JP3848125B2 - 光熱変換分光分析方法及びマイクロ化学システム - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光熱変換分光分析方法及びマイクロ化学システムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来から、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、化学反応を微小空間で行うための集積化技術が注目されており、精力的に研究が世界的に進められている。
【０００３】
このような集積化技術の１つとして、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は、小さなガラス基板等に形成した微細な流路の中で液中試料の混合、反応、分離、抽出、検出等を行うものである。このマイクロ化学システムで行われる反応の例としては、ジアゾ化反応、ニトロ化反応、抗原抗体反応などがある。また、抽出や分離の例としては、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】
上記の機能のうち、分離のみを目的としたものとしては、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、特開平８−１７８８９７号公報）。この電気泳動装置は互いに接合された２枚のガラス基板からなる流路付き板状部材を備えている。この部材は板状であるので、横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。
【０００５】
このようなマイクロ化学システムにおいては試料の量が微量であるので、高感度な検出方法が必須である。このような方法として、微細な流路内の液中試料が光を吸収することによって発生する熱レンズ効果を利用した光熱変換吸収分析法が確立されている。この光熱変換分光分析法は、試料に集光照射された光を試料中の溶質が吸収して熱エネルギーを放出し、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ことによって屈折率が変化し、もって熱レンズが形成される光熱変換効果を利用するものである。この光熱変換分光分析法によってマイクロ化学システムの実用化の道が開かれている。
【０００６】
図３は、熱レンズの原理を説明する説明図である。
【０００７】
図３において、顕微鏡の対物レンズを介して励起光を極微小な溶液中の試料に集光照射すると光熱変換効果が誘起される。多くの物質では温度上昇に伴い屈折率が小さくなるので、励起光が集光照射された試料は、温度上昇の大きい集光中心に近づくほど屈折率が小さくなる。すなわち、集光中心から離れるほど屈折率は相対的に大きい。これは、集光中心から離れるほど熱拡散によって温度上昇が小さくなるからである。この屈折率の分布は、光学的には、凹レンズと同じ効果を齎すので、この効果は熱レンズ効果と呼ばれている。この熱レンズ効果の大きさ、即ち凹レンズの度数は試料の光吸収度に比例する。なお、屈折率が温度に比例して大きくなる場合は、屈折率の変化は逆になるので凸レンズと同じ熱レンズ効果が生じる。
【０００８】
このように、光熱変換分光分析法は、試料を含む液体（試料溶液）における熱の拡散に起因する試料溶液の屈折率の変化を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。
【０００９】
上記光熱変換分光分析法を実行する光熱変換分光分析装置の一例が特開平１０−２３２２１０号公報に開示されている。
【００１０】
従来の光熱変換分光分析装置においては、流路付き板状部材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する。この励起光は顕微鏡の対物レンズにより流路付き板状部材の流路内の試料溶液に集光照射される。集光照射された励起光の焦点位置は溶液試料中に在り、この焦点位置を中心として熱レンズが形成される。
【００１１】
一方、検出光源からは、波長が励起光と異なる検出光が出力されて顕微鏡に入射する。顕微鏡内を通って出射される検出光は、励起光により試料溶液中に形成された熱レンズに集光照射され、試料溶液を透過して発散（熱レンズが凹レンズの効果を有する場合）又は集光（熱レンズが凸レンズの効果を有する場合）する。この試料溶液から発散又は集光して出射された光は信号光となる。この信号光は、集光レンズとフィルタ双方又はフィルタのみを経た後に検出器によって検出される。この検出された信号光の強度は、試料溶液において形成された熱レンズに応じたものになる。なお、検出光は励起光と同じ波長のものでもよく、また、励起光が検出光を兼ねることもできる。
【００１２】
このように、上記光熱変換分光分析装置においては、熱レンズは励起光の焦点位置に形成され、且つ形成された熱レンズの屈折率変化は、励起光と同じ波長又は異なる波長の検出光により検出される。
【００１３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、光熱変換分光分析装置は、光源や、測定部や検出部（光電変換部）の光学系等が複雑にシステムアップされていているので大型であり、可搬性に欠けている。このため、光熱変換分光分析装置を使用する場所や操作が限定されるという問題がある。
【００１４】
また、光熱変換分光分析装置は励起光及び検出光を空間光として試料まで導いているので、光源、ミラー、レンズ等の光学系の各部品が測定中に動いてしまうことを防止しなければならず、このためにそれらを固定するための堅固な定盤が必要である。さらに、温度等の環境の変化によって励起光および検出光の光軸がずれた場合に、そのずれを調整するための治具が必要である。これらも、光熱変換分光分析装置を大型にし、可搬性の欠けたものにする原因となっている。
【００１５】
また、光熱変換分光分析方法を用いるマイクロ化学システムにおいては、多くの場合に励起光の焦点位置が検出光の焦点位置と異なっていることが必要となる。図４は、励起光の光軸方向（Ｚ方向）に関する熱レンズの形成位置と検出光の焦点位置の説明図であり、（ａ）は、対物レンズに色収差が有る場合を示し、（ｂ）は、対物レンズに色収差がない場合を示す。
【００１６】
対物レンズ１３０に色収差が有る場合は、（ａ）に示すように、励起光の焦点位置１３２に熱レンズ１３１が形成されると共に、この焦点位置１３２からΔＬだけずれた位置に検出光の焦点位置１３３が形成されるので、熱レンズ１３１の屈折率の変化を検出光の焦点距離の変化として検出することができる。一方、対物レンズ１３０に色収差がない場合は、（ｂ）に示すように、検出光の焦点位置１３３は、励起光の焦点位置１３２に、即ち熱レンズ１３１の位置に、ほぼ一致する。このため、検出光には熱レンズ１３１による偏向が生じないので、熱レンズ１３１の屈折率の変化は検出できない。
