JP2008116313A - 微少量液体測定装置 - Google Patents

Abstract

【課題】微少量液体試料の光学的分析を可能としつつ、より簡潔な構成で且つ製品歩留まりを良くすることができる微少量液体測定装置を提供する。
【解決手段】本発明の微少量液体測定装置は、光源と、光源から出射された光を導光する第１光ファイバと、第１光ファイバの他端接続される円筒形状の液体コアファイバと、液体コアファイバの他端に接合される第２光ファイバと、第２光ファイバの他端に接続される光学処理手段とが同一光軸上に接続されており、予め液体コアファイバ内に液体試料が注入された状態で光源から出射された光を照射すると、この光が液体試料を通過し終端に設けられた光学処理手段で成分分析処理される。
【選択図】図２

Description

本発明は、微少量の液体試料を測定するための微少量液体測定装置に関する。

近年、１μｌ以下の液体試料を光学的に分析、測定することができる液体試料測定装置の需要が増加している。需要の背景には、蛋白質やデオキシシボ核酸（ＤＮＡ）などの試料が通常少量の水性試料の状態であることが起因しており、このような微少量液体試料を測定するために図１４、図１５に示すような種々の測定装置が提案されている。

図１４に示す測定装置（光伝播装置）１００は、分光光度計容器として作用する剛性の導波管１０１と、光ファイバ１０２と、光源１０３と、光分析器１０４を備え、光源１０３と光分析器１０４が光カプラ１０７及び光ファイバ１０８，１０９を介して接続されている。

光ファイバ１０２はガイド１０５に保持されており、ガイド１０５はバレル１１０に対して軸方向に移動可能に配置されている。プッシャーアーム１０６はガイド１０５に沿って往復移動可能であり、この移動により導波管１０１の開放端１１１から液体試料の吸入・排出を行う。

実際に測定を行う場合は、開放端１１１を液体試料に差込み、プッシャーアーム１０６を引いて光ファイバ１０１内に液体試料を吸入して光源１０３から紫外光、可視光又は赤外光を出力し、これを液体試料に照射させて、液体試料で反射した反射光を光分析器１０４で受光して分析する。

この測定装置１００によれば、光源から出力された光が導波管１０１のコア領域内を伝搬することで照射光と液体試料との相互作用量を大きくすることができるので、液体試料に溶解した溶質を光学的に分析する吸光、比色又は蛍光などの液体分析の達成可能感度を向上させることができるというものである。

なお、このような測定装置１００において開放端１１１を図１５（ａ）〜（ｄ）の拡大横断面図に示すように、様々な形式に改良して測定精度を向上させる提案がなされている。図１５（ａ）は液体試料１１２を一定位置まで吸入した状態で測定する構成を示したものである。（ｂ）は液体試料を吸入した後にミラー１１３で開放端１１１を封止して、固定金具１１４でミラー１１３を光ファイバ１０１に固定したものである。また（ｃ）は液体試料１１２を吸入した後に開放端１１１を水銀滴１１５に挿入して開放端１１１の端部を封止し、水銀滴を反射鏡として利用して測定する構成を示したものである。更に（ｄ）は予め開放端１１１をミラー１１３で封止しておき光ファイバ１０１の側面に設けた液体試料用の吸い込み穴１１６から液体試料１１２を吸入させて測定する構成を示したものである。
特開平７−２１８４２２号公報

ところで上記特許文献１記載の測定装置によれば、測定機器の構成として液体試料１１２を吸入するためのガイド１０５、プッシャーアーム１０６、バレル１１０などの吸入機構、保持機構及び保護機構が必要不可欠であり、これ以上の装置小型化は難しいという問題がある。

また上記部品が必要不可欠であることから部品コストや製造コストの削減には限度があり、歩留まりを良くすることが難しいという問題がある。

本発明は、上記問題を鑑みてなされたものであり、その目的は、１μｌ以下の微少量液体試料の光学的分析を可能としつつ、より簡潔な構成で且つ製品歩留まりを良くすることができる微少量液体測定装置を提供することにある。

