特許 6268430 円二色性スペクトル及び円偏光蛍光を同一の光学系で測定する方法及び装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6268430

(24)【登録日】2018年1月12日

(45)【発行日】2018年1月31日

(54)【発明の名称】円二色性スペクトル及び円偏光蛍光を同一の光学系で測定する方法及び装置

(51)【国際特許分類】

   G01N 21/19 20060101AFI20180122BHJP

   G01N 21/64 20060101ALI20180122BHJP

【ＦＩ】

   G01N21/19

   G01N21/64 A

【請求項の数】8

【全頁数】9

(21)【出願番号】特願2013-240734(P2013-240734)

(22)【出願日】2013年11月21日

(65)【公開番号】特開2015-102333(P2015-102333A)

(43)【公開日】2015年6月4日

【審査請求日】2016年11月21日

(73)【特許権者】

【識別番号】000232689

【氏名又は名称】日本分光株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100064388

【弁理士】

【氏名又は名称】浜野 孝雄

(74)【代理人】

【識別番号】100194113

【弁理士】

【氏名又は名称】八木田 智

(74)【代理人】

【識別番号】100206069

【弁理士】

【氏名又は名称】稲垣 謙司

(72)【発明者】

【氏名】原田 拓典

【審査官】 塚本 丈二

(56)【参考文献】

【文献】 特開昭４７−２２１３５（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特許第３３４１９２８（ＪＰ，Ｂ２）

【文献】 特開昭５９−７７３０７（ＪＰ，Ａ）

【文献】 実開昭６０−１６６８１３（ＪＰ，Ｕ）

【文献】 特開２００９−１３３７１１（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平２−１８３１４２（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００１−３３７０３５（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平１１−５１８５５（ＪＰ，Ａ）

【文献】 米国特許出願公開第２０１０／００１６６８８（ＵＳ，Ａ１）

【文献】 米国特許出願公開第２０１２／０２６７５５１（ＵＳ，Ａ１）

【文献】 国際公開第０１／６３２３１（ＷＯ，Ａ１）

【文献】 中国特許出願公開第１９４５２８１（ＣＮ，Ａ）

【文献】 HARADA, Takunori et al.，Solid-state circularly polarized luminescence measurements: Theoretical analysis，Chemical Physics Letters，２０１２年 ３月１９日，Vol. 530，pp. 126-131

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｇ０１Ｎ ２１／１９

Ｇ０１Ｎ ２１／２１

Ｇ０１Ｎ ２１／６４

Ｇ０１Ｊ ３／００−３／５２

Ｇ０１Ｊ ４／００−４／０４

ＪＳＴＰｌｕｓ／ＪＳＴ７５８０（ＪＤｒｅａｍＩＩＩ）

Ｓｃｏｐｕｓ

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

光源から出射した光を、サンプルに照射し、サンプルから出力された光の円二色性スペクトル及び円偏光蛍光を測定する方法であって、
光源とサンプルとの間に励起モノクロメータを配置し、
サンプルと検出器との間にＰＥＭ及びＣＤ兼用発光側モノクロメータを配置して成る光学系を使用し、
前記励起モノクロメータを、
円偏光蛍光を測定する場合は光源から出射した光を単色光とする分光器として機能させ、
円二色性スペクトルを測定する場合には分光器として機能せずに０次光を出射するよう機能させる
ことにより、
同じ光学系を用いて円二色性スペクトル及び円偏光蛍光を測定する
ことを特徴とする測定方法。

【請求項2】

前記励起モノクロメータとサンプルとの間に、
無偏光子及びレンズが設けられている
ことを特徴とする請求項１に記載の測定方法。

【請求項3】

前記無偏光子及びレンズの間に、光学軸４５度を持つ偏光子を光路に対して出入可能に設ける
ことを特徴とする請求項２に記載の測定方法。

【請求項4】

検出器に入射する光の光電気とＰＥＭ変調周波数とを同期させるロックインアンプが設けられ、該ロックインアンプが５０ｋＨと１００ｋＨとで検出器とＰＥＭとを同期させる
ことを特徴とする請求項３に記載の測定方法。

