JP2004125478A - 熱レンズ分析装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】熱レンズ分析を安定して行うことができる熱レンズ分析装置を提供する。
【解決手段】熱レンズ分析装置１は、励起光及び検出光を試料溶液に照射するロッドレンズ１０と、試料溶液中に熱レンズ１２が形成される前後の検出光の信号強度を検出するＰＤ１１と、ＰＤ１１が検出した信号強度からＴＬＭ出力を算出するコンピュータとを備える。励起ビーム伝播強度Ｉ（ｒ，ｚ）に応じた屈折率分布を有する熱レンズ１２を、屈折率差ｄｎを変数とするＳＮＳ積層光学系３と近似し、この熱レンズ１２に色収差ｄｆを変数とする検出光を照射し、規格化されたＰＤ距離Ｌｏを変数とするＰＤ１１で受光したときのＴＬＭ出力を求める。
【選択図】 図３
【解決手段】熱レンズ分析装置１は、励起光及び検出光を試料溶液に照射するロッドレンズ１０と、試料溶液中に熱レンズ１２が形成される前後の検出光の信号強度を検出するＰＤ１１と、ＰＤ１１が検出した信号強度からＴＬＭ出力を算出するコンピュータとを備える。励起ビーム伝播強度Ｉ（ｒ，ｚ）に応じた屈折率分布を有する熱レンズ１２を、屈折率差ｄｎを変数とするＳＮＳ積層光学系３と近似し、この熱レンズ１２に色収差ｄｆを変数とする検出光を照射し、規格化されたＰＤ距離Ｌｏを変数とするＰＤ１１で受光したときのＴＬＭ出力を求める。
【選択図】 図３
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、熱レンズ分析装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来から、化学反応を微小空間で行うための集積化技術が、化学反応の高速性や微少量での反応、オンサイト分析等の観点から注目されており、そのための研究が、世界的に精力的に進められている。
【０００３】
化学反応の集積化技術の１つとして微細な流路の中で試料溶液の混合、反応、分離、抽出、検出等を行う所謂マイクロ化学システムがある。このマイクロ化学システムで行われるものとしては反応の例として、ジアゾ化反応、ニトロ化反応、抗原抗体反応などがあり、抽出、分離の例として溶媒抽出、電気泳動分離、カラム分離などがある。マイクロ化学システムは、分離だけを目的としたような単一の機能のみで用いられても良く、また複合的に用いられても良い。
【０００４】
これらのマイクロ化学システムでは試料溶液が極微量であるので、高感度な検出方法が必須である。このような方法として、微細な流路内の試料溶液に励起光を照射する前後の検出光の信号強度の差を照射する前の検出光の信号強度で割った値（以下「ＴＬＭ出力」という。）を検出する熱レンズ分析法が確立され、これによりマイクロ化学システムの実用化の道が開かれている。
【０００５】
試料溶液に光を集光照射すると試料溶液中の溶質が光を吸収すると共に熱エネルギーが放出される。この熱エネルギーによって溶媒が局所的に温度上昇すると、屈折率が変化して熱レンズが形成される（熱レンズ効果）。熱レンズ分析法はこの熱レンズ効果を利用するものである。
【０００６】
熱レンズ分析法は、熱の拡散、即ち屈折率の変化をＴＬＭ出力として観察するものであるので、極微小試料の濃度を検出するのに適している。
【０００７】
従来の熱レンズ分析装置においては、マイクロ化学システム用チップが顕微鏡の対物レンズの下方に配置されており、励起光源から出力された所定波長の励起光が顕微鏡に入射して、この顕微鏡の対物レンズによりマイクロ化学システム用チップの流路内の試料に集光照射される。これにより、集光照射位置を中心として試料に熱レンズが形成される。
【０００８】
このような熱レンズ分析は流路内の試料溶液の定量的な制御を行なう必要があり、その点で、マイクロ化学システム用チップの流路としては、平面上に存在し、適度な圧力損失を有するキャピラリを用いるのが適している（例えば、特許文献１参照）。
【０００９】
また、高い分解能による熱レンズ分析を行なうには、対物レンズとして、検出光と励起光の焦点距離の差（以下「色収差」という。）のあるレンズを用いるとよく（例えば、特許文献２参照）、特に、このようなレンズとしてロッドレンズを用いることが有効であることが知られている（例えば、特許文献３参照）。
【００１０】
【特許文献１】
特開２００１−１６５９３９号公報
【特許文献２】
特開２００１−３５６６１１号公報
【特許文献３】
特開２００２−１６５９３９号公報
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、平面上に存在し、適度な圧力損失を有するキャピラリを流路として用いると、流路内の試料溶液の定量的な制御を行なうことはできるが、それのみでは試料溶液の濃度測定を高い分解能で行なうことはできない。
【００１２】
また、色収差があるレンズを用いると熱レンズ分析により、試料溶液の濃度測定を高い分解能で行なうことができるが、具体的に、どのような色収差の範囲にあるレンズを用いると安定した測定を行なうことができるのかを開示する従来技術はない。
【００１３】
本発明の目的は、熱レンズ分析を安定して行うことができる熱レンズ分析装置を提供することにある。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、請求項１記載の熱レンズ分析装置は、内部に試料溶液を流す流路を有するマイクロ化学システム用チップと、前記試料溶液に熱レンズを生成するための励起光と前記熱レンズを検出するための検出光とをレンズを介して前記試料溶液に照射する光源と、前記試料溶液の熱レンズ分析を行なうべく前記検出光のＴＬＭ出力を検出する検出手段とを備える熱レンズ分析装置において、前記試料溶液のうち前記熱レンズが生成される部分と生成されない部分との屈折率差は、１．０×１０−５〜１．０×１０−１０であることを特徴とする。
【００１５】
請求項１記載の熱レンズ分析装置によれば、流路を流れる試料溶液のうち熱レンズが生成される部分と生成されない部分との屈折率差は、１．０×１０−５以下であるので、検出光の信号強度に外乱が生じるのを防ぐことができ、また、この屈折率差は１．０×１０−１０以上であるので、ＴＬＭ出力の検出をすることができ、以って熱レンズ分析を安定して行うことができる。
【００１６】
請求項２記載の熱レンズ分析装置は、請求項１記載の熱レンズ分析装置において、前記レンズの開口数ＮＡと、前記励起光及び前記検出光の色収差ｄｆ（ｍｍ）との関係は、０．１５＜ＮＡ＜０．６０、０＜ＮＡ×ｄｆ＜２４×１０−３を満たすことを特徴とする。
【００１７】
請求項２記載の熱レンズ分析装置によれば、レンズの開口数ＮＡと、励起光及び検出光の色収差ｄｆとの関係は、０．１５＜ＮＡ＜０．６０、０＜ＮＡ×ｄｆ＜２４×１０−３を満たすので、ＴＬＭ出力を確実に検出することができ、定性分析を行なうことができる。
【００１８】
請求項３記載の熱レンズ分析装置は、請求項１又は２記載の熱レンズ分析装置において、前記屈折率差は１．０×１０−６〜１．０×１０−８であることを特徴とする。
【００１９】
請求項３記載の熱レンズ分析装置によれば、屈折率差は１．０×１０−６以下であるので、屈折率差とＴＬＭ出力との間に比例関係が生じ、定量分析を行なうことができ、また、この屈折率差は１．０×１０−８以上であるので、ＴＬＭ出力を確実に検出することができる。