【００１７】
しかしながら、顕微鏡の対物レンズは、通常、色収差がないように製造されているので、上記の理由により、検出光の焦点位置１３３は熱レンズ１３１の位置とほぼ一致する（（ｂ））。したがって、熱レンズ１３１の屈折率の変化は検出できない。このため、測定の度に、熱レンズ１３１が形成される試料の位置を、図５（ａ）又は（ｂ）に示すように、検出光の焦点位置１３３からずらしたり、図６に示すように、図示しないレンズを用いて検出光を若干に発散又は集光させて対物レンズ１３０に入射させることによって検出光の焦点位置１３３を熱レンズ１３１からずらしたりしなければならず、ユーザの作業効率が悪いという問題がある。
【００１８】
本発明の目的は、ユーザの作業効率を向上できるとともに測定感度の高い小型のマイクロ化学システムを提供することにある。
【００１９】
【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記載の光熱変換分光分析方法は、励起光及び検出光を照射レンズによって試料に照射して、前記励起光の照射を受けた試料によって生成される熱レンズを透過した前記検出光を検出する光熱変換分光分析方法において、波長の異なる２種類の光を合波する２波長合波素子まで前記励起光及び検出光を別個のファイバーによって伝搬し、前記２波長合波素子によって前記励起光及び検出光を合波した後に光ファイバー内をシングルモードで前記照射レンズまで伝搬することを特徴とする。
【００２０】
請求項１記載の光熱変換分光分析方法によれば、励起光と検出光とを２波長合波素子によって合波した後に、光ファイバー内をシングルモードで照射レンズまで伝搬するので、励起光と検出光とは常に同軸となる。また、励起光及び検出光は空間光として導かれる行程が皆無であるので、温度等の環境の変化による光軸のずれがない。このため、励起光と検出光との光軸を調整する必要がなく、ユーザの作業効率を向上できる。
【００２１】
請求項２記載の光熱変換分光分析方法は、請求項１記載の方法において、前記２波長合波素子は、２つの屈折率分布型ロッドレンズの間に挟んで形成された誘電体多層膜フィルターによって前記励起光及び検出光の何れか一方を反射し、他方を透過して合波することを特徴とする。
【００２２】
請求項２記載の光熱変換分光分析方法によれば、２波長合波素子は、２つの屈折率分布型ロッドレンズの間に挟んで形成された誘電体多層膜フィルターによって励起光及び検出光の何れか一方を反射し、他方を透過して合波するので、２波長合波素子における損失が小さく、長時間の使用に対して安定である。このため、測定の感度および安定性を向上することができる。
【００３１】
請求項３記載のマイクロ化学システムは、励起光を出力する励起光光源と、検出光を出力する検出光光源と、前記励起光及び前記検出光を合わせて導く誘導光学系と、該誘導光学系によって導かれた前記励起光及び前記検出光を試料に照射する照射レンズと、前記励起光の照射を受けた試料によって生成される熱レンズを透過した前記検出光を検出する検出手段とを備えるマイクロ化学システムにおいて、前記誘導光学系に配設され、前記励起光及び検出光を前記照射レンズまで別個に導く光ファイバーと、前記光ファイバー内を伝搬してきた前記励起光及び検出光を合波する２波長合波素子と、合波された前記励起光及び検出光を伝搬する光ファイバーとを備え、前記光ファイバーは、前記励起光及び前記検出光をシングルモードで伝搬するものであることを特徴とする。
【００３２】
請求項３記載のマイクロ化学システムによれば、合波された励起光及び検出光を伝搬する光ファイバーは励起光及び検出光双方をシングルモードで伝搬するものであるので、励起光及び検出光の焦点を小さく絞ることができ、もってより正確な測定ができる。
【００４１】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照しながら本発明の実施の形態に係るマイクロ化学システムを詳細に説明する。
【００４２】
図１は、本発明の第１の実施の形態に係るマイクロ化学システムの概略構成を示す概略図である。
【００４３】
図１において、マイクロ化学システムはレンズを内蔵する光ファイバー１０（以下レンズ付き光ファイバー１０）を備えている。光ファイバー１０は後端側（図面上では上側）に、励起光及び検出光をシングルモードで伝搬する光ファイバー１０１が挿入されており、この光ファイバー１０１の挿入端は屈折率分布型ロッドレンズ１０２の一端に接続されている。光ファイバー１０１の外径を屈折率分布型ロッドレンズ１０２の外径と同一にするために、屈折率分布型ロッドレンズ１０２の外径と同一の外径を有するフエルール１０３が光ファイバー１０１を囲むように設けられている。光ファイバー１０１はフエルール１０３によって固定されており、屈折率分布型ロッドレンズ１０２とフエルール１０３とはチューブ１０４内に固定されている。ここで、光ファイバー１０１と屈折率分布型ロッドレンズ１０２とは密着していてもよいし、隙間が有っても良い。このレンズ付き光ファイバー１０は出射光が後述する流路付き板状部材２０に垂直に入射する位置に治具３０によって固定されている。
【００４４】
屈折率分布型ロッドレンズ１０２は円柱状の透明なレンズであり、長手方向に延びる中心線位置から半径方向に屈折率が連続的に変化するものである。このようなロッドレンズは、中心線位置の屈折率をｎ0、２乗分布定数をｇとして、中心線位置から半径方向にｒの距離にある位置の屈折率ｎ（ｒ）が近似的にｒの２次方程式
ｎ（ｒ）＝ｎ0｛１−（ｇ2／２）・ｒ2｝
で表される集束性光伝送体として知られている。
【００４５】
屈折率分布型ロッドレンズ１０２は、その全長ｚ0を０＜ｚ0＜π／２ｇの範囲内で選択する場合、両端面が平坦でありながら通常の凸レンズと同じ結像性を有し、平行入射光線によって出射端より
ｓ0＝ｃｏｔ（ｇｚ0）／ｎ0ｇ
の位置に焦点が作られる。
【００４６】
このような屈折率分布型ロッドレンズ１０２は、例えば以下のような方法で製造される。
【００４７】
即ち、モル百分率でＳｉＯ2：５７〜６３％、Ｂ2Ｏ3：１７〜２３％、Ｎａ2Ｏ：５〜１７％、Ｔｌ2Ｏ：３〜１５％を主成分とするガラスロッドを形成した後、このガラスロッドを硝酸カリウム塩等のイオン交換媒体中で処理し、ガラス中のタリウムイオン及びナトリウムイオンとイオン交換媒体中のカリウムイオンとをイオン交換して、ガラスロッド内に中心から周辺に向けて連続的に低減する屈折率分布を与える。
【００４８】
屈折率分布型ロッドレンズ１０２の底面が平面であるので、光ファイバー端面を容易に取り付けることができるとともに、屈折率分布型ロッドレンズ１０２の光軸と光ファイバー１０１の光軸とを容易に一致させることができる。また、屈折率分布型ロッドレンズ１０２は円柱形であるのでレンズ付き光ファイバー１０も容易に円柱形にできる。これによって、治具３０よるレンズ付き光ファイバー１０の保持が極めて容易である。
【００４９】