【請求項5】

光源から出射した光を、サンプルに照射し、サンプルから出力された光の円二色性スペクトル及び円偏光蛍光を測定する装置であって、
光源とサンプルとの間に励起モノクロメータを配置し、
サンプルと検出器との間にＰＥＭ及びＣＤ兼用発光側モノクロメータを配置して成る光学系を使用し、
前記励起モノクロメータを、
円偏光蛍光を測定する場合は光源から出射した光を単色光とする分光器として機能させ、
円二色性スペクトルを測定する場合には分光器として機能せずに０次光を出射するよう機能させる
ことにより、
同じ光学系を用いて円二色性スペクトル及び円偏光蛍光を測定するように構成した
ことを特徴とする測定装置。

【請求項6】

前記励起モノクロメータとサンプルとの間に、
無偏光子及びレンズが設けられている
ことを特徴とする請求項５に記載の測定装置。

【請求項7】

前記無偏光子及びレンズの間に、光学軸４５度を持つ偏光子を光路に対して出入可能に設ける
ことを特徴とする請求項６に記載の測定装置。

【請求項8】

検出器に入射する光の光電気とＰＥＭ変調周波数とを同期させるロックインアンプが設けられ、該ロックインアンプが５０ｋＨと１００ｋＨとで検出器とＰＥＭとを同期させる
ことを特徴とする請求項７に記載の測定装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、円二色性スペクトル及び円偏光蛍光を同一の光学系で測定する方法及び装置に関する。

【背景技術】

【0002】

固体では分子間相互作用が溶液に比べてはるかに強いため、キラリティ識別、認識、増幅は、固体状態において最も強く起こり、しばしば固体状態でのみ起こる。
また固体キラル化学反応は溶媒を使用しないため、環境への負荷が小さいグリーン化学において、注目が集まりつつある新規分野である。
しかし市販キラリティ分光装置では原理的に光学物性評価が困難である。
なぜなら、キラリティ測定（円二色性（CD）、円複屈折（CB））において固体サンプルでは装置の非理想性（非理想的光学素子の偏光特性等に起因する系統的な誤差）と固体試料特有の光学的異方性（LB（直線複屈折）、LD（直線二色性））とのカップリング効果により見かけのシグナルが生じ、検出されるシグナルは、分子あるいは原子の３次元配列によるキラルセンス(sense)に由来するシグナルに固体試料特有の光学的異方性が関与するシグナルが重畳するため、求める試料のキラルセンスのみに由来するシグナルを得ることができないからである。
そこで発明者は新しい解析法・装置開発を行い、発明者は、非溶液試料（ゲル、単結晶、微粉末固体、高分子フィルムなど）の真のキラリティを得ることが可能な装置として、同期検波法を用いた一次元分光計から成る第一世代の測定装置を提案した。しかし、この第一世代の測定装置における、光学的異方性試料のキラリティ測定には、複雑な解析法が必要で、特別な場合を除いて直接、純粋な偏光現象を得ることができなかったため、発明者は、Stokes-Mueller matrix解析を用いた偏光解析が不要な第二世代の測定装置を開発し、これを提案している（特許文献１：ＷＯ２００９／１２３３０７）。
前記第二世代の測定装置は、同期検波法に基づく第一世代の汎用一次元分光計と異なり、高速電子シャッターを使用し、偏光変調器（PEM)で偏光変調された特定の変調領域を抽出する。これにより得られるスペクトルは特別な解析なしに、求めるべき偏光現象の真のスペクトルを得ることが可能になる。
しかし、この第二世代の測定装置は、Ｓ／Ｎ比（信号雑音比率）が悪く、分解能も低いため、Ｓ／Ｎ比及び分解能の向上が必須の課題であった。
発明者は、上記した第二世代の測定装置の問題点を解決し、動的変化の速い化学反応、凝集体のプロセルや生体高分子のコンフォメーション変化等のダイナミクス測定が可能な第三世代の測定装置を開発し提案した（特許文献２：特開２０１３−５０３９４）。
これにより静的な測定では得られなかった、分子レベルの動的変化測定など、生体物質の生理活性作用のプロセスのダイナミックな構造変化測定などに適応可能となった。
発明者は、上述の固体キラル科学を軸とし、これまで観測することが出来ず、計測が不可能だった現象、光学物性を観測可能な分光装置開発を通してキラル材料の開発研究を行ってきた。