【００２０】
請求項４記載の熱レンズ分析装置は、請求項３記載の熱レンズ分析装置において、前記開口数ＮＡと前記色収差ｄｆとの関係は、０．１５＜ＮＡ＜０．６０、４．５×１０−３＜ＮＡ×ｄｆ＜９×１０−３を満たすことを特徴とする。
【００２１】
請求項４記載の熱レンズ分析装置によれば、開口数ＮＡと色収差ｄｆとの関係は、０．１５＜ＮＡ＜０．６０、４．５×１０−３＜ＮＡ×ｄｆ＜９×１０−３を満たすので、屈折率差とＴＬＭ出力との間の比例関係が確実に維持することができ、安定した定量分析を行なうことができる。
【００２２】
請求項５記載の熱レンズ分析装置は、請求項３又は４記載の熱レンズ分析装置において、前記開口数ＮＡと前記検出手段の規格化されたＰＤ距離Ｌｏとの関係は、０．１５＜ＮＡ＜０．６０、２．８１２５＜ＮＡ×Ｌｏ＜５．６２５を満たすことを特徴とする。
【００２３】
請求項５記載の熱レンズ分析装置によれば、開口数ＮＡと検出手段の規格化されたＰＤ距離Ｌｏとの関係は、０．１５＜ＮＡ＜０．６０、２．８１２５＜ＮＡ×Ｌｏ＜５．６２５を満たすので、屈折率差とＴＬＭ出力との間の比例関係が確実に維持しつつ、ＴＬＭ出力を大きくすることができ、より安定した定量分析を行なうことができる。
【００２４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態に係る熱レンズ分析装置により生成される熱レンズを図面を参照しながら詳細に説明する。
【００２５】
図１は、本発明の実施の形態に係る熱レンズ分析装置を示す図である。
【００２６】
図１において、本発明の実施の形態に係る熱レンズ分析装置１は、不図示のマイクロ化学システム用チップ内に形成された流路中の試料溶液に励起光及び検出光を同軸で照射するロッドレンズ１０と、マイクロ化学システム用チップを通過した励起光及び検出光のうち検出光の信号強度のみを不図示のフィルタ等で濾波して検出するＰＤ１１とから成る。
【００２７】
励起光は検出光より短い波長の光であり、ロッドレンズ１０は、試料溶液中で励起光及び検出光が焦点を結ぶように光軸合わせを行ない、また、励起光と検出光の焦点距離には差（以下「色収差」という。）ｄｆがある。
【００２８】
また、励起光が試料溶液に照射されると、その焦点位置を中心として熱レンズ１２が形成される。
【００２９】
ＰＤ１１は、励起光の焦点位置からの距離（以下「ＰＤ距離」という。）Ｌに光軸と垂直に設置されるものであり、開口半径ｒａｄの光軸と同心円状の検出部からなるものである。ここでＰＤ１１のＰＤ距離Ｌと開口半径ｒａｄは可変である。
【００３０】
また、ＰＤ１１は、試料溶液に励起光を照射する前に試料溶液に照射した検出光の信号強度（Ｉｏ）と、励起光を照射した後に試料溶液に照射した検出光の信号強度（Ｉ）を検出する。その後、不図示のコンピュータにより（Ｉ−Ｉｏ）／Ｉｏの値（以下「ＴＬＭ出力」という。）を算出することで、熱レンズ分析が行われる。
【００３１】
次に、図１の熱レンズ１２の形状のシミュレーションを行なう。このシミュレーションの前提条件を以下のように設定する。
１．計算を容易にするため、ロッドレンズ１０のＮＡと励起光及び検出光のＮＡは同一、ロッドレンズ１０からＰＤ１１までの空間はすべて水中であり、伝播媒質屈折率ｎは１．３３２とする。
２．励起光の焦点位置周辺の励起ビーム伝播強度Ｉ（ｒ，ｚ）は、式（１）に示すガウス分布である。
【００３２】
【数１】
【００３３】
３．熱レンズ１２の形状は、後述する図３の屈折率差ｄｎを変数とするＳＮＳ積層光学系であると近似する。
４．励起光の焦点位置近傍の屈折率分布は励起ビーム伝播強度に応じたものである。
５．色収差ｄｆを変数とする検出光を熱レンズ１２に照射すると、検出光の光線は熱レンズ１２の屈折率に応じて広がるように曲げられる。
【００３４】
さらに、ロッドレンズ１０、ＰＤ１１、励起光、及び検出光の条件を以下の表１に示す。
【００３５】
【表１】
【００３６】
以上の条件で、図１のロッドレンズ１０から照射された励起光の焦点位置周辺の励起ビーム伝播強度についてシミュレーションを行なう。
【００３７】
図２は、図１のロッドレンズ１０から照射された励起光の焦点位置周辺の励起ビーム伝播強度を示す図であり、（ａ）はｚ軸座標が０〜２０μｍ、ｒが０〜２μｍの範囲を示し、（ｂ）はｚ軸座標が２０〜４０μｍ、ｒが０〜５μｍの範囲を示し、（ｃ）はｚ軸座標が４０〜１００μｍ、ｒが０〜２０μｍの範囲を示す。
【００３８】
図２では、横軸は励起光の焦点位置を０とし、光の伝播方向を正とするｚ軸座標を示し、縦軸は励起光の光軸からの距離ｒを示す。
【００３９】
励起ビーム伝播強度は、励起光の焦点位置に近い位置にあるもの程強くなり、励起光の焦点位置から離れた位置にあるもの程弱くなる。
【００４０】
例えば、図２（ａ）では、励起光の焦点位置に最も近い位置にある範囲２１のビーム伝播強度は１．０、その次に近い位置にある範囲２２のビーム伝播強度は等高線間隔が０．１であるので０．９（＝１．０−０．１）、最も離れた位置にある範囲２３のビーム伝播強度は０．０となる。
【００４１】
図３は、図１の熱レンズ１２の形状をＳＮＳ積層光学系で近似した図を示す。
【００４２】
図３において、ＳＮＳ積層光学系３は、２２個のＳＮＳレンズから成り、合計厚みは０．２ｍｍ、各ＳＮＳレンズの厚さｔは、励起光焦点位置に隣接するＳＮＳレンズ３１，３１’及びＳＮＳレンズ３１，３１’に隣接するＳＮＳレンズ３２，３２’を０．００５ｍｍとし、その他の１８枚のＳＮＳレンズを０．０１ｍｍとする。
【００４３】
また、ＳＮＳ積層光学系３が形成された部分はそれ以外の部分より屈折率が低く、その屈折率差ｄｎは−１．０×１０−５〜−１．０×１０−８の間で可変とする。
【００４４】
さらに、前提条件４より、屈折率分布ｎ（ｒ，ｚ）と励起ビーム伝播強度Ｉ（ｒ，ｚ）とは、式（２）に示す関係が成立する。
【００４５】
【数２】
ｎ（ｒ，ｚ）＝（ｄｎ／Ｉ０）×Ｉ（ｒ，ｚ）・・・（２）
また、ＳＮＳ積層光学系３の屈折率分布は、式（３）から式（５）に示す近似式が成立することが知られている。
【００４６】
【数３】
【００４７】
従って、式（２）を用いて、式（３）の係数（ｎ０，ｎｚ１〜ｎｚ４，ｎｒ１〜ｎｒ４，ｓｖａ，ｓｖｐ，ｓｖｆ）をカーブフィッティングにより求めると、図３のＳＮＳ積層光学系３中の屈折率分布についてシミュレーションを行なうことができる。
【００４８】
以上の条件で、ｄｎ＝１．０×１０−５のときの図３のＳＮＳ積層光学系３中の屈折率分布を各ＳＮＳレンズの範囲でカーブフィッティングを行なった結果を表２に示す。
【００４９】
【表２】
【００５０】
また、式（３）から式（５）により、係数ｎ０，ｎｚ１〜ｎｚ４，ｎｒ１〜ｎｒ４はｄｎの値に比例するが、係数ｓｖａ，ｓｖｐ，ｓｖｆはｄｎの値に関係なく一定であることがわかる。
【００５１】
以上の結果から、図２の励起ビーム伝播強度に応じて形成された熱レンズ１２の屈折率分布についてシミュレーションを行なう。
【００５２】
図４は、図１の熱レンズ１２が屈折率差ｄｎが１．０×１０−５であるときの屈折率分布を示す図であり、（ａ）はｚ軸座標が０〜２０μｍ、ｒが０〜２μｍの範囲を示し、（ｂ）はｚ軸座標が２０〜４０μｍ、ｒが０〜５μｍの範囲を示し、（ｃ）はｚ軸座標が４０〜１００μｍ、ｒが０〜２０μｍの範囲を示す。
【００５３】
屈折率は、励起光の焦点位置に近い位置にあるもの程低くなり、励起光の焦点位置から離れた位置にあるもの程高くなる。
