專利名稱：散射光測定裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及散射光測定裝置，尤其涉及適用于測定微量成分的拉曼散射光測定裝置。
在光學(xué)分析法中有拉曼散射分析法，拉曼散射分析法基于下述現(xiàn)象當(dāng)把電磁波形式的放射能照射到特定分子上時(shí)，保存光量子的分子中的少部分分子釋放保存的光量子后不能返回到原振動(dòng)能級(jí)，而落在與電子的基態(tài)不同的振動(dòng)能級(jí)上。因此被這些分子釋放的能量是分子所固有的能量，通過將上述釋放的能量作為電磁波檢測出便可以識(shí)別特定分子，進(jìn)行定量分析。
雖然通過拉曼散射釋放的光能量存在比吸收的能量低的能量狀態(tài)(司托克斯拉曼散射)和比吸收的能量高的能量狀態(tài)(反司托克斯拉曼散射)兩種類型，但是因?yàn)樘幵诩ぐl(fā)狀態(tài)的電子數(shù)比處在基態(tài)的電子數(shù)少得多，所以反司托克斯拉曼散射強(qiáng)度極弱，因此，在識(shí)別特定分子的方法中通常采用司托克斯拉曼散射方法進(jìn)行測定。
拉曼散射分光測定裝置從光源向試樣單元的試樣照射激發(fā)光，通過光接收器對(duì)來自試樣中的拉曼散射光進(jìn)行分光并進(jìn)行檢測，測定試樣中待測目標(biāo)成分的濃度。人們?cè)鴮?duì)拉曼散射分光測定裝置提出了多種建議。
拉曼散射分光測定裝置的一個(gè)例子是對(duì)拉曼散射分光后用CCD檢測器進(jìn)行檢測的裝置(見特開平6-3271號(hào)公報(bào)，特開平5-26728號(hào)公報(bào))。
拉曼散射分光測定裝置的另一例子是對(duì)拉曼散射光分光后用光電倍增管進(jìn)行檢測的裝置(見特開平7-85057號(hào)公報(bào)，特開平6-3271號(hào)公報(bào))。
現(xiàn)有的測定裝置是把來自試樣的拉曼散射光分光后進(jìn)行檢測的。
因此，分光器是必需的光學(xué)元件。分光器有所謂的單色散型、多種色散型和掃描型各種。不論上述何種分光器都存在裝置大、成本高的缺點(diǎn)。而且為了根據(jù)要校正的對(duì)應(yīng)分光波長讀取波長從而弄清楚分光器性能，在波長精度上存在問題。此外，若采用掃描型分光器，測定速度將變慢。
由于使用分光器，還需使用為了濾去瑞利散射光的濾光器。此外，由于瑞利散射光被濾光器除去而使光量減少，再加上分光器的亮度限制和除去雜散光等原因，拉曼散射光光量減少，靈敏度因之下降。
在拉曼分光測定裝置中通常用的激發(fā)光源的波長范圍是從可見光到紅外光的范圍，相應(yīng)的波長為380～800nm。可是，如果要測定生物物質(zhì)，由于比800nm的波長短的光量子的能量高而容易損傷試樣。并且，在生物試樣中往往產(chǎn)生熒光，這些熒光的波長范圍為650～800nm。該波長范圍幾乎與短波范圍內(nèi)的激發(fā)光激發(fā)出的拉曼移動(dòng)在同一波長范圍。因此，如果利用短波范圍的激發(fā)光激發(fā)，則熒光發(fā)出的量子效率高，并掩蓋了生物體的拉曼散射信號(hào)。在激發(fā)波長為1μm以上的波長的情況下幾乎不產(chǎn)生熒光。由于拉曼散射光的量子效率在同一激光光源功率的條件下激發(fā)光在長波范圍的方向高所以在進(jìn)行S/N比的優(yōu)化的拉曼測定時(shí)，不能認(rèn)為在生物試樣中現(xiàn)有的激發(fā)波長是適合的，關(guān)于生物試樣的激發(fā)波長最好在800nm以上，例如在800～1600nm之間。
作為拉曼散射光一般是檢測司托克斯散射光，如果考慮司托克斯拉曼散射光的波長在比激發(fā)光波長的長波側(cè)，在利用上述的長波側(cè)的激發(fā)波長的情況下檢測拉曼散射光時(shí)存在靈敏度問題。例如用硅接收元件或引證文件中用的光電倍增管的檢測穩(wěn)定性和再現(xiàn)性變差，并且不能同時(shí)進(jìn)行多波長的色散型分光測定。具體地講，作為引證文件中用的CCD光接收器波長靈敏度只不過為1000nm而已，如果用800nm以上的激發(fā)光照射到生物試樣上，則在這種情況下幾乎不可能檢測出拉曼散射光。另外，因?yàn)樵谝C例中使用的光電倍增管的波長靈敏度也不過為300～1000nm，所以作為激發(fā)光的波長不能使用長波波長的光，其結(jié)果雖然可以利用300～800nm范圍內(nèi)的激發(fā)光，但在這種波長范圍內(nèi)雖然熒光的量子效率高，而拉曼散射光的S/N比變低。