光ファイバー１０１をシングルモードとしたのは、光熱変換分光分析方法を利用して試料中の微量な溶質を検出する場合、励起光をできるだけ小さく絞り、光熱変換に利用されるエネルギーを高くするととともに、励起光によって生成する熱レンズが収差の少ないレンズになることが望ましいからである。
【００５０】
この点、シングルモードの光ファイバー１０１から出射される光は常にガウス分布になるので、励起光の焦点が小さくなる。また、励起光によって生成された熱レンズが小さい場合、この熱レンズを透過する検出光の光量をできる限り多くするためには、検出光もできる限り小さく絞ることが望ましい。この点からも、光ファイバーは励起光及び検出光をシングルモードで伝搬するものであることが好ましい。
【００５１】
なお、光ファイバー１０１は励起光及び検出光を透過させるものであればどのようなものでも使用できるが、マルチモード光ファイバーを使用した場合は、出射光がガウス分布にならない上に、光ファイバー１０１の曲がり具合等の種々の条件によって出射パターンが変化するので、必ずしも安定な出射光が得られない。このため、微量な溶質の測定が困難になるとともに測定値が安定しない場合がある。したがって、上述のように光ファイバー１０１はシングルモードのものが好ましい。
【００５２】
光ファイバー１０１の挿入端とは反対側の端部近傍には、試料を励起するための励起光を出射する励起光用光源１０５、試料を分析等するために情報を検出するための検出光を出射する検出光用光源１０６、励起光を変調する変調器１０７、光ファイバー１０１に入射させる励起光と検出光とを合波するための２波長合波素子１０８が配設されている。
【００５３】
２波長合波素子１０８は２つの屈折率分布型ロッドレンズ５０１，５０２を有している。励起光用光源１０５は光ファイバー５０５によって屈折率分布型ロッドレンズ５０１の一端面（以下、入射側端面５０４）に接続されている。光ファイバー５０５は入射側端面５０４の中心からずれた位置に接続されている。この入射側端面５０４には上記した光ファイバー１０１の挿入端とは反対側の端部が接続されている。一方、検出光用光源１０６は光ファイバー５０８により、もう一方の屈折率分布型ロッドレンズ５０２の一端面に接続されている。光ファイバー５０８はこの一端面の中心からずれた位置に接続されている。
【００５４】
屈折率分布型ロッドレンズ５０１は、全長が異軸入射光ビームの蛇行周期の約１／４であり、入射側端面５０４とは異なる端面には誘電体多層膜から成る干渉フィルター膜５０３がスパッター等の成膜方法によって形成されている。この干渉フィルター膜５０３は光ファイバー５０５を伝搬して入射した励起光を反射する一方、光ファイバー５０８を伝搬してきた検出光を透過させる特性を有している。干渉フィルター膜５０３が形成された端面には屈折率分布型ロッドレンズ５０１とほぼ同じ全長の屈折率分布型ロッドレンズ５０２が接着によって固定されている。
【００５５】
このような２波長合波素子１０８では、励起光用光源１０５から光ファイバー５０５内を伝搬した励起光の出射光ビームが入射側端面５０４から屈折率分布型ロッドレンズ５０１内に入射する。出射光ビームは屈折率分布型ロッドレンズ５０１内を蛇行しながらビーム径が拡大する光ビーム５０６となり、干渉フィルター膜５０３に入射する。光ビーム５０６は干渉フィルター５０３で反射された後に光ビーム５０７となって光ファイバー１０１に入射する。
【００５６】
一方、光ファイバー５０８内を伝搬した検出光の出射光ビームが屈折率分布型ロッドレンズ５０２内に入射すると、蛇行しながらビーム径が拡大する光ビーム５０９となり、干渉フィルター膜５０３に入射する。光ビーム５０９は干渉フイルター５０３を透過した後に光ビーム５０７となって光ファイバー１０１に入射する。
【００５７】
以上のように、２波長合波素子１０８は２つの屈折率分布型ロッドレンズ５０１，５０２の間に誘電体多層膜の干渉フィルター膜５０３を挟む構成であるので、構成要素が少なく、また、全ての構成部品を固定できることから、２波長合波素子１０８における損失が小さく、長時間の使用に対して安定しているので、測定の感度および安定性を向上することができる。また、屈折率分布型ロッドレンズ５０１，５０２が極めて小型である上に、その端面間に誘電体多層膜フィルターを挟みこんでいるので２波長合波素子が極めて小型となるので、マイクロ化学システムを小型化できる。
【００５８】
このようにして合波されて光ファイバー１０１を伝搬してレンズ付き光ファイバー１０に入射し、屈折率分布型ロッドレンズ１０２から出射する出射光は流路付き板状部材２０に垂直に入射する。流路付き板状部材２０は検出するための試料を流す流路２０４を有しており、３層に重ねて接着されたガラス基板２０１、２０２、２０３から成る。ガラス基板２０２には混合、攪拌、合成、分離、抽出、検出等の際に試料を流す上記の流路２０４が形成されている。
【００５９】
この流路付き板状部材２０の材料は耐久性、耐薬品性の面からガラスが望ましく、さらに、細胞等の生体試料、例えばＤＮＡ解析用としての用途を考慮すると、耐酸性、耐アルカリ性の高いガラス、具体的には、硼珪酸ガラス、ソーダライムガラス、アルミノ硼珪酸ガラス、石英ガラス等が好ましい。しかし、用途を限定することによってプラスチック等の有機物を用いることができる。
【００６０】
ガラス基板２０１、２０２、２０３同士を接着させる接着剤には、例えば、紫外線硬化型、熱硬化型、２液硬化型のアクリル系、エポキシ系の有機接着剤、及び無機接着剤等がある。また、熱融着によってガラス基板２０１〜２０３同士を融着させてもよい。
【００６１】
流路付き板状部材２０を間に入れてレンズ付き光ファイバー１０に対向する位置には、検出光を検出するための光電変換器４０１、励起光と検出光とを分離して検出光のみを選択的に透過させる波長フィルタ４０３が配設されている。検出光の一部のみを選択的に透過させるためにピンホールが形成された部材のそのピンホールが検出光の光路上で且つ光電変換器４０１よりも上流の位置に位置するように配置してもよい。光電変換器４０１より得られた信号は、励起光を変調するために用いられた変調器１０７と同期させるためにロックインアンプ４０４に送られ、その後コンピューター４０５で解析される。
【００６２】
本発明の第１の実施の形態に係るマイクロ化学システムによれば、励起光及び検出光を合波するための２波長合波素子１０８が極めて小型の２つの屈折率分布型ロッドレンズ５０１，５０２から構成されているので、マイクロ化学システムを小型化できる。また、屈折率分布型ロッドレンズ１０２は、励起光及び検出光を伝搬する光ファイバー１０１の先端に取り付けられているので、測定毎に励起光と検出光との光軸及び屈折率分布型ロッドレンズ１０２の光軸を調整する必要が無い上に、光軸を合わせるために治具及び堅固な定盤が不用であり、もって、ユーザの作業効率が向上すると共にマイクロ化学システムを小型化できる。
【００６３】