【００５４】
例えば、図４（ａ）では、励起光の焦点位置に最も近い位置にある範囲４１の屈折率は−１．０×１０−５、その次に近い位置にある範囲４２の屈折率は等高線間隔が１．０×１０−６であるので、−０．９×１０−６（＝−１．０×１０−５＋１．０×１０−６）、最も離れた位置にある範囲４３の屈折率は０．０となる。
【００５５】
次に、図４の熱レンズ１２が試料溶液中に形成されると近似し、実光線追跡によりＴＬＭ出力についてシミュレーションを行なう。
【００５６】
図５は、図１のＰＤ距離Ｌを１０ｍｍとして、屈折率差ｄｎ及び開口半径ｒａｄを変化させたときのＴＬＭ出力と色収差ｄｆの関係を示すグラフであり、（ａ）は屈折率差ｄｎが１．０×１０−５の場合を示し、（ｂ）は屈折率差ｄｎが１．０×１０−６の場合を示し、（ｃ）は屈折率差ｄｎが１．０×１０−７の場合を示し、（ｄ）は屈折率差ｄｎが１．０×１０−８の場合を示す。
【００５７】
図５に示すように、開口半径ｒａｄの値に関係なく、屈折率差ｄｎの値が小さくなるほどＴＬＭ出力の値は小さくなり、不図示ではあるが屈折率差ｄｎが１．０×１０−１０以下ではＴＬＭ出力の値が微小となり過ぎ、ＰＤ１１では検出ができない。ＰＤ１１で確実にＴＬＭ出力を検出するには、屈折率差ｄｎは１．０×１０−１０、より好ましくは１．０×１０−８以上であることを要する。
【００５８】
また、屈折率差ｄｎが１．０×１０−５以下の範囲でＴＬＭ出力と色収差ｄｆの関係を求めたのは、熱レンズ１２が生成されている部分と生成されていない部分とでは、その温度差が１度以上となり、励起光を試料溶液に照射するのを止めても熱レンズ１２が無くなるまでに時間を要し、検出光の信号強度に外乱が生じるためである。
【００５９】
以上の結果から、屈折率差ｄｎは、１．０×１０−５〜１．０×１０−１０、好ましくは１．０×１０−８以上である必要がある。
【００６０】
図６は、図５のＴＬＭ出力間のＴＬＭ出力比と色収差ｄｆの関係を示すグラフであり、（ａ）は屈折率差ｄｎが１．０×１０−５のＴＬＭ出力を１．０×１０−６のときのＴＬＭ出力で割った場合を示し、（ｂ）は屈折率差ｄｎが１．０×１０−６のＴＬＭ出力を１．０×１０−７のときのＴＬＭ出力で割った場合を示し、（ｃ）は屈折率差ｄｎが１．０×１０−７のＴＬＭ出力を１．０×１０−８のときのＴＬＭ出力で割った場合を示す。
【００６１】
屈折率差の値とＴＬＭ出力の値とが比例関係にあるとき、熱レンズ分析を定量的に行なうことができる。従って、屈折率差の比は１０である図６（ａ）〜図６（ｃ）において、ＴＬＭ出力比が１０である色収差ｄｆの範囲があるか否かを判別することが、現在の条件で定量的な熱レンズ分析を行なうことができるかを判別することになる。
【００６２】
ＴＬＭ出力比が１０である色収差ｄｆの範囲は、開口半径ｒａｄの値に関係なく、図６（ａ）の場合はほとんど無く、図６（ｂ）の場合、図６（ｃ）の場合になるにつれて広くなることが判る。従って、定量的な熱レンズ分析を行なうには、ｄｎが１．０×１０−６以下とすることが好ましい。
【００６３】
次に、ＰＤ距離Ｌを一定としたときの開口半径ｒａｄとＴＬＭ出力の関係について説明する。
【００６４】
図７は、図１のＰＤ距離Ｌを２０ｍｍとしたときの開口半径ｒａｄとＴＬＭ出力の関係を示すグラフであり、（ａ）は色収差ｄｆが０．０３ｍｍの場合を示し、（ｂ）は色収差ｄｆが０．０４ｍｍの場合を示す。
【００６５】
図７（ａ）のＴＬＭ出力が、図７（ｂ）のＴＬＭ出力の１／１０のスケールとなっていることからわかるように、色収差ｄｆの値が小さいと同じ屈折率差ｄｎであってもＴＬＭ出力の値は小さくなることがわかる。
【００６６】
また、開口半径ｒａｄが変化したとき、図７（ａ）のＴＬＭ出力は大きく変動するのに対し、図７（ｂ）のＴＬＭ出力は大きな変動がないことがわかる。
【００６７】
図８は、図１のＰＤ距離Ｌと開口半径ｒａｄの関係を示すグラフであり、（ａ）はＰＤ距離Ｌが１０ｍｍ、屈折率差ｄｎが１．０×１０−６の場合を示し、（ｂ）はＰＤ距離Ｌが１０ｍｍ、屈折率差ｄｎが１．０×１０−７の場合を示し、（ｃ）はＰＤ距離Ｌが１０ｍｍ、屈折率差ｄｎが１．０×１０−８の場合を示し、（ｄ）はＰＤ距離Ｌが２０ｍｍ、屈折率差ｄｎが１．０×１０−６の場合を示し、（ｅ）はＰＤ距離Ｌが２０ｍｍ、屈折率差ｄｎが１．０×１０−７の場合を示し、（ｆ）はＰＤ距離Ｌが２０ｍｍ、屈折率差ｄｎが１．０×１０−８の場合を示す。
【００６８】
図８より、ＰＤ距離Ｌを２倍としても開口半径ｒａｄも２倍とすると同一となることがわかる。よって、以降、ＰＤ距離Ｌについては開口半径ｒａｄが０．５ｍｍ（即ち、ＰＤ１１の直径が１．０ｍｍ）で規格化されたＰＤ距離Ｌｏを用いる。
【００６９】
以上の結果に基づき、より現実に即した結果を導き出すため、前提条件１の条件を変更する。
【００７０】
具体的には、ロッドレンズ１０のＮＡは、励起光及び検出光の開口数ＮＡの１．５倍とする。これは、励起光及び検出光をガウス分布を維持して伝播させるには、そのビーム径（ビーム中心強度の１３．５％の強度の直径）の１．５倍以上の有効径をもつ光学系でないと、ガウスビームの裾野にケラレが生じるのを防止することができないからである。また、ＰＤ１１は水中でなく空気中にあるため、励起光及び検出光の開口数ＮＡ、色収差ｄｆ、ＰＤ距離Ｌを空気換算する。
【００７１】
励起光及び検出光の開口数ＮＡ（＝０．１５）を空気換算した値は０．２であるため、ロッドレンズ１０の開口数ＮＡはこの値を１．５倍した０．３となる。
【００７２】
まず、ロッドレンズ１０の開口数ＮＡと色収差ｄｆの関係について説明する。
【００７３】
図５から、ＴＬＭ出力は色収差ｄｆが０．０８０ｍｍ以下であれば検出できることがわかるが、その出力が０以下となる場合もあり（図５（ａ））、さらに、不図示ではあるが、色収差ｄｆが０．１０ｍｍ以上となると屈折率差ｄｎが１×１０−５のとき、及び１×１０−６のときにＴＬＭ出力は全く検出できない。よって、色収差ｄｆは水中で０．１０ｍｍ以下、空気換算すると０．０８０ｍｍ以下であることを要する。一方、図５のロッドレンズ１０の開口数ＮＡは上述したように０．３である。
【００７４】
以上より、ロッドレンズ１０の開口数ＮＡと色収差ｄｆの関係が０＜ＮＡ×ｄｆ＜２４×１０−３を満たすことがわかる。
【００７５】
また、ロッドレンズ１０の開口数ＮＡが０．１５以下とするとＰＤ距離Ｌが大きくなる結果、ＴＬＭ出力が弱くなったり、装置が大型化するため好ましくなく、開口数ＮＡが０．６０以上とすると焦点距離が短くなり、ロッドレンズ１０が不図示のマイクロ化学システム用チップに当たる可能性がある。従って、ロッドレンズ１０の開口数ＮＡは、０．１５＜ＮＡ＜０．６０であることが好ましいことがわかる。
【００７６】
即ち、ロッドレンズ１０の開口数ＮＡと色収差ｄｆの関係が、０．１５＜ＮＡ＜０．６０であり、且つ、０＜ＮＡ×ｄｆ＜２４×１０−３を満たすものであるとき、ＴＬＭ出力を確実に検出することができ、定性分析を行なうことができる（図９）。
【００７７】
また、図６（ｂ），図６（ｃ）から、屈折率差ｄｎが１．０×１０−６であって、色収差ｄｆが０．０２ｍｍより大きく、０．０４ｍｍより小さいとき、屈折率差ｄｎとＴＬＭ出力とを確実に比例関係とすることができる。また、図６の色収差ｄｆは水中における値であるため、空気換算すると色収差ｄｆは０．０１５ｍｍより大きく、０．０３０ｍｍより小さいことになる。
