JP6462251B2 - 機能性デバイス、分析システムおよび分析方法 - Google Patents

Description

本発明は、機能性デバイス、分析システムおよび分析方法に関する。

従来、マイクロスケールの微細空間は、混合・反応時間の短縮化、試料・試薬量の大幅な低減、小型デバイス化などを実現するものとして、診断・分析などの分野での利用が期待されている。例えば、数センチメートル角のガラス基板（マイクロチップ）上に、深さが数百μｍ以下の溝からなるマイクロチャネル（マイクロ流路）を形成し、このマイクロチャネルに化学システムを集積化することが行われている。

また、近年、ナノスケールの微細空間は、マイクロスケールの微細空間と比べて溶液物性が特異な性質を示すことから、ガラス基板上に、数十〜数百ｎｍのナノチャネル（ナノ流路、拡張ナノ流路）を形成し、このナノチャネルの特異な化学・物理的特性を利用して革新的な機能性デバイスを実現することが大きな注目を集めている。例えば、大きさが数十μｍの細胞一個の中のタンパク質などを、それよりも圧倒的に小さな空間である拡張ナノ空間で分析することで、これまでの多数細胞の平均では分からなかった各細胞固有の機能解析が可能となる。例えば、癌診断などを初期に発生した癌細胞一個で行うことなどが期待される。また、極微細空間であることを利用して分子一個で測定でき、超高感度な分析ツールになることも期待される。

ここで、マイクロチャネルやナノチャネルを備えた革新的な機能デバイスを実現するにあたり、その性能（物質量）を正確に捉えるための分析システムおよび分析手段を創作することも非常に重要である。

マイクロチャネル内の試料溶液に対しては、熱レンズ顕微鏡（ＴＬＭ）を用いることにより、試料溶液の分子濃度（多数の分子の個数平均）を高精度で測定することができる（例えば、特許文献１参照）。具体的に、熱レンズ顕微鏡１では、図１３に示すように、マイクロチャネル２内の試料溶液３中にビームスポット（ビームウエスト）が生じるように、励起光Ｓとプローブ光Ｐの２種類のレーザー光を試料溶液３にレンズを用いて、絞り込んで照射すると、励起光Ｓのビームスポットからの熱拡散によってプローブ光Ｐの光路に急勾配の温度分布が生成する。このとき、屈折率が温度変化と比例の関係にあるため、温度分布が光学的な凹レンズとして作用する熱レンズ４がマイクロチャネル２内に形成される。そして、試料溶液３の性質（分子３ａ濃度の大小）に応じて異なる屈折率の熱レンズ４が形成されるため、熱レンズ効果によって屈折した後のプローブ光Ｐの強度（シグナル）を捉えることで、試料溶液３の分子濃度を定量することができる。

一方で、チャネル内の試料溶液に対しては、深さが数十〜数百ｎｍのチャネル内では形成される熱レンズの大きさが光の波長よりも小さくなり、波長よりも小さいレンズでは原理的に光が屈折しないため、熱レンズ顕微鏡を用いて試料溶液の分子濃度を定量することができない。

これに対し、本発明者らは、熱レンズ顕微鏡に微分干渉（ＤＩＣ）観察法の原理を取り入れ、創意工夫を重ねることにより、チャネル内の試料溶液の分子濃度の定量に成功した。

具体的に、本願の発明者らによる微分干渉熱レンズ顕微鏡１’は、図１４に示すように、プローブ光Ｐをプリズム５で２本に分離し、一方のプローブ光Ｐ１を励起光Ｓとともにチャネル２’の試料溶液３にレンズ６を用いて絞り込んで照射する。これにより、励起光Ｓによる熱レンズ効果で、一方のプローブ光Ｐ１の光路の屈折率が試料溶液３の分子３ａ濃度の大小に応じて変化し、一方のプローブ光Ｐ１と、単に試料溶液３を透過した他方のプローブ光Ｐ２との間に、屈折率の違いに応じて位相差が生じる。そして、チャネル２’から出射した一方のプローブ光Ｐ１と他方のプローブ光Ｐ２をレンズ６及びプリズム７で干渉させて合成し、この一方のプローブ光Ｐ１と他方のプローブ光Ｐ２の位相差に応じた合成干渉波の強度（シグナル）を検出器８で検出する。このとき、一方のプローブ光Ｐ１と他方のプローブ光Ｐ２の位相差は試料溶液３の分子３ａ濃度に相関するため、チャネル２’内の試料溶液３に対しても、上記のように一方のプローブ光Ｐ１と他方のプローブ光Ｐ２を干渉合成したプローブ光の合成干渉波Ｐ３の強度を捉えることで、その分子３ａ濃度を定量することが可能になる（例えば、特許文献２参照）。