屈折率分布型ロッドレンズ１０２の励起光の焦点位置は、流路付き板状部材２０の流路２０４の中に位置する必要がある。屈折率分布型ロッドレンズ１０２は流路付き板状部材２０に接触している必要はないが、接触させる場合は流路付き板状部材２０の上部ガラス板２０１の厚みで屈折率分布型ロッドレンズ１０２の焦点距離を調整できる。上部ガラス板２０１の厚みが足りない場合は、屈折率分布型ロッドレンズ１０２と上部ガラス板２０１との間に焦点距離を調整するためのスペーサーを入れてもよい。このように励起光の焦点位置を流路付き板状部材２０の流路２０４の中に固定しておく場合は焦点距離の調整も不要になるので、マイクロ化学システムをさらに小型化できる。
【００６４】
屈折率分布型ロッドレンズ１０２は、励起光の焦点位置に対して検出光の焦点位置がわずかにΔＬだけずれるように設定される（図５（ａ））。
【００６５】
Ｉｃは、共焦点長（ｎｍ）として、Ｉｃ＝π・（ｄ／２）2／λ1で計算される。ここで、ｄはｄ＝１．２２×λ1／ＮＡで計算されるエアリーディスクであり、λ1は励起光の波長（ｎｍ）であり、ＮＡは、屈折率分布型ロッドレンズ１０２の開口数である。光ファイバーを用いる場合は、光ファイバーの出射光の開口数が小さいため、大きな開口数を有するロンドレンズを用いたときの共焦点長の計算には光ファイバーの開口数を用いる必要がある。
【００６６】
上記ΔＬ値は、測定する試料の厚みによって変化する。共焦点長より薄い試料を測定する場合は、上記ΔＬ値は、ΔＬ＝√３・Ｉｃであることが最も好ましい。
【００６７】
このΔＬの値は、検出光の焦点位置と励起光の焦点位置の差を表しているので、検出光の焦点距離が励起光の焦点距離よりも長い場合であっても、短い場合であっても同じ結果になる。
【００６８】
光ファイバーの先端を球形等に加工してレンズとすれば、光ファイバーの先端にレンズを取り付けなくても励起光および検出光を絞ることが可能であるが、この場合、色収差がほとんどないために励起光と検出光の焦点位置がほぼ同じとなる。このため、熱レンズの信号がほとんど検出されないという問題がある。また、光ファイバー先端の加工によるレンズは他の収差が大きいので、励起光及び検出光の焦点が大きいという問題もある。したがって、本実施の形態では光ファイバー１０１の先端に屈折率分布型ロッドレンズ１０２が取り付けられている。
【００６９】
図２は、本発明の第２の実施の形態に係るマイクロ化学システムの概略構成を示す概略図である。
【００７０】
図２において、第２の実施の形態に係るマイクロ化学システムは、第１の実施の形態に係るマイクロ化学システムと同じ構成部材には同一の符合を付して説明を省略する。第２の実施の形態は、第１の実施の形態とは異なり、誘電体多層膜の干渉フィルター膜を屈折率分布型ロッドレンズ端面に形成させていない点、光ファイバーを伝搬してきた励起光及び検出光をコリメータ１１０によって一旦コリメートして、誘電体多層膜フィルター１１１で合波している点が異なる。
【００７１】
本実施の形態では、光ファイバー１０１を伝搬してきた励起光及び検出光を一旦コリメートして、誘電体多層膜フィルター１１１で合波しているため、第１の実施の形態のマイクロ化学システムに比して若干に２波長合波素子が大きくなるが、一旦コリメートしている光を合波するため光軸合わせが容易となり、より低損失の２波長合波素子を容易に作製できる。
【００７２】
【発明の効果】
以上詳細に説明したように、請求項１記載の光熱変換分光分析方法によれば、励起光と検出光とを２波長合波素子によって合波した後に、光ファイバー内をシングルモードで照射レンズまで伝搬するので、励起光と検出光とは常に同軸となる。また、励起光及び検出光は空間光として導かれる行程が皆無であるので、温度等の環境の変化による光軸のずれがない。このため、励起光と検出光との光軸を調整する必要がなく、ユーザの作業効率を向上できる。
【００７３】
請求項２記載の光熱変換分光分析方法によれば、２波長合波素子は、２つの屈折率分布型ロッドレンズの間に挟んで形成された誘電体多層膜フィルターによって励起光及び検出光の何れか一方を反射し、他方を透過して合波するので、２波長合波素子における損失が小さく、長時間の使用に対して安定である。このため、測定の感度および安定性を向上することができる。
【００７８】
請求項３記載のマイクロ化学システムによれば、合波された励起光及び検出光を伝搬する光ファイバーは励起光及び検出光双方をシングルモードで伝搬するものであるので、励起光及び検出光の焦点を小さく絞ることができ、もってより正確な測定ができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態に係るマイクロ化学システムの概略構成を示す概略図である。
【図２】本発明の第２の実施の形態に係るマイクロ化学システムの概略構成を示す概略図である。
【図３】熱レンズの原理説明する説明図である。
【図４】励起光の光軸方向（Ｚ方向）に関する熱レンズの形成位置と検出光の焦点位置の説明図であり、（ａ）は、対物レンズに色収差が有る場合を示し、（ｂ）は、対物レンズに色収差がない場合を示す。
【図５】励起光の光軸（Ｚ軸方向）に関する熱レンズの形成位置と検出光の焦点位置の説明図であり、（ａ）は、熱レンズが検出光の焦点位置よりも対物レンズ寄りに形成される場合、（ｂ）は、熱レンズが検出光の焦点位置よりも対物レンズから遠い位置に形成される場合を示す。
【図６】従来の光熱変換分析装置における熱レンズの屈折率の変化を検出する方法の説明図であり、光路の途中に凹レンズを入れて検出光を発散光とし、励起光の焦点距離位置よりも遠方に焦点位置が位置するようにした場合を示す
【符号の説明】
１０ 光ファイバー
２０ 流路付き板状部材
３０ 治具
１０１ 光ファイバー
１０２ 屈折率分布型ロッドレンズ
１０５ 励起光用光源
１０６ 検出光用光源
１０７ 励起光変調器
１０８ ２波長合波素子
１１０ コリメータ
１１１ 誘電体多層膜フィルター
１３１ 熱レンズ
２０１、２０２、 ２０３ ガラス基板
２０４ 流路
５０１，５０２ 屈折率分布型ロッドレンズ
５０３ 誘電体多層膜フィルター
５０５、５０８ 光ファイバー
５０６、５０７、５０９ 光ビーム
【発明の属する技術分野】
本発明は、光熱変換分光分析方法及びマイクロ化学システムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来から、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、化学反応を微小空間で行うための集積化技術が注目されており、精力的に研究が世界的に進められている。
【０００３】
このような集積化技術の１つとして、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は、小さなガラス基板等に形成した微細な流路の中で液中試料の混合、反応、分離、抽出、検出等を行うものである。このマイクロ化学システムで行われる反応の例としては、ジアゾ化反応、ニトロ化反応、抗原抗体反応などがある。また、抽出や分離の例としては、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】
