JPS61501166A - 物質の螢光減衰特性計測装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるため要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 物質の蛍光減衰特性計測装置 本発明は物質の蛍光′ｆ６．哀特性（以下「蛍光特性」と呼ぶ）の計測用装置に 関する。

物質の蛍光特性計測装置は従来から知られており、狭帯域光もしくは単光色の光 源（以下励起光源と称す）を備え、この励起光源により光パルス列を発し、この 光パルス列を被験の物質（試料）に当てこの試料を励起し試料を蛍光放出可能な 状態と成し得る如くし！ている。而して、試料が蛍光を放出する時、前記試料は 単一の光子の形態のエネルギーを発し、これに対し前記従来装置に設けた光子検 出／計測システムが前記励起光源から得る同期パルスを使った既知の光子相関法 （ｐｈｏｔｏｎ−ｃｏｒｒｅｌａｔｉｏｎ　ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ）によって機能 することにより前記試１５料に関し蛍光減衰と減衰時間（並びにその他の特性例 えば非等方性減衰など）を評価する如くしている。

実施されている典型的な励起光源は（周波帯フィルターを備えた）フラッシュラ ンプとレーザーであり、これらフラッシュランプ及びレーザーは共に、その光パ ルスのプロフィール（　ｐｒｏｆ目ｅ》が長期において経時変化することにより 損なわれるので各試料に用いる励起パルス毎にパルスプロフィールの計測が必要 である。ところが、従来の装置では、この計測は試料からの発光の直前もしくは 直後に試料ステーションにおいて反射装置もしくは散乱器を置換し、これらの装 置により反射される励起光を検出計測システムに指し向ける如くして行なうので 、前記した長期における励起パルスのプロフィール変化の問題以外にもこの検出 ／化の発生もまた問題である。

この従来装置には、前記各問題以外にも多数の欠陥があり本発明はその欠陥を解 消もしくは緩和することを目的としている。すなわち、例えば従来装置では試料 の発光の前もしくは後に励起パルスのプロフィールを計測しているので、試料の 発光の間と、励起パルスのプロフィールの計測に引き続く時点とにおいて励起パ ルスのプロフィールが一定であることを頼みとせねばならないが、実際のところ 既知の励起光源のパルスプロフィールは、長期におけるプロフィール変化以外に もパルス毎にもプロフィールが変化する傾向がある。また、前記試料ステーショ ンにおける試料及び反射装置の置換については互換性が必要であるが、実際には 一般的にそのような互換性は得難い。なぜなら、特定の試料の場合、環境条件に 応じ蛍光を発してしまうものがあり、その場合は前記した反射ＢＵは置換が困難 になるという欠点がある。更にはまた、蛍光は通常、励起孔のスペクトル波長と は異なる（すなわち勤先のスペクトル波長より長い）スペクトル波長で発生し、 且つ、前記検出／計測システムは通常これら２つのスペクトル波長においてそれ ぞれ異なる特性を持つので、この検出／計測システムに励起光を導くことによっ て該検出／計測システムにおける変化を査定しても本来的に不正確なものとなる 。

而して本発明の物質試料の蛍光特性計測用装置の構成は、蛍光特性を計測すべき 物質試料を収容するための試料ステーションと、前記試料ステーシヨンに連結さ れ前記試料ステーシロンから発せられる単一の光子を受ける蛍光光子（　ｆｌｕ ｏｒｅｓｃｅｎｃｅ　ｐｈｏｔｏｎ−ｅｖｅｎｔ）受容手段と、前記試料ステー ションに入れた試料に光を当てるべく前記試料ステーシヨンに向かって励起光パ ルス列を発することが可能な励起光源と前記励起光パルス列に対して感応し、且 つ十分な減衰性を持っていて、前記蛍光光子の計測数に対し適合可能な出力計測 数を備え得る励起パルスプロフィールの査定手段と、前記蛍光光子受容手段の出 力と前記励起パルスプロフィール査定手段の出力とを受けるべく組込まれる検出 手段と、前記励起光源により機能し同期パルス列を発生するための同期手段と、 前記検出手段の出力と前記同期手段の出力とに連結され、光子相関法によって操 作され、タイムシェア的に（ｏｎ　ａ　ｔｉｍｓ−ｓｈａｒｅｄ　ｂａｓｉｓ） はメ同時進行で前記蛍光特性の計測値と前記励起パルスプロフィールの計測値と を得られる計測手段とを設け、前記計測手段には前記励起パルスのプロフィール 計測値を前記蛍光特性の計測値と区別し得る弁別手段を含んでいる。