特開２００２−２９６２０７号公報 特開２０１４−２６１１１号公報

しかしながら、このような微分干渉熱レンズ顕微鏡は、高感度に試料の変化を分析することはできるが、複数の光学レンズおよびプリズムを必要とし小型化することが難しかった。また位相差は、熱レンズ効果以外にも光路長のずれ等によっても生じるため、光学系の設計を厳密に行う必要があった。そのため、簡便に設計すること及び小型化することができ、高感度に試料の変化を検出することができる新たな機能性デバイスおよび分析システムが強く望まれていた。またこれらの機能性デバイスの作製方法および分析システムを用いた検出方法も強く望まれていた。

本発明は、上記事情に鑑みなされたものであり、簡便に設計すること及び小型化することができ、高感度に試料の変化を検出することができる新たな機能性デバイスおよび分析システムを得ることを目的とする。またこれらの機能性デバイスの作製方法および分析システムを用いた分析方法を得ることを目的とする。

上記課題を解決するため、本発明は以下の手段を採用した。
（１）本発明の一態様にかかる機能性デバイスは、２つ以上の基板が接合されてなり、前記２つ以上の基板のうち、いずれかの基板の一面に形成された溝と他の基板の一面とで形成されたチャネルと、少なくとも２つの光導波路を有し、前記チャネルと少なくとも１つの前記光導波路とが平面視重なるようにいずれかの基板に配置されたマッハツェンダー型光導波路とを備える。

（２）上記（１）に記載された機能性デバイスは、前記チャネルと前記光導波路の最近接距離が０μｍ〜１００μｍであってもよい。

（３）本発明の一態様にかかる分析システムは、上記（１）または（２）のいずれかに記載された機能性デバイスと、前記マッハツェンダー型光導波路にプローブ光を入力するプローブ光源と、前記チャネルと前記光導波路とが平面視で重なる交点のうち、少なくとも一つの交点に熱を発生させる熱発生手段と、前記マッハツェンダー型光導波路の出力側で位相差に応じた合成干渉波の強度を計測する計測手段とを備える。

（４）本発明の一態様にかかる分析方法は、上記（１）または（２）のいずれかに記載された機能性デバイスの前記チャネルに試料を供給し、さらにマッハツェンダー型光導波路にプローブ光を入力する工程と、前記チャネル内を通過する試料内の対象物質により、前記チャネルと前記光導波路とが平面視で重なる交点のうち、少なくとも一つの交点に熱を発生させる工程と、前記励起光によって試料に発生した熱により光導波路を導波する光の位相を変化させ、生じた位相差に応じた合成干渉波の強度を出力側で計測する工程とを有する。

（５）本発明の一態様にかかる機能性デバイスの製造方法は、２つ以上の基板のうち、第１の基板の一面に溝を形成する工程と、前記第１の基板の内部または第２の基板の一面または内部に、少なくとも２つの光導波路を備えるマッハツェンダー型光導波路を形成する工程と、接合されるそれぞれ一対の基板のうち、少なくとも一方の基板の接合面をフッ素処理して親水性を調整する工程と、前記溝と少なくとも１つの前記光導波路が平面視で重なるように、前記２つ以上の基板を接合し、チャネルを形成する工程とを有する。

（６）本発明の一態様にかかる機能性デバイスの製造方法は、２つ以上の基板のうち、いずれかの基板の一面に溝を形成する工程と、前記溝が形成された基板を異なる別の基板と接合し、前記溝とその別の基板の接合面とでチャネルを形成すると共に、残りの基板を接合する工程と、前記いずれかの基板の内部に、前記チャネルと少なくとも１つの前記光導波路が平面視で重なるようにマッハツェンダー型光導波路を形成する工程とを有する。

本発明の一態様にかかる機能性デバイスは、チャネルと光導波路が平面視で重なるように配置されている。そのため、チャネル中の試料の熱変化をマッハツェンダー型光導波路が位相差として出力するため、使用する度に光学系を厳密に設計する必要が無い。またデバイスとして設計されているため、使用に伴う光学系のずれも発生しない。