上記課題を解決するために、請求項１記載の本発明は、微少量の液体試料が充填される所定長さの円筒状のキャピラリーと、円筒状のキャピラリーの両端に嵌挿される一対の光ファイバと、を備え、一対の光ファイバの一方の端面から円筒状のキャピラリーに充填された液体試料に測定光を入射し、液体試料を透過した光を他方の光ファイバで受光して光学処理手段に送り、液体試料の成分濃度を測定することを要旨とする。
請求項２記載の本発明は、請求項１記載の微少量液体測定装置であって、円筒状のキャピラリーは、この円筒状キャピラリーの側面に液体試料を充填及び／または排出するための開口部を備えていることを要旨とする。

請求項３記載の本発明は、請求項１又は２記載の微少量液体測定装置であって、 円筒状キャピラリーの長軸方向に対して垂直な方向からこの円筒状キャピラリーに励起光を出射して、この円筒状キャピラリー内に充填された液体試料の成分を励起させるための励起光出力手段を備え、励起光出力手段によって励起された光を一対の光ファイバで受光して光学処理手段に送り、液体試料の成分濃度を測定することを要旨とする。

本発明によれば、１μｌ以下の微少量液体試料の光学的分析を可能としつつ、従来装置に比べて簡潔な構成で微少量液体測定装置を製造することができるので、結果として部品コスト及び製造コストの歩留まりを良くすることができる。

以下、本発明を実施するための最良の形態を図面を参照して説明する。

図１は、本発明に係る微少量液体測定装置の全体構成図であり、図２は、微少量液体測定装置の測定経路に設けられる液体コアファイバ１の拡大透視図である。また図３は、液体コアファイバ１のより具体的な構成を示す図である。

図１に示すように、この微少量液体測定装置は、光源１３と、光源１３から出射された光を導光する第１光ファイバ１０と、第１光ファイバ１０と同一光軸上に嵌合される円筒形状の液体コアファイバ１と、液体コアファイバ１の他端に嵌合される第２光ファイバ１１と、第２光ファイバ１１の他端に接続される分光器１４で少なくとも構成されている。

ここで光源１３は、測定する液体試料の特性により適宜選択されるものであり、可視光又は近赤外を出力する光源を用いる。本実施の形態においては具体的に白色ＬＥＤを用いるが、ハロゲンランプ、広帯域レーザー、蛍光などであっても良い。

第１及び第２光ファイバ１０及び１１としては、石英系光ファイバやプラスチップ光ファイバなどが挙げられるが、本実施の形態においては可搬性や曲げ耐久性の高いプラスチッククラッド石英コアファイバを用いる。

液体コアファイバ１は、図２に示すように円筒形状の導管１２であり、この導管１２に液体試料が注入された後、この導管１２の両端を封止するように光ファイバのクラッド１０ｂ及び１１ｂを挿入することにより構成されている。この封止部分は接着剤で固着さえても良いし、加熱して加熱溶着させても良い。接着剤で固着させる場合はコア端面に接着剤が付着しないように注意を払う必要がある。

本実施の形態においては導管１２としてテフロン（登録商標）チューブを用いている。ここで円筒形状のチューブは光ファイバのクラッドと見立て、チューブの中空部はコアと見立てて用い。具体的に本実施の形態で用いたテフロン（登録商標）チューブは、内径４５０μｍ、外径９５０μｍのものを用いた。ここで実施の形態においては導管１２としてテフロン（登録商標）チューブを用いたが、これに限らず低屈折率を有する円筒形状のものであれば他の材質のものを用いてもよい。例えば屈折率が１．３３以下のフルオロカーボンも好適である。また導管１２として大口径を有するファイバを適用すると液体試料の注入が容易となり取扱いをより向上させることができるという利点がある。

一方、第１及び第２光ファイバ１０及び１１として用いるプラスチッククラッド石英コアファイバとしては、そのジャケット径が７３０μｍ、クラッド径が４３０μｍ、コア径が４００μｍのものを用いる。