而して本発明によれば、前記励起パルスのプロフィールの計測は試料の発光の間 じゆうタイムシェア的に前記試料の発光とは炉間時に成されるので、その結果、 前記励起パルスのプロフィール計測は従来に比して一層正確であり、また、前記 試料ステーション及びこれと協働する検出器における操作の中断や変更無しに計 測されるので、厳格な試料環境が何らの妨害も加わる余地能なく維持される。

尚、前記検出手段は前記した２種類の入力の両方を受ける単一の検出器で構成し てもよいし、また、一対の検出器により構成して各検出器がそれぞれ一種類の入 力のみを受ける如くしてもよいが、前記した二つの構成のうち、後者の構成の方 が好ましい。何故なら、この後者の構成の場合、前記した２種類の入力における スペクトル波長の相違に関係無く各検出器における入出力間の伝達関数（ｆｕｎ ｃｔｉｏｎｓ）を整合させ得るし、また、それゆえに、検出器による検出のタイ ミングの相違の修正も自動的に行なえる。

また、前記受容手段及び前記査定手段のうち一方に時間遅延手段を設けることが 好ましい。そして、この時間遅延手段を光学的かもしくは電子工学的に操作して もよいし、また、前記励起光源のパルス繰返し周期（ｐｕｌｓｅ　ｒｅｐｌｔｌ ｔｉｏｏ　ｐｅｒｉｏｄ）に対し２分の１より短かい（但し試料の蛍光減衰時間 より相当に長い）時間遅延を導入し得るよう構成することも好ましい。

前記計測手段は同期パルスに対し蛍光における光子に基づく光子入力（ｅｖｅｎ ｔ）が生じる時間間隔を計測するよう構成しており、この計測値をこの計測値に 対し比例的な（ｐｒｏｐｏｒｔ　１ｏｎａ　ｌ　）振幅値に変換し得る如くして いる。更に前記計測手段は前記した時間間隔の計測操作を行なう間の各時間間隔 毎に発生する前記光子に基づく入力の累積数を計測する。

また、前記弁別手段には電子式ルーティング（ｒｏｕｔｌｎｇ）回路を設けても よく、前記電子式ルーチング回路を設けることにより励起パルスプロフィールの 計測値とは別の記憶チャネルへ蛍光の計測値を導くことにより弁別が出来るし、 また、すべての計測値を単一の記憶チャネルに記憶させて、この記憶値を励起パ ルスのプロフィールの計測値（ｅｖｅｎｔ）が蛍光の場合より長い時間間隔の標 （Ｉｎｄｉｃｉａ）で生じ且つ記憶されることを利用して弁別することも可能で ある。

以下本発明の実施例を添付の図面に基づいて説明する。

第１図は、試料の蛍光特性計測装置に関し、既知の装置を示し、第２図は本発明 装置の第１実施例を示し、第３図は本発明装置の第２実施例を示し、第４図は本 発明装置の第３実施例を示し、そして第５図は本発明装置の第４実施例を示して いる。