本発明の一態様にかかる分析システムは、機能性デバイスと、マッハツェンダー型光導波路にプローブ光を入力するプローブ光源と、チャネルと光導波路とが平面視で重なる交点のうち、少なくとも一つの交点に熱を発生させる熱発生手段と、マッハツェンダー型光導波路の出力側で位相差に応じた合成干渉波の強度を計測する計測手段とを備える。マッハツェンダー型光導波路によりチャネル内の変化を位相差という形で検出するため、種々の光学レンズ・プリズム等を必要とせず、分析システム全体を小型化することができる。また熱発生手段として励起光源を用いる場合は、チャネルを通過する試料に照射することができればよく、特殊な設備を要しない。すなわち、安価な分析システムを実現することができる。

本発明の一態様にかかる分析方法は、チャネル内を通過する試料内の対象物質により、チャネルと光導波路とが平面視で重なる交点のうち、少なくとも一つの交点に熱を発生させる工程と、発生した熱により光導波路を導波する光の位相を変化させ、生じた位相差に応じた合成干渉波の強度を出力側で計測する工程とを備える。すなわち、チャネルで発生した熱を位相差として出力しており、全く新しい分析方法を実現することができる。

本発明の一態様にかかる機能性デバイスの製造方法は、２つ以上の基板のうち、第１の基板の一面に溝を形成する工程と、前記第１の基板の内部または第２の基板の一面または内部に、少なくとも２つの光導波路を備えるマッハツェンダー型光導波路を形成する工程と、接合されるそれぞれ一対の基板のうち、少なくとも一方の基板の接合面をフッ素処理して親水性を調整する工程と、前記溝と少なくとも１つの前記光導波路が平面視で重なるように、前記２つ以上の基板を接合し、チャネルを形成する工程とを有する。接合面の親水性を調整することにより、それぞれの基板を低温で接合することができる。すなわち、光導波路が熱によるダメージを受けることを避けることができる。

本発明の一態様にかかる機能性デバイスの製造方法は、２つ以上の基板のうち、いずれかの基板の一面に溝を形成する工程と、前記溝が形成された基板を異なる別の基板と接合し、前記溝とその別の基板の接合面とでチャネルを形成すると共に、残りの基板を接合する工程と、前記いずれかの基板の内部に、前記チャネルと少なくとも１つの前記光導波路が平面視で重なるようにマッハツェンダー型光導波路を形成する工程とを有する。基板を接合後にマッハツェンダー型光導波路を形成するため、光導波路が熱によるダメージを受けることを避けることができる。

本発明の一実施形態に係る機能性デバイスを模式的に示した鳥瞰模式図である。 本発明の一実施形態に係る機能性デバイスのＡ−Ａ面（図１）における断面を模式的に示した断面模式図である。 本発明の一実施形態に係る機能性デバイスのＡ−Ａ面（図１）における断面の他の例を模式的に示した断面模式図である。 本発明の一実施形態に係る機能性デバイスのＡ−Ａ面（図１）における断面の他の例を模式的に示した断面模式図である。 本発明の一実施形態に係る機能性デバイスのＡ−Ａ面（図１）における断面の他の例を模式的に示した断面模式図である。 本発明の一実施形態に係る分析システムの一例を模式的に示した鳥瞰模式図である。 本発明の一実施形態に係る分析システムの他の例を模式的に示した鳥瞰模式図である。 本発明の一実施形態に係る分析システムの他の例を模式的に示した鳥瞰模式図である。 本発明の第１実施形態に係る機能性デバイスの製造方法を模式的に示した図である。 本発明の第２実施形態に係る機能性デバイスの製造方法を模式的に示した図である。 本発明の第３実施形態に係る機能性デバイスの製造方法を模式的に示した図である。 本発明の一実施例において、試料濃度に対するマッハツェンダー型光導波路から出力される合成干渉波の強度を示す。 熱レンズ顕微鏡を示す図である。 微分干渉熱レンズ顕微鏡を示す図である。

以下、本発明を適用した機能性デバイス、機能性デバイスの製造方法、分析システムおよび分析方法について、図面を用いてその構成を説明する。以下の説明で用いる図面は、特徴をわかりやすくするために便宜上特徴となる部分を拡大して示している場合があり、各構成要素の寸法比率などは実際と同じであるとは限らない。以下の説明において例示される材料、寸法等は一例であって、本発明はそれらに限定されるものではなく、その要旨を変更しない範囲で適宜変更して実施することが可能である。