分光器１４は、光源１３から出力されて液体試料を透過した光の波長をスペクトル分析する機能を備えているものを用いる。この分光器１４は、分光機能の他にデータ蓄積機能、データ解析機能（プログラム）、解析結果表示機能（ディスプレイ）などを備えている。本実施の形態においては、透過光を検出する受光素子として測定波長範囲が３５０〜１０５０ｎｍのＣＣＤリニアセンサーと、このセンサーで検出した光を０．３〜１０．０ｎｍの波長分解能（この分解能は開口径に依存する）で処理することができる解析機能を備えたパーソナルコンピュータ（ＰＣ）を用いている。

次に図３を参照して液体コアファイバ１の組み立て手順を説明する。

まず２本の光ファイバ（第１及び第２光ファイバ１０及び１１）を用意し、それぞれの一方の端から被覆１０ａ及び１１ａを一定長除去してクラッド１０ｂ及び１１ｂを露出させる。そして導管１２の一端を液体試料に浸漬させ、毛細管現象を利用して液体試料を導管１２内に導き、液体試料が充填されたところで先に加工したクラッド１０ｂ及び１１ｂを導管１２の両端に挿入することで封止する。このとき導管１２の内径は４５０μｍ、第１及び第２光ファイバのクラッド径は４３０μｍ、その差は直径でいうと１０μｍであるためクラッド１０ｂ及び１１ｂと導管１２の間から不要な液体試料が染み出るとともに両部品が密着性よく嵌合する。以上の手順により液体コアファイバ１が形成される。

次に液体コアファイバ１の変形例を図４及び図５に示す。この液体コアファイバ１は、前述の図３の液体コアファイバ１に対して、導管１２の側面に液体試料を注入するための注入用開口１２ａと、導管１２内の空気を外部に排出するための排出用開口１２ｂを備える点に特徴がある。

この注入用開口１２ａと排出用開口１２ｂが設けられる位置は、クラッド１０ｂ、１１ｂの挿入により各開口が封止されない位置に設けられている。この両開口１２ａ、１２ｂの間隔は気泡を混入させずに液体試料を注入することができる程度に離間させることが望ましい。なお、図中において注入用開口１２ａと排出用開口１２ｂは、両方とも導管１２の上側面に開口されているが、どちらか一方のみを下側面に開口させてもよい。またこのとき開口する開口径は直径数μｍ程度とする。これにより液体試料を後から注入することができると共に、注入した液体試料は開口から液漏れすることがない。

そして図５に示すように上記構成を有する液体コアファイバ１の一方の端から光を入射させて液体コアファイバ１に注入されている液体試料に光を通過させ、このファイバ１の他端から出射された光を分光光度計又はフォトダイオード（Photo Diode：ＰＤ）で受光して液体試料に吸収された後の光の吸光度を測定することで液体試料に含まれる成分等を分析することができる。

上記液体コアファイバ１の構成を備えていれば上述した分析方法に限らず、図６に示すような分析方法も実施可能である。すなわち特定波長を吸収すると蛍光を発する液体試料を予め導管１２に注入しておく。また第１及び第２光ファイバ１０及び１１の端には予め光カプラ１５等の光結合部品に融着接続させておく。そしてこの光結合部品の他端には分光器１４に接続する。このような構成において導管１２の外側面から液体試料に対して励起光を照射すると、液体試料から蛍光が発せられて、この蛍光が第１及び第２光ファイバ内を伝搬して、これが分光器１４に到達することで蛍光スペクトル解析することができる。

次に図７を参照して、図５の構成を備える微少量液体測定装置を用いて液体試料の吸光度測定を行った場合の実験結果を説明する。この測定グラフにおいて横軸は波長（ｎｍ）を示し、縦軸は吸収強度を示している。ここでグラフ（１）はリファレンスとして導管１２に水を注入して光強度測定した場合の測定結果であり、グラフ（２）はローダミン（０．００５ｍｍｏｌ）を導管１２に注入して光強度測定を行った場合の測定結果である。同図に示すようにローダミンは水よりも光を吸収するので吸収強度は水よりも低い。

