JP4371744B2 - 光学測定方法 - Google Patents

Description

本発明は、複数枚の基板の間に検出物質を含有する試料を注入する微細流路と、該微細流路に接続された検出部が形成されている光学測定用マイクロリアクターを用いた光学測定方法に関する。

最近、医療診断を患者の近傍で行うベッドサイド診断、大気や水や土壌中の環境汚染物
質のモニタリング、食品の安全性検査等現場において短時間に安価に診断したり分析する
技術のニーズは非常に高くなってきている。

例えば、従来高価且つ大型の装置を必要とした分析を、持ち運び可能な小型の分析装置
が代替することができれば、大病院にしか設置できなかった分析装置を開業医でも設置、
利用することが可能になり、診断結果を患者に簡便に且つ早期にフィードバックすること
が可能になる。又、高齢者の健康指標を高齢者の家族が測定し、その健康指標数値を在宅
管理したり、病院に定期的に送信して病院で管理することにより在宅医療環境がより優れ
たものとなる。

又、環境ホルモン、ダイオキシン等の環境汚染物質を、高価且つ大型装置を使用するこ
となく、簡易測定することができれば、簡単且つ安価に環境診断することができる。更に
、持ち運び可能な小型の分析装置を用いて現場で環境汚染物質を分析することができれば
、よりきめ細かい安全環境を供出することができる。

このような測定を簡易に行うためには、微量の試料で、高感度に分析検出が行えること
が必要である。そのために、キャピラリーガスクロマトグラフィー（ＣＧＣ）、キャピラ
リー液体クロマトグラフィー（ＣＬＣ）、誘導型プラズマ（ＩＣＰ）等で分離し、質量分
析計（ＭＳ）で検出するＧＣ−ＭＳ、ＬＣ−ＭＳ、ＩＣＰ−ＭＳ等が微量、高感度で分析
できる方法として広く使用されてきている。

しかしながら、これらの装置は高価で大掛かりな装置なので持ち運ぶことは困難であり
、所望の場所に設置するには、非常に高いコストがかかる為、上記のような幅広い医療診
断や環境診断のニーズには適合し得なかった。

これを、実際に現場を持ち運ぶ目的の製品形態としてなした例として、電気化学センサ
ー等の分析機構をマイクロリアクター中に備える形で幾つかの製品が開発されている。マ
イクロリアクターとは、掌サイズ程度のチップ内に、マイクロスケールの流体移送手段や
反応部等を含むものの総称であり、例えば、リアクター内部に幅０．１μｍ〜２０００μ
ｍ程度の微細流路を内包している。

マイクロリアクター内に電気化学センサーを備えた例として、例えばイオン選択性電極
、即ち、作用極上に形成した高分子膜の膜電位を計測することにより目的電解質イオンを
選択的に計測する電極が搭載されたものが挙げられる（例えば、特許文献１参照。）。
特開２０００−６５７９１号公報

上記マイクロリアクターでは、イオン選択性電極としてマイクロ電極を用いるとともに
、マイクロレベルの幅及び深さを有する流体移送用の流路を適宜使用することにより、掌
サイズの微小な分析システムを実現している。システムが非常に小さいため、持ち運びが
可能であり、大掛かりな測定装置を用いることなしに、微量成分を測定することが出来る
。

しかし、マイクロリアクターにおいては、微量の試料を用いて微量物質の測定をするの
であるから、電気化学センサーを用いて感度よく測定することはできなかった。

又、微量物質の測定方法としては紫外線吸収法、赤外線吸収法、蛍光分析法等の光学測
定方法が知られており、これらの光学測定方法をマイクロリアクターに適用することも可
能である。しかし、これらの光学測定方法においても、測定すべき微量物質の濃度は薄く
、光学的に利用可能な測定距離が短いので感度よく測定することはできなかった。

本発明の目的は、上記欠点に鑑み、非常に小型な光学測定用マイクロリアクターを用い
て、簡便に且つ濃度の薄い微量物質を感度よく測定することができる光学測定方法を提供
することにある。

