JP2005337982A - マイクロ気体検出装置及び該装置を備えるマイクロ化学システム - Google Patents

Abstract

【課題】 マイクロチップの流路中の気体の有無を感度よく検出することができるマイクロ気体検出装置及び該装置を備えるマイクロ化学システムを提供する。
【解決手段】マイクロ気体検出装置２０は、シングルモードファイバから出射された光をマイクロチップ１の流路１０に集光するロッドレンズ２１と、流路１０を透過した光の一部を通過させるピンホール２２を有するピンホール板２３と、ピンホール２２を通過した光を検出する検出器２４とを備える。
【選択図】 図１

Description

本発明は、マイクロ気体検出装置及び該装置を備えるマイクロ化学システムに関し、特に、マイクロ化学システム用チップの流路中の気体の有無を検出するマイクロ気体検出装置及び該装置を備えるマイクロ化学システムに関する。

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。

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。

上記の機能のうち、分離のみを目的としたものとして、極微量のタンパクや核酸等を分析する電気泳動装置が提案されている（例えば、特許文献１参照）。これは互いに接合された２つのガラス基板から成るマイクロ化学システム用チップを備えている。この部材は板状であるので、断面が円形又は角形のガラスキャピラリーチューブに比べて破損しにくく、取り扱いが容易である。

上記マイクロ化学システム用チップ内の微小な流路において、微少量の気体又は液体の流れを制御するマイクロバルブ、微小量の気体又は液体を昇圧又は減圧して搬送するマイクロポンプ、微小量の気体又は液体を混合するマイクロミキサー等が提案されている。
特開平８−１７８８９７号公報

しかしながら、上記マイクロ化学システム用チップ内の流路中の気体の有無を確認するための気体検出装置が重要であるが、簡便な気体検出装置を製造する技術はまだ知られていない。

本発明の目的は、マイクロ化学システム用チップの流路中の気体の有無を感度よく検出することができるマイクロ気体検出装置及び該装置を備えるマイクロ化学システムを提供することにある。

上述の目的を達成するために、請求項１記載のマイクロ気体検出装置は、マイクロ化学システム用チップの流路中の気体の有無を検出するマイクロ気体検出装置であって、光を出射する出射手段と、前記出射された光を前記流路へ向けて集光する集光手段と、前記流路を透過した光の一部を検出する検出手段とを備えることを特徴とする。

請求項２記載のマイクロ気体検出装置は、請求項１記載のマイクロ気体検出装置において、前記集光手段はレンズであり、前記検出手段は、前記透過した光の一部が通過するピンホールを有するピンホール構造体と、前記ピンホールを通過した光を検出する検出器とからなることを特徴とする。

請求項３記載のマイクロ気体検出装置は、請求項２記載のマイクロ気体検出装置において、前記流路を透過した光の前記ピンホール構造体の位置における直径と前記ピンホールの直径の比が０．２〜０．７であることを特徴とする。

請求項４記載のマイクロ気体検出装置は、請求項３記載のマイクロ気体検出装置において、前記比がほぼ０．４であることを特徴とする。

請求項５記載のマイクロ気体検出装置は、請求項１乃至４のいずれか１項に記載のマイクロ気体検出装置において、前記集光された光の焦点は前記流路中に位置することを特徴とする。

請求項６記載のマイクロ気体検出装置は、請求項２乃至５のいずれか１項に記載のマイクロ気体検出装置において、前記検出器はフォトダイオードから成ることを特徴とする。

請求項７記載のマイクロ化学システムは、マイクロ化学システム用チップと、請求項１乃至６のいずれか１項に記載のマイクロ気体検出装置とを備えることを特徴とする。

請求項１記載のマイクロ気体検出装置によれば、出射された光を流路へ向けて集光し、流路を透過した光の一部を検出するので、マイクロ化学システム用チップの流路中の気体の有無を感度よく検出することができる。