このような特性を有するローダミンの透過率（グラフ（１））と吸光率（グラフ（２））を算出した。その結果を図８に示す。グラフ（１）によれば波長５５０ｎｍ付近でローダミンの透過率が最も低くなった。これに対応するように吸光率が最も高くなり、ローダミン特有の波長特性が正しく測定できたことが示された。

次に液体コアファイバ長（すなわち導管長）に対する強度依存性を測定した。その結果を図９に示す。このグラフにおいて横軸は液体コアファイバ長を示し、縦軸は光の強度を示している。また光源として白色ＬＥＤを用いている。その結果、４７０ｎｍ波長帯強度（◆印）と５７０ｎｍ波長帯強度（■印）のいずれも液体コアファイバ長が長くなるにつれ強度が低下する特性があることが示された。例えば５７０ｎｍ波長帯強度において液体コアファイバ長が１ｃｍのときに対して、液体コアファイバ長を５ｃｍになると約８０％程度に低下する。また４７０ｎｍ波長帯強度においても同様に液体コアファイバ長が１ｃｍのときに対して、液体コアファイバ長を５ｃｍになると８０％程度に低下する。従って液体コアファイバ長は短ければ短いほど良いことが示された。なお、短ければ良いと言っても、本発明は液体コアファイバの両端から光ファイバ１０，１１のクラッドを挿入嵌合させるため、液体コアファイバ長は、このクラッドの露出長に依存する。従ってクラッドを覆う被覆を如何に短く除去できるかによるが、現時点では露出長は１〜２ｍｍ程度が限界のため液体コアファイバ長は少なくとも０．５ｃｍ以上であることが望ましい。なお、液体コアファイバ長が１ｃｍのとき液体試料の容量は１．５９μｌである。

次に、濃度の異なるローダミン溶液を用意し、液体コアファイバ長に対する強度依存性を測定した。その結果を図１０に示す。このグラフにおいて横軸は液体コアファイバ長を示し、縦軸は光の強度を示している。本実験では、ローダミン０．００１ｍｍｏｌ（◆印）、ローダミン０．００５ｍｍｏｌ（■印）、ローダミン０．０２ｍｍｏｌ（△印）、水（×印）を用意し、液体コアファイバ１の長さを０．５〜５ｃｍの範囲で変化させ、それぞれの長さにおける強度を測定した。

その結果、図９で示された特性と同様に液体コアファイバ長が長いほど強度が低下することが確認された。またローダミン溶液の濃度が高くなるほど受光強度が低下することも確認された。

ここで上記結果をもとに透過率を算出した結果を図１１に示す。同図に示すように、液体コアファイバ長が長くなるほど透過率が低下している。これはローダミン濃度が高くなるほど照射光がローダミンに吸収されて透過率が低下することが理由と考えられる。

次に図１２を参照して、前述した図６の装置において液体試料に照射する励起光の位置を変化させたときに蛍光スペクトルがどのように変化するかを測定した結果を示す。

本実験においてローダミン溶液の濃度は０．０２ｍｍｏｌのものを用いた。そしてこのローダミン溶液を充填したテフロン（登録商標）チューブの側面に対して垂直方向からＬＥＤ（ピーク波長５２５ｎｍ：緑色）の励起光（スポット径１ｃｍ）を照射し、発生した蛍光スペクトルを分光器１４で測定した。ここでグラフ（１）は、テフロン（登録商標）チューブの左端の端面から０ｃｍに励起光を照射した場合の結果であり、グラフ（２）は端面から１ｃｍ、グラフ（３）は端面から２ｃｍ、グラフ（４）は端面から３ｃｍ、グラフ（５）は端面から５ｃｍ、グラフ（６）は端面から８ｃｍの位置にそれぞれ励起光を照射した場合の各結果である。

この結果、５２５ｎｍの励起光も僅かに認められるが、６００ｎｍ帯の強い蛍光スペクトルが観測された。またローダミン溶液がフィルターの役割をするので端面から離れるにつれて励起光の影響を受けないことがグラフから良く観察された。