本發(fā)明的第一目的在于使拉曼散射測定裝置小型化和低成本化。
本發(fā)明的第二目的在于提供一種適合測定生物物質(zhì)的拉曼散射測定裝置，該裝置容易避開熒光，從而提高了測定靈敏度。
本發(fā)明的拉曼散射光測定裝置裝備有在透過頻帶中含有待測定試樣中的目標(biāo)成分的固有振動(dòng)頻率的帶通濾光器(相干濾光器)或者為了使該振動(dòng)頻率透過而組合的截止濾光器。
為了有利于測定生物試樣，光源部分裝有近紅外半導(dǎo)體激光二極管作為光源，光接收器可以使用Ge、InCaAs或PbS的光檢測元件或波長靈敏度為300～1700nm的光電倍增管等單能檢測器，也可以使用Ge、InGaAs或PbS的光檢測元件陣列等多通道檢測器作為用于檢測透過帶通濾光器或截止濾光器的拉曼散射光的檢測器。
光源的近紅外半導(dǎo)體激光二極管是振蕩波長為800nm以上最好是例如800～1600nm的半導(dǎo)體激光二極管?？梢杂肎aAs/AlGaAs，InGaAs，InGaAsP等作為上述近紅外半導(dǎo)體激光二極管。另外，如果利用激光二極管，可以實(shí)現(xiàn)低成本、體積小、和小型的拉曼分光測定裝置。由于激光二極管的振蕩強(qiáng)度往往不穩(wěn)定，通過對(duì)光源強(qiáng)度進(jìn)行監(jiān)測，并根據(jù)光源強(qiáng)度使拉曼散射光檢測強(qiáng)度規(guī)范化，可以校正振蕩強(qiáng)度的不穩(wěn)定性。
如果采用波長為800nm的近紅外范圍的激發(fā)光，幾乎不會(huì)從生物物質(zhì)中產(chǎn)生熒光，使拉曼散射光測定的本底變小，拉曼散射光的檢測的S/N比提高，因而適用于對(duì)微量成分的分析。另外，因?yàn)檫@個(gè)激發(fā)波長的范圍與可見光范圍相比光量子的能量小，所以試樣受到的損傷也小。其結(jié)果與可見光激發(fā)的拉曼分光法相比較，試樣受的損傷小，熒光的影響也小，因而適合于生物物質(zhì)的測定。
在試樣不是生物物質(zhì)的情況下，可以利用可見光源作為光源。這時(shí)，光接收器可以用CCD元件或硅激光二極管等硅系光檢測器或光電倍增管作為檢測透過帶通濾光器或截止濾光器的拉曼散射光的檢測器。
在本發(fā)明中，不使用分光器作為選擇拉曼散射光向檢測器引入的手段，而使用帶通濾光器或截止濾光器。因?yàn)榇郎y定的分子的拉曼散射光具有由該分子的標(biāo)準(zhǔn)振動(dòng)的固有振動(dòng)頻率，所以可以設(shè)計(jì)帶通濾光器，使該帶通濾光器的中心波長等于該分子固有振動(dòng)的中心頻率對(duì)應(yīng)的波長。借助于帶通濾光器，除透過它的范圍之外的光信號(hào)不能入射到檢測器上。而且，透過范圍的中心波長是根據(jù)測定目標(biāo)分子的標(biāo)準(zhǔn)振動(dòng)解析法算出的，因此波長精度高。
另外，為使待測定試樣成分的固有振動(dòng)頻率透過，也可以使用截止短波長側(cè)的截止濾光器和截止長波側(cè)的截止濾光器組合成的濾光器。
在使用帶通濾光器的情況下，作為使特定的拉曼散射譜具有高效率檢測的光學(xué)條件。最好使帶通濾光器具有作為拉曼散射光譜目標(biāo)峰的波形數(shù)學(xué)近似函數(shù)的分光光學(xué)特性。當(dāng)用數(shù)字函數(shù)近似描寫拉曼散射譜的峰波時(shí)，可以用高斯函數(shù)或羅倫茲函數(shù)近似作為例子。通過使具有高斯函數(shù)或羅倫茲函數(shù)的帶通濾光器能透過拉曼散射光，可以更加精確地測定作為拉曼散射光譜目標(biāo)峰的積分強(qiáng)度。在使用其它數(shù)字函數(shù)近似作為拉曼散射光譜的目標(biāo)峰的波形的情況下，最好使用具有象上述那樣的其它數(shù)字函數(shù)分光光學(xué)特性的帶通濾光器。