【００７８】
従って、ロッドレンズ１０の開口数ＮＡと色収差ｄｆの関係が、０．１５＜ＮＡ＜０．６０であり、且つ、４．５×１０−３＜ＮＡ×ｄｆ＜９×１０−３を満たすとき、屈折率差とＴＬＭ出力との間の比例関係が確実に維持することができ、安定した定量分析を行なうことがわかる（図１０）。
【００７９】
次に、ロッドレンズ１０の開口数ＮＡと図８で前述した規格化されたＰＤ距離Ｌｏの関係について説明する。
【００８０】
図７から、ＰＤ１１の開口半径ｒａｄは、０．４〜０．８ｍｍの範囲にあるとき、ＴＬＭ出力と屈折率差ｄｎの比例関係が維持できる。ＰＤ距離Ｌは、水中で２０ｍｍとしていたため、空気換算すると１５ｍｍとなる。
【００８１】
従って、ＮＡが０．３（空気換算値）のとき、規格化されたＰＤ距離Ｌｏの最小値（Ｌｏ−ｍｉｎ）は、９．３７５ｍｍ（＝１５×０．５／０．８）であり、最大値（Ｌｏ−ｍａｘ）は、１８．７５ｍｍ（＝１５×０．５／０．４）となる。
【００８２】
従って、ロッドレンズ１０の開口数ＮＡと規格化されたＰＤ距離Ｌｏの関係が、２．８１２５（＝Ｌｏ−ｍｉｎ×ＮＡ）＜Ｌｏ×ＮＡ＜５．６２５（＝Ｌｏ−ｍａｘ×ＮＡ）を満たすとき、屈折率差とＴＬＭ出力との間の比例関係が確実に維持しつつ、ＴＬＭ出力を大きくすることができ、より安定した定量分析を行なうことができることがわかる（図１１）。
【００８３】
【発明の効果】
以上詳細に説明したように、請求項１記載の熱レンズ分析装置によれば、流路を流れる試料溶液のうち熱レンズが生成される部分と生成されない部分との屈折率差は、１．０×１０−５以下であるので、検出光の信号強度に外乱が生じるのを防ぐことができ、また、この屈折率差は１．０×１０−１０以上であるので、ＴＬＭ出力の検出をすることができ、以って熱レンズ分析を安定して行うことができる。
【００８４】
請求項２記載の熱レンズ分析装置によれば、レンズの開口数ＮＡと、励起光及び検出光の色収差ｄｆ（ｍｍ）との関係は、０．１５＜ＮＡ＜０．６０、０＜ＮＡ×ｄｆ＜２４×１０−３を満たすので、ＴＬＭ出力を確実に検出することができ、定性分析を行なうことができる。
【００８５】
請求項３記載の熱レンズ分析装置によれば、屈折率差は１．０×１０−６以下であるので、屈折率差とＴＬＭ出力との間に比例関係が生じ、定量分析を行なうことができ、また、この屈折率差は１．０×１０−８以上であるので、ＴＬＭ出力を確実に検出することができる。
【００８６】
請求項４記載の熱レンズ分析装置によれば、開口数ＮＡと色収差ｄｆとの関係は、０．１５＜ＮＡ＜０．６０、４．５×１０−３＜ＮＡ×ｄｆ＜９×１０−３を満たすので、屈折率差とＴＬＭ出力との間の比例関係が確実に維持することができ、安定した定量分析を行なうことができる。
【００８７】
請求項５記載の熱レンズ分析装置によれば、開口数ＮＡと検出手段の規格化されたＰＤ距離Ｌｏとの関係は、０．１５＜ＮＡ＜０．６０、２．８１２５＜ＮＡ×Ｌｏ＜５．６２５を満たすので、屈折率差とＴＬＭ出力との間の比例関係が確実に維持しつつ、ＴＬＭ出力を大きくすることができ、より安定した定量分析を行なうことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態に係る熱レンズ分析装置を示す図である。
【図２】図１のロッドレンズ１０から照射された励起光の焦点位置周辺の励起ビーム伝播強度を示す図であり、（ａ）はｚ軸座標が０〜２０μｍ、ｒが０〜２μｍの範囲を示し、（ｂ）はｚ軸座標が２０〜４０μｍ、ｒが０〜５μｍの範囲を示し、（ｃ）はｚ軸座標が４０〜１００μｍ、ｒが０〜２０μｍの範囲を示す。
【図３】図１の熱レンズ１２の形状をＳＮＳ積層光学系で近似した図を示す。
【図４】図１の熱レンズ１２が屈折率差ｄｎが１．０×１０−５であるときの屈折率分布を示す図であり、（ａ）はｚ軸座標が０〜２０μｍ、ｒが０〜２μｍの範囲を示し、（ｂ）はｚ軸座標が２０〜４０μｍ、ｒが０〜５μｍの範囲を示し、（ｃ）はｚ軸座標が４０〜１００μｍ、ｒが０〜２０μｍの範囲を示す。
【図５】図１のＰＤ距離Ｌを１０ｍｍとして開口半径ｒａｄを変化させたときのＴＬＭ出力と色収差ｄｆの関係を示すグラフであり、（ａ）は屈折率差ｄｎが１．０×１０−５の場合を示し、（ｂ）は屈折率差ｄｎが１．０×１０−６の場合を示し、（ｃ）は屈折率差ｄｎが１．０×１０−７の場合を示し、（ｄ）は屈折率差ｄｎが１．０×１０−８の場合を示す。
【図６】図５のＴＬＭ出力間のＴＬＭ出力比と色収差ｄｆの関係を示すグラフであり、（ａ）は屈折率差ｄｎが１．０×１０−５のＴＬＭ出力を１．０×１０−６のときのＴＬＭ出力で割った場合を示し、（ｂ）は屈折率差ｄｎが１．０×１０−６のＴＬＭ出力を１．０×１０−７のときのＴＬＭ出力で割った場合を示し、（ｃ）は屈折率差ｄｎが１．０×１０−７のＴＬＭ出力を１．０×１０−８のときのＴＬＭ出力で割った場合を示す。
【図７】図１のＰＤ距離Ｌを２０ｍｍとしたときの開口半径ｒａｄとＴＬＭ出力の関係を示すグラフであり、（ａ）は色収差ｄｆが０．０３ｍｍの場合を示し、（ｂ）は色収差ｄｆが０．０４ｍｍの場合を示す。
【図８】図１のＰＤ距離Ｌと開口半径ｒａｄの関係を示すグラフであり、（ａ）はＰＤ距離Ｌが１０ｍｍ、屈折率差ｄｎが１．０×１０−６の場合を示し、（ｂ）はＰＤ距離Ｌが１０ｍｍ、屈折率差ｄｎが１．０×１０−７の場合を示し、（ｃ）はＰＤ距離Ｌが１０ｍｍ、屈折率差ｄｎが１．０×１０−８の場合を示し、（ｄ）はＰＤ距離Ｌが２０ｍｍ、屈折率差ｄｎが１．０×１０−６の場合を示し、（ｅ）はＰＤ距離Ｌが２０ｍｍ、屈折率差ｄｎが１．０×１０−７の場合を示し、（ｆ）はＰＤ距離Ｌが２０ｍｍ、屈折率差ｄｎが１．０×１０−８の場合を示す。
【図９】図１のロッドレンズ１０で定性分析ができるロッドレンズ１０の開口数ＮＡと色収差ｄｆの関係を示すグラフである。
【図１０】図１のロッドレンズ１０で安定した定量分析ができるロッドレンズ１０の開口数ＮＡと色収差ｄｆの関係を示すグラフである。
【図１１】図１のロッドレンズ１０でより安定した定量分析ができるロッドレンズ１０の開口数ＮＡと規格化されたＰＤ距離Ｌｏの関係を示すグラフである。
【符号の説明】
１ 熱レンズ分析装置
１０ ロッドレンズ
１１ ＰＤ
１２ 熱レンズ
３ ＳＮＳ積層光学系
３１，３１’，３２，３２’ ＳＮＳレンズ
【発明の属する技術分野】
本発明は、熱レンズ分析装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来から、化学反応を微小空間で行うための集積化技術が、化学反応の高速性や微少量での反応、オンサイト分析等の観点から注目されており、そのための研究が、世界的に精力的に進められている。
【０００３】
化学反応の集積化技術の１つとして微細な流路の中で試料溶液の混合、反応、分離、抽出、検出等を行う所謂マイクロ化学システムがある。このマイクロ化学システムで行われるものとしては反応の例として、ジアゾ化反応、ニトロ化反応、抗原抗体反応などがあり、抽出、分離の例として溶媒抽出、電気泳動分離、カラム分離などがある。マイクロ化学システムは、分離だけを目的としたような単一の機能のみで用いられても良く、また複合的に用いられても良い。
【０００４】
これらのマイクロ化学システムでは試料溶液が極微量であるので、高感度な検出方法が必須である。このような方法として、微細な流路内の試料溶液に励起光を照射する前後の検出光の信号強度の差を照射する前の検出光の信号強度で割った値（以下「ＴＬＭ出力」という。）を検出する熱レンズ分析法が確立され、これによりマイクロ化学システムの実用化の道が開かれている。