また端面からの距離を５ｃｍに固定し、ＬＥＤのスポット径を１，３，５ｃｍと変化させた場合の強度を測定した。その結果を図１３に示す。同グラフより、スポット径が大きくなるにつれて蛍光強度が小さくなった。これはＬＥＤを徐々に離して設置してスポット径を大きくしているので、これに依存して照射密度が低下していると推測される。

以上の結果から、本発明によれば、図１及び図６に示したような非常に簡単な構成で微少量の液体試料を測定することができることが示された。具体的には液体コアファイバ長が１ｃｍのとき１．５９μｌの測定を実現したため、０．５ｃｍにした場合は１μｌ以下の測定が実現可能である。

また図９〜図１１に示したように液体コアファイバ長をできる限り短くすると高強度の測定結果が得られることからコアファイバ長は可能な限り短いことが肝要であることが示された。

更に、上記の通り簡単な構成で且つ特殊加工を必要としないため部品コスト及び製造コストを抑制することができることから、歩留まりを良くすることができる。

本発明の実施の形態に係る微少量液体測定装置の全体構成図である。 本発明の実施の形態に係る微少量液体測定装置の測定経路に設けられる液体コアファイバ１の拡大透視図である。 液体コアファイバ１のより具体的な構成を説明するための図である。 液体コアファイバ１の変形例を示す図である。 図４の液体コアファイバ１（変形例）を用いた測定方法を説明するための図である。 図４の液体コアファイバ１（変形例）を用いた他の測定方法を説明するための図である。 液体試料（ローダミン）の吸光度測定の結果を示すグラフである。 図７の結果に基づいて算出した液体試料（ローダミン）の透過率と吸収率の結果を示すグラフである。 液体コアファイバ長に対する強度変化を測定した結果を示すグラフである。 液体試料（ローダミン）の濃度を変化させたときの液体コアファイバ長に対する強度変化を測定した結果を示すグラフである。 図１０の結果に基づいて算出した液体試料（ローダミン）の透過率の結果を示すグラフである。 図６の測定方法を用い、励起光の照射位置を変化に対する強度変化を測定した結果を示すグラフである。 図６の測定方法を用い、励起光のスポット径の変化に対する強度変化を測定した結果を示すグラフである。 従来の微少量液体測定装置の構成を示す図である。 従来の微少量液体測定装置の開放端の各種構成を示す図である。

符号の説明

１…液体コアファイバ
１０…第１光ファイバ
１１…第２光ファイバ
１２…導管
１２ａ…注入用開口
１２ｂ…排出用開口
１３…光源
１４…分光器
１５…光カプラ
１００…測定装置
１０１…光ファイバ
１０１…導波管
１０２…光ファイバ
１０３…光源
１０４…光分析器
１０５…ガイド
１０６…プッシャーアーム
１０７…光カプラ
１０８，１０９…光ファイバ
１１０…バレル
１１１…開放端
１１２…液体試料
１１３…ミラー
１１４…固定金具
１１５…水銀滴
１１６…穴

Claims (3)

1. 微少量の液体試料が充填される所定長さの円筒状のキャピラリーと、
   前記円筒状のキャピラリーの両端に嵌挿される一対の光ファイバと、
   を備え、
   前記一対の光ファイバの一方の端面から前記円筒状のキャピラリーに充填された前記液体試料に測定光を入射し、前記液体試料を透過した光を他方の光ファイバで受光して光学処理手段に送り、前記液体試料の成分濃度を測定することを特徴とする微少量液体測定装置。
2. 前記円筒状のキャピラリーは、
   当該円筒状キャピラリーの側面に前記液体試料を充填及び／または排出するための開口部を備えていることを特徴とする請求項１記載の微少量液体測定装置。
3. 前記円筒状キャピラリーの長軸方向に対して垂直な方向から当該円筒状キャピラリーに励起光を出射して、当該円筒状キャピラリー内に充填された液体試料の成分を励起させるための励起光出力手段を備え、
   前記励起光出力手段によって励起された光を前記一対の光ファイバで受光して光学処理手段に送り、前記液体試料の成分濃度を測定することを特徴とする請求項１又は２記載の微少量液体測定装置。

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