方向への切り替えられた入射光 線１００の周波数よりも実質的に少なくとも１０倍大きいことである。図１にし たがって実施する際に、光線の断続器３０の作動周波数はたとえば１００Ｈｚで あり、一方変調電圧の発生器１７の作動周波数は５０ｋＨｚである。 図１に示すダイクログラフの全システムは、制御、記録および評価装置１８に よって完結する。この装置１８は本発明の主題に結び付けられず、必要なソフト ウエアを備えた制御コンピュータから構成されていてよい。 図２に於いて、図面の平面に対して、図１の平面Ａの、すなわち測定試料７の 前の入射光線１００の偏光の状態が示されている。対応する電気ベクトル４１は 変調の間に環から楕円の形におよび楕円から環の形に移行する。直線偏光状態は 測定光線の変調器６４でまたは参照光線５の変調器６５で電圧ゼロでの偏光の状 態に対応している。 図３は、図１の平面Ｂに於ける、すなわち測定試料が旋光のみを示す場合に測 定試料の入ったキュベット７を光線が通過した後の直線偏光入射光線４０の電気 ベクトル４１の位置を示している。図４は、測定試料が円偏光ダイクロイズムの みを示す場合の電気ベクトル４１の位置および／または状態を示している。図４ から、左回転成分４２１および右回転成分４２２の振幅が測定物質の物理的性質 のために異なっていることがわかる。この事実の結果は、測定試料７からのアウ トレットでのこれらの干渉の後で、対応する得られる電気ベクトルの末端が図４ で破線で示す楕円を作ることである。測定試料７が円偏光ダイクロイズムと同様 の旋光を示す場合に、得られる楕円の軸は一定の角度φで回転し、楕円率は図４ に示すように正接が小さい半軸４４２と大きい半軸４４１との比により決定され る角度ψによって決定される。測定試料７が実際に常に幾らかの吸収を示すとい う事実のために、図１の平面Ｂのすなわち測定試料７の後の対応するベクトルの 振幅は、平面Ａのすなわち測定試料７の前の同じベクトルの対応する振幅よりも 小さい。 光学的パラメーター値の測定は、図１の測定アナライザー８の前の測定光線４ の状態と参照アナライザー１０の前の参照光線５との比較に基づいている。 測定光線４は、図２に示すようにたとえば、測定光線４楕円率の変調器を通過 した後変調される。測定試料７が三つの測定パラメーターの全て、すなわち幾ら かの吸収、円偏光ダイクロイズムおよび旋光を示す場合に、光線電気成分の振幅 並びに対応する強度は測定したパラメーターの値に比例して変化する。これらの 変化は直線偏光測定光線の元の平面４００および測定アナライザー８の対応する 角度位置に関連している。 第二のウイング、即ち参照光線５に於いて、参照光線５の変調器６５のアウト レットで偏光されるものは、変調器６４のアウトレットでの測定光線４と同じで ある。参照アナライザー１０は、本発明によりその偏光面が、一定の予め選定し 調節した単位角度α、たとえば１°ほど測定アナライザー８の対応する偏光面に 対して角度的に回転するように配置されている。参照光線５が参照アナライザー １０を通過した後、測定光線４および参照光線５の強度Ｉは、検出器１３のアウ トレット１３４、１３５および１３６で、測定物質の吸収に比例するゼロ調和成 分、測定物質の円偏光ダイクロイズムの値に比例する第一調和成分および測定物 質の旋光に比例する第二調和成分を含む電流が発生するように変化する。個々の 測定成分は測定光線および参照光線の変調器６４および６５の変調電圧の発生器 １７周波数に対応する基本調和に関連している。個々の特定調和成分の振幅につ いて下記の関係が有効である。 ゼロ調和について Ｉ₀＝ｋ₀×τ 第一調和について Ｉ₁＝ｋ₁×ｓｉｎψ 第二調和について Ｉ₂＝ｋ₂×ｓｉｎφ ここで、 τ＝測定物質の透過係数 φ＝1/2（δ_R−δ_L） τ_R，τ_L−円偏光光線ＲおよびＬの透過係数 δ_R，δ_L−光線ＲおよびＬの相シフト ψ−円偏光ダイクロイズムによって起こされる楕円率 φ−旋光によって起こされる偏光面の回転 係数ｋ₀、ｋ₁およびｋ₂は下記のようにして測定の前の較正による測定シス テムの定数として定義される。 係数ｋ₀は、測定試料７が透過係数τ＝１を有する物質、たとえば水により、 次いで測定光線４の閉鎖によってシミュレートできる透過係数τ＝０を有する物 質によって充填された図１のキュベットにより構成されている場合に、光電流の 差異によって決定される。 