請求項１記載の光学測定方法は、積層された上部基板と下部基板の間に検出物質を含有する試料を注入する微細流路と、互いに平行な平面である上側壁と下側壁、長さ方向（試料の流れ方向）の一対の相対する側壁及び幅方向の一対の相対する側壁よりなり、上部基板及び下部基板の１側面近傍から他側面近傍までの長さを有し、該微細流路に接続された検出部が形成されており、上部基板及び／又は下部基板の前記１側面に、平滑な光線入射面を有する突出部あるいはへこみ部が、光線入射面が上記検出部の上壁面又は下壁面に対して２０〜７０度になるように設けられている光学測定用マイクロリアクターの、微細通路から検出部に検出物質を含有する試料を注入し、突出部あるいはへこみ部の光線入射面に対し垂直に光線を入射することにより、上部基板及び／又は下部基板の前記１側面付近から他側面方向に、且つ、検出部の上側壁平面又は下側壁平面に対し非垂直方向から光線を入射し、上部基板の上面及び下部基板の下面で反射され、検出部を複数回横切った後、上部基板及び／又は下部基板の前記他側面から出光した光線を光学測定装置で受光して、検出物質を測定することを特徴とする。

上記光学測定用マイクロリアクターは、上部基板と下部基板が積層されて形成されるが、基板の素材は、光線透過性を有していれば、特に限定されるものではなく、例えば、従来から使用されてきている、ガラス、石英、シリコン等の無機材料が挙げられる。これら無機材料は精度、加工性等が優れており、例えば、半導体微細加工技術において広く用いられている光リソグラフィー技術を利用すれば、ガラスやシリコン基板上にミクロンオーダーの溝を自在に形成することができる。

しかしながら、光学測定用マイクロリアクターを大量に、容易に且つ安価に生産し、か
つ廃棄出来ることも重要である。このような場合、材料そのものが高価であるガラスやシ
リコンの使用は望ましいとはいえない。

又、医療の現場においては、ガラス製の製品を使う場合には、廃棄の際に適切な処理費
用を支払うことが義務付けられており、それ以外にも軽い、割れない等のメリットがあり
、さらには、転写金型を利用した射出成形やホットプレス成形を行うことにより、非常に
高い生産性にて表面に溝や孔を形成することが可能であることから、基板は高分子樹脂か
ら形成されるのが好ましい。

上記高分子樹脂の種類は、特に限定されるものではないが、加熱により簡単に表面加工
出来るという点では、熱可塑性樹脂が好ましく、例えば、ポリオレフィン系樹脂、ポリス
チレン系樹脂、ポリ乳酸系樹脂、ポリメチルメタクリレート樹脂、ポリカーボネート系樹
脂、熱可塑性飽和ノルボルネン樹脂、シクロオレフィン樹脂に代表される嵩高脂環式オレ
フィン樹脂等が挙げられる。

これらの高分子樹脂を用いる際には、その複屈折が問題となる場合がある。その抑制の
為に各種方法が知られているが、例を挙げると、負の配向複屈折を示すポリメチルメタク
リレート樹脂と正の配向複屈折を示すポリビニリデンフロライドをブレンドすることによ
り、複屈折を相殺するポリマーブレンドや、高分子樹脂中に炭酸ストロンチウム、シリカ
ナノ粒子、クレイなどの無機材料を分散させるナノコンポジット化が挙げられる。
等が挙げられる。

上記光学測定用マイクロリアクターは、検出部に光線が入射されるのであるから、光線
透過性が優れているのが好ましく、ポリメチルメタクリレート樹脂、ポリカーボネート樹
脂及び熱可塑性飽和ノルボルネン樹脂あるいはこれらをベースとしたポリマーブレンド、
ナノコンポジット化材料がより好ましい。

一方、熱硬化性樹脂は、加熱により可塑化して簡単に表面加工するという利点は有さな
いが、予め硬化剤等を混合した前駆体液を転写金型に導入しておき、その場硬化させるこ
とにより、樹脂表面を賦形することが可能である。

この場合、前駆体が液状のため、転写金型の形状をより忠実に転写するという利点があ
る。又、一般に、静的に硬化された樹脂は、低い線膨張率、低い成形収縮率を示すことか
らも、有利に用いることができる。このような熱硬化樹脂としては、コストや易取扱い性
の点から、エポキシ樹脂あるいはこれらをベースとしたナノコンポジット化材料を有利に
用いることができる。