請求項３記載のマイクロ気体検出装置によれば、流路を透過した光のうちピンホール板の位置における光軸上の強度の１／ｅ^２以上の強度の光の直径に対するピンホールの直径の比が０．２〜０．７であるので、マイクロ化学システム用チップの流路中の気体の有無をさらに感度よく正確に検出することができる。

請求項４記載のマイクロ気体検出装置によれば、比がほぼ０．４であるので、マイクロ化学システム用チップの流路中の気体の有無をより正確に検出することができる。

請求項５記載のマイクロ気体検出装置によれば、集光された光の焦点は流路中に位置するので、マイクロ化学システム用チップの流路中の気体の有無を正確に検出することができる。

本発明者は、上記目的を達成すべく鋭意研究を行った結果、マイクロ気体検出装置が流路中の流体に光を集光するレンズと、流路中の流体を透過した光を通過させ、且つ直径が流路中の流体を透過した光の直径より小さいピンホールを有するピンホール板と、ピンホールを通過した光を検出する検出器とを備え、好ましくは流路を透過した光のピンホール板の位置における直径とピンホールの直径の比が０．２〜０．７であると、マイクロ化学システム用チップの流路中の気体の有無を検出することができることを見出した。

本発明は、上記研究の結果に基づいてなされたものである。

以下、本発明の実施の形態に係るマイクロ気体検出装置の構成を図面を参照して説明する。

図１は、本発明の実施の形態に係るマイクロ気体検出装置が適用されるマイクロ化学システム用チップの構造を示す斜視図である。

図１において、マイクロ化学システム用チップ（以下、単に「マイクロチップ」という）１は、流路１０用の溝を備える後述する図５のガラス基板１ａと、該溝を覆うようにガラス基板１ａに接合されると共に後述する貫通孔１１，１２，１３を備えるガラス基板１ｂとを備え、ガラス基板１ａの溝によって流路１０が画成される。

マイクロ気体検出装置は、図１に示すように、不図示のシングルモードファイバから出射された光をマイクロチップ１の流路１０に集光するロッドレンズ２１と、流路１０を透過した光の一部を通過させるピンホール２２を有するピンホール板２３と、ピンホール２２を通過した光を検出する検出器２４とから成る。

図２は、図１におけるマイクロ気体検出装置の構成を概略的に示す図であり、（ａ）は流路１０に水を満たした場合、（ｂ）は流路１０に空気を満たした場合を夫々示す。

図２のマイクロ気体検出装置２０は、不図示のシングルモードファイバから出射された光をマイクロチップ１の流路１０に集光するロッドレンズ２１と、流路１０を透過した光の一部を通過させるピンホール２２を有するピンホール板２３と、ピンホール２２を通過した光を検出する検出器２４とから成り、これらはロッドレンズ２１により集光された光の焦点が流路１０中に位置するように設けられる。これにより、流路外の光が乱反射を起こし、ノイズの原因となるのを防止することができる。

ロッドレンズ２１は、円筒状のガラス製又は樹脂製のレンズであり、中心軸から半径方向に屈折率勾配がある微小レンズである。ガラス製のロッドレンズとしては、屈折率勾配をイオン交換処理によって生成させたもの（例えば、日本板硝子株式会社製のＳＭＬレンズ（商品名））を用いることができる。これにより、マイクロ気体検出装置の大きさを小さくすることができ、例えば、他の装置と組み合わせてマイクロチップ上に設置することにより集積化が可能となる。

検出器２４は、光を受光して電気信号に変換するフォトダイオードと、変換された電気信号を増幅するＩＶアンプとからなる。

図３に示すように、ロッドレンズ２１により集光された光の強度は、ガウス分布の広がりを持ち、光軸（Ｘ＝０）において光強度が最大となる。光軸（Ｘ＝０）の光強度を１としたときに、強度１／ｅ^２となる点をＸ＝Ｘｒとすると、２Ｘｒを「光の直径」と定義する。