【０００５】
試料溶液に光を集光照射すると試料溶液中の溶質が光を吸収すると共に熱エネルギーが放出される。この熱エネルギーによって溶媒が局所的に温度上昇すると、屈折率が変化して熱レンズが形成される（熱レンズ効果）。熱レンズ分析法はこの熱レンズ効果を利用するものである。
【０００６】
熱レンズ分析法は、熱の拡散、即ち屈折率の変化をＴＬＭ出力として観察するものであるので、極微小試料の濃度を検出するのに適している。
【０００７】
従来の熱レンズ分析装置においては、マイクロ化学システム用チップが顕微鏡の対物レンズの下方に配置されており、励起光源から出力された所定波長の励起光が顕微鏡に入射して、この顕微鏡の対物レンズによりマイクロ化学システム用チップの流路内の試料に集光照射される。これにより、集光照射位置を中心として試料に熱レンズが形成される。
【０００８】
このような熱レンズ分析は流路内の試料溶液の定量的な制御を行なう必要があり、その点で、マイクロ化学システム用チップの流路としては、平面上に存在し、適度な圧力損失を有するキャピラリを用いるのが適している（例えば、特許文献１参照）。
【０００９】
また、高い分解能による熱レンズ分析を行なうには、対物レンズとして、検出光と励起光の焦点距離の差（以下「色収差」という。）のあるレンズを用いるとよく（例えば、特許文献２参照）、特に、このようなレンズとしてロッドレンズを用いることが有効であることが知られている（例えば、特許文献３参照）。
【００１０】
【特許文献１】
特開２００１−１６５９３９号公報
【特許文献２】
特開２００１−３５６６１１号公報
【特許文献３】
特開２００２−１６５９３９号公報
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、平面上に存在し、適度な圧力損失を有するキャピラリを流路として用いると、流路内の試料溶液の定量的な制御を行なうことはできるが、それのみでは試料溶液の濃度測定を高い分解能で行なうことはできない。
【００１２】
また、色収差があるレンズを用いると熱レンズ分析により、試料溶液の濃度測定を高い分解能で行なうことができるが、具体的に、どのような色収差の範囲にあるレンズを用いると安定した測定を行なうことができるのかを開示する従来技術はない。
【００１３】
本発明の目的は、熱レンズ分析を安定して行うことができる熱レンズ分析装置を提供することにある。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、請求項１記載の熱レンズ分析装置は、内部に試料溶液を流す流路を有するマイクロ化学システム用チップと、前記試料溶液に熱レンズを生成するための励起光と前記熱レンズを検出するための検出光とをレンズを介して前記試料溶液に照射する光源と、前記試料溶液の熱レンズ分析を行なうべく前記検出光のＴＬＭ出力を検出する検出手段とを備える熱レンズ分析装置において、前記試料溶液のうち前記熱レンズが生成される部分と生成されない部分との屈折率差は、１．０×１０−５〜１．０×１０−１０であることを特徴とする。
【００１５】
請求項１記載の熱レンズ分析装置によれば、流路を流れる試料溶液のうち熱レンズが生成される部分と生成されない部分との屈折率差は、１．０×１０−５以下であるので、検出光の信号強度に外乱が生じるのを防ぐことができ、また、この屈折率差は１．０×１０−１０以上であるので、ＴＬＭ出力の検出をすることができ、以って熱レンズ分析を安定して行うことができる。
【００１６】
請求項２記載の熱レンズ分析装置は、請求項１記載の熱レンズ分析装置において、前記レンズの開口数ＮＡと、前記励起光及び前記検出光の色収差ｄｆ（ｍｍ）との関係は、０．１５＜ＮＡ＜０．６０、０＜ＮＡ×ｄｆ＜２４×１０−３を満たすことを特徴とする。
【００１７】
請求項２記載の熱レンズ分析装置によれば、レンズの開口数ＮＡと、励起光及び検出光の色収差ｄｆとの関係は、０．１５＜ＮＡ＜０．６０、０＜ＮＡ×ｄｆ＜２４×１０−３を満たすので、ＴＬＭ出力を確実に検出することができ、定性分析を行なうことができる。
【００１８】
請求項３記載の熱レンズ分析装置は、請求項１又は２記載の熱レンズ分析装置において、前記屈折率差は１．０×１０−６〜１．０×１０−８であることを特徴とする。
【００１９】
請求項３記載の熱レンズ分析装置によれば、屈折率差は１．０×１０−６以下であるので、屈折率差とＴＬＭ出力との間に比例関係が生じ、定量分析を行なうことができ、また、この屈折率差は１．０×１０−８以上であるので、ＴＬＭ出力を確実に検出することができる。
【００２０】
請求項４記載の熱レンズ分析装置は、請求項３記載の熱レンズ分析装置において、前記開口数ＮＡと前記色収差ｄｆとの関係は、０．１５＜ＮＡ＜０．６０、４．５×１０−３＜ＮＡ×ｄｆ＜９×１０−３を満たすことを特徴とする。
【００２１】
請求項４記載の熱レンズ分析装置によれば、開口数ＮＡと色収差ｄｆとの関係は、０．１５＜ＮＡ＜０．６０、４．５×１０−３＜ＮＡ×ｄｆ＜９×１０−３を満たすので、屈折率差とＴＬＭ出力との間の比例関係が確実に維持することができ、安定した定量分析を行なうことができる。
【００２２】
請求項５記載の熱レンズ分析装置は、請求項３又は４記載の熱レンズ分析装置において、前記開口数ＮＡと前記検出手段の規格化されたＰＤ距離Ｌｏとの関係は、０．１５＜ＮＡ＜０．６０、２．８１２５＜ＮＡ×Ｌｏ＜５．６２５を満たすことを特徴とする。
【００２３】
請求項５記載の熱レンズ分析装置によれば、開口数ＮＡと検出手段の規格化されたＰＤ距離Ｌｏとの関係は、０．１５＜ＮＡ＜０．６０、２．８１２５＜ＮＡ×Ｌｏ＜５．６２５を満たすので、屈折率差とＴＬＭ出力との間の比例関係が確実に維持しつつ、ＴＬＭ出力を大きくすることができ、より安定した定量分析を行なうことができる。
【００２４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態に係る熱レンズ分析装置により生成される熱レンズを図面を参照しながら詳細に説明する。
【００２５】
図１は、本発明の実施の形態に係る熱レンズ分析装置を示す図である。
【００２６】
図１において、本発明の実施の形態に係る熱レンズ分析装置１は、不図示のマイクロ化学システム用チップ内に形成された流路中の試料溶液に励起光及び検出光を同軸で照射するロッドレンズ１０と、マイクロ化学システム用チップを通過した励起光及び検出光のうち検出光の信号強度のみを不図示のフィルタ等で濾波して検出するＰＤ１１とから成る。
【００２７】
励起光は検出光より短い波長の光であり、ロッドレンズ１０は、試料溶液中で励起光及び検出光が焦点を結ぶように光軸合わせを行ない、また、励起光と検出光の焦点距離には差（以下「色収差」という。）ｄｆがある。
【００２８】
また、励起光が試料溶液に照射されると、その焦点位置を中心として熱レンズ１２が形成される。
【００２９】
ＰＤ１１は、励起光の焦点位置からの距離（以下「ＰＤ距離」という。）Ｌに光軸と垂直に設置されるものであり、開口半径ｒａｄの光軸と同心円状の検出部からなるものである。ここでＰＤ１１のＰＤ距離Ｌと開口半径ｒａｄは可変である。
【００３０】