高斯函數(shù)、羅倫茲函數(shù)的分光光學(xué)特性可以分別表示如下高斯函數(shù)型I＝A·exp{-[(X-Xo)/(α/α)]2}羅倫茲函數(shù)型I＝A·{X/[(Xo2-X2)+X2]}式中I為透射光強(qiáng)度，X為波長，Xo為中心波長，α為半高寬，A為常數(shù)。
利用在尿中溶解葡萄糖和丙酮的混合液試樣，用1000nm的激光作為激發(fā)光，利用為了使透射區(qū)的中心波長在來自激發(fā)光波長的波數(shù)1130cm-1處半高寬為5nm而設(shè)計(jì)的帶通濾光器測定的拉曼散射的峰強(qiáng)度與尿中的丙酮的濃度關(guān)系示在圖2和圖3中。使試樣中的葡萄糖濃度和丙酮濃度同時(shí)變化。圖2示出的是采用分光光學(xué)特性不明確的帶通濾光器的情況，圖3示出的是采用分光光學(xué)特性為高斯函數(shù)型的帶通濾光器的情況。移動(dòng)波數(shù)為1130cm-1的拉曼散射是由葡萄糖的C-0伸縮振動(dòng)引起的散射，其峰波形既可以通過高斯函數(shù)也可以通過羅倫茲函數(shù)近似。根據(jù)圖2的結(jié)果，當(dāng)利用既不具有高斯型也不具有羅倫茲型分光特性的帶通濾光器時(shí)，相關(guān)系數(shù)R變劣，在檢測結(jié)果中在作為目標(biāo)葡萄糖的拉曼散射光譜中混有丙酮的拉曼散射光譜。與此相反，即使是用同樣半高寬的帶通濾光器，顯然利用具有高斯型的分光光學(xué)特性的帶通濾光器的圖3數(shù)據(jù)的相關(guān)系數(shù)比前者大，因此可更精確地測定目標(biāo)光譜。
在此，相關(guān)系數(shù)R可以由下列計(jì)算出R=Σi=1n(x1-X`)(yi-Y)Σi=1n(xi-X)2-Σi=1n(yi-Y)2]]>Xi測定試樣各點(diǎn)的濃度Yi對(duì)應(yīng)Xi的測定光強(qiáng)度X測定試樣各點(diǎn)濃度的平均值Y測定光強(qiáng)度的平均值利用具有高斯型的分光光學(xué)特性的帶通濾光器，其半高寬為1nm，測定同一混合試樣的結(jié)果示在圖4中。與圖3的結(jié)果相比較，雖然檢測的散射光強(qiáng)度(峰值)幾乎沒有變化，但是由于半高寬變窄了，而使相關(guān)系數(shù)提高，因而可以更精確地測定目標(biāo)光譜。
圖5是將半高寬為1nm的二個(gè)高斯型分光光學(xué)特性的帶通濾光器重疊使用的情形，與圖4的結(jié)果相比，雖然檢測的散射光強(qiáng)度減少了，但相關(guān)系數(shù)提高了，因而可以更精確地測定目標(biāo)光譜。
由于使用帶通濾光器而沒有必要用去除瑞利光的濾光器，去除瑞利光的濾光器制作復(fù)雜成本高。由于不用去除瑞利光的濾光器而使裝置整體成本降低，并且防止光量減少，因而提高了靈敏度。
由于不使用分光器，不再受選擇集光光學(xué)系統(tǒng)時(shí)必須與分光匹配的限制，從而可在寬范圍內(nèi)選擇集光光學(xué)系統(tǒng)和光學(xué)部件，并且可以構(gòu)成亮度光學(xué)系統(tǒng)。這樣便可以簡化光學(xué)系統(tǒng)，降低成本。
為了提高拉曼散射光的產(chǎn)生效率，最好裝有能使激發(fā)光器進(jìn)行多次反射的積分球型散射光增強(qiáng)座作為保持試樣池的座。利用積分球型散射增強(qiáng)座可以提高靈敏度。利用這樣的積分球型散射光增強(qiáng)座，最好是用流動(dòng)池或用后可廢棄的試樣池。
這些測量結(jié)果可提高微量成分分析的精度。這種裝置的成本低、小型、并且測定簡便。