（機能性デバイス）
図１は、本発明の一実施形態に係る機能性デバイスを模式的に示した鳥瞰模式図である。機能性デバイス１００は、２つ以上の基板が接合されてなり、２つ以上の基板のうち、いずれかの基板の一面に形成された溝と他の基板の一面とで形成されたチャネル１０と、少なくとも２つの光導波路２１，２２を有し、チャネル１０と少なくとも１つの光導波路２１，２２とが平面視重なるようにいずれかの基板に配置されたマッハツェンダー型光導波路２０とを備える。図１では、２つの基板が接合されて機能性デバイスが形成されている場合を例示しているが、３つ以上の基板が接合されて機能性デバイスが形成されてもよい。
また、ここで「いずれかの基板に配置された」とは、いずれかの基板の内部および接合面を意味する。

チャネル１０は、中央部を間に左右の両側部側にそれぞれ、マイクロチャネル１２ａ，１２ｂ（マイクロ流路、マイクロスケールの微細流路）が形成されている。また、図１では、これら左右両側部側のマイクロチャネル１２ａ，１２ｂはそれぞれ、略Ｕ字状、略逆Ｕ字状に形成され、両端を側部側に配し、中央部を境に左右対称にして配置して形成されており、左右両側部側のマイクロチャネル１２ａ，１２ｂはそれぞれ、端部を外部に開口させて形成されている。
またこれらのマイクロチャネル１２ａ，１２ｂの中央部に、左右のマイクロチャネル１２ａ，１２ｂを連通させるようにして、直線状に延びるナノチャネル１１が形成されている。
ナノチャネル１１は、図１では１本としているが複数有していてもよい。一方のマイクロチャネル１２ａともう一方のマイクロチャネル１２ｂ間に圧力差を設けることでナノチャネル１１に試料を供給することができる。

ナノチャネル１１は、その高さまたは幅の少なくとも一方が、拡張ナノサイズであることが好ましい。ここで拡張ナノサイズとは１０ｎｍ〜１０００ｎｍまでのサイズを示す。このような拡張ナノサイズ空間では、光の波長より空間サイズが小さくなるため、上述のように回折現象を利用した微分干渉熱レンズ顕微鏡を用いないと、高感度な測定を行うことができなかった。しかしながら、本発明の機能デバイスを用いると、当該サイズのナノチャネル１１でも、微分干渉熱レンズ顕微鏡を用いずに高感度な測定を行うことを可能とするため、より好適に用いることができる。なお、ナノチャネル１１の長さは、必要に応じて適宜設計することができる。

ナノチャネル１１は、フェムトリットルからアトリットルの極めて小さな空間体積を有することが好ましい。例えば、当該機能性デバイスをイムノアッセイとして用いた場合、大きさが数十μｍの細胞一個中のタンパク質等と比較しても圧倒的に空間体積が小さく、多数細胞の平均ではわからなかった各細胞固有の機能解析が可能となる。また他にも、ナノチャネル１１のサイズが制御された空間でかつ比表面積が非常に高いため、クロマトグラフィを用いた高効率な分離操作も可能となる。

マッハツェンダー型光導波路２０は、複数の光導波路の光位相差を干渉させて、光の強度変調信号を得る。マッハツェンダー型光導波路２０は、少なくとも２つの光導波路を有し、例えば第１光導波路２１および第２光導波路２２を備える。これらの光導波路は、入力側で分岐する光分岐構造２３と、出力側で結合する光結合構造２４とをさらに有する。光分岐構造２３に入力した光は、第１光導波路２１および第２光導波路２２を導波する間に光の位相が変化し、光結合構造２４で再度合成される。光導波路は、その光の導波方向に垂直な面における断面が、高屈折領域を低屈折率領域で囲む構成となっている。高屈折領域を低屈折領域で囲むことにより、全反射により導波方向に光をロスすることなく導波することができる。

第１光導波路２１および第２光導波路２２の長さが同一で、かつ外部信号を印加しない場合、二つの光導波路間を導波する光の位相差はゼロとなる。すなわち、光結合構造２４から出力される光は、同波調の光が重畳されるため最大となる。一方、例えば、第１光導波路２１および第２光導波路２２で導波する光の位相がπだけずれた場合は、光結合構造２４で合成された際にそれぞれの光が打ち消し合い、出力される光は最小となる。したがって、光結合構造２４から出力された信号を読み取ることで、二つの光導波路の位相差を検出することができる。