上記の機能のうち、分離のみを目的としたものとしては、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、特開平８−１７８８９７号公報）。この電気泳動装置は互いに接合された２枚のガラス基板からなる流路付き板状部材を備えている。この部材は板状であるので、横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。
【０００５】
このようなマイクロ化学システムにおいては試料の量が微量であるので、高感度な検出方法が必須である。このような方法として、微細な流路内の液中試料が光を吸収することによって発生する熱レンズ効果を利用した光熱変換吸収分析法が確立されている。この光熱変換分光分析法は、試料に集光照射された光を試料中の溶質が吸収して熱エネルギーを放出し、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ことによって屈折率が変化し、もって熱レンズが形成される光熱変換効果を利用するものである。この光熱変換分光分析法によってマイクロ化学システムの実用化の道が開かれている。
【０００６】
図３は、熱レンズの原理を説明する説明図である。
【０００７】
図３において、顕微鏡の対物レンズを介して励起光を極微小な溶液中の試料に集光照射すると光熱変換効果が誘起される。多くの物質では温度上昇に伴い屈折率が小さくなるので、励起光が集光照射された試料は、温度上昇の大きい集光中心に近づくほど屈折率が小さくなる。すなわち、集光中心から離れるほど屈折率は相対的に大きい。これは、集光中心から離れるほど熱拡散によって温度上昇が小さくなるからである。この屈折率の分布は、光学的には、凹レンズと同じ効果を齎すので、この効果は熱レンズ効果と呼ばれている。この熱レンズ効果の大きさ、即ち凹レンズの度数は試料の光吸収度に比例する。なお、屈折率が温度に比例して大きくなる場合は、屈折率の変化は逆になるので凸レンズと同じ熱レンズ効果が生じる。
【０００８】
このように、光熱変換分光分析法は、試料を含む液体（試料溶液）における熱の拡散に起因する試料溶液の屈折率の変化を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。
【０００９】
上記光熱変換分光分析法を実行する光熱変換分光分析装置の一例が特開平１０−２３２２１０号公報に開示されている。
【００１０】
従来の光熱変換分光分析装置においては、流路付き板状部材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する。この励起光は顕微鏡の対物レンズにより流路付き板状部材の流路内の試料溶液に集光照射される。集光照射された励起光の焦点位置は溶液試料中に在り、この焦点位置を中心として熱レンズが形成される。
【００１１】
一方、検出光源からは、波長が励起光と異なる検出光が出力されて顕微鏡に入射する。顕微鏡内を通って出射される検出光は、励起光により試料溶液中に形成された熱レンズに集光照射され、試料溶液を透過して発散（熱レンズが凹レンズの効果を有する場合）又は集光（熱レンズが凸レンズの効果を有する場合）する。この試料溶液から発散又は集光して出射された光は信号光となる。この信号光は、集光レンズとフィルタ双方又はフィルタのみを経た後に検出器によって検出される。この検出された信号光の強度は、試料溶液において形成された熱レンズに応じたものになる。なお、検出光は励起光と同じ波長のものでもよく、また、励起光が検出光を兼ねることもできる。
【００１２】
このように、上記光熱変換分光分析装置においては、熱レンズは励起光の焦点位置に形成され、且つ形成された熱レンズの屈折率変化は、励起光と同じ波長又は異なる波長の検出光により検出される。
【００１３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、光熱変換分光分析装置は、光源や、測定部や検出部（光電変換部）の光学系等が複雑にシステムアップされていているので大型であり、可搬性に欠けている。このため、光熱変換分光分析装置を使用する場所や操作が限定されるという問題がある。
【００１４】
また、光熱変換分光分析装置は励起光及び検出光を空間光として試料まで導いているので、光源、ミラー、レンズ等の光学系の各部品が測定中に動いてしまうことを防止しなければならず、このためにそれらを固定するための堅固な定盤が必要である。さらに、温度等の環境の変化によって励起光および検出光の光軸がずれた場合に、そのずれを調整するための治具が必要である。これらも、光熱変換分光分析装置を大型にし、可搬性の欠けたものにする原因となっている。
【００１５】
また、光熱変換分光分析方法を用いるマイクロ化学システムにおいては、多くの場合に励起光の焦点位置が検出光の焦点位置と異なっていることが必要となる。図４は、励起光の光軸方向（Ｚ方向）に関する熱レンズの形成位置と検出光の焦点位置の説明図であり、（ａ）は、対物レンズに色収差が有る場合を示し、（ｂ）は、対物レンズに色収差がない場合を示す。
【００１６】
対物レンズ１３０に色収差が有る場合は、（ａ）に示すように、励起光の焦点位置１３２に熱レンズ１３１が形成されると共に、この焦点位置１３２からΔＬだけずれた位置に検出光の焦点位置１３３が形成されるので、熱レンズ１３１の屈折率の変化を検出光の焦点距離の変化として検出することができる。一方、対物レンズ１３０に色収差がない場合は、（ｂ）に示すように、検出光の焦点位置１３３は、励起光の焦点位置１３２に、即ち熱レンズ１３１の位置に、ほぼ一致する。このため、検出光には熱レンズ１３１による偏向が生じないので、熱レンズ１３１の屈折率の変化は検出できない。
【００１７】
しかしながら、顕微鏡の対物レンズは、通常、色収差がないように製造されているので、上記の理由により、検出光の焦点位置１３３は熱レンズ１３１の位置とほぼ一致する（（ｂ））。したがって、熱レンズ１３１の屈折率の変化は検出できない。このため、測定の度に、熱レンズ１３１が形成される試料の位置を、図５（ａ）又は（ｂ）に示すように、検出光の焦点位置１３３からずらしたり、図６に示すように、図示しないレンズを用いて検出光を若干に発散又は集光させて対物レンズ１３０に入射させることによって検出光の焦点位置１３３を熱レンズ１３１からずらしたりしなければならず、ユーザの作業効率が悪いという問題がある。
【００１８】
本発明の目的は、ユーザの作業効率を向上できるとともに測定感度の高い小型のマイクロ化学システムを提供することにある。
【００１９】