【0003】

励起状態のキラリティを取り扱う円偏光蛍光（CPL）測定は、出現当初の1960年代は、円偏光蛍光（CPL）試料の応用範囲が限られており、特定の基礎研究のみに限定されていたが、近年、円偏光蛍光（CPL）物質が、消費電力を抑えるための高輝度液晶ディスプレイ用光源をはじめとし、記憶材料、セキュリティペイントなど高度な光情報ツールとして認識され、デバイス開発の機運が高まるとともに、円偏光蛍光（CPL）測定法の有用性が再認識されつつある。
円偏光蛍光（CPL）分光法は、電子励起状態における分子のキラリティに関する情報を与えてくれる唯一の測定法である。しかし、Dekkersらは非特許文献１において、また、神藤 洋爾らは非特許文献２において、円偏光蛍光（CPL）分光計が同期検波法を用いた偏光変調分光装置である以上、固体状態での真の円偏光蛍光（CPL）シグナルが得ることは困難であると言及していた。
つまり既存のCPL測定は、電子遷移吸収に基づくキラリティ測定（CD、CB）同様、光学的等方試料に限定されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【特許文献1】国際公開ＷＯ２００９／１２３３０７号公報

【特許文献2】特開２０１３−５０３９４

【非特許文献】

【0005】

【非特許文献1】H. P. J. M. Dekkers, P. F. Moraal, J. M. Timper, and J. P. Riehl, " Optical Artifacts in Circularly Polarized Luminescence Spectroscopy," Applied Spectroscopy 39, 818-821 (1985)

【非特許文献2】Yohji Shindo and Yasunori Oda, " Mueller Matrix Approach to Fluorescence Spectroscopy. Part I: Mueller Matrix Expressions for Fluorescent Samples and Their Application to Problems of Circularly Polarized Emission Spectroscopy" Applied Spectroscopy 46, 1251-1259 (1992)

【非特許文献3】Takunori Harada, Reiko Kuroda and Hiroshi Moriyama S, "Solid-state circularly polarized luminescence measurements: Theoretical analysis" Chemical Physics Letters, 530, 126-131 (2012)

【発明の開示】

【発明が解決しようとする課題】

【0006】

上記したような背景のもと、発明者は独自の計測手法を開発し、キラル光学研究を従来から推進してきており、これまで困難とされてきた上述のような光学的異方性存在下でのキラリティ測定を可能にし、さらに偏光解析不要なキラリティ測定を可能にする装置を開発しており、最近、光学的異方性を示す試料に対する円偏光蛍光（CPL）シグナル解析をStokes-Mueller行列法に基づき考案し、キラル単結晶の測定から、はじめて固体円偏光蛍光（CPL）測定を実現し、固体円偏光蛍光（CPL）理論解析(非特許文献３)に基づいて、本発明に係る円二色性スペクトル及び円偏光蛍光を同一の光学系で測定する方法及び装置を発明するに至った。同期検波法に基づくCPL測定装置における、光学的異方性試料のキラリティ測定は、得られるシグナルには求めるＣＰＬシグナルのほか直線偏光成分が関与するアーティファクトが必ず含まれる。つまり特別な場合を除いて直接、純粋なＣＰＬシグナルを得ることが出来ない。そこで、発明者は、偏光分光解析に威力を発揮するStokes-Mueller matrix解析を用い、アーティファクトを取り除き真のＣＰＬシグナルのみを得る固体円偏光蛍光（CPL）理論解析を考案し、これを提案した(非特許文献３)。まず基底状態と励起状態の直線偏光成分である直線二色性（ＬＤ）と直線偏光蛍光（ＬＰＬ）をＰＥＭ変調周波数（50ｋＨｚ）の高調波（１００ｋＨｚ）成分から試料のプラスおよびマイナス光学軸を求める。求めたプラスとマイナスの光学軸にサンプルを設置し、その位置でＣＰＬ測定を行い、平均化することでＬＰＬ成分を取り除き、真のＣＰＬシグナルのみ得ることが可能となる。