また、ＰＤ１１は、試料溶液に励起光を照射する前に試料溶液に照射した検出光の信号強度（Ｉｏ）と、励起光を照射した後に試料溶液に照射した検出光の信号強度（Ｉ）を検出する。その後、不図示のコンピュータにより（Ｉ−Ｉｏ）／Ｉｏの値（以下「ＴＬＭ出力」という。）を算出することで、熱レンズ分析が行われる。
【００３１】
次に、図１の熱レンズ１２の形状のシミュレーションを行なう。このシミュレーションの前提条件を以下のように設定する。
１．計算を容易にするため、ロッドレンズ１０のＮＡと励起光及び検出光のＮＡは同一、ロッドレンズ１０からＰＤ１１までの空間はすべて水中であり、伝播媒質屈折率ｎは１．３３２とする。
２．励起光の焦点位置周辺の励起ビーム伝播強度Ｉ（ｒ，ｚ）は、式（１）に示すガウス分布である。
【００３２】
【数１】
３．熱レンズ１２の形状は、後述する図３の屈折率差ｄｎを変数とするＳＮＳ積層光学系であると近似する。
４．励起光の焦点位置近傍の屈折率分布は励起ビーム伝播強度に応じたものである。
５．色収差ｄｆを変数とする検出光を熱レンズ１２に照射すると、検出光の光線は熱レンズ１２の屈折率に応じて広がるように曲げられる。
【００３４】
さらに、ロッドレンズ１０、ＰＤ１１、励起光、及び検出光の条件を以下の表１に示す。
【００３５】
【表１】
以上の条件で、図１のロッドレンズ１０から照射された励起光の焦点位置周辺の励起ビーム伝播強度についてシミュレーションを行なう。
【００３７】
図２は、図１のロッドレンズ１０から照射された励起光の焦点位置周辺の励起ビーム伝播強度を示す図であり、（ａ）はｚ軸座標が０〜２０μｍ、ｒが０〜２μｍの範囲を示し、（ｂ）はｚ軸座標が２０〜４０μｍ、ｒが０〜５μｍの範囲を示し、（ｃ）はｚ軸座標が４０〜１００μｍ、ｒが０〜２０μｍの範囲を示す。
【００３８】
図２では、横軸は励起光の焦点位置を０とし、光の伝播方向を正とするｚ軸座標を示し、縦軸は励起光の光軸からの距離ｒを示す。
【００３９】
励起ビーム伝播強度は、励起光の焦点位置に近い位置にあるもの程強くなり、励起光の焦点位置から離れた位置にあるもの程弱くなる。
【００４０】
例えば、図２（ａ）では、励起光の焦点位置に最も近い位置にある範囲２１のビーム伝播強度は１．０、その次に近い位置にある範囲２２のビーム伝播強度は等高線間隔が０．１であるので０．９（＝１．０−０．１）、最も離れた位置にある範囲２３のビーム伝播強度は０．０となる。
【００４１】
図３は、図１の熱レンズ１２の形状をＳＮＳ積層光学系で近似した図を示す。
【００４２】
図３において、ＳＮＳ積層光学系３は、２２個のＳＮＳレンズから成り、合計厚みは０．２ｍｍ、各ＳＮＳレンズの厚さｔは、励起光焦点位置に隣接するＳＮＳレンズ３１，３１’及びＳＮＳレンズ３１，３１’に隣接するＳＮＳレンズ３２，３２’を０．００５ｍｍとし、その他の１８枚のＳＮＳレンズを０．０１ｍｍとする。
【００４３】
また、ＳＮＳ積層光学系３が形成された部分はそれ以外の部分より屈折率が低く、その屈折率差ｄｎは−１．０×１０−５〜−１．０×１０−８の間で可変とする。
【００４４】
さらに、前提条件４より、屈折率分布ｎ（ｒ，ｚ）と励起ビーム伝播強度Ｉ（ｒ，ｚ）とは、式（２）に示す関係が成立する。
【００４５】
【数２】
ｎ（ｒ，ｚ）＝（ｄｎ／Ｉ０）×Ｉ（ｒ，ｚ）・・・（２）
また、ＳＮＳ積層光学系３の屈折率分布は、式（３）から式（５）に示す近似式が成立することが知られている。
【００４６】
【数３】
従って、式（２）を用いて、式（３）の係数（ｎ０，ｎｚ１〜ｎｚ４，ｎｒ１〜ｎｒ４，ｓｖａ，ｓｖｐ，ｓｖｆ）をカーブフィッティングにより求めると、図３のＳＮＳ積層光学系３中の屈折率分布についてシミュレーションを行なうことができる。
【００４８】
以上の条件で、ｄｎ＝１．０×１０−５のときの図３のＳＮＳ積層光学系３中の屈折率分布を各ＳＮＳレンズの範囲でカーブフィッティングを行なった結果を表２に示す。
【００４９】
【表２】
また、式（３）から式（５）により、係数ｎ０，ｎｚ１〜ｎｚ４，ｎｒ１〜ｎｒ４はｄｎの値に比例するが、係数ｓｖａ，ｓｖｐ，ｓｖｆはｄｎの値に関係なく一定であることがわかる。
【００５１】
以上の結果から、図２の励起ビーム伝播強度に応じて形成された熱レンズ１２の屈折率分布についてシミュレーションを行なう。
【００５２】
図４は、図１の熱レンズ１２が屈折率差ｄｎが１．０×１０−５であるときの屈折率分布を示す図であり、（ａ）はｚ軸座標が０〜２０μｍ、ｒが０〜２μｍの範囲を示し、（ｂ）はｚ軸座標が２０〜４０μｍ、ｒが０〜５μｍの範囲を示し、（ｃ）はｚ軸座標が４０〜１００μｍ、ｒが０〜２０μｍの範囲を示す。
【００５３】
屈折率は、励起光の焦点位置に近い位置にあるもの程低くなり、励起光の焦点位置から離れた位置にあるもの程高くなる。
【００５４】
例えば、図４（ａ）では、励起光の焦点位置に最も近い位置にある範囲４１の屈折率は−１．０×１０−５、その次に近い位置にある範囲４２の屈折率は等高線間隔が１．０×１０−６であるので、−０．９×１０−６（＝−１．０×１０−５＋１．０×１０−６）、最も離れた位置にある範囲４３の屈折率は０．０となる。
【００５５】
次に、図４の熱レンズ１２が試料溶液中に形成されると近似し、実光線追跡によりＴＬＭ出力についてシミュレーションを行なう。
【００５６】
図５は、図１のＰＤ距離Ｌを１０ｍｍとして、屈折率差ｄｎ及び開口半径ｒａｄを変化させたときのＴＬＭ出力と色収差ｄｆの関係を示すグラフであり、（ａ）は屈折率差ｄｎが１．０×１０−５の場合を示し、（ｂ）は屈折率差ｄｎが１．０×１０−６の場合を示し、（ｃ）は屈折率差ｄｎが１．０×１０−７の場合を示し、（ｄ）は屈折率差ｄｎが１．０×１０−８の場合を示す。
【００５７】
図５に示すように、開口半径ｒａｄの値に関係なく、屈折率差ｄｎの値が小さくなるほどＴＬＭ出力の値は小さくなり、不図示ではあるが屈折率差ｄｎが１．０×１０−１０以下ではＴＬＭ出力の値が微小となり過ぎ、ＰＤ１１では検出ができない。ＰＤ１１で確実にＴＬＭ出力を検出するには、屈折率差ｄｎは１．０×１０−１０、より好ましくは１．０×１０−８以上であることを要する。
【００５８】
また、屈折率差ｄｎが１．０×１０−５以下の範囲でＴＬＭ出力と色収差ｄｆの関係を求めたのは、熱レンズ１２が生成されている部分と生成されていない部分とでは、その温度差が１度以上となり、励起光を試料溶液に照射するのを止めても熱レンズ１２が無くなるまでに時間を要し、検出光の信号強度に外乱が生じるためである。
【００５９】
以上の結果から、屈折率差ｄｎは、１．０×１０−５〜１．０×１０−１０、好ましくは１．０×１０−８以上である必要がある。
【００６０】
図６は、図５のＴＬＭ出力間のＴＬＭ出力比と色収差ｄｆの関係を示すグラフであり、（ａ）は屈折率差ｄｎが１．０×１０−５のＴＬＭ出力を１．０×１０−６のときのＴＬＭ出力で割った場合を示し、（ｂ）は屈折率差ｄｎが１．０×１０−６のＴＬＭ出力を１．０×１０−７のときのＴＬＭ出力で割った場合を示し、（ｃ）は屈折率差ｄｎが１．０×１０−７のＴＬＭ出力を１．０×１０−８のときのＴＬＭ出力で割った場合を示す。
【００６１】
屈折率差の値とＴＬＭ出力の値とが比例関係にあるとき、熱レンズ分析を定量的に行なうことができる。従って、屈折率差の比は１０である図６（ａ）〜図６（ｃ）において、ＴＬＭ出力比が１０である色収差ｄｆの範囲があるか否かを判別することが、現在の条件で定量的な熱レンズ分析を行なうことができるかを判別することになる。