【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記載の光熱変換分光分析方法は、励起光及び検出光を照射レンズによって試料に照射して、前記励起光の照射を受けた試料によって生成される熱レンズを透過した前記検出光を検出する光熱変換分光分析方法において、波長の異なる２種類の光を合波する２波長合波素子まで前記励起光及び検出光を別個のファイバーによって伝搬し、前記２波長合波素子によって前記励起光及び検出光を合波した後に光ファイバー内をシングルモードで前記照射レンズまで伝搬することを特徴とする。
【００２０】
請求項１記載の光熱変換分光分析方法によれば、励起光と検出光とを２波長合波素子によって合波した後に、光ファイバー内をシングルモードで照射レンズまで伝搬するので、励起光と検出光とは常に同軸となる。また、励起光及び検出光は空間光として導かれる行程が皆無であるので、温度等の環境の変化による光軸のずれがない。このため、励起光と検出光との光軸を調整する必要がなく、ユーザの作業効率を向上できる。
【００２１】
請求項２記載の光熱変換分光分析方法は、請求項１記載の方法において、前記２波長合波素子は、２つの屈折率分布型ロッドレンズの間に挟んで形成された誘電体多層膜フィルターによって前記励起光及び検出光の何れか一方を反射し、他方を透過して合波することを特徴とする。
【００２２】
請求項２記載の光熱変換分光分析方法によれば、２波長合波素子は、２つの屈折率分布型ロッドレンズの間に挟んで形成された誘電体多層膜フィルターによって励起光及び検出光の何れか一方を反射し、他方を透過して合波するので、２波長合波素子における損失が小さく、長時間の使用に対して安定である。このため、測定の感度および安定性を向上することができる。
【００３１】
請求項３記載のマイクロ化学システムは、励起光を出力する励起光光源と、検出光を出力する検出光光源と、前記励起光及び前記検出光を合わせて導く誘導光学系と、該誘導光学系によって導かれた前記励起光及び前記検出光を試料に照射する照射レンズと、前記励起光の照射を受けた試料によって生成される熱レンズを透過した前記検出光を検出する検出手段とを備えるマイクロ化学システムにおいて、前記誘導光学系に配設され、前記励起光及び検出光を前記照射レンズまで別個に導く光ファイバーと、前記光ファイバー内を伝搬してきた前記励起光及び検出光を合波する２波長合波素子と、合波された前記励起光及び検出光を伝搬する光ファイバーとを備え、前記光ファイバーは、前記励起光及び前記検出光をシングルモードで伝搬するものであることを特徴とする。
【００３２】
請求項３記載のマイクロ化学システムによれば、合波された励起光及び検出光を伝搬する光ファイバーは励起光及び検出光双方をシングルモードで伝搬するものであるので、励起光及び検出光の焦点を小さく絞ることができ、もってより正確な測定ができる。
【００４１】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照しながら本発明の実施の形態に係るマイクロ化学システムを詳細に説明する。
【００４２】
図１は、本発明の第１の実施の形態に係るマイクロ化学システムの概略構成を示す概略図である。
【００４３】
図１において、マイクロ化学システムはレンズを内蔵する光ファイバー１０（以下レンズ付き光ファイバー１０）を備えている。光ファイバー１０は後端側（図面上では上側）に、励起光及び検出光をシングルモードで伝搬する光ファイバー１０１が挿入されており、この光ファイバー１０１の挿入端は屈折率分布型ロッドレンズ１０２の一端に接続されている。光ファイバー１０１の外径を屈折率分布型ロッドレンズ１０２の外径と同一にするために、屈折率分布型ロッドレンズ１０２の外径と同一の外径を有するフエルール１０３が光ファイバー１０１を囲むように設けられている。光ファイバー１０１はフエルール１０３によって固定されており、屈折率分布型ロッドレンズ１０２とフエルール１０３とはチューブ１０４内に固定されている。ここで、光ファイバー１０１と屈折率分布型ロッドレンズ１０２とは密着していてもよいし、隙間が有っても良い。このレンズ付き光ファイバー１０は出射光が後述する流路付き板状部材２０に垂直に入射する位置に治具３０によって固定されている。
【００４４】
屈折率分布型ロッドレンズ１０２は円柱状の透明なレンズであり、長手方向に延びる中心線位置から半径方向に屈折率が連続的に変化するものである。このようなロッドレンズは、中心線位置の屈折率をｎ0、２乗分布定数をｇとして、中心線位置から半径方向にｒの距離にある位置の屈折率ｎ（ｒ）が近似的にｒの２次方程式
ｎ（ｒ）＝ｎ0｛１−（ｇ2／２）・ｒ2｝
で表される集束性光伝送体として知られている。
【００４５】
屈折率分布型ロッドレンズ１０２は、その全長ｚ0を０＜ｚ0＜π／２ｇの範囲内で選択する場合、両端面が平坦でありながら通常の凸レンズと同じ結像性を有し、平行入射光線によって出射端より
ｓ0＝ｃｏｔ（ｇｚ0）／ｎ0ｇ
の位置に焦点が作られる。
【００４６】
このような屈折率分布型ロッドレンズ１０２は、例えば以下のような方法で製造される。
【００４７】
即ち、モル百分率でＳｉＯ2：５７〜６３％、Ｂ2Ｏ3：１７〜２３％、Ｎａ2Ｏ：５〜１７％、Ｔｌ2Ｏ：３〜１５％を主成分とするガラスロッドを形成した後、このガラスロッドを硝酸カリウム塩等のイオン交換媒体中で処理し、ガラス中のタリウムイオン及びナトリウムイオンとイオン交換媒体中のカリウムイオンとをイオン交換して、ガラスロッド内に中心から周辺に向けて連続的に低減する屈折率分布を与える。
【００４８】
屈折率分布型ロッドレンズ１０２の底面が平面であるので、光ファイバー端面を容易に取り付けることができるとともに、屈折率分布型ロッドレンズ１０２の光軸と光ファイバー１０１の光軸とを容易に一致させることができる。また、屈折率分布型ロッドレンズ１０２は円柱形であるのでレンズ付き光ファイバー１０も容易に円柱形にできる。これによって、治具３０よるレンズ付き光ファイバー１０の保持が極めて容易である。
【００４９】
光ファイバー１０１をシングルモードとしたのは、光熱変換分光分析方法を利用して試料中の微量な溶質を検出する場合、励起光をできるだけ小さく絞り、光熱変換に利用されるエネルギーを高くするととともに、励起光によって生成する熱レンズが収差の少ないレンズになることが望ましいからである。
【００５０】
この点、シングルモードの光ファイバー１０１から出射される光は常にガウス分布になるので、励起光の焦点が小さくなる。また、励起光によって生成された熱レンズが小さい場合、この熱レンズを透過する検出光の光量をできる限り多くするためには、検出光もできる限り小さく絞ることが望ましい。この点からも、光ファイバーは励起光及び検出光をシングルモードで伝搬するものであることが好ましい。
【００５１】