上記基板は、１種類の素材単独で形成されてもよいし、２種類以上の素材で形成されて
もよい。又、検出部のみ光線透過性の優れた素材で構成し、他の部分を光線透過性の優れ
ていない素材で構成してもよい。尚、基板の屈折率は１．０５〜２．５０が好ましい。

上部基板と下部基板は積層され、上部基板と下部基板の間に検出物質を含有する試料を注入する微細流路と該微細流路に接続された検出部が形成されている。微細流路は、検出
物質を含有する試料が流動可能であることが必要であり、一般に、その幅及び深さは０．１〜２０００μｍが好ましい。

又、微細流路の試料の注入口と検出部の間に、検出物質の濃縮部（例えば、液体クロマ
トグラフカラム）が設置されてもよい。

上記検出部は、互いに平行な平面である上側壁と下側壁、長さ方向（試料の流れ方向）の一対の相対する側壁及び幅方向の一対の相対する側壁よりなり、突出部あるいはへこみ部の光線入射面に対し垂直に光線を入射することにより、上部基板及び下部基板の前記１側面付近から他側面方向に、且つ、検出部の上側壁平面又は下側壁平面に対し非垂直方向に入射した光線が、上部基板の上面及び下部基板の下面で反射され、検出部を複数回横切った後、上部基板及び／又は下部基板の他側面付近から出光するのであるから、上部基板及び下部基板の１側面近傍から他側面近傍までの長さを有しており、その平面形状は略長方形であるのが好ましい。

上部基板及び下部基板の１側面から検出部までの距離並びに上部基板及び下部基板の他側面から検出部までの距離が長いと、光線が入射された時と出光する時に基板材料による吸収が大きくなり測定精度が低下するので、近傍とは５ｍｍ以下が好ましく、より好ましくは１ｍｍ以下である。

又、上側壁及び下側壁は凹凸や屈曲面を有していると入射光線が乱反射して測定感度が
低下するので、上側壁及び下側壁は互いに平行な平面であり、且つ、基板の上面及び下面
に平行な平面であるのが好ましい。

上記微細流路が、基板の１側面側から検出部に接続されると、この基板の１側面付近か
ら光線を入射して測定する場合には、測定の邪魔になり測定感度が低下するので、微細流
路は、微細流路内の試料の流れ方向と、検出部内の試料の流れ方向が略垂直になるように
、検出部に接続されるのが好ましい。

又、接続部分に屈曲面があると入射光線が乱反射して測定感度が低下することがあるの
で、微細流路の側壁は互いに平行な平面であり、検出部の側壁と屈曲面を形成することな
く接続されるのが好ましい。

検出部の長さは、光学測定用マイクロリアクターの幅と略同一であり、一般に５ｍｍ〜５ｃｍが好ましく、検出部の幅及び深さ（検出部の上側壁と下側壁の距離）は、入射光線が光学測定用マイクロリアクターの上部基板及び／又は下部基板の１側面から他側面まで透過することができればよいので、一般に０．１〜２０００μｍが好ましい。

又、検出部の上側壁と上部基板の上面の間の距離あるいは検出部の下側壁と下部基板の下面の間の距離が、検出部の深さより相当大きくなると、光線が検出部内を通過する距離が短くなり、検出感度が低下する。その為、検出部の上側壁と上部基板の上面の間の距離あるいは検出部の下側壁と下部基板の下面との距離に対する検出部の深さは小さいほうが好ましく、検出部の深さと、検出部の上側壁と上部基板の上面又は検出部の下側壁と下部基板の下面との距離の比は１．１以上であることが好ましい。

又、上部基板と下部基板の間に検出部の出口側に接続された試料排出用微細通路が形成され、該試料排出用微細通路に廃液貯蔵部等が連結され、端部が廃液排出口又はガス抜き口となされていてもよい。

上記試料排出用微細流路が、基板の他端面側から検出部に接続されると、測定の邪魔に
なり測定感度が低下するので、試料排出用微細流路は、試料排出用微細流路内の試料の流
れ方向と、検出部内の試料の流れ方向が略垂直になるように、検出部に接続されるのが好
ましい。

又、接続部分に屈曲面があると入射光線が乱反射して測定感度が低下することがあるの
で、試料排出用微細流路の側壁は互いに平行な平面であり、検出部の側壁と屈曲面を形成
することなく接続されるのが好ましい。