圖1概略地表示了本發(fā)明裝置的方框圖；圖2表示用在尿中溶解葡萄糖和丙酮的混合液試樣，利用半高寬5nm和分光光學(xué)特性不明顯的帶通濾光器測定的拉曼散射的峰強(qiáng)度與尿中葡萄糖濃度的關(guān)系曲線；圖3表示用在尿中溶解葡萄糖和丙酮的混合液試樣，利用半高寬5nm分光光學(xué)特性為高斯函數(shù)型的帶通濾光器測定的拉曼散射峰強(qiáng)度與尿中的葡萄糖濃度的關(guān)系曲線；圖4是用在尿中溶解葡萄糖和丙酮的混合液試樣，利用半高寬為1nm分光學(xué)特性為高斯函數(shù)型的帶通濾光器測定的拉曼散射峰強(qiáng)度與尿中葡萄糖濃度的關(guān)系曲線；圖5是用在尿中溶解葡萄糖和丙酮的混合液試樣，利用半高寬為1nm和兩個(gè)分光光學(xué)特性為高斯函數(shù)型的帶通濾光器測定的拉曼散射峰強(qiáng)度與尿中葡萄糖濃度的關(guān)系曲線；圖6是用具體的光學(xué)元件和部件表示的第一實(shí)施例的構(gòu)成圖；圖7是用具體的光學(xué)元件和部件表示的第二實(shí)施例的構(gòu)成圖；圖8A～圖8D是表示作為試樣池座的一個(gè)例子的積分散射光增強(qiáng)座的圖，圖8A是正面圖，圖8B是平面圖，圖8C是圖8A的右側(cè)面圖，圖8D是分解斜視圖；圖9A～圖9C是表示試樣池例子的圖，圖9A是正面圖，圖9B是平面圖，圖9C是斜視圖；圖10A，圖10B是為了表示在實(shí)施例中試樣池的功能而利用FT-拉曼分光光度計(jì)測定的拉曼散射光譜的結(jié)果，圖10A表示未使用試樣池座的情況，圖10B是使用圖8的積分球型試樣池座的情況；圖11A，圖11B雖然與圖10A，圖10B測定結(jié)果相同，但卻使增益變大；圖12A，圖12B示出了激發(fā)光波長對(duì)拉曼散射光譜的影響結(jié)果，其中圖12A是利用可見光范圍的激發(fā)光用拉曼分光光度計(jì)測定的情況；圖12B是利用近紅外范圍的激發(fā)光用FT-拉曼分光光度計(jì)測定的情況。
圖13A、圖13B圖13A是表示利用FT-拉曼分光光度計(jì)測定的尿中葡萄糖試樣的拉曼散射光譜(實(shí)線)和設(shè)計(jì)的透過范圍的中心波長為離開激發(fā)光波長的移動(dòng)波數(shù)為1130cm-1，半高寬為1nm的帶通濾光器的透過波長特性(虛線)的圖；圖13B是表示利用裝備具有圖13A中虛線所示的透過波長特性的帶通濾光器的圖6的實(shí)施例的測定裝置測定在尿中葡萄糖試樣的結(jié)果的圖；圖14是表示利用裝有設(shè)計(jì)的半高寬為1nm的帶通濾光器實(shí)施例的裝置在移動(dòng)波數(shù)1130cm-1處測定的拉曼峰強(qiáng)度與尿中葡萄糖濃度的關(guān)系；圖15A，15B圖15A是表示利用FT-拉曼分光光度計(jì)測定的尿中葡萄糖試樣的拉曼散射光譜(實(shí)線)和設(shè)計(jì)的透過范圍的中心波長為離開激發(fā)光波長的移動(dòng)波數(shù)1130cm-1半高寬為5nm的帶通濾光器的透過波長特性(虛線)的圖。圖15B是表示利用裝備具有圖15A中虛線所示的透過波長特性的帶通濾光器的圖6的實(shí)施例的測定裝置測定尿中葡萄糖試樣的結(jié)果的圖；圖16是利用裝備有設(shè)計(jì)的半高寬為5nm的帶通濾光器的實(shí)施例的裝置在移動(dòng)波數(shù)1130cm-1處測定的拉曼峰強(qiáng)度與尿中葡萄糖濃度關(guān)系的曲線；圖17A，圖17B圖17A表示利用拉曼分光光度計(jì)測出的CO2氣體的拉曼光譜(實(shí)線)和設(shè)計(jì)的透過范圍的中心波長為離開激發(fā)光波長的移動(dòng)波數(shù)為1386cm-1和半高寬為1nm的帶通濾光器的特性(虛線)；圖17B表示利用裝有17A中的虛線所示的通過波長特性的帶通濾光器的圖6實(shí)施例的測定裝置測定CO2氣體的結(jié)果。
圖18A、圖18B圖18A是利用拉曼分光光度計(jì)測定的CO2氣體光譜(實(shí)線)和設(shè)計(jì)的透過范圍的中心波長為離開激發(fā)光波長移動(dòng)的波數(shù)為1386cm-1和半高寬為5nm的帶通濾光器的透過特性(虛線)的圖；圖18B是利用裝有圖18A中虛線所示的透過波長特性的帶通濾光器的圖6實(shí)施例的測定裝置測定CO2氣體結(jié)果的圖；圖19表示利用裝備設(shè)計(jì)的半高寬為1nm的帶通濾光器的實(shí)施例的裝置在移動(dòng)波數(shù)1368cm-1處測定的拉曼峰強(qiáng)度與氣體中的CO2濃度關(guān)系的曲線。