このため、第１光導波路２１と第２光導波路２２の光路長は同一であることが好ましい。位相差は、それぞれの光導波路において光が導波する距離によっても変化するため、この光の導波距離（光路長）を一定にしておくことで、不要な構成を必要としない。

また、図１では、光導波路が２つの場合を例示しているが、本発明は当該構成に限らない。位相差を検出するため、光導波路は少なくとも２つ必要であるが、より複数の光導波路を有していてもよい。

チャネル１０とマッハツェンダー型光導波路２０は、チャネル１０と少なくも２つの光導波路２１、２２が平面視で重なるように設けられている。
図２は、本発明の一実施形態に係る機能性デバイスのＡ−Ａ面（図１）における断面を模式的に示した断面模式図である。図２で示すように、ナノチャネル１１とマッハツェンダー型光導波路２０は、同一平面上には存在しない。このとき、ナノチャネル１１と光導波路２１、２２の最近接距離は０μｍ〜１００μｍであることが好ましい。また、０μｍ〜５０μｍであることがより好ましく、０μｍ〜３０μｍであることがさらに好ましい。
光導波路２１、２２は、ナノチャネル１１の熱変化によって屈折率が変化する。位相差は、この屈折率変化によって生じる。そのため、ナノチャネル１１で発生した熱変化が十分伝わる距離に光導波路２１、２２を設けることで、ナノチャネル１１内を通過する試料の変化を高感度に検出することができる。

ここで、「熱変化が十分伝わる距離」について説明する。「熱変化が十分伝わる距離」は、与えられた熱が物質中を拡散する際にどこまで伝播することができるかを示す。一般に交流的に熱が与えられる場合、どこまでその波形が残るかの指標として熱拡散長が使用される。熱拡散長Ｌは以下の式（１）で表すことができる。ここで、Ｄは熱拡散定数で、ｆは励起光変調周波数を示す。

具体的には、例えばガラスの場合、Ｄ＝８．１×１０^−７ｍ^２ｓ^−１、ｆ＝３００Ｈｚとすると、このときの熱拡散長Ｌは２９μｍとなる。またＤ＝８．１×１０^−７ｍ^２ｓ^−１、ｆ＝１０００Ｈｚとすると、このときの熱拡散長Ｌは１６μｍとなる。

ここで、ナノチャネル１１と光導波路２１、２２の最近接距離は０μｍとは、ナノチャネル１１と光導波路２１，２２が接触していることを意味する。具体的には、例えば、第１基板に溝を形成する。もう一方の第２基板の表面に光導波路を形成する。この第１基板の溝を形成した面と、第２基板の光導波路が形成された面を接合すると、接合面と溝によりナノチャネル１１が形成される。この場合、図３に示すように、光導波路２０とナノチャネル１１は接触しているため、最近接距離が０μｍとなる場合が存在する。

また各光導波路間の最近接距離（具体的には図２における第１光導波路２１と第２光導波路２２間の最近接距離）は、０．５μｍ〜１０００μｍであることが好ましい。また１０μｍ〜１００μｍであることがより好ましく、１６μｍ〜５０μｍであることがさらに好ましい。
各光導波路間の最近接距離が近すぎると、ナノチャネル１１で生じる熱の影響を、本来影響を及ぼすべき光導波路以外のその他の光導波路にも与えてしまう。そのため、この光導波路間の最近接距離を離すことで、より高感度な検出を行うことができる。このような最近接距離は、従来のレンズによる光の分光では実現することが難しく、当該機能デバイスでより高感度な検出を実現できることを示している。そのため、各光導波路間の最近接距離は離れていることが好ましいが、各光導波路間の最近接距離が離れすぎると、デバイスが不要に大型化してしまうため好ましくない。

また図２では、第１光導波路２１と第２光導波路２２のナノチャネル１１に対する最近接距離は、同じ距離として図示しているが、本発明は当該構成に限られない。

ここで、本発明の機能性デバイスは必ずしも、一方の基板にナノチャネル１１を形成し、もう一方の基板にマッハツェンダー型光導波路２０を形成する必要はない。例えば、図４に示すように、一方の基板の表面にナノチャネル１１、その内部にマッハツェンダー型光導波路２０を形成し、もう一方の基板でナノチャネル１１に蓋をすることで、チャネルを形成し、試料を通過可能とする構成でもよい。また図５で示すように、２枚以上の複数の基板で機能性デバイスを形成してもよい。