なお、光ファイバー１０１は励起光及び検出光を透過させるものであればどのようなものでも使用できるが、マルチモード光ファイバーを使用した場合は、出射光がガウス分布にならない上に、光ファイバー１０１の曲がり具合等の種々の条件によって出射パターンが変化するので、必ずしも安定な出射光が得られない。このため、微量な溶質の測定が困難になるとともに測定値が安定しない場合がある。したがって、上述のように光ファイバー１０１はシングルモードのものが好ましい。
【００５２】
光ファイバー１０１の挿入端とは反対側の端部近傍には、試料を励起するための励起光を出射する励起光用光源１０５、試料を分析等するために情報を検出するための検出光を出射する検出光用光源１０６、励起光を変調する変調器１０７、光ファイバー１０１に入射させる励起光と検出光とを合波するための２波長合波素子１０８が配設されている。
【００５３】
２波長合波素子１０８は２つの屈折率分布型ロッドレンズ５０１，５０２を有している。励起光用光源１０５は光ファイバー５０５によって屈折率分布型ロッドレンズ５０１の一端面（以下、入射側端面５０４）に接続されている。光ファイバー５０５は入射側端面５０４の中心からずれた位置に接続されている。この入射側端面５０４には上記した光ファイバー１０１の挿入端とは反対側の端部が接続されている。一方、検出光用光源１０６は光ファイバー５０８により、もう一方の屈折率分布型ロッドレンズ５０２の一端面に接続されている。光ファイバー５０８はこの一端面の中心からずれた位置に接続されている。
【００５４】
屈折率分布型ロッドレンズ５０１は、全長が異軸入射光ビームの蛇行周期の約１／４であり、入射側端面５０４とは異なる端面には誘電体多層膜から成る干渉フィルター膜５０３がスパッター等の成膜方法によって形成されている。この干渉フィルター膜５０３は光ファイバー５０５を伝搬して入射した励起光を反射する一方、光ファイバー５０８を伝搬してきた検出光を透過させる特性を有している。干渉フィルター膜５０３が形成された端面には屈折率分布型ロッドレンズ５０１とほぼ同じ全長の屈折率分布型ロッドレンズ５０２が接着によって固定されている。
【００５５】
このような２波長合波素子１０８では、励起光用光源１０５から光ファイバー５０５内を伝搬した励起光の出射光ビームが入射側端面５０４から屈折率分布型ロッドレンズ５０１内に入射する。出射光ビームは屈折率分布型ロッドレンズ５０１内を蛇行しながらビーム径が拡大する光ビーム５０６となり、干渉フィルター膜５０３に入射する。光ビーム５０６は干渉フィルター５０３で反射された後に光ビーム５０７となって光ファイバー１０１に入射する。
【００５６】
一方、光ファイバー５０８内を伝搬した検出光の出射光ビームが屈折率分布型ロッドレンズ５０２内に入射すると、蛇行しながらビーム径が拡大する光ビーム５０９となり、干渉フィルター膜５０３に入射する。光ビーム５０９は干渉フイルター５０３を透過した後に光ビーム５０７となって光ファイバー１０１に入射する。
【００５７】
以上のように、２波長合波素子１０８は２つの屈折率分布型ロッドレンズ５０１，５０２の間に誘電体多層膜の干渉フィルター膜５０３を挟む構成であるので、構成要素が少なく、また、全ての構成部品を固定できることから、２波長合波素子１０８における損失が小さく、長時間の使用に対して安定しているので、測定の感度および安定性を向上することができる。また、屈折率分布型ロッドレンズ５０１，５０２が極めて小型である上に、その端面間に誘電体多層膜フィルターを挟みこんでいるので２波長合波素子が極めて小型となるので、マイクロ化学システムを小型化できる。
【００５８】
このようにして合波されて光ファイバー１０１を伝搬してレンズ付き光ファイバー１０に入射し、屈折率分布型ロッドレンズ１０２から出射する出射光は流路付き板状部材２０に垂直に入射する。流路付き板状部材２０は検出するための試料を流す流路２０４を有しており、３層に重ねて接着されたガラス基板２０１、２０２、２０３から成る。ガラス基板２０２には混合、攪拌、合成、分離、抽出、検出等の際に試料を流す上記の流路２０４が形成されている。
【００５９】
この流路付き板状部材２０の材料は耐久性、耐薬品性の面からガラスが望ましく、さらに、細胞等の生体試料、例えばＤＮＡ解析用としての用途を考慮すると、耐酸性、耐アルカリ性の高いガラス、具体的には、硼珪酸ガラス、ソーダライムガラス、アルミノ硼珪酸ガラス、石英ガラス等が好ましい。しかし、用途を限定することによってプラスチック等の有機物を用いることができる。
【００６０】
ガラス基板２０１、２０２、２０３同士を接着させる接着剤には、例えば、紫外線硬化型、熱硬化型、２液硬化型のアクリル系、エポキシ系の有機接着剤、及び無機接着剤等がある。また、熱融着によってガラス基板２０１〜２０３同士を融着させてもよい。
【００６１】
流路付き板状部材２０を間に入れてレンズ付き光ファイバー１０に対向する位置には、検出光を検出するための光電変換器４０１、励起光と検出光とを分離して検出光のみを選択的に透過させる波長フィルタ４０３が配設されている。検出光の一部のみを選択的に透過させるためにピンホールが形成された部材のそのピンホールが検出光の光路上で且つ光電変換器４０１よりも上流の位置に位置するように配置してもよい。光電変換器４０１より得られた信号は、励起光を変調するために用いられた変調器１０７と同期させるためにロックインアンプ４０４に送られ、その後コンピューター４０５で解析される。
【００６２】
本発明の第１の実施の形態に係るマイクロ化学システムによれば、励起光及び検出光を合波するための２波長合波素子１０８が極めて小型の２つの屈折率分布型ロッドレンズ５０１，５０２から構成されているので、マイクロ化学システムを小型化できる。また、屈折率分布型ロッドレンズ１０２は、励起光及び検出光を伝搬する光ファイバー１０１の先端に取り付けられているので、測定毎に励起光と検出光との光軸及び屈折率分布型ロッドレンズ１０２の光軸を調整する必要が無い上に、光軸を合わせるために治具及び堅固な定盤が不用であり、もって、ユーザの作業効率が向上すると共にマイクロ化学システムを小型化できる。
【００６３】
屈折率分布型ロッドレンズ１０２の励起光の焦点位置は、流路付き板状部材２０の流路２０４の中に位置する必要がある。屈折率分布型ロッドレンズ１０２は流路付き板状部材２０に接触している必要はないが、接触させる場合は流路付き板状部材２０の上部ガラス板２０１の厚みで屈折率分布型ロッドレンズ１０２の焦点距離を調整できる。上部ガラス板２０１の厚みが足りない場合は、屈折率分布型ロッドレンズ１０２と上部ガラス板２０１との間に焦点距離を調整するためのスペーサーを入れてもよい。このように励起光の焦点位置を流路付き板状部材２０の流路２０４の中に固定しておく場合は焦点距離の調整も不要になるので、マイクロ化学システムをさらに小型化できる。
【００６４】
屈折率分布型ロッドレンズ１０２は、励起光の焦点位置に対して検出光の焦点位置がわずかにΔＬだけずれるように設定される（図５（ａ））。
【００６５】