【００６２】
ＴＬＭ出力比が１０である色収差ｄｆの範囲は、開口半径ｒａｄの値に関係なく、図６（ａ）の場合はほとんど無く、図６（ｂ）の場合、図６（ｃ）の場合になるにつれて広くなることが判る。従って、定量的な熱レンズ分析を行なうには、ｄｎが１．０×１０−６以下とすることが好ましい。
【００６３】
次に、ＰＤ距離Ｌを一定としたときの開口半径ｒａｄとＴＬＭ出力の関係について説明する。
【００６４】
図７は、図１のＰＤ距離Ｌを２０ｍｍとしたときの開口半径ｒａｄとＴＬＭ出力の関係を示すグラフであり、（ａ）は色収差ｄｆが０．０３ｍｍの場合を示し、（ｂ）は色収差ｄｆが０．０４ｍｍの場合を示す。
【００６５】
図７（ａ）のＴＬＭ出力が、図７（ｂ）のＴＬＭ出力の１／１０のスケールとなっていることからわかるように、色収差ｄｆの値が小さいと同じ屈折率差ｄｎであってもＴＬＭ出力の値は小さくなることがわかる。
【００６６】
また、開口半径ｒａｄが変化したとき、図７（ａ）のＴＬＭ出力は大きく変動するのに対し、図７（ｂ）のＴＬＭ出力は大きな変動がないことがわかる。
【００６７】
図８は、図１のＰＤ距離Ｌと開口半径ｒａｄの関係を示すグラフであり、（ａ）はＰＤ距離Ｌが１０ｍｍ、屈折率差ｄｎが１．０×１０−６の場合を示し、（ｂ）はＰＤ距離Ｌが１０ｍｍ、屈折率差ｄｎが１．０×１０−７の場合を示し、（ｃ）はＰＤ距離Ｌが１０ｍｍ、屈折率差ｄｎが１．０×１０−８の場合を示し、（ｄ）はＰＤ距離Ｌが２０ｍｍ、屈折率差ｄｎが１．０×１０−６の場合を示し、（ｅ）はＰＤ距離Ｌが２０ｍｍ、屈折率差ｄｎが１．０×１０−７の場合を示し、（ｆ）はＰＤ距離Ｌが２０ｍｍ、屈折率差ｄｎが１．０×１０−８の場合を示す。
【００６８】
図８より、ＰＤ距離Ｌを２倍としても開口半径ｒａｄも２倍とすると同一となることがわかる。よって、以降、ＰＤ距離Ｌについては開口半径ｒａｄが０．５ｍｍ（即ち、ＰＤ１１の直径が１．０ｍｍ）で規格化されたＰＤ距離Ｌｏを用いる。
【００６９】
以上の結果に基づき、より現実に即した結果を導き出すため、前提条件１の条件を変更する。
【００７０】
具体的には、ロッドレンズ１０のＮＡは、励起光及び検出光の開口数ＮＡの１．５倍とする。これは、励起光及び検出光をガウス分布を維持して伝播させるには、そのビーム径（ビーム中心強度の１３．５％の強度の直径）の１．５倍以上の有効径をもつ光学系でないと、ガウスビームの裾野にケラレが生じるのを防止することができないからである。また、ＰＤ１１は水中でなく空気中にあるため、励起光及び検出光の開口数ＮＡ、色収差ｄｆ、ＰＤ距離Ｌを空気換算する。
【００７１】
励起光及び検出光の開口数ＮＡ（＝０．１５）を空気換算した値は０．２であるため、ロッドレンズ１０の開口数ＮＡはこの値を１．５倍した０．３となる。
【００７２】
まず、ロッドレンズ１０の開口数ＮＡと色収差ｄｆの関係について説明する。
【００７３】
図５から、ＴＬＭ出力は色収差ｄｆが０．０８０ｍｍ以下であれば検出できることがわかるが、その出力が０以下となる場合もあり（図５（ａ））、さらに、不図示ではあるが、色収差ｄｆが０．１０ｍｍ以上となると屈折率差ｄｎが１×１０−５のとき、及び１×１０−６のときにＴＬＭ出力は全く検出できない。よって、色収差ｄｆは水中で０．１０ｍｍ以下、空気換算すると０．０８０ｍｍ以下であることを要する。一方、図５のロッドレンズ１０の開口数ＮＡは上述したように０．３である。
【００７４】
以上より、ロッドレンズ１０の開口数ＮＡと色収差ｄｆの関係が０＜ＮＡ×ｄｆ＜２４×１０−３を満たすことがわかる。
【００７５】
また、ロッドレンズ１０の開口数ＮＡが０．１５以下とするとＰＤ距離Ｌが大きくなる結果、ＴＬＭ出力が弱くなったり、装置が大型化するため好ましくなく、開口数ＮＡが０．６０以上とすると焦点距離が短くなり、ロッドレンズ１０が不図示のマイクロ化学システム用チップに当たる可能性がある。従って、ロッドレンズ１０の開口数ＮＡは、０．１５＜ＮＡ＜０．６０であることが好ましいことがわかる。
【００７６】
即ち、ロッドレンズ１０の開口数ＮＡと色収差ｄｆの関係が、０．１５＜ＮＡ＜０．６０であり、且つ、０＜ＮＡ×ｄｆ＜２４×１０−３を満たすものであるとき、ＴＬＭ出力を確実に検出することができ、定性分析を行なうことができる（図９）。
【００７７】
また、図６（ｂ），図６（ｃ）から、屈折率差ｄｎが１．０×１０−６であって、色収差ｄｆが０．０２ｍｍより大きく、０．０４ｍｍより小さいとき、屈折率差ｄｎとＴＬＭ出力とを確実に比例関係とすることができる。また、図６の色収差ｄｆは水中における値であるため、空気換算すると色収差ｄｆは０．０１５ｍｍより大きく、０．０３０ｍｍより小さいことになる。
【００７８】
従って、ロッドレンズ１０の開口数ＮＡと色収差ｄｆの関係が、０．１５＜ＮＡ＜０．６０であり、且つ、４．５×１０−３＜ＮＡ×ｄｆ＜９×１０−３を満たすとき、屈折率差とＴＬＭ出力との間の比例関係が確実に維持することができ、安定した定量分析を行なうことがわかる（図１０）。
【００７９】
次に、ロッドレンズ１０の開口数ＮＡと図８で前述した規格化されたＰＤ距離Ｌｏの関係について説明する。
【００８０】
図７から、ＰＤ１１の開口半径ｒａｄは、０．４〜０．８ｍｍの範囲にあるとき、ＴＬＭ出力と屈折率差ｄｎの比例関係が維持できる。ＰＤ距離Ｌは、水中で２０ｍｍとしていたため、空気換算すると１５ｍｍとなる。
【００８１】
従って、ＮＡが０．３（空気換算値）のとき、規格化されたＰＤ距離Ｌｏの最小値（Ｌｏ−ｍｉｎ）は、９．３７５ｍｍ（＝１５×０．５／０．８）であり、最大値（Ｌｏ−ｍａｘ）は、１８．７５ｍｍ（＝１５×０．５／０．４）となる。
【００８２】
従って、ロッドレンズ１０の開口数ＮＡと規格化されたＰＤ距離Ｌｏの関係が、２．８１２５（＝Ｌｏ−ｍｉｎ×ＮＡ）＜Ｌｏ×ＮＡ＜５．６２５（＝Ｌｏ−ｍａｘ×ＮＡ）を満たすとき、屈折率差とＴＬＭ出力との間の比例関係が確実に維持しつつ、ＴＬＭ出力を大きくすることができ、より安定した定量分析を行なうことができることがわかる（図１１）。
【００８３】
【発明の効果】
以上詳細に説明したように、請求項１記載の熱レンズ分析装置によれば、流路を流れる試料溶液のうち熱レンズが生成される部分と生成されない部分との屈折率差は、１．０×１０−５以下であるので、検出光の信号強度に外乱が生じるのを防ぐことができ、また、この屈折率差は１．０×１０−１０以上であるので、ＴＬＭ出力の検出をすることができ、以って熱レンズ分析を安定して行うことができる。
【００８４】
請求項２記載の熱レンズ分析装置によれば、レンズの開口数ＮＡと、励起光及び検出光の色収差ｄｆ（ｍｍ）との関係は、０．１５＜ＮＡ＜０．６０、０＜ＮＡ×ｄｆ＜２４×１０−３を満たすので、ＴＬＭ出力を確実に検出することができ、定性分析を行なうことができる。
【００８５】
請求項３記載の熱レンズ分析装置によれば、屈折率差は１．０×１０−６以下であるので、屈折率差とＴＬＭ出力との間に比例関係が生じ、定量分析を行なうことができ、また、この屈折率差は１．０×１０−８以上であるので、ＴＬＭ出力を確実に検出することができる。
【００８６】
請求項４記載の熱レンズ分析装置によれば、開口数ＮＡと色収差ｄｆとの関係は、０．１５＜ＮＡ＜０．６０、４．５×１０−３＜ＮＡ×ｄｆ＜９×１０−３を満たすので、屈折率差とＴＬＭ出力との間の比例関係が確実に維持することができ、安定した定量分析を行なうことができる。
【００８７】