係数ｋ₁の測定について、測定光線４の中に測定アナライザー８の前で、角度 ４５°＋αで電気ベクトル４０の平面に対して配置された測定アナライザー８と 共に、電気ベクトル４０の平面に対して角度４５°で配置された色消し４分の１ 波長相要素９が設置され、値ψ＝αの測定光線の楕円率をもたらすエタロン色消 しダイクロイック物質の存在をシミュレートする。値ψは入射光線１００の光源 １の波長に無関係である。値ｋ₁は、角度４５°でまたは選択された単位角度た とえば１°のそれに続く回転の後て測定アナライザー８の配置で光電流の値の差 異から決定される。実際に、間隔±０．１°から±４０°の単位角度を選択する ことが有利である。同様に、色消し４分の１波長相要素９を除いた後、係数ｋ₂ が決定される。 同じ方法によって、参照光線５に対応する比例係数ｋ₀、ｋ₁およぴｋ₂を測定 することが可能である。全ての比例係数を評価装置１８に記録する。入射単色光 線１００の光源としてたとえば、モノクロメーターでの僅かの波長の測定の間に 、全ての要求波長について係数ｋ₀、ｋ₁およびｋ₂の決定が同じように行われる 。 最初の設置の後で行われる較正が終わった後および／または周期的試験測定の ために、色消し４分の１波長相要素９を光路から取り除き、参照アナライザー１ ０を上記単位角度ほど回したままにする。測定アナライザー８を元の位置α＝０ °に回す。 試料７の測定の間、光線の断続器３０のために、測定試料７の透過係数τを得 ることが可能なゼロ調和測定および参照光線の振幅を比較し、同時に測定光線４ に対応する第一および第二調和の振幅を、円偏光ダイクロイズムおよび旋光の値 を受け取ることができる参照光線５に対応する第二調和の単位振幅と比較する。 参照光線５の第一および第二調和の比は較正の間に得られ、評価装置１８によっ て較正の間に記録され登録される。 たとえば、共通変調器６により測定光線４と同じ方法によって有利に変調され る参照光線５を利用することによって、光源１、相互変調器６、楕円率、検出器 １３の感度の変動を除いたためにおよび全体の接続電気鎖のこの変動により、吸 収、円偏光ダイクロイズムおよび旋光の測定の高い再現性が可能になる。相互変 調器６の安定性は、ゼロ調和振幅と第二調和振幅との比について参照光線５を絶 えずチェックすることによって測定の間にさらに絶え間なく保証される。 測定の高い精度は、測定アナライザー８および参照アナライザー１０を回すた めのマイクロメーターネジの精度によって与えられる。円偏光ダイクロイズム測 定精度の上昇は円偏光ダイクロイズムの補償器として用いられる色消し４分の１ 波長相要素９の存在下で可能な色消し４分の１波長相要素９と参照アナライザー １０１との組合せによる色消し単位エタロンのシミュレーションによって得られ る。この場合に、ダイクログラフはゼロ補償法の手段により最高精度での測定を 可能にする。 本発明による光学活性物質の分光偏光属性の測定法方およびダイクログラフは 、吸収、旋光および円偏光ダイクロイズムの即座に利用可能な値を有する可能性 並びに決定された分光範囲から選択された波長の測定を実現する可能性の結果で あり、回転性物質の研究、すなわち有機化学、ファーマコロジー、生物物理学、 生物化学等の先端領域の研究のために成功裡に使用される。 参照記号の一覧 １ 光源 １００ 入射光線 ２ 直線偏光器 ２０ （直線偏光波の）平面 ３ 光線のスイッチ ３０ 光線断続器 ４ 測定光線 ４０ 変調器の入射光線 ４００ （直線偏光光線の）平面 ４１ （直線偏光光線の）電気ベクトル ４２ （円偏光光線の）電気ベクトル ４２０ 付加電気ベクトル ４２１ 左回転成分 ４２２ 右回転成分 ４３ （楕円偏光光線の）電気ベクトル ４４ 得られた電気ベクトル ４４１ 大きい半軸 ４４２ 小さい半軸 ４４３ 楕円の軸 ５ 参照光線 ６ 相互楕円率変調器 ６０ 変調器の光学軸 ６４ 測定光線の楕円率変調器 ６５ 参照光線の楕円率変調器 ７ 測定試料（キュベット） ８ 測定アナライザー ８０ 測定アナライザーの光学軸 ９ 色消し４分の１波長相要素 ９０ 色消し４分の１波長相要素の光学軸 １０ 参照アナライザー １０１ アナライザーの光学軸 １１、１２ ミラー １３ 検出器 １３４ 検出器の第一出力 １３５ 検出器の第二出力 １３６ 検出器の第三出力 １４ ＡＣ増幅器 １５ 第一狭域増幅器 １６ 第二狭域増幅器 １７ 変調電圧の発生器 １８ 制御、登録および評価装置 Ｉ 光線強度 ｋ₀、ｋ₁、ｋ₂ 調和成分比例係数 α アナライザー回転（円偏光ダイクロイズム）の単位角度 β （アナライザー回転−旋光）の単位角度 τ 測定試料透過係数 ψ 円偏光ダイクロイズムによって起こされる楕円率 φ （旋光によって起こされる）面偏光回転角度 δ_R、δ_L 光線のＲおよびＬ円成分の相シフト Ｒ、Ｌ 光線の右および左円成分請求の範囲