試料排出用微細流路は、排出する試料が流動可能であることが必要であり、一般に、そ
の幅及び高さは０．１〜２０００μｍが好ましい。

上記光学測定用マイクロリアクターには、上部基板及び／又は下部基板の前記１側面に、平滑な光線入射面を有する突出部あるいはへこみ部が、光線入射面が上記検出部の上壁面又は下壁面に対して２０〜７０度になるように設けられており、本発明においては、上記光学測定用マイクロリアクターの微細通路から検出物質を含有する試料を注入し、突出部あるいはへこみ部の光線入射面に対し垂直に光線を入射することにより、上部基板及び／又は下部基板の１側面付近から他側面方向に、且つ、検出部の上側壁又は下側壁に対し非垂直方向から光線を入射し、上部基板の上面及び下部基板の下面で反射され、検出部を複数回横切った後、上部基板及び／又は下部基板の他側面付近から出光した光線を光学測定装置で受光して検出物質を測定する。

突出部あるいはへこみ部の光線入射面に対し垂直に光線を入射すると上部基板及び／又は下部基板の１側面付近から他側面方向に、且つ、検出部の上側壁平面又は下側壁平面に対し斜め方向に光線は入射され、光線は検出部内及び検出部の上側壁又は下側壁を通過し、上部基板の上面又は下部基板の下面で反射される。

反射された光線は検出部の上側壁又は下側壁を通過し、再度、検出部内及び検出部の下側壁又は上側壁を通過し、上部基板の上面又は下部基板の下面で反射され検出部内に返ってくる。光線は、この反射を繰り返して上部基板及び／又は下部基板の他側面に到達し、そこから出光する。

反射することにより、検出部中（試料中）を通過する光線の距離が長くなり、検出感度
が向上する。従って、検出部中（試料中）を通過する光線の距離は長いほど好ましいが、
光線の反射率、減衰等を考慮すると、光線が検出部を横切る総距離が、検出部の長さの１
．１倍以上にするのが好ましく、より好ましくは１．１５〜２．０倍である。

上記の検出部中（試料中）を通過する光線の距離を達成するには、光線を検出部の上側壁平面及び下側壁平面に対してできだけ鋭角で入射させるのが好ましい。この条件を達成するために、上記の突起部あるいはへこみ部の光線入射面は、上部基板の上面及び下部基板の下面に対して２０〜７０度である。

又、測定する際の温度が変化すると、測定結果が変動し、測定精度が低下するので、検
出部の温度を一定に制御して測定するのが好ましく、好ましい温度範囲は１５〜２５℃で
ある。温度を一定に制御する方法としては、例えば、恒温室で測定する方法、検出部の周
囲に周囲にヒーター、冷却装置等の微細温度制御装置を設置する方法等が挙げられる。

入射する光線としては、一般に光学測定で使用されている光線であれば、特に限定され
ず、例えば、紫外線、赤外線等が挙げられる。また出射する光線としては、入射光線以外
にも、入射光線により検出部中で発生した蛍光が挙げられる。

又、上部基板及び／又は下部基板の他側面から出光した光線を光学測定装置で受光して検出物質を測定するのであり、光学測定装置としては、照射された光線に従い、一般に光学測定で使用されている光学測定装置であれば、特に限定されず、例えば、紫外線吸収分析装置、赤外線分析装置、蛍光分析装置等が挙げられる。

次に、本発明の光学測定方法を図面を参照して説明する。図１は、本発明で使用される
光学測定用マイクロリアクターの一例を示す平面図であり、図２は光線の透過状態を示す
図１におけるＡ−Ａ部分断面図である。

図中１はポリメチルメタクリレート樹脂製の上部基板であり、２はポリメチルメタクリ
レート樹脂製の下部基板である。上部基板１及び下部基板２の長さは２ｃｍ、幅１ｃｍ、
厚さ０．７５ｍｍの板状体であり、微細流路３、検出部４及び試料排出用微細流路５を形
成するための溝が形成されており、両者を溝が当接されるように積層することにより光学
測定用マイクロリアクターが形成されている。