第１図において、励起光源（１）が光路（２）に沿って励起光パルス列を発し試 料ステーシロン（３）に収容した試料に光を当てると、これに対応して試料から 発せられる蛍光に郁ける光子を、通常は格子モノクロメータ−（ｇｒａｔｉｎｇ 　ｍｏｎｏｃｈｒｏａ＋ａｔｏｒ）などの波長セレクター形式とした手段（９） により受け、更にこの手段（９）からの出力は（例えば光電子増倍管（ｐｈｏｔ ｏ＋ｍｕｌｔｉｐ目ｅｒ）などの）単一の光子検出器（１０）に送られる。而し て前記光子検出器（１０）は、前記手段（９）からの出力に対応する出力信号を 、疑似信号を除去するための閾値弁別器（１１）　（ｔｈｒｅｓｈｏｌｄ　ｄｉ ｓｃｒｌｍｌｎａｔｏｒ）を介して計測手段（８，１２）における一方の入力部 （スタート信号部）に対し発信する。前記計測手段（８，１２）は前記入力部と は別の第２人力部（ストップ信号部）を有し、この第２人力部は、前記励起光源 （１）から得られる同期パルス列を受けるべく前記励起光源（１）に接続されて いる。前記の構成に基づき前記計測手段（８，１２）は、先に述べた光子相関法 に則り、スタート信号／ストップ信号式カウンター（５ｔａｒｔ／５ｔｏｐ　ｃ ｏｕｎｔｅｒ）としての作用と１このスタート信号とストップ信号との時間間隔 の振幅への変換器としての作用の両方を備えた装置（８）と、波高分析器（１２ ）　（ｍｕｌｔｌｃｈａｎｎｅｌ　ａｎａｌｙｓｅｒ）とから成り、前記分析器 （１２）に前記装置（８）からの出力を、前記試料の蛍光特性の計測値たる前記 スタート信号とストップ信号との時間間隔における遅延時間（ｄｅｌａｙ　ｔｌ ｍｅｓ）の変化発生の相対確率（ｐｒｏｂａｈｌｌｌｔｌｅＳ）を示す柱状図表 （ｈｌｓｔｏｇｒａ■）の形式で記憶する。

尚、第１図において前記同期パルスは、前記励起光源（１）の光出力部から、光 電子増倍管（４）、弁別器（６）及び時間遅延ライン（７）を介して得られる如 ＜シ、従って、前記同期パルスは、検出される各光子（Ｐｈｏｔｏｎ　ｅｖｅｎ ｔｓ　）に基づく信号が前記装置（８）の「スタート信号」入力部へ与えられた 後に発生する如くしている。尚、この同期パルスは前記袋ｒＩ！（′８）におけ る「ストップ信号」入力部へ与えられる如くしている。

尚、既知の通り、前記した同期パルスは、前記励起光源（１）のパルス形成制御 システムがら電気的に得る如くしてよく、また前記とは逆に前記装置（８）にお ケル「スタート信号」入力部へ作用させてもよい。また、当然ながら、先に述べ た光子相関法は、１ｏＯ励起パルス当たり１光子という低い検出確率が維持され る場合に限り妥当な結果が得られるのである。

第２〜第５図に示した本発明の実施例において、前記第１図の構成物と同じ構成 物に関しては第１図と同様の符号を付している。第２図においては第１図の構成 物のほかに励起パルスのプロフィール（ｐｒｏｆｉｌｅ）査定手段（１３，１４ ，１ｆ３）を設けている。この励起パルスフロフィール査定手段は、光路（２） にビームスプリッタ−（ｂｅａｍｓｐ目ｔｔｅｒ）　（１３）を配設し、励起光 の少量な一部を（例えば鏡で挾んだ空中の光路もしくは単一モードのグラスファ イバーなどの光ガイド等の）光学式時間遅延手段（１４）に送り、この時間遅延 手段（１４）からの出力を整合用光学器（■ａｔｃｈｌｎｇｏｐｔｉｃｓ）　（ １８）により検出器（１ｏ）の入力部へ導く。従って、第２図に示した第１実施 例では単一の検出器（１０）が、前記整合用光学器（１６）と、前記手段（９） とからタイムシェアペースでほとんど同時に検出用入力を受ける如くしている。

尚、この実施例では前記手段（８，１２）で得られる上記の通り２種の計測値の 弁別は、励起光の計測値が前記分析器（１２）の記憶装置内において蛍光の計測 値に対し遅延した位置に位置づけられることにより弁別が成される。

