JP2005140756A

JP2005140756A - 微細流路用流速計とマイクロチップ並びにマイクロ流体操作機器

Info

Publication number: JP2005140756A
Application number: JP2003380454A
Authority: JP
Inventors: Takehiko Kitamori; 武彦北森; Manabu Tokeshi; 学渡慶次
Original assignee: Kanagawa Academy of Science and Technology
Current assignee: Kanagawa Academy of Science and Technology
Priority date: 2003-11-10
Filing date: 2003-11-10
Publication date: 2005-06-02

Abstract

【課題】小型で簡素、かつ安価な光学系の構成によって、粒子などのトレーサーを用いることなく非接触で精密な流速計測を可能とする、新しい微細流路用流速計を提供する。【解決手段】微細流路（１）上流で流体にレーザー光（２）照射して励起する励起レーザー光（２）照射手段とともに、その下流で、励起による屈折率の変化をレーザー光（３）の偏向により検出する検出レーザー光（３）照射手段と偏光検出手段とを備え、励起レーザー光の照射位置と検出レーザー光照射位置との距離と、励起レーザー光（２）照射時と屈折率変化検出時との時間差から流体流速を計測する。
【選択図】図１

Description

この出願の発明は、基板に微細流路（マイクロチャンネル）を形成したマイクロチップにおける超微量分析、生化学分析をはじめ、化学合成、抽出分離等の精密操作を行うのに有用な、微細流路における流体の流速計測のための新しい流速計、そしてこれを備えたマイクロチップとマイクロ流体操作機器に関するものである。

近年、ガラス等の基板表面にたとえば幅５００μｍ以下、深さ３００μｍ以下の微細流路を形成したマイクロチップと、これを用いての、化学的、あるいは生化学的な超微量分析や合成、そして流体の抽出分離等の精密操作を行うことが注目されている。この出願の発明者も、これらマイクロチップの構造やその形成方法、そしてマイクロチップを用いての熱レンズ顕微鏡システムによる精密分析法をはじめとする様々なマイクロ操作方法を提案してきている。

このようなマイクロチップに係わる技術においては、分析や反応、あるいは抽出分離等を精密に行うために、微細流路内の液体や気体という流体の流速を高精度で計測することが大変に重要となる。

従来、微細流路内の流体の流速を測定するための手段としては、たとえば代表的には以下のものが知られている。

１）微細流路内に蛍光粒子を導入して、粒子の流れを画像化する方法や、蛍光性分子を利用して、画像化する方法（非特許文献１など）
２）微細流路内に粒子を導入して、レーザードップラー計測する方法（非特許文献２）３）時間分解交差線熱レンズ測定（非特許文献３）
４）パルス光熱偏光分光法を利用する方法（非特許文献４）
５）加熱コイルを用いてのレーザー後方散乱検出（非特許文献５）
６）紫外レーザーを用いてのレーザー後方散乱検出（非特許文献６）
しかしながら、これら従来の技術においては、複雑な光学系や大掛りな測定装置を必要とし、流路内に粒子や色素などのプローブを入れる必要があったり、測定できる試料には制限がある等の問題があった。

また、現在行われている粒子などのトレーサーを流すことで可視化する方法においては、粒子を流すことで分析や合成のための流体の反応系を乱すことになるという大きな問題があった。
P.H.Paul, M.G.Gargulio, D.J.Rakestraw, Anal. Chem. 70, 2459 (1998)。 H.Mishima, T.Asakura, S.Nagai, Opt. Commun., 11, 99 (1974)。

W.A.Weimer, N.J.Dovichi, Appl, Opt., 24, 2981 (1985). A.Rose, R.Vyas, R.Gupta, Appl, Opt., 25, 4626 (1986). J.C.StClire, M.A.Hayes, Anal, Chem., 72,4726 (2000). D.A.Markov, D.J.Bornhop,Fresenius J. Anal, CHem., 371, 234 (2001)。

そこで、この出願の発明は、以上のような従来技術の問題点を解消し、小型で簡素、かつ安価な光学系の構成によって、粒子などのトレーサーを用いることなく非接触で精密な流速計測を簡便に可能とする、新しい微細流路用流速計と、これを備えたマイクロチップ並びにマイクロ流体操作機器を提供することを課題としている。