微細流路３は断面形状は、幅３００μｍ、深さ１０００μｍの長方形であり、その側壁
は上部基板１の上面１３及び下部基板２下面１４と垂直であり、且つ、上部基板１及び下
部基板２の側面１１と平行であって、側面１１と側面に近い側壁３２の間隔が１ｍｍにな
るように形成されている。

検出部４の平面形状は長さ８ｍｍ、幅１０００μｍの長方形であり、断面形状は幅１０
００μｍ、深さ１０００μｍの正方形である。その長さ方向の側壁４１、４２は上部基板
１の上面１３及び下部基板２下面１４と垂直であり、且つ、上部基板１及び下部基板２の
側面１１と垂直に形成され、幅方向の側壁４３、４４は上部基板１の上面１３及び下部基
板２下面１４と垂直であり、且つ、上部基板１及び下部基板２の側面１１と平行に形成さ
れており、微細流路３の長さ方向と検出部４長さ方向が垂直になるように形成されている
。

検出部４の上側壁４５は、上部基板１の上面１３と平行な平面であって、間隔が２５
０μｍになるように形成され、検出部４の下側壁４６は、下部基板２の下面１４と平行な
平面であって、間隔が２５０μｍになるように形成されている。

微細流路３は、上部基板１及び下部基板２の側面に近い側の側壁３２が、検出部４の上
部基板１及び下部基板２の側面１１に近い側の幅方向の側壁４３と面一なるように接続さ
れ、上部基板１及び下部基板２の側面１１に遠い側の側壁３３は、検出部４の長さ方向の
側壁４１に垂直に接続されている。又、微細流路３の反対側（上流側）には試料注入口３
１が穿設されている。

試料排出用微細流路５は断面形状は、幅３００μｍ、深さ１０００μｍの長方形であり
、その側壁は上部基板１の上面１３及び下部基板１４下面と垂直であり、且つ、上部基板
１及び下部基板２の他側面１２と平行であって、他側面１２と他側面に近い側壁５２の間
隔が１ｍｍになるように形成されている。

試料排出用微細流路５は、上部基板１及び下部基板２の他側面１２に近い側の側壁５２
が、検出部４の上部基板１及び下部基板２の他側面に近い側の幅方向の側壁４４（検出部
４の下流側の側壁）と面一なるように接続され、上部基板１及び下部基板２の他側面１２
に遠い側の側壁５３は、検出部４の長さ方向の側壁４１に垂直に接続されている。又、試
料排出用微細流路５の反対側（下流側）には試料排出口５１が穿設されている。

又、６は上部基板１の側面に形成された平滑な光線入射面６１を有する突出部であり、
光線入射面６１は上部基板１の側面１１に対して６０度の角度を有している。

従って、光線照射装置から光線Ｂを光線入射面６１に対し垂直に入射すると、光学測定
用マイクロリアクター内に入射された光線Ｃは検出部４の幅方向の側壁４３から検出部４
内に入射する。

入射された光線Ｃは検出部４内を横切って通過し、検出部４の下側壁４６から出光し、下部基板２の下面１４で反射され、再び検出部４の下側壁４６から検出部４に入射される。入射された光線Ｃは検出部４内を横切って通過し、検出部４の上側壁４５から出光し、上部基板１の上面１３で反射され、検出部４の上側壁４５から検出部４に入射される。

光線Ｃは、上記入射、出光、反射を繰り返し、検出部４の幅方向の側壁４４に到達し、
基板の他側面１２から出光するので、この出光した光線Ｃを光学測定装置で受光して測定
する。

尚、入射された光線Ｃは、「光線入射面６１の側面１１に対する角度」（上記の場合は
６０度）と略同一の角度で検出部４の上側壁４５及び下側壁４６に交差し、検出部４を複
数回横切るので光線を検出部４に対し平行に入射した場合よりも長い距離試料に照射され
た状態になり、感度よく検出することができる。

本発明の光学測定方法の構成は上述の通りであるから、非常に小型なマイクロリアクタ
ーを使用しているにもかかわらず、検出部に入射された光線は検出部を複数回横切るので
、検出する距離が実際の検出部よりも長くなり、濃度の薄い微量物質を感度よく検出する
ことができる。