また、第３図の実施例においては、前記励起パルスプロフィール査定手段に入力 光学器（２２）を持った独自の検出器（２３）を備えており、従って、この査定 手段では光電陰極における電力の幾何学的分布（ｇｅｏｍｅｔｒｙ　ｏｆ　ｐｈ ｏｔｏｃａｔｈｏｄｅ　Ｉｌｌｕｍｉｎａｔｉｏｎ）が検出器（１０）における 電力の幾何学的分布と整合し得る。また前記検出器（２３）の出力は、前記弁別 器（１１）と同様の作用を成す閾値弁別器（２４）を介して（この実施例の場合 電子工学的に操作している）時間遅延手段（２５）へ転送され、更に、この時間 遅延手段（２５）の出力は、オア構成（ＯＲｃｏｎｆｉｇｕｒａｔｉｏｎ）の前 記手段（８，１２）の入力部に送られる。この第３図実施例は第２図実施例に対 し、前記した各別の二つの検出器（１０，２３）の検出機能が分離していること により、これら各検出器のインパルス応答（Ｉｍｐｕｌｓｅｒｅｓｐｏｎｓｅ＞ は、これら各検出器に与えられる検出用入力がそれぞれ異なるスペクトル波長領 域の入力であるにもか＼わらず、互いに厳密に整合させ得るという利点が得られ る。

第４図の実施例は前記時間遅延手段（２５）を省いた以外は第３図と同様である が、第４図実施例では更に、信号ルーチン回路（ｓｉｇｎａｌ−ｒｏｕｔｉｎｇ 　ｃｌｒｃｕｔｒｙ）（１８）を設け、この信号ルーチン回路（１８）により各 弁別器（１１，２４）から入力信号を受けるとともに、ライン（１９）を介して 分析器（１２）を制御し分析器（１２）が励起パルスプロフィールの計測値と蛍 光光子の計測値とをそれぞれ別に受け、且つ記憶しこれら励起パルスの計測値と 蛍光光子の計測値とを弁別可能としている。尚、ライン（２１）は、各測定値の 記憶に基づき前記回路（１８）ヘリセット信号を与えるものであり、またライン （２０）は、確認用のスタート信号を発信するものである。

第５図実施例は、単一の検出器（１０）のみを使用している点で第２図実施例と 同様であり、また信号ルーチン回路（１８）については第４図実施例と同様であ る。但し第５図実施例の場合前記回路（１８）への入力信号は装置（８）からも 得られるし、また遅延手段（１４）の出力部に連結する検出器（１５）の出力部 に設けた弁別器（１７）からも得るられる如くしている。

尚、前記回路（１８）は、例えば入力される信号が蛍光光子に基づくか励起パル スに基づくかに応じて論理（ｌｏｇｉｃ）　１か、論理Ｏかに設定し得るラッチ （１ａｔｃｈ）を含み、このラッチの状態によりライン（１９）の信号の性質を 決定すること及び前記ラッチが前記ライン（２１）の信号によってリセットされ ることは理解されよう。

尚、前記した第４図の実施例では、時間遅延手段（２５）を設けていないが、こ の第４図実施例においては前記した励起パルスと蛍光光子とに基づく２種類の計 測値の弁別は統計的基盤（５ｔａｔｌｓｔｌｃａｌ　ｂａｓｉｓ）に基づき行な われる。その理由は、これら励起パルスと蛍光光子とに基づき計測手段に到る入 力はそれぞれ比較的希薄に（ｒａｒｅ）発生するためこれらの各入力が両方同時 に発生することは例外的なことであるからである。

尚、例外的にこれら各入力が同時に発生した場合、そのうち一方の入力だけが蛍 光光子の入力として記憶されるかもしくは前記各入力両方ともに拒絶され（記録 もされない）かの何れかとなる。

尚、本発明はその最も簡略化した形態によって蛍光特性と励起パルスのプロフィ ールとの両方をある程度同時に（すなわちタイムシェアベースで）測定が可能で あり、従って、蛍光特性に関し集まるデータを自動的に修正して、励起光源にお ける長期間での変化並びに短期間における変化の両方が説明可能となっている。

またこの本発明構成によれば、前記の励起パルスプロフィールの測定が前記試料 ステーションとは別に離れて行ない得るので、この試料ステーションでの特別な 環境は必要に応じて維持可能となる。尚、多少複雑な形態とした場合でも本発明 は各光検出ａ　（ｐｈｏｔｏｄｅｔｅｃｔａｒｓ）の整合性が得られることによ り、各光検出器が受ける各入力に関し、同様の衝撃伝達関数（Ｉｍｐｕｌｓｅｔ ｒａｎｓｔｅｒ　ｆｕｎｃｔｉｏｎｓ）を備えつるので１前記各検出器の出力を 蛍光光子と励起パルスとにおけるベクトル波長の相違に拘わらないものとするこ とが可能である。