【課題を解決するための手段】

【0007】

本発明に係る円二色性スペクトル及び円偏光蛍光の測定方法は、光源から出射した光を、サンプルに照射し、サンプルから出力された光の円二色性スペクトル及び円偏光蛍光を測定する方法であって、光源とサンプルとの間に励起モノクロメータを配置し、サンプルと検出器との間にＰＥＭ及びＣＤ兼用発光側モノクロメータを配置して成る光学系を使用し、前記励起モノクロメータを、円偏光蛍光を測定する場合は光源から出射した光を単色光とする分光器として機能させ、円二色性スペクトルを測定する場合には分光器として機能せずに０次光を出射するよう機能させることにより、同じ光学系を用いて円二色性スペクトル及び円偏光蛍光を測定することを特徴とする。
前記励起モノクロメータとサンプルとの間には無偏光子及びレンズが設けられる。無偏光子は検出器で得られるシグナルのS/N比に大きく関与する素子で、これを設けることにより、検出器において高いS/N比を得ることができる。
また、前記無偏光子及びレンズの間に、光学軸４５度を持つ偏光子を光路に出入可能に設けることができる。この場合、検出器に入射する光の光電気とＰＥＭ変調周波数とを同期させるロックインアンプが設けられ、該ロックインアンプが５０ｋＨと１００ｋＨとで検出器とＰＥＭとを同期させ得る。４５度に光学軸を持つ偏光子が光路にない場合は５０ｋＨと１００ｋＨでそれぞれＣＤ及びＬＤシグナルがえられる。また該偏光子が光路にある場合は、ＬＢ，ＣＢがそれぞれ検出されうる。
本発明に係る円二色性スペクトル及び円偏光蛍光の測定装置は、光源から出射した光を、サンプルに照射し、サンプルから出力された光の円二色性スペクトル及び円偏光蛍光を測定する装置であって、光源とサンプルとの間に励起モノクロメータを配置し、サンプルと検出器との間にＰＥＭ及びＣＤ兼用発光側モノクロメータを配置して成る光学系を使用し、前記励起モノクロメータを、円偏光蛍光を測定する場合は光源から出射した光を単色光とする分光器として機能させ、円二色性スペクトルを測定する場合には分光器として機能せずに０次光を出射するよう機能させることにより、同じ光学系を用いて円二色性スペクトル及び円偏光蛍光を測定するように構成したことを特徴とする。
前記励起モノクロメータとサンプルとの間には無偏光子及びレンズが設けられる。無偏光子は検出器で得られるシグナルのS/N比に大きく関与する素子で、これを設けることにより、検出器において高いS/N比を得ることができる。
また、前記無偏光子及びレンズの間に、光学軸４５度を持つ偏光子を光路に出入可能に設けることができる。この場合、検出器に入射する光の光電気とＰＥＭ変調周波数とを同期させるロックインアンプが設けられ、該ロックインアンプが５０ｋＨと１００ｋＨとで検出器とＰＥＭとを同期させ得る。４５度に光学軸を持つ偏光子が光路にない場合は５０ｋＨと１００ｋＨでそれぞれＣＤ及びＬＤシグナルがえられる。また該偏光子が光路にある場合は、ＬＢ，ＣＢがそれぞれ検出されうる。