請求項５記載の熱レンズ分析装置によれば、開口数ＮＡと検出手段の規格化されたＰＤ距離Ｌｏとの関係は、０．１５＜ＮＡ＜０．６０、２．８１２５＜ＮＡ×Ｌｏ＜５．６２５を満たすので、屈折率差とＴＬＭ出力との間の比例関係が確実に維持しつつ、ＴＬＭ出力を大きくすることができ、より安定した定量分析を行なうことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態に係る熱レンズ分析装置を示す図である。
【図２】図１のロッドレンズ１０から照射された励起光の焦点位置周辺の励起ビーム伝播強度を示す図であり、（ａ）はｚ軸座標が０〜２０μｍ、ｒが０〜２μｍの範囲を示し、（ｂ）はｚ軸座標が２０〜４０μｍ、ｒが０〜５μｍの範囲を示し、（ｃ）はｚ軸座標が４０〜１００μｍ、ｒが０〜２０μｍの範囲を示す。
【図３】図１の熱レンズ１２の形状をＳＮＳ積層光学系で近似した図を示す。
【図４】図１の熱レンズ１２が屈折率差ｄｎが１．０×１０−５であるときの屈折率分布を示す図であり、（ａ）はｚ軸座標が０〜２０μｍ、ｒが０〜２μｍの範囲を示し、（ｂ）はｚ軸座標が２０〜４０μｍ、ｒが０〜５μｍの範囲を示し、（ｃ）はｚ軸座標が４０〜１００μｍ、ｒが０〜２０μｍの範囲を示す。
【図５】図１のＰＤ距離Ｌを１０ｍｍとして開口半径ｒａｄを変化させたときのＴＬＭ出力と色収差ｄｆの関係を示すグラフであり、（ａ）は屈折率差ｄｎが１．０×１０−５の場合を示し、（ｂ）は屈折率差ｄｎが１．０×１０−６の場合を示し、（ｃ）は屈折率差ｄｎが１．０×１０−７の場合を示し、（ｄ）は屈折率差ｄｎが１．０×１０−８の場合を示す。
【図６】図５のＴＬＭ出力間のＴＬＭ出力比と色収差ｄｆの関係を示すグラフであり、（ａ）は屈折率差ｄｎが１．０×１０−５のＴＬＭ出力を１．０×１０−６のときのＴＬＭ出力で割った場合を示し、（ｂ）は屈折率差ｄｎが１．０×１０−６のＴＬＭ出力を１．０×１０−７のときのＴＬＭ出力で割った場合を示し、（ｃ）は屈折率差ｄｎが１．０×１０−７のＴＬＭ出力を１．０×１０−８のときのＴＬＭ出力で割った場合を示す。
【図７】図１のＰＤ距離Ｌを２０ｍｍとしたときの開口半径ｒａｄとＴＬＭ出力の関係を示すグラフであり、（ａ）は色収差ｄｆが０．０３ｍｍの場合を示し、（ｂ）は色収差ｄｆが０．０４ｍｍの場合を示す。
【図８】図１のＰＤ距離Ｌと開口半径ｒａｄの関係を示すグラフであり、（ａ）はＰＤ距離Ｌが１０ｍｍ、屈折率差ｄｎが１．０×１０−６の場合を示し、（ｂ）はＰＤ距離Ｌが１０ｍｍ、屈折率差ｄｎが１．０×１０−７の場合を示し、（ｃ）はＰＤ距離Ｌが１０ｍｍ、屈折率差ｄｎが１．０×１０−８の場合を示し、（ｄ）はＰＤ距離Ｌが２０ｍｍ、屈折率差ｄｎが１．０×１０−６の場合を示し、（ｅ）はＰＤ距離Ｌが２０ｍｍ、屈折率差ｄｎが１．０×１０−７の場合を示し、（ｆ）はＰＤ距離Ｌが２０ｍｍ、屈折率差ｄｎが１．０×１０−８の場合を示す。
【図９】図１のロッドレンズ１０で定性分析ができるロッドレンズ１０の開口数ＮＡと色収差ｄｆの関係を示すグラフである。
【図１０】図１のロッドレンズ１０で安定した定量分析ができるロッドレンズ１０の開口数ＮＡと色収差ｄｆの関係を示すグラフである。
【図１１】図１のロッドレンズ１０でより安定した定量分析ができるロッドレンズ１０の開口数ＮＡと規格化されたＰＤ距離Ｌｏの関係を示すグラフである。
【符号の説明】
１ 熱レンズ分析装置
１０ ロッドレンズ
１１ ＰＤ
１２ 熱レンズ
３ ＳＮＳ積層光学系
３１，３１’，３２，３２’ ＳＮＳレンズ
Claims (5)
- 内部に試料溶液を流す流路を有するマイクロ化学システム用チップと、前記試料溶液に熱レンズを生成するための励起光と前記熱レンズを検出するための検出光とをレンズを介して前記試料溶液に照射する光源と、前記試料溶液の熱レンズ分析を行なうべく前記検出光のＴＬＭ出力を検出する検出手段とを備える熱レンズ分析装置において、
前記試料溶液のうち前記熱レンズが生成されている部分と生成されていない部分との屈折率差は、１．０×１０−５〜１．０×１０−１０であることを特徴とする熱レンズ分析装置。 - 前記レンズの開口数ＮＡと、前記励起光及び前記検出光の色収差ｄｆ（ｍｍ）との関係は、
０．１５＜ＮＡ＜０．６０
０＜ＮＡ×ｄｆ＜２４×１０−３
を満たすことを特徴とする請求項１記載の熱レンズ分析装置。 - 前記屈折率差は１．０×１０−６〜１．０×１０−８であることを特徴とする請求項１又は２記載の熱レンズ分析装置。
- 前記開口数ＮＡと前記色収差ｄｆとの関係は、
０．１５＜ＮＡ＜０．６０
４．５×１０−３＜ＮＡ×ｄｆ＜９×１０−３
を満たすことを特徴とする請求項３記載の熱レンズ分析装置。 - 前記開口数ＮＡと前記検出手段の規格化されたＰＤ距離Ｌｏとの関係は、
０．１５＜ＮＡ＜０．６０
２．８１２５＜ＮＡ×Ｌｏ＜５．６２５
を満たすことを特徴とする請求項３又は４記載の熱レンズ分析装置。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2002286929A JP2004125478A (ja) | 2002-09-30 | 2002-09-30 | 熱レンズ分析装置 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2002286929A JP2004125478A (ja) | 2002-09-30 | 2002-09-30 | 熱レンズ分析装置 |
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| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2004125478A true JP2004125478A (ja) | 2004-04-22 |
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ID=32279877
Family Applications (1)
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| JP2002286929A Pending JP2004125478A (ja) | 2002-09-30 | 2002-09-30 | 熱レンズ分析装置 |
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| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2004125478A (ja) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2006123468A1 (ja) * | 2005-05-20 | 2006-11-23 | Nippon Sheet Glass Company, Limited | マイクロ化学システム及びそのｔｌｍ出力算出方法 |
-
2002
- 2002-09-30 JP JP2002286929A patent/JP2004125478A/ja active Pending
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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