図２に戻り、ピンホール２２は、直径が１ｍｍφであり、ロッドレンズ２１により集光された光の直径に対するピンホールの直径の比がほぼ０．４になるように位置決めされる。ロッドレンズ２１の開口数（ＮＡ）が大きい場合は焦点からピンホール板２３の距離を近く、ＮＡが小さい場合は焦点からピンホール板２３の距離を遠くすることにより、光の直径に対するピンホールの直径の比を調整することができる。ピンホール２２を通過する光は、光軸を含むことが好ましい。

空気と水の屈折率は異なるので、図２（ａ）に示すように、流路１０に水を満たした場合は、流路１０を透過した光の広がりは小さくなり、ピンホール２２を透過する光の強度は大きくなる。一方、図２（ｂ）に示すように、流路１０に空気を満たした場合は、流路１０を透過した光の広がりは大きくなり、ピンホール２２を透過する光の強度は小さくなる。したがって、検出器２４によりピンホール２２を透過した光の強度を検出することにより、流路中の気体の有無を検出することができる。

ロッドレンズ２１により集光された光の焦点は流路１０内にあるとしたが、図４に示すように、焦点は、流路１０の下（図４（ａ））、流路１０中（図４（ｂ））、流路１０の上（図４（ｃ））のいかなる位置にあってもよい。これにより、正確な調整をしなくても気体検出が可能となるため、マイクロ気体検出装置のマイクロチップへの設置が容易になる。

液体と気体の屈折率は異なるので、マイクロ気体検出装置１はいかなる溶液に対しても適用することができる。また、気体と液体に限らず、屈折率の異なる２種の流体を区別することも可能である。

ピンホール板２３は、ロッドレンズ２１により集光された光の直径に対するピンホール２２の直径の比がほぼ０．４なるように位置決めされるとしたが、少なくともピンホール２２の直径が光の直径より小さければよい。

ピンホール２２は円形であるとしたが、三角形、四角形などどのような形状であってもよい。ピンホール板２３の代わりに筒状のピンホールを用いてもよい。また、ピンホールを用いずに、検出面積の小さい検出器を用いてもよい。

図５は、図１におけるガラス基板１ａの構造を示す斜視図である。

図５において、ガラス基板１ａの溝によって画成される流路１０は、内壁親水性の上流側主流路１０ａ、上流側主流路１０ａと接続すると共に、上流側主流路１０ａの親水性よりも相対的に内壁疎水性の合流部１０ｃ、及び合流部１０ｃと接続すると共に、上流側主流路１０ａと同じ程度に内壁親水性の下流側主流路１０ｂから成る主流路１０ｄと、合流部１０ｃと接続した内壁疎水性の副流路１０ｅと、副流路１０ｅの内部が加熱できる位置に設置されたパネルヒータ１４とを備える。

上流側主流路１０ａ及び下流側主流路１０ｂは、幅１００μｍ、深さ５０μｍであり、副流路１０ｅは、幅５０μｍ、深さ２５μｍである。

図１に示すように、ガラス基板１ｂは、上流側主流路１０ａに連通する貫通孔１１と、副流路１０ｅに連通する貫通孔１２と、下流側主流路１０ｂに連通する貫通孔１３とを備える。貫通孔１１には、親水性の試料溶液を上流側主流路１０ａに導入する不図示の試料溶液導入部が接続され、貫通孔１２は、空気を副流路１０ｅに導入する不図示の空気導入部が接続され、貫通孔１３には、下流側主流路１０ｂから排出される試料溶液を受容する試料溶液排出部が接続されている。

上記において、流路内壁の「親水性」とは、内壁に付着した親水性の液体のその面に対する接触角が小さいことをいい、同「疎水性」とは、内壁に付着した親水性の液体のその面に対する接触角が大きいことをいう。

ガラス基板１ａ，１ｂは、ソーダライムガラス、アルミノ硼珪酸ガラス、アルミノ珪酸ガラス、無アルカリガラス、石英ガラス等のいかなるガラスを用いてもよいが、親水性、耐薬品性が最も高い石英ガラスを用いるのがより好ましい。