【発明の効果】

【0008】

本発明に係る円二色性スペクトル及び円偏光蛍光の測定方法は、光源から出射した光を、サンプルに照射し、サンプルから出力された光の円二色性スペクトル及び円偏光蛍光を測定する方法であって、光源とサンプルとの間に励起モノクロメータを配置し、サンプルと検出器との間にＰＥＭ及びＣＤ兼用発光側モノクロメータを配置して成る光学系を使用し、前記励起モノクロメータを、円偏光蛍光を測定する場合は光源から出射した光を単色光とする分光器として機能させ、円二色性スペクトルを測定する場合には分光器として機能せずに０次光を出射するよう機能させることにより、同じ光学系を用いて円二色性スペクトル及び円偏光蛍光を測定するので、励起モノクロメータを分光器として使用した場合には、試料の円偏光蛍光スペクトルを測定することが可能になり、励起モノクロメータを分光器として使用せずゼロ次光を用いる場合には円二色性を測定することが可能になり、試料の円二色性スペクトルと円偏光蛍光とを同一の光学系を用いて測定することが可能になる。
同一の装置での試料の円二色性スペクトルと円偏光蛍光との測定は、偏光シグナル解析の時に、装置及び光学定数にずれが生じないため、解析の簡略化が可能になる。
また、前記励起モノクロメータとサンプルとの間に無偏光子及びレンズを設けることにより、検出器において高いS/N比を得ることができる。
さらに、前記無偏光子及びレンズの間に、光学軸４５度を持つ偏光子を光路に対して出入可能に設け、検出器に入射する光の光電気とＰＥＭ変調周波数とを同期させるロックインアンプにより５０ｋＨと１００ｋＨとで検出器とＰＥＭとを同期することができるように構成することにより、４５度に光学軸を持つ偏光子が光路にない場合は５０ｋＨと１００ｋＨでそれぞれＣＤ及びＬＤシグナルがえられ、また該偏光子が光路にある場合は、ＬＢ，ＣＢがそれぞれ検出され得る。
上記したように構成することで、同一の装置で基底および電子遷移励起状態のすべての偏光スペクトル（ＣＤ，ＣＢ，ＬＤ，ＬＢ，ＣＰＬ，ＬＰＬ）を得ることが可能となる。

【図面の簡単な説明】

【0009】

【図1】本発明に係る円二色性スペクトル及び円偏光蛍光を同一の光学系で測定する方法を実施することができる装置の光学系を示す図である。

【発明を実施するための最良の形態】

【0010】

以下、添付図面に示した実施例を参照して本発明に係る円二色性スペクトル及び円偏光蛍光を同一の光学系で測定する方法及び装置の実施の形態について説明していく。

【0011】

図１は、本発明に係る円二色性スペクトル及び円偏光蛍光を同一の光学系で測定する方法を実施することができる装置の光学系を示す図である。
図面に示すように、この光学系は、光源１、レンズ２、励起モノクロメータ３、レンズ４、直角プリズム５、無偏光子６、偏光子６’、レンズ７、サンプルセル８、レンズ９、ＰＥＭ１０、検光子１１、直角プリズム１２、レンズ１３、ＣＤ兼用発光側モノクロメータ１４、レンズ１５及び検出器１６を有する。符号１７は、ＰＥＭ１０及び検出器に入射する光の光電流とＰＥＭ変調周波数と同期させるロックインアンプである。
光源１から出射した光はレンズ２により集光されて励起モノクロメータ３に入射する。
励起モノクロメータ３は、円偏光蛍光を測定する場合は光源１から出射した光を任意の単色光とする分光器として機能し、円二色性スペクトルを測定する場合には分光器として機能せずに０次光（即ち、透過光）を出射する。即ち、この光学系では、励起モノクロメータ３の動作を切り替えることにより、円偏光蛍光の測定と円二色性スペクトルの測定とを切り替えることができるように構成されている。
円二色性スペクトルを測定する場合、励起モノクロメータ３から出射した白色光は、レンズ４を介して直角プリズム５に入り、直角プリズム５で９０°屈折されて無偏光子６に入り、無偏光子６にて偏光成分が除去された後、レンズ７を介してサンプルセル８に入射する。サンプルセル８には、入射光に対して垂直な面（Ｙ−Ｚ面）において高精度のパルスモーターで３６０°回転する機構が設けられており、これによりサンプルセル８を３６０度回転させて光学軸を取得して、直線偏光成分である直線二色性（ＬＤ)および直線複屈折（ＬＢ)を取り除くように構成されている。
サンプルセル８から出射した光は、レンズ９を介してＰＥＭ１０に入り、ＰＥＭ１０において、５０ｋＨｚの変調周波数で変調される。ＰＥＭ１０から出射した光は、検光子１１を通過することで試料由来の左右の円偏光成分を分離する。直角プリズム１２及びレンズ１３を介してＣＤ兼用発光側モノクロメータ１４に入り、その後、レンズ１５を介して検出器１６に入射する。
円偏光蛍光スペクトルを測定する場合、励起モノクロメータ３から出射した任意の単色励起光は、レンズ４を介して直角プリズム５に入り、直角プリズム５で９０°屈折されて無偏光子６に入り、無偏光子６にて偏光成分が除去された後、レンズ７を介してサンプルセル８に保持された円偏光蛍光試料に入射する。サンプルセル８は、上記したようにパルスモーターによって３６０°回転され、これにより光学軸を取得して、直線偏光成分である直線偏光蛍光（ＬＰＬ)が取り除かれる。サンプルセル８の試料から発光した左右円偏光は、レンズ９を介してＰＥＭ１０に入り、ＰＥＭ１０において、５０ｋＨｚの変調周波数で変調される。ＰＥＭ１０から出射した光は、検光子１１を通過することで試料由来の左右円偏光蛍光成分を分離する。直角プリズム１２及びレンズ１３を介してＣＤ兼用発光側モノクロメータ１４に入り、その後、レンズ１５を介して検出器１６に入射する。
検出器１６は、受光した光強度に応じた電気信号に基づいて試料の円二色性スペクトル又は円偏光蛍光スペクトルを算出する。