圖1概略地表示出了本發(fā)明的裝置。
1代表激發(fā)光源及其控制器，2代表調(diào)整來自光源的激發(fā)光使之照射在試樣池上的激發(fā)光調(diào)整光學(xué)系統(tǒng)，3代表斷續(xù)控制照射在試樣池上的激發(fā)光的光束快門及其控制器，4代表包含試樣池的測定單元，5代表對(duì)激發(fā)光照射在試樣上后產(chǎn)生的散射光引入集光檢測器進(jìn)行調(diào)整的散射光集光光學(xué)系統(tǒng)，6代表從來自試樣的散射光中取出拉曼散射光的帶通濾光器或組合的截止濾光器，7a代表檢測器及其控制器，8代表在控制轉(zhuǎn)換光束快門3的動(dòng)作和濾光器后選擇波長動(dòng)作的同時(shí)對(duì)被檢測器7a的信號(hào)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理的系統(tǒng)控制器，9代表輸出由系統(tǒng)控制器8處理的數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)輸出單元。
為了校正光源強(qiáng)度，將光束快門11配置在來自光源1的激發(fā)光的光路上以便取出激發(fā)光的一部分，用與試樣一側(cè)的檢測器不同的另一個(gè)檢測器7b檢測上述強(qiáng)度，也可以將上述輸出引入系統(tǒng)控制器8。
圖6是用具體光學(xué)元件反映圖1裝置的結(jié)構(gòu)的構(gòu)成圖，它示出了用近紅外光光源的例子。
作為激發(fā)光及其控制器1的激光光源1a裝有激光二極管(美國SDL公司的ImGaAs激光二極管，振蕩波長1000nm)。1b是作為其控制器的激光驅(qū)動(dòng)器，裝備有珀耳帖元件用以冷卻。為使來自激發(fā)光源1a的激發(fā)光匯聚在測定單元4的試樣池中的試樣上，裝有聚光透鏡2a，2b和配置在其光路上的平面鏡2c作為激發(fā)光調(diào)整系統(tǒng)。
在聚光透鏡2a和平面鏡2c之間的光路上配置電子快門3a作為光束塊門和控制器3的光束快門。3b代表電于快門3a的控制器。
為使來自激發(fā)光源1a的激發(fā)光中只有所期望波長的激發(fā)光照射在試樣上，在平面鏡2c和聚光透鏡2b間的光路上配有激發(fā)側(cè)帶通濾光器10。
測定單元4上裝備有后面將利用圖8A～圖8D、圖9A～9C具體說明的試樣池座4a和流動(dòng)型試樣池4b，試樣流過該試樣池4b，激發(fā)光照射在試樣池4b中。
檢測器和控制器7a裝備有Ge、InAs或Pbs等光檢測元件或在300～1700nm內(nèi)具有波長靈敏度的光電倍增管作為檢測器，還裝有控制上述檢測器的控制器和把上述檢測器的檢測信號(hào)變換成數(shù)字信號(hào)的A/D變換器。上述光電倍增管為R550 9-41、-71(浜松木トニタス公司產(chǎn)品)。
為了將從試樣池4b中的試樣產(chǎn)生的散射光匯聚在檢測器7a上，在試樣池4b和檢測器7a之間的光路上配置匯聚透鏡5a和5b作為散射光集光光學(xué)系統(tǒng)5。在上述匯聚透鏡5a和5b之間的光路上配置用于使由試樣產(chǎn)生的散射光引起的測定目標(biāo)分子的拉曼散射光透過而設(shè)計(jì)的帶通濾光器6。帶通濾光器6通過把透過不同波長的若干濾光器6a配置在圓板狀支持板6b的圓周上并使該支持板6b借助于峰值搜索步進(jìn)電機(jī)6c的轉(zhuǎn)動(dòng)將所期望的濾光器6a定位在散射光的光路上。6d是上述峰值搜索步進(jìn)電機(jī)6c的控制器。
可以用個(gè)人計(jì)算機(jī)作為系統(tǒng)控制器8控制激光二極管1b、電子塊門控制器3b和峰值搜索步進(jìn)電機(jī)控制器6d，輸入由檢測器7a輸出的信號(hào)，對(duì)測定目標(biāo)成分進(jìn)行定性和定量的數(shù)據(jù)處理。將個(gè)人計(jì)算機(jī)8的處理結(jié)果輸出給作為數(shù)據(jù)輸出單元9的打印機(jī)。