次に本発明の実施例を説明するが、本発明は下記実施例に限定されるものではない。

（実施例１）
図１に示した光学測定用マイクロリアクターの試料注入口５１から濃度０．０１ｇ／
ｍｌのロイヤルブラック水溶液を注入し、ロイヤルブラック水溶液で微細流路３、検出部
４及び試料排出用微細流路５で充満した。

光線入射面６１に対し垂直に、ハロゲンータングステンランプ光源（オーシャンオプテ
ィクス社製、商品名「ＬＳ−１」）から光線を照射し、検出部４から出光した波長５００
ｎｍの光線を吸光光度計（オーシャンオプティクス社製、商品名「ＵＳＢ２００」）で受
光して吸光度を測定したところ１．５Ａｂｓであった。

（比較例１）
突出部６がない以外は同一の図１に示した光学測定用マイクロリアクターに、試料注入
口５１から０．０１ｇ／ｍｌロイヤルブラック水溶液を注入し、ロイヤルブラック溶液で
微細流路３、検出部４及び試料排出用微細流路５で充満した。

基板の側面から検出部４に対し平行に、ハロゲンータングステンランプ光源（オーシャ
ンオプティクス社製、商品名「ＬＳ−１」）から光線を照射し、検出部４から出光した波
長５００ｎｍの光線を吸光光度計（オーシャンオプティクス社製、商品名「ＵＳＢ２００
」）で受光して吸光度を測定したところ０．２Ａｂｓであった。

光学測定用マイクロリアクターの一例を示す平面図である。 光線の透過状況を示す、図１におけるＡ−Ａ部分断面図である。

符号の説明

１ 上部基板
２ 下部基板
３ 微細流路
４ 検出部
４５ 上側壁
４６ 下側壁
５ 試料排出用微細流路
６ 突出部
６１ 光線入射面

Claims (9)

1. 積層された上部基板と下部基板の間に検出物質を含有する試料を注入する微細流路と、互いに平行な平面である上側壁と下側壁、長さ方向（試料の流れ方向）の一対の相対する側壁及び幅方向の一対の相対する側壁よりなり、上部基板及び下部基板の１側面近傍から他側面近傍までの長さを有し、該微細流路に接続された検出部が形成されており、上部基板及び／又は下部基板の前記１側面に、平滑な光線入射面を有する突出部あるいはへこみ部が、光線入射面が上記検出部の上壁面又は下壁面に対して２０〜７０度になるように設けられている光学測定用マイクロリアクターの、微細通路から検出部に検出物質を含有する試料を注入し、突出部あるいはへこみ部の光線入射面に対し垂直に光線を入射することにより、上部基板及び／又は下部基板の前記１側面付近から他側面方向に、且つ、検出部の上側壁平面又は下側壁平面に対し非垂直方向から光線を入射し、上部基板の上面及び下部基板の下面で反射され、検出部を複数回横切った後、上部基板及び／又は下部基板の前記他側面から出光した光線を光学測定装置で受光して、検出物質を測定することを特徴とする光学測定方法。
2. 検出部の平面形状は略長方形であることを特徴とする請求項１記載の光学測定方法。
3. 微細流路の試料の流れ方向と、検出部の試料の流れ方向が略垂直になるように、微細流路と検出部が接続されていることを特徴とする請求項１又は２記載の光学測定方法。
4. 検出部の深さ（検出部の上側壁と下側壁の距離）と、検出部の上側壁と上部基板の上面との距離との比及び検出部の深さ（検出部の上側壁と下側壁の距離）と、検出部の下側壁と下部基板の下面との距離との比が１．１以上であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項記載の光学測定方法。
5. 検出部の幅方向の一対の相対する側壁が平面であることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１記載の光学測定方法。
6. 積層された上部基板と下部基板の間に試料排出用微細流路が形成されており、該試料排出用微細流路は、試料排出用微細流路内の試料の流れ方向と、検出部内の試料の流れ方向が略垂直になるように、検出部に接続されていることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項記載の光学測定方法。
7. 上部基板及び下部基板の屈折率が１．０５〜２．５０であることを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項記載の光学測定方法。
8. 光線が検出部を横切る総距離が、検出部の長さの１．１倍以上になるように、光線を入射することを特徴とする請求項１〜７のいずれか１項記載の光学測定方法。
9. 検出部の温度を一定に制御して測定することを特徴とする請求項１〜８のいずれか１項記載の光学測定方法。

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