【0012】

ところで、前記偏光子６’は、光路に対して出入可能に設けられており、基底状態の円二色性スペクトルを測定する光学系において、光学軸４５度をもつ偏光子６‘を光路に挿入した場合には、検出器16で検出されるシグナルは50ｋＨｚ、１００ｋＨｚでそれぞれ直線複屈折（ＬＢ）、円複屈折（ＣＢ）となる。
また、光学軸４５度を持つ前記偏光子６’が光路から外されている場合には、ロックインアンプ１７における検出器１６と同期する周波数をＰＥＭ参照周波数の高調波１００ｋＨｚとするならば、ＣＤモードではＬＤ（直線二色性スペクトル）をＣＰＬモードではＬＰＬ（直線偏光蛍光スペクトル）を検出することが可能である。

【0013】

上記したように、本実施例によれば、励起モノクロメータ３の動作を切り替えることにより、同一の光学系を用いて円偏光蛍光の測定と円二色性スペクトルの測定とを行うことができるようになる。
また、同一の光学系を用いて円偏光蛍光の測定と円二色性スペクトルの測定とを行うにより、偏光シグナル解析の時に、装置及び光学定数にずれが生じないため、偏光解析の簡略化が可能になる。また、各光学素子の高精度な光学軸調整を行い、光学素子の非理想性を出来るだけ回避し、１０^−３ＯＤ以下の静的残留複屈折をもつ光学素子を厳選して導入することで、カップリング効果由来のartifactシグナルを最小化することも可能になる。
また、同一の光学系を用いて円偏光蛍光の測定と円二色性スペクトルの測定とを行うことができるので、円二色性スペクトル測定では、シグナル強度の弱い禁制遷移試料のキラリティ判別が困難なケースにおいても、円偏光蛍光測定から基底状態のキラリティ認識を行える汎用性の高いキラリティ分光計となる。

【0014】

上記した実施例では、光学系の中に直角プリズムが設けられているが、この直角プリズムは必須のものではない。

【符号の説明】

【0015】

１ 光源
２ レンズ
３ 励起モノクロメータ
４ レンズ
５ 直角プリズム
６ 無偏光子
６’ 偏光子
７ レンズ
８ 試料
９ レンズ
１０ ＰＥＭ
１１ 検光子
１２ 直角プリズム
１３ レンズ
１４ ＣＤ兼用発光側モノクロメータ
１５ レンズ
１６ 検出器
１７ 電気系

【図1】