圖7示出了裝有校正光源強(qiáng)度變化的校正光學(xué)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)實(shí)例。
激發(fā)側(cè)帶通濾光器10配置在電子快門3a與平面鏡2c之間，為了取出來自光源的激發(fā)光的一部分，在該激發(fā)側(cè)帶通濾光器10與平面鏡之間配置分束器11。由分束器11取出的激發(fā)光經(jīng)過用于調(diào)整其強(qiáng)度的衰減濾光器13射入檢測器7b上后被檢測出。檢測器7b裝有把上述檢出信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)的A/D轉(zhuǎn)換器。轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)的檢測信號(hào)作為校正激發(fā)光強(qiáng)度的變化輸入個(gè)人計(jì)算機(jī)8對(duì)檢測器7a的檢測信號(hào)進(jìn)行校正。
在可見光范圍內(nèi)進(jìn)行測定時(shí)，也可以使用可見光用的檢測器作為光源和檢測器。
圖8A～圖8D示出了作為測定單元中的試樣池座的積分球型散射光增強(qiáng)座。圖8A是正面圖，圖8B是平面圖，圖8C是右側(cè)面圖，圖8D是分解斜視圖。
試樣池座4a由兩個(gè)部件20a和20b組成，并包括兩端保持部分22，22，夾在兩端保持部件22、22之間并與兩端保持部分22、22相連的積分球部分24，使激發(fā)光照射在保持在積分球部分24上的入射孔25和將池中試樣產(chǎn)生的散射光取到外部的出射孔26。
雖然圖8A～圖8D的實(shí)施例中，激發(fā)光入射方向與散射光取出方向成90°，但是為了使激發(fā)光入射方向與散射光取出方向成180°，也可以使入射孔25與出射孔26為一個(gè)共用孔。
圖9A～9C是表示適合裝在圖8A～圖8D的池座4a中的流動(dòng)池4b的圖。圖9A是正面圖，圖9B是平面圖，圖9C是斜視圖。在流動(dòng)池4b中，試樣流過部分是石英制成的，它包括裝在池座4a的積分式球部分24上的球體部分30，裝在延長到其兩側(cè)的池座4a的保持部分22，22中的圓柱形出入口32，32。為了固定在池座4a上，在出入口32，32上設(shè)置有軸環(huán)34，34。
為了表示積分球型池座4a的功能，在圖10A、圖10B和圖11A、圖11B中示出了利用裝有傅立葉型分光器作為分光器的現(xiàn)有的拉曼散射測定裝置(FT-拉曼分光光度計(jì))對(duì)99％的丙酮的拉曼散射光譜的結(jié)果。利用振蕩波長為1000nm、輸出50mw的InGaAs激光二極管(美國SD公司的產(chǎn)品)作為光源。圖10A和圖11A是沒有使用池座的場合，圖10B和圖11B是使用圖8A～圖8D的積分球形池座4a的場合，縱軸代表檢測強(qiáng)度，橫軸代表從激發(fā)光波長的移動(dòng)的波數(shù)。
圖10A和圖10B是轉(zhuǎn)變成同一刻度比較縱軸的檢測強(qiáng)度的圖。圖11A和圖11B是為了使與圖10A、圖10B相同的測定結(jié)果在移動(dòng)波數(shù)為0～2500cm-1范圍內(nèi)具有幾乎相等的峰高而將圖11A的增益提高的圖。從這些比較結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，如果采用圖8A～圖8D的積分式球型座，則可以使拉曼散射光增強(qiáng)約30倍。并且，從圖11A與圖11B的比較結(jié)果可以明顯發(fā)現(xiàn)，S/N比也獲得了改善。
圖12A、圖12B中示出了激發(fā)光波長的拉曼散射測定比較結(jié)果。試樣是為使在尿中葡萄糖為2M而添加的尿樣。圖12A表示用可見光范圍的514.5nm的氬離子激光作為激發(fā)光并用CCD檢測元件作檢測的拉曼分光光度計(jì)測定的光譜。這時(shí)熒光的影響嚴(yán)重，很難辨別由葡萄糖產(chǎn)生的拉曼散射峰，因此很難用拉曼散射對(duì)葡萄糖進(jìn)行定量分析。