国際調査報告 ＩＩＩ＋−口ＩＩａＬ１ｓＩム−＃ｍＭＭｅ、ＰＣτ／ＧＢ８５１０００２Ｂ

Claims (9)

【特許請求の範囲】
1. １．物質試料の蛍光特性計測装置であって、蛍光特性を計測されるべき物質試料 を受け入れる試料ステーション（３）と、 前記試料ステーション（３）に連結され、該試料ステーション（３）から発せら れる単一の光子を受ける蛍光光子受容手段（９）と、前記試料ステーション（３ ）に入れた試料に光を当てるべく前記試料ステーション（３）に向かって励起光 パルス列を発することが可能な励起光源（１）と、 前記励起光パルス列に感応し、且つ、蛍光光子の計測数に対し適合可能な出力計 測数を備えるべく十分な減衰性を持った励起パルスプロフィール査定手段（１３ ，１４，１６）と、 前記受容手段（９）の出力と前記査定手段（１３，１４，１６）の出力とを受け るべく組込まれる検出手段（１０）と、 前記励起光源（１）により操作され同期パルス列を発生する同期手段（４，６， ７）と、 前記検出手段（１０）の出力部及び前記同期手段（４，６，７）の出力部に連結 され、光子相関法により操作され、タイムシェアベースでほゞ同時進行的に前記 蛍光特性の計測値と前記励起パルスプロフィールの計測値とが得られる計測手段 （８，１２）であって、前記励起パルスプロフィールの計測値を前記蛍光特性の 計測値と区別し得る弁別手段（１２）を含んだものとを組合わせたことを特徴と する前記物質試料の蛍光特性計測装置。
2. ２．前記検出手段（１０）が２種類の入力の両方を受ける単一の検出器より成る ことを特徴とする請求の範囲第１項記載の物質試料の蛍光特性計測装置。
3. ３．前記検出手段（１０）が一対の検出器（１０，２３）より成り、前記検出器 がそれぞれ１種類の入力のみを受ける如くしたことを特徴とする請求の範囲第１ 項記載の物質試料の蛍光特性計測装置。
4. ４．前記受容手段（９）と前記査定手段（１３，１４，１６）とのうち一方に時 間遅延手段（１４）を設け、前記励起光源（１）のパルス繰返し周期の２分の１ より短かく但し前記試料の蛍光減衰時間より相当に長い時間遅延を備えることを 特徴とする前記請求の範囲のうち何れかに記載の物質試料の蛍光特性計測装置。
5. ５．前記計測手段（８，１２）が、同期パルスに対し蛍光における光子に基づく 入力が発生する時間間隔を計測すべく構成されていることを特徴とする前記請求 の範囲のうち、何れかに記載の物質試料の蛍光特性計測装置。
6. ６．前記計測手段（８，１２）が前記時間間隔の計測値を比例的に振幅値へ変換 することを特徴とする請求の範囲第５項記載の物質試料の蛍光特性計測装置。
7. ７．前記計測手段（８，１２）が、前記計測操作時における各時間間隔毎に発生 する蛍光入力の累積数を計数することを特徴とする請求の範囲第５項もしくは第 ６項の何れかに記載の物質試料の蛍光特性計測装置。
8. ８．前記弁別手段（１２）が電子ルーチン回路を備えており、これにより蛍光の 計測値が励起パルスプロフィールの計測値とは別の記憶チャネルへ導かれること を特徴とする前記請求範囲のうち何れかに記載の物質試料の蛍光特性計測装置。
9. ９．前記弁別手段（１２）が単一の記憶チャネルを備え、前記記憶チャネルに励 起パルスプロフィール値が蛍光値に対し長い目の時間間隔の標（ｉｎｄｉｃｉａ ）で記憶されることを特徴とする請求の範囲第１項乃至第７項記載のうち何れか １項に記載の物質試料の蛍光特性計測装置。