（分析システム）
本発明の分析システムは、上述の機能性デバイス１００と、マッハツェンダー型光導波路２０にプローブ光を入力するプローブ光源２００と、チャネル１０と光導波路２１，２２とが平面視で重なる交点Ｃ１，Ｃ２のうち、少なくとも一つの交点Ｃ１に熱を発生させる熱発生手段３００と、マッハツェンダー型光導波路２０の出力側で位相差に応じた合成干渉波の強度を計測する計測手段４００とを備える。またチャネル１０には、試料供給手段５００から圧力を印加して試料Ｓを供給することができる。

図６は、本発明の一実施形態に係る分析システムを模式的に示した鳥瞰模式図である。
分析システム１０００は、チャネル１０内に導入された試料Ｓの有無や濃度を分析できるシステムである。分析システム１０００は、マッハツェンダー型光導波路２０によりナノチャネル１１内の変化を位相差という形で出力するため、種々の光学レンズ等を必要とせず、分析システム１０００全体を小型化することができる。この分析システム１０００を用いることで、例えばナノチャネル１１内を通過する試料の濃度や変化を経時的に検出することができる。またナノチャネル１１内に抗体を配設し、そのナノチャネル１１内に試料Ｓを導入することで、試料Ｓ内に特定の抗原の存在の有無を検出するイムノアッセイシステムとして機能することもできる。

チャネル１０は、図６に示すように、一方のマイクロチャネル１２ａから試料Ｓが注入され、他方のマイクロチャネル１２ｂへ向かう際に、ナノチャネル１１内を通過できる構成となっている。ナノチャネル１１内を通過させる試料Ｓは、液体でも気体でもよい。
試料Ｓが気体の場合は、一方のマイクロチャネル１２ａに注入し、例えば他方のマイクロチャネル１２ｂ側から排気を行うことでナノチャネル１１内に試料Ｓを通過させることができる。
また試料Ｓが液体の場合、以下のような方法でナノチャネル１１内に試料Ｓを通過させることができる。一方のマイクロチャネル１２ａの一端から試料Ｓを注入し、もう一方の他端から排出する。また、もう一方のマイクロチャネル１２ｂの一端には洗浄バッファ（図視略）を注入し、もう一方の他端へ排出する。このとき、試料Ｓを注入する圧力と、洗浄バッファを注入する圧力を調整することで、ナノチャネル１１内に試料Ｓを通過させることができる。

またチャネル１０は、その製造方法は後述するが、一般に二つの基板の間に設けられる。このとき二つの基板は、特に限定されるものではなく、一般に用いられるものを利用することができる。なかでも、高強度、耐溶剤性、検出の為の光学的透明性の観点からガラス材料が好ましい。

またマッハツェンダー型光導波路２０には、プローブ光源２００からプローブ光が入力される。プローブ光源２００から入力されるプローブ光は一定の位相を維持できれば特に制限はないが、レーザー光を好適に用いることができる。この入力したプローブ光は、光分岐構造２３により分岐され、各光導波路を導波し、光結合構造２４で再度合成される。合成された光は、計測手段４００によって計測される。計測手段４００は、一般に用いられている、例えばオシロスコープやロックインアンプ等を用いることができる。

プローブ光源２００からマッハツェンダー型光導波路２０に入力した光は、光分岐構造２３で分岐された直後は同位相である。この分岐された光の一部は、試料Ｓ内の対象物質の有無または濃度等により発生する熱による影響を受けて位相が変化する。

このような試料Ｓ内の対象物質の有無または濃度等に従い、熱を発生する熱発生手段３００は、特に限定されない。例えば図６に示すように、励起光源等を用いることができる。励起光源から出力された励起光は、試料内を通過する対象物質を励起することができる。この対象物質は励起状態からの失活過程で熱を発生する。すなわち、試料内の対象物質の有無または濃度等に従い、発生する熱量が変化する。そのため、試料内の対象物質の有無または濃度等の情報を、光計測手段４００で合成干渉波という形で出力することができる。励起光源としては、例えばレーザー光等を用いることができ、励起光源から出力される励起光の波長は、試料Ｓ内の対象物質を励起させることができる波長を任意に設定することができる。励起光源３００は、チャネルを通過する試料に照射することができればよく、特殊な設備を要しない。すなわち、安価な分析システムを実現することができる。