圖12B表示利用激光二極管產(chǎn)生的近紅外范圍的1000nm的激光用裝有近紅外用的檢測器的FT拉曼分光光度計(jì)測定的光譜圖。這時(shí)熒光影響小，明顯出現(xiàn)拉曼散射峰。例如在1130cm-1出現(xiàn)的峰是根據(jù)葡萄糖的C-O伸縮振動(dòng)的拉曼散射，利用這個(gè)峰可以對(duì)葡萄糖進(jìn)行定量分析。
圖13A的實(shí)線與圖12B相同，都是用1000nm的激光采用FT-拉曼分光光度計(jì)測定的在尿中含2M葡萄糖試料的拉曼光譜。圖中虛線表示的曲線是具有按照透過范圍的中心波長在由激發(fā)光波長的移動(dòng)波數(shù)1130cm-1、半高寬為1nm透過率為98％所設(shè)計(jì)出的高斯函數(shù)型分光光學(xué)特性的全息帶通濾光器的透過波長特性。
在以下的實(shí)施例中，帶通濾光器全部是使用具有高斯函數(shù)型的分光光學(xué)特性的濾光器(美國BARR，ASSOCIATES，INC.，產(chǎn)品)。
圖13B示出了利用圖6實(shí)施例的測定裝置產(chǎn)生的1000nm的激光并使用具有由圖13A中虛線表示的透過波長特性的濾光器作為帶通濾光器測定尿中含有葡萄糖的試樣的結(jié)果。只檢測出從激發(fā)光波長的移動(dòng)波數(shù)1130cm-1的峰值。利用該峰值可以對(duì)試樣中的葡萄糖進(jìn)行定量測定。
圖14示出了利用與獲得圖13B的峰的相同的測定裝置、根據(jù)利用半高寬為1nm的帶通濾光器時(shí)的移動(dòng)波數(shù)為1130cm-1的拉曼散射峰強(qiáng)度測定尿中葡萄糖濃度與拉曼散射峰強(qiáng)度關(guān)系的結(jié)果。尿中葡萄糖濃度是利用糖度計(jì)(株式會(huì)社京都第一科學(xué)制、GT-1620)測定的。
在下面的圖中所示的線性相關(guān)系數(shù)R是0.980。
圖15A的實(shí)線所示與圖12B相同，是利用1000nm的激光并利用FT拉曼分光光度計(jì)測定的在尿中含2M葡萄糖的試樣的拉曼光譜。圖中的虛線表示設(shè)計(jì)的透過范圍的中心波長為從激發(fā)光波長移動(dòng)波數(shù)1130cm-1、半高寬5nm、透過率為98％的全息帶通濾光器的透過特性。
圖15B表示利用圖6實(shí)施例的測定裝置產(chǎn)生的1000nm的激光并使用具有圖15A中虛線所示的透過波長特性的帶通濾光器作為帶通濾光器測定尿中含葡萄糖的試樣的結(jié)果。只檢測出激發(fā)光波長移動(dòng)的波數(shù)1130cm-1的峰值。利用該峰值可以對(duì)試樣中的葡萄糖進(jìn)行定量測定。
圖16表示利用與獲得圖15B的峰值相同的測定裝置并根據(jù)利用半高寬5nm的帶通濾光器時(shí)的移動(dòng)波數(shù)1130cm-1的拉曼散射峰強(qiáng)度測定尿中葡萄糖濃度與拉曼散射峰強(qiáng)度關(guān)系的結(jié)果。以下的圖所表示的線性相關(guān)系數(shù)為0.991。
圖17A的實(shí)線是利用可見光范圍的514.5nm的氬離子激光作為激發(fā)光并利用CCD檢測元件作為檢測器的拉曼分光光度計(jì)測定的CO2氣體的拉曼光譜，圖中的虛線表示設(shè)計(jì)的透過范圍的中心波長從激發(fā)光波長移動(dòng)的波數(shù)為1386cm-1，半高寬為1nm的帶通濾光器的透過波長特性。
圖17B示出了利用圖6實(shí)施例測定裝置、514.5nm的氬離子激光并使用圖17A中虛線所示的透過波長特性的帶通濾光器作為帶通濾光器測定CO2氣體的測定結(jié)果。只檢測出從激發(fā)光波長移動(dòng)波數(shù)1386cm-1的峰。利用該峰可以對(duì)試樣中CO2進(jìn)行定量測定。