Ｉｃは、共焦点長（ｎｍ）として、Ｉｃ＝π・（ｄ／２）2／λ1で計算される。ここで、ｄはｄ＝１．２２×λ1／ＮＡで計算されるエアリーディスクであり、λ1は励起光の波長（ｎｍ）であり、ＮＡは、屈折率分布型ロッドレンズ１０２の開口数である。光ファイバーを用いる場合は、光ファイバーの出射光の開口数が小さいため、大きな開口数を有するロンドレンズを用いたときの共焦点長の計算には光ファイバーの開口数を用いる必要がある。
【００６６】
上記ΔＬ値は、測定する試料の厚みによって変化する。共焦点長より薄い試料を測定する場合は、上記ΔＬ値は、ΔＬ＝√３・Ｉｃであることが最も好ましい。
【００６７】
このΔＬの値は、検出光の焦点位置と励起光の焦点位置の差を表しているので、検出光の焦点距離が励起光の焦点距離よりも長い場合であっても、短い場合であっても同じ結果になる。
【００６８】
光ファイバーの先端を球形等に加工してレンズとすれば、光ファイバーの先端にレンズを取り付けなくても励起光および検出光を絞ることが可能であるが、この場合、色収差がほとんどないために励起光と検出光の焦点位置がほぼ同じとなる。このため、熱レンズの信号がほとんど検出されないという問題がある。また、光ファイバー先端の加工によるレンズは他の収差が大きいので、励起光及び検出光の焦点が大きいという問題もある。したがって、本実施の形態では光ファイバー１０１の先端に屈折率分布型ロッドレンズ１０２が取り付けられている。
【００６９】
図２は、本発明の第２の実施の形態に係るマイクロ化学システムの概略構成を示す概略図である。
【００７０】
図２において、第２の実施の形態に係るマイクロ化学システムは、第１の実施の形態に係るマイクロ化学システムと同じ構成部材には同一の符合を付して説明を省略する。第２の実施の形態は、第１の実施の形態とは異なり、誘電体多層膜の干渉フィルター膜を屈折率分布型ロッドレンズ端面に形成させていない点、光ファイバーを伝搬してきた励起光及び検出光をコリメータ１１０によって一旦コリメートして、誘電体多層膜フィルター１１１で合波している点が異なる。
【００７１】
本実施の形態では、光ファイバー１０１を伝搬してきた励起光及び検出光を一旦コリメートして、誘電体多層膜フィルター１１１で合波しているため、第１の実施の形態のマイクロ化学システムに比して若干に２波長合波素子が大きくなるが、一旦コリメートしている光を合波するため光軸合わせが容易となり、より低損失の２波長合波素子を容易に作製できる。
【００７２】
【発明の効果】
以上詳細に説明したように、請求項１記載の光熱変換分光分析方法によれば、励起光と検出光とを２波長合波素子によって合波した後に、光ファイバー内をシングルモードで照射レンズまで伝搬するので、励起光と検出光とは常に同軸となる。また、励起光及び検出光は空間光として導かれる行程が皆無であるので、温度等の環境の変化による光軸のずれがない。このため、励起光と検出光との光軸を調整する必要がなく、ユーザの作業効率を向上できる。
【００７３】
請求項２記載の光熱変換分光分析方法によれば、２波長合波素子は、２つの屈折率分布型ロッドレンズの間に挟んで形成された誘電体多層膜フィルターによって励起光及び検出光の何れか一方を反射し、他方を透過して合波するので、２波長合波素子における損失が小さく、長時間の使用に対して安定である。このため、測定の感度および安定性を向上することができる。
【００７８】
請求項３記載のマイクロ化学システムによれば、合波された励起光及び検出光を伝搬する光ファイバーは励起光及び検出光双方をシングルモードで伝搬するものであるので、励起光及び検出光の焦点を小さく絞ることができ、もってより正確な測定ができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態に係るマイクロ化学システムの概略構成を示す概略図である。
【図２】本発明の第２の実施の形態に係るマイクロ化学システムの概略構成を示す概略図である。
【図３】熱レンズの原理説明する説明図である。
【図４】励起光の光軸方向（Ｚ方向）に関する熱レンズの形成位置と検出光の焦点位置の説明図であり、（ａ）は、対物レンズに色収差が有る場合を示し、（ｂ）は、対物レンズに色収差がない場合を示す。
【図５】励起光の光軸（Ｚ軸方向）に関する熱レンズの形成位置と検出光の焦点位置の説明図であり、（ａ）は、熱レンズが検出光の焦点位置よりも対物レンズ寄りに形成される場合、（ｂ）は、熱レンズが検出光の焦点位置よりも対物レンズから遠い位置に形成される場合を示す。
【図６】従来の光熱変換分析装置における熱レンズの屈折率の変化を検出する方法の説明図であり、光路の途中に凹レンズを入れて検出光を発散光とし、励起光の焦点距離位置よりも遠方に焦点位置が位置するようにした場合を示す
【符号の説明】
１０ 光ファイバー
２０ 流路付き板状部材
３０ 治具
１０１ 光ファイバー
１０２ 屈折率分布型ロッドレンズ
１０５ 励起光用光源
１０６ 検出光用光源
１０７ 励起光変調器
１０８ ２波長合波素子
１１０ コリメータ
１１１ 誘電体多層膜フィルター
１３１ 熱レンズ
２０１、２０２、 ２０３ ガラス基板
２０４ 流路
５０１，５０２ 屈折率分布型ロッドレンズ
５０３ 誘電体多層膜フィルター
５０５、５０８ 光ファイバー
５０６、５０７、５０９ 光ビーム
Claims (3)
- 励起光及び検出光を照射レンズによって試料に照射して、前記励起光の照射を受けた試料によって生成される熱レンズを透過した前記検出光を検出する光熱変換分光分析方法において、
波長の異なる２種類の光を合波する２波長合波素子まで前記励起光及び検出光を別個のファイバーによって伝搬し、前記２波長合波素子によって前記励起光及び検出光を合波した後に光ファイバー内をシングルモードで前記照射レンズまで伝搬することを特徴とする光熱変換分光分析法。 - 前記２波長合波素子は、２つの屈折率分布型ロッドレンズの間に挟んで形成された誘電体多層膜フィルターによって前記励起光及び検出光の何れか一方を反射し、他方を透過して合波することを特徴とする請求項１記載の光熱変換分光分析方法。
- 励起光を出力する励起光光源と、検出光を出力する検出光光源と、前記励起光及び前記検出光を合わせて導く誘導光学系と、該誘導光学系によって導かれた前記励起光及び前記検出光を試料に照射する照射レンズと、前記励起光の照射を受けた試料によって生成される熱レンズを透過した前記検出光を検出する検出手段とを備えるマイクロ化学システムにおいて、
前記誘導光学系に配設され、前記励起光及び検出光を前記照射レンズまで別個に導く光ファイバーと、
前記光ファイバー内を伝搬してきた前記励起光及び検出光を合波する２波長合波素子と、
合波された前記励起光及び検出光を伝搬する光ファイバーとを備え、
前記光ファイバーは、前記励起光及び検出光をシングルモードで伝搬するものであることを特徴とするマイクロ化学システム。
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