貫通孔１１から主流路１０ｄに水を供給すると共にこの供給された水を主流路１０ｄから貫通孔１３に排出している状態で、貫通孔１２より空気を供給し、副流路１０ｅに充填する。

次に、図５に示されるパネルヒータ１４で副流路１０ｅを加熱し、副流路１０ｅ内の空気の体積を膨張させて合流部１０ｃまで空気を導入する。これにより主流路１０ｄ内に気液界面が生じ、主流路１０ｄ中の水において内壁疎水性の合流部１０ｃと内壁親水性の上流側主流路１０ａ及び下流側主流路１０ｂの境界に留まろうとする圧力Ｐｇｍが発生する。この圧力が主流路１０ｄを流れていた水の流れを止めるマイクロバルブとしての機能を果たす。

その後、パネルヒータ１４の加熱を停止すると、加熱膨張した空気の体積が冷えて収縮して副流路１０ｅに戻る圧力Ｐｇｇが発生する。この圧力Ｐｇｇが気液界面で留まろうとする圧力Ｐｇｍより大きくなった場合、空気は副流路１０ｅに戻り、主流路１０ｄの水は再び流れるようになる。

マイクロチップ１において、流路１０内の気体導入の有無を検出するために、マイクロ気体検出装置２０が用いられる。

本実施の形態において、マイクロ気体検出装置が適用されるマイクロチップとしてマイクロバルブを例に説明したが、マイクロ気体検出装置２０は、マイクロポンプ、マイクロミキサー等において、気体のフィードバックコントロールに有用である。

本実施の形態に係るマイクロ気体検出装置によれば、マイクロチップ１の流路１０に集光された光であって、流路１０を透過した光の一部を通過させるピンホール２２を通過した光を検出するので、マイクロチップの流路中の気体の有無を検出することができる。

集光された光を用いない場合、例えば、マイクロチップの流路に平行光を照射し、液体界面と気体界面の反射率の違いによって生じる流路を透過した光の透過率の違いを検出する場合は、液体と気体の透過率の違いが約７％と小さいので、検出が困難となり、また、マイクロチップの流路の幅は非常に小さいので、平行光を用いた場合は流路以外からの透過光も検出器に入ってしまい、透過率の違いが７％以下となり、感度が低く、誤作動が多くなる。

以下、本発明の実施例を説明する。

幅１００μｍ、深さ４５μｍのパイレックス（登録商標）ガラス製のマイクロチップ１を作製した。

実施例１として、本実施の形態に係るマイクロ気体検出装置を準備した。シングルモードファイバから出射される光は、波長が７８５ｎｍ、強度が０．５ｍＷである。ロッドレンズ２１は、焦点位置が流路１０の中心になるように設置した。また、ピンホール２２の直径は１．４ｍｍφとした。ロッドレンズ２１を透過した光は、媒質が空気のときは、開口数（ＮＡ）が０．２、レンズ面から焦点までの距離が０．５ｍｍであった。ピンホール２２の位置は、焦点の位置から１０ｍｍであり、ピンホール２２を通過した光は全て検出器２４により受光して検出した。

比較例１として、マイクロチップ１の流路１０に平行光を照射し、流路１０を透過した光の強度を検出した。

比較例２として、実施例１と同様にマイクロチップ１の流路１０にロッドレンズ２１により集光された光を照射し、ピンホール２２を用いずに流路１０を透過した光の強度を検出した。

上記実施例と比較例において、流路１０に水を満たした場合と空気を満たした場合の検出器２４の出力電圧を夫々測定し、空気を満たした場合の測定値（Ｉ_２）の水を満たした場合の測定値（Ｉ_１）に対する減少率（（Ｉ_１−Ｉ_２）／Ｉ_１×１００（％））を計算した。結果を表１に示す。

表１において、「〇」印は、測定値の減少率が十分に高く、検出感度が良好であることを示し、「×」印は、測定値の減少率が低く、検出感度が不良であることを示す。表１によれば、マイクロチップ１の流路１０に集光された光であって、流路１０を透過した光の一部を通過させるピンホール２２を通過した光を検出すると、マイクロチップの流路中の気体の有無を検出することができることが分かる。