この出願の発明は、上記の課題を解決するものとして、第１には、基板に形成された微細流路内の流体流速を計測する流速計であって、微細流路上流で流体に光照射して励起する励起光照射手段とともに、その下流で、励起による屈折率の変化を光の偏向により検出する検出光照射手段と偏光検出手段とを備え、励起光の照射位置と検出光照射位置との距離と、励起光照射時と屈折率変化検出時との時間差から流体流速を計測するようにしたことを特徴とする微細流路用流速計を提供する。

また、第２には、励起光照射手段はＩＲ光照射手段であることを特徴とする上記の微細流路用流速計を、第３には、励起光照射手段と検出光照射手段は、各々、光ファイバーとマイクロレンズとを備えていることを特徴とする微細流路用流速計を、第４には、励起光照射手段と検出光照射手段は、各々の光源が半導体レーザー装置であることを特徴とする微細流路用流速計を、第５には、偏光検出手段は光フィルターとピンホール並びに受光装置を備えていることを特徴とする微細流路用流速計を提供する。

そして、この出願の発明は、第６には、上記いずれかの微細流路用流速計を備えていることを特徴とするマイクロチップを提供し、第７には、微細流路用流速計により計測された流速情報に基づいて流体流速を制御する流体制御手段を備えていることを特徴とするマイクロチップを提供する。

さらにこの出願の発明は、第８には、上記のマイクロチップを備えていることを特徴とするマイクロ流体操作機器を提供する。

この出願の上記第１の発明によれば、流路上流で流体を光照射により励起（屈折率が変化する）し、下流で別の光で検出するというもので、小型化、簡素化を図ることができ、安価で汎用性の高い非接触計測が実現され、しかも２つの光の照射位置（距離／時間）が決まっているので、正確に流速を測定することができる。

また、第２の発明のようにＩＲ光を用いることで、幅広い種類の試料流体についてその流速計測が可能になる。

そして第３、さらに第４の発明によれば、小型化はより容易となり、安価ともなる。第５の発明によれば、検出系の汎用性が高まり、しかも簡便なものとなる。

第６、第７の発明においては、マイクロチップとしての機能は格段に高まり、第８の発明のように、分析、合成、分離、混合等の精密操作のための各種の高機能性機器が実現されることになる。

この出願の発明は上記のとおりの特徴をもつものであるが、以下にその実施の形態について説明する。

添付した図面の図１は、この出願の説明の微細流路用流速計の要部について例示した概要図である。

たとえばこの図１に例示したように、この出願の発明の、基板に形成した微細流路（マイクロチャンネル）（１）内の流体流速を計測する流速計では、微細流路（１）上流で流体にレーザー光（２）照射して励起する励起レーザー光（２）照射手段とともに、その下流で、励起による屈折率の変化をレーザー光（３）の偏向により検出する検出レーザー光（３）照射手段と偏光検出手段とを備え、励起レーザー光（２）の照射位置と検出レーザー光（３）照射位置との距離（ｌ）と、励起とこれによる屈折率変化検出との時間差（ｔ）とから流体流速（Ｖ＝ｌ／ｔ）を計測するようにしている。

このような構成の流速計においては、流体試料の励起のためのレーザー光等の照射光については、励起による加熱で流体試料の屈折率を変化させることのできる波長を有するものであれば各種のものを用いることができる。なかでも、対象とする試料の種類が広範囲なものとすることのできるＩＲ光が好適なものとして例示される。

そして、励起レーザー光（２）照射手段と検出レーザー光（３）等の光照射の手段については、光源、そしてレンズ系を基本として各種の構成の光学系としてよいが、その一方、もしくは双方を、光ファイバーとマイクロレンズとを備えたものとし、光源からの光を光ファイバーとマイクロレンズを介して流体に照射するようにした光学系や、励起レーザー光（２）照射手段と検出レーザー光（３）等の光照射の手段の光源を半導体レーザー装置、ＬＤ、ＬＥＤ等とした光学系においては、容易に小型化され、しかも安価な構成とすることができる。