圖18A的實(shí)線表示利用可見光范圍的514.5nm的氬離子激光作為激發(fā)光并用CCD檢測元件作為檢測器的拉曼分光光度計(jì)測定的CO2氣體的拉曼光譜，圖中所示的虛線示出了設(shè)計(jì)的透過的中心波長從激發(fā)光的移動(dòng)波數(shù)1386cm-1、半高寬5nm的帶通濾光器的透過波長特性。
圖18B示出了利用圖6實(shí)施例的測定裝置514.5nm的氬離子激光并利用具有圖18A中的虛線所示的透過波長特性的帶通濾光器作為帶通濾光器測定的CO2氣體的測定結(jié)果，雖然也檢測出以激發(fā)光波長的移動(dòng)波數(shù)1386cm-1的峰為中心的左右散射光，但利用該峰可以對(duì)試樣中的CO2進(jìn)行定量測定。
圖19表示利用與獲得圖18B的峰相同的裝置并根據(jù)利用半高寬1nm的帶通濾光器時(shí)的移動(dòng)波數(shù)1386cm-1的拉曼散射強(qiáng)度對(duì)氣體中的CO2與其產(chǎn)生的拉曼散射峰強(qiáng)度的關(guān)系的測定結(jié)果，其下面圖表示的線性相關(guān)系數(shù)R＝0.98。
權(quán)利要求
1.一種從光源單元向試樣單元的試樣照射產(chǎn)生的激發(fā)光、利用接收光單元檢測出來自試樣的拉曼散射光測定試樣中的測定對(duì)象成分的拉曼散射光測定裝置，其特征在于上述接收光單元裝有為在透過頻帶中包含能透射待測定試樣中的目標(biāo)成分的固有振動(dòng)頻率的頻帶的帶通濾光器和為了使該振動(dòng)頻率透過而組合的截止濾光器中的任何一個(gè)；用于檢測通過上述帶通濾波器或上述截止濾光器的光的拉曼散射光的檢測器。
2.如權(quán)利要求1所述的拉曼散射光測定裝置，其特征在于上述光源單元作為光源裝有近紅外半導(dǎo)體激光二極管；作為上述光接收器的檢測器裝有Ge、InGaAs和Pbs中的任何一個(gè)光檢測元件和在近紅外范圍內(nèi)具有靈敏度的任何一種光電倍增管。
3.如權(quán)利要求1所述的拉曼散射光測定裝置，其特征在于還裝有設(shè)置在從上述光源單元到上述試樣單元的光路上并取出激發(fā)光的一部分的分光器和檢測該取出的激發(fā)光的光檢測器，并根據(jù)該激發(fā)光強(qiáng)度修正上述接收光單元的檢測器的輸出信號(hào)。
4.如權(quán)利要求1所述的拉曼散射光測定裝置，其特征在于上述光源單元裝有可見光源；上述光源單元裝有作為用于檢測透過帶通濾光器或截止濾光器的散射光的檢測器，上述硅系光檢測元件或光電倍增管。
5.如權(quán)利要求2所述的拉曼散射光測定裝置，其特征在于上述近紅外半導(dǎo)體激光二極管為振蕩波長為800nm以上的激光二極管。
6.如權(quán)利要求1所述的拉曼散射光測定裝置，其特征在于上述帶通濾光器是具有作為拉曼散射光譜的目標(biāo)峰的波形的數(shù)學(xué)近似函數(shù)或與其近似的函數(shù)的分光光學(xué)特性的帶通濾光器。
7.如權(quán)利要求6所述的拉曼散射光測定裝置，其特征在于上述帶通濾光器具有高斯函數(shù)或羅倫茲函數(shù)分光光學(xué)特性的濾光器。
8.如權(quán)利要求6所述的拉曼散射光測定裝置，其特征在于將兩個(gè)上述帶通濾光器重疊使用。
9.如權(quán)利要求1所述的拉曼散射光測定裝置，其特征在于上述試樣單元裝有作為保持試樣池的座的積分型的散射光增強(qiáng)座。
全文摘要
用作向試樣照射激發(fā)光的光源裝有近紅外半導(dǎo)體激光二極管1a，接收來自拉曼散射光的接收光單元中裝有以待測定試樣成分的固有振動(dòng)頻率為透過帶的中心波長的帶通濾光器(6)和用于檢測透過該帶通濾光器(6)的拉曼散射光的Ge、InAs或InGaAs的光電二極管或由在近紅外范圍內(nèi)具有靈敏度的光電倍增管組成的檢測器7a。
文檔編號(hào)G01N21/65GK1157915SQ9612383
公開日1997年8月27日 申請(qǐng)日期1996年12月30日 優(yōu)先權(quán)日1995年12月30日
發(fā)明者尾崎幸洋, 竇曉鳴, 山口佳則, 上野山晴三 申請(qǐng)人:尾崎幸洋, 株式會(huì)社京都第一科學(xué)