次に、上記と同様に、幅１００μｍ、深さ４５μｍのパイレックス（登録商標）ガラス製のマイクロチップ１を作製した。シングルモードファイバから出射される光は、波長が７８５ｎｍ、強度が０．５ｍＷである。ロッドレンズ２１は、焦点位置が流路１０の中心になるように設置した。また、ピンホール２２の直径は１．４ｍｍφとした。ロッドレンズ２１を透過した光は、媒質が空気のときは、開口数（ＮＡ）が０．２、レンズ面から焦点までの距離が０．５ｍｍであった。ピンホール２２の位置は、流路１０を透過してピンホール板２３に照射される光の直径のピンホール２２の直径に対する比（ピンホール径／光径）が０．１〜１．０の範囲になるように設置し、ピンホール２２を通過した光は全て検出器２４により受光した。

ピンホール径／光径の各値における流路１０に水を満たした場合と空気を満たした場合の検出器２４の出力電圧を夫々測定し、空気を満たした場合の測定値（Ｉ_２）の水を満たした場合の測定値（Ｉ_１）に対する減少率（（Ｉ_１−Ｉ_２）／Ｉ_１×１００（％））を計算した。結果を表２に示す。

表２において、「◎」印は、最適であることを示し、「〇」印は、測定値の減少率が十分に高く、検出感度が良好であることを示し、「×」印は、測定値の減少率が低く、検出感度が不良であることを示す。表２によれば、ピンホール径／光径が０．２〜０．７であると、マイクロチップの流路中の気体の有無を感度よく正確に検出することができることが分かる。好ましくは、ピンホール径／光径が０．４〜０．５がよいことが分かる。

本発明の実施の形態に係るマイクロ気体検出装置が適用されるマイクロ化学システムの構造を示す斜視図である。 図１におけるマイクロ気体検出装置の構成を概略的に示す図であり、（ａ）は流路に水を満たした場合、（ｂ）は流路に空気を満たした場合を夫々示す。 図２におけるロッドレンズにより集光された光の強度の分布を示す図である。 図２のマイクロ気体検出装置の位置を説明するのに用いられる図であり、（ａ）は焦点が流路の下に位置する場合、（ｂ）は焦点が流路中に位置する場合、（ｃ）は焦点が流路の上に位置する場合を夫々示す。 図１におけるガラス基板１ａの構造を示す斜視図である。

符号の説明

１ マイクロチップ
１０ 流路
２０ マイクロ気体検出装置
２１ ロッドレンズ
２２ ピンホール
２３ ピンホール板
２４ 検出器

Claims (7)

1. マイクロ化学システム用チップの流路中の気体の有無を検出するマイクロ気体検出装置であって、光を出射する出射手段と、前記出射された光を前記流路へ向けて集光する集光手段と、前記流路を透過した光の一部を検出する検出手段とを備えることを特徴とするマイクロ気体検出装置。
2. 前記集光手段はレンズであり、前記検出手段は、前記透過した光の一部が通過するピンホールを有するピンホール構造体と、前記ピンホールを通過した光を検出する検出器とからなることを特徴とする請求項１記載のマイクロ気体検出装置。
3. 前記流路を透過した光の前記ピンホール構造体の位置における直径と前記ピンホールの直径の比が０．２〜０．７であることを特徴とする請求項２記載のマイクロ気体検出装置。
4. 前記比がほぼ０．４であることを特徴とする請求項３記載のマイクロ気体検出装置。
5. 前記集光された光の焦点は前記流路中に位置することを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載のマイクロ気体検出装置。
6. 前記検出器はフォトダイオードから成ることを特徴とする請求項２乃至５のいずれか１項に記載のマイクロ気体検出装置。
7. マイクロ化学システム用チップと、請求項１乃至６のいずれか１項に記載のマイクロ気体検出装置とを備えることを特徴とするマイクロ化学システム。

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