たとえば、図１にも例示したように、励起レーザー光（２）としてはＩＲ１４７２ｎｍ波長のものを用い、検出レーザー光（３）として可視５３２ｎｍ波長のものを用い、光ファイバーとセルフォックレンズを介しての光学系とすることなどが好適に考慮される。セルフォックレンズとしてはＧＲＩＮＬＥＮＳ(Gradient index lens) 等が用いられる。

また、この出願の発明の偏光検出手段についても各種構成であってよく、たとえばＩＲカットフィルター等の光フィルターとピンホール並びに受光装置を備えたもの等とすることができる。

この出願の発明の流速計においては、たとえば図２に示したように、励起レーザー光（２）の照射時間０（ゼロ）として、検出レーザー光（３）の照射により屈折率の変化が検出された時間をｔとすると、流速Ｖは、前記のとおり、Ｖ＝ｌ／ｔとして測定されることになる。

以上のようなこの出願の発明の微細流路用流速計によれば、以下のような具体的な効果によって、小型、簡素、簡便な構成によって、非接触での精密計測が可能になる。

１）複雑な光学系や大掛かりな測定装置がいらない。

２）流路内に従来のように粒子や色素などのプローブを入れる必要がない。

３）幅広い種類の試料に適応できる。

以上のような特徴のあるこの出願の発明の流速計は、たとえばガラス、セラミックス、樹脂等の基板に形成した幅５００μｍ以下、深さ３００μｍ以下程度の微細流路での液体、気体等の各種流体試料の流速の計測に有用である。このような流速計をマイクロチップに配備するに際しては、たとえば図３に例示したように、マイクロチップの基板（４）に形成した微細流路（１）において、その分岐路の各々に、以上のような流速計（５Ａ）（５Ｂ）を各々備えることによって、流速計（５Ａ）（５Ｂ）により計測された流速情報に基づいてこれをフィードバックすることで切り替えバルブ（６）等の、流体流速を制御する流体制御手段を作動させるようにすることができる。

たとえば以上のようなこの出願の発明の流速計によれば、マイクロチップにおける超微量分析、生化学分析をはじめ、化学合成、抽出分離等の精密操作を行うのに有用な、小型で簡素、かつ安価な光学系の構成によって、粒子などのトレーサーを用いることなく非接触で精密な流速計測を可能とする、微細流路における流体の流速計測のための新しい流速計が提供され、そしてこれを備えたマイクロチップとマイクロ流体制御機器が提供される。

この出願の発明の流速計の概要を例示した構成図である。計測の方式を示した図である。マイクロチップでの構成例を示した図である。

符号の説明

１微細流路（マイクロチャンネル）
２レーザー光
３レーザー光
４基板
５Ａ，５Ｂ流速計
６バルブ

Claims

基板に形成された微細流路内の流体流速を計測する流速計であって、微細流路上流で流体に光照射して励起する励起光照射手段とともに、その下流で、励起による屈折率の変化を光の偏向により検出する検出光照射手段と偏光検出手段とを備え、励起光の照射位置と検出光照射位置との距離と、励起光照射時と屈折率変化検出時との時間差から流体流速を計測するようにしたことを特徴とする微細流路用流速計。
励起光照射手段はＩＲ光照射手段であることを特徴とする請求項１の微細流路用流速計。
励起光照射手段と検出光照射手段は、各々、光ファイバーとマイクロレンズとを備えていることを特徴とする請求項１または２の微細流路用流速計。
励起光照射手段と検出光照射手段は、各々の光源が半導体レーザー装置であることを特徴とする請求項１ないし３のいずれかの微細流路用流速計。
偏光検出手段は光フィルターとピンホール並びに受光装置を備えていることを特徴とする請求項１ないし４のいずれかの微細流路用流速計。
請求項１ないし５のいずれかの微細流路用流速計を備えていることを特徴とするマイクロチップ。
微細流路用流速計により計測された流速情報に基づいて流体流速を制御する流体制御手段を備えていることを特徴とする請求項６のマイクロチップ。
請求項６または７のマイクロチップを備えていることを特徴とするマイクロ流体操作機器。