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (81)指定国 ＥＰ(ＡＴ，ＢＥ，ＣＨ，ＤＥ， ＤＫ，ＥＳ，ＦＲ，ＧＢ，ＧＲ，ＩＥ，ＩＴ，ＬＵ，Ｍ Ｃ，ＮＬ，ＰＴ，ＳＥ)，ＡＭ，ＡＵ，ＢＧ，ＢＲ，Ｂ Ｙ，ＣＡ，ＣＮ，ＦＩ，ＧＥ，ＨＵ，ＪＰ，ＫＧ，ＫＰ ，ＫＲ，ＫＺ，ＬＫ，ＬＴ，ＬＶ，ＭＤ，ＭＧ，ＭＮ， ＮＯ，ＮＺ，ＰＬ，ＲＯ，ＲＵ，ＳＩ，ＳＫ，ＴＪ，Ｕ Ａ，ＵＳ，ＵＺ，ＶＮ

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．決定された波長について、測定システムの事前の較正および単位値の決定 の後、光学活性物質および測定光線振幅の変化を電気信号の変化に変換するアナ ライザーを通過した後の変調楕円率を有する測定光線の偏光状態を調和分析の手 段により確認する光学活性物質の透過率、円偏光ダイクロイズムおよび旋光の測 定方法であって、測定光学活性物質の透過率、円偏光ダイクロイズムおよび旋光 に対応するゼロ調和成分、第一調和成分および第二調和成分に分け、第一調和成 分の周波数を変調周波数に対応させ、そしてこの方法により決定された調和成分 の振幅を較正により得られた個々の単位値と比較することを特徴とする方法。 ２．参照光線（５）を測定光線（４）と同じに較正および変調し、参照光線（ ５）の振幅の変化を測定光線（４）振幅の対応する変化の変換と共に交互に電気 信号の変化に変換し、両光線、すなわち測定光線（４）および参照光線（５）の 交替の周波数が変調周波数より少なくとも１０ｘ小さいことを特徴とする、参照 光線として第二光線を形成する二重光線装置を用いた請求の範囲第１項記載の測 定方法。 ３．既知波長の光線の光源、直線偏光器、変調電圧の発生器に接続された楕円 率の変調器、測定試料、アナライザーおよびそのアウトレットに少なくとも２個 の狭域増幅器が接続された電磁放射線の検出器により構成された、請求の範囲第 ２項記載の方法を実施するためのダイクログラフであって、直線偏光器（２）の 後に入射光線（１００）中に光線の方向スイッチ（３）が配置され、その後に２ 個の光線、すなわち測定光線（４）および参照光線（５）が形成され、測定光線 （４）の光路内にさらに測定光線（４）の楕円率変調器（６４）が配置され、こ れは変調電圧の発生器（１７）および測定アナライザー（８）に接続され、ここ で測定アナライザーの光学軸（８０）が直線偏光器（２）の光学軸（２０）に対 して角度４５に向けられ、これらの間に測定試料（７）たとえばキュベットが配 置され、参照光線（５）の光路内にさらに参照光線（５）の楕円率変調器（６５ ）が配置され、その光学軸（６０）が直線偏光器（２）の光学軸（２０）に対し て角度４５°に向けられ、上記参照光線（５）の光路内にさらに少なくとも参照 アナライザー（１０）が配置され、その光学軸（１０１）は直線偏光器（２）の 光学軸（２０）に対して角度４５°±単位角度（α）で向けられ、測定光線（４ ）および参照光線（５）の光路内にさらにこれらの光線を電磁放射線の相互検出 器（１３）に向けるための光学要素、有利にはミラー（１１、１２）が配置され 、相互検出器のアウトレットには三組の狭域増幅器、すなわちＡＣ増幅器（１４ ）、楕円率変調器（６４、６５）の周波数に対応する作動周波数を有する第一狭 域増幅器（１５）および楕円率変調器（６４、６５）の２倍の周波数に対応する 作動周波数を有する第二狭域増幅器（１６）が接続され、さらに測定光線（４） および参照光線（５）の光路内に光線断続器（３０）が配置されていることを特 徴とするダイクログラフ。 ４．単位角度（α）が±０．１°〜±４０°の値を有することを特徴とする請 求の範囲第３項記載のダイクログラフ。 ５．光線断続器（３０）が入射光線（１００）のスイッチ（３）の一部を構成 することを特徴とする請求の範囲第３項または第４項記載のダイクログラフ。 ６．測定光線（４）の楕円率変調器（６４）および参照光線（５）の楕円率変 調器（６５）が相互楕円率変調器（６）として構成されていることを特徴とする 請求の範囲第３〜５項の何れか１項記載のダイクログラフ。 ７．入射光線（１００）の光源（１）かモノクロメーターによって構成されて いることを特徴とする請求の範囲第３〜６項の何れか１項記載のダイクログラフ 。