また熱発生手段３００としては、図７に示すように外部電源を用い、チャネル１０に近接する電極３０１を形成してもよい。外部電源により電極３０１間に電圧を印加する。試料Ｓ内の対象物質がチャネル１０の交点Ｃ１を通過すると、その対象物質の有無または濃度等に従い、電極３０１間の抵抗値が変化する。この抵抗変化に伴い、チャネル１０の交点Ｃ１に発生する熱量が変化する。そのため、試料内の対象物質の有無または濃度等の情報を、光計測手段４００で合成干渉波という形で出力することができる。

また熱発生手段３００としては、図８に示すように、チャネル１０の交点Ｃ１に触媒、電極等を固定させることもできる。試料Ｓ内の対象物質がこれらと反応することにより熱が発生する。すなわち、試料内の対象物質の有無または濃度等に従い、発生する熱量が変化する。そのため、試料内の対象物質の有無または濃度等の情報を、光計測手段４００で合成干渉波という形で出力することができる。

（分析方法）
本発明の一実施形態に係る分析方法は、上述の機能性デバイスのチャネルに試料を供給し、さらにマッハツェンダー型光導波路にプローブ光を入力する工程と、チャネル内を通過する試料内の対象物質により、チャネルと光導波路とが平面視で重なる交点のうち、少なくとも一つの交点に熱を発生させる工程と、試料に発生した熱により光導波路を導波する光の位相を変化させ、生じた位相差に応じた合成干渉波の強度を出力側で計測する工程とを有する。

まず、本発明の一実施形態に係る検出方法では、まず準備段階として機能デバイスのチャネルに試料を供給し、マッハツェンダー型光導波路にプローブ光を入力する。試料の注入は前述の手段を用いて行うことができ、プローブ光も前述のものを用いることができる。

次に、チャネル内を通過する試料内の対象物質により、チャネルと光導波路とが平面視で重なる交点のうち、少なくとも一つの交点に熱を発生させる。熱を発生させる手段としては、図６で示すように励起光をチャネル内に照射してもよいし、図７で示すようにチャネルに近接する電極を用いてもよいし、図８に示すようにチャネル内の一部に触媒、電極等を設けてもよい。ここで、平面視で重なる交点とは、２点以上であれば特に限定されず、より複数の交点を有していてもよい。また複数の交点の内、少なくとも一つの交点で熱を発生させることができればよい。
ここで、「少なくとも一つ」には、全ての交点で熱を発生させる場合も当然含まれる。例えば、一つの交点には基準点を設定するための熱を発生させ、その他の交点にその基準点と比較可能な熱を発生させてもよい。
また「交点」とは、チャネルと光導波路が交差する一点を厳密に意味しておらず、チャネル内の試料が励起光の照射によって発生した熱が、伝播可能な程度の距離（熱拡散長）以内であれば、交点から多少ずれていても許容される。

最後に、試料に発生した熱により光導波路を導波する光の位相を変化させ、生じた位相差に応じた合成干渉波の強度を出力側で計測する。試料に発生した熱は伝播し、光導波路の屈折率を変化させる。一般に、光導波路にはシリコン等を用いることができるが、加熱により屈折率が変化すると、その加熱された箇所での光の伝搬速度が低下する。これに対し、励起光が照射されていない光導波路では屈折率変化が生じず、伝搬速度に変化も生じない。そのため、励起光により発生した熱の影響を受けた光導波路と、受けていない光導波路間で位相差が生じる。マッハツェンダー型光導波路の出力側では、この位相差に応じた合成干渉波が計測されるため、この合成干渉波の強度を計測することで、試料中の特定成分の存在の有無や濃度等を検出することができる。

以下に、図６を例に、具体的に説明する。
図６において、チャネル１０とマッハツェンダー型光導波路２０とが平面視で重なる交点Ｃ１，Ｃ２のうち、一方の交点Ｃ１のナノチャネル１１内を通過する試料Ｓに励起光が照射される。励起光は、例えば試料Ｓの特定の成分を励起できる波長が選択されている。試料Ｓに特定の成分が存在していると、励起光により特定の成分が励起され、その周囲の試料Ｓの温度が上昇する。この試料Ｓで発生した熱は周囲に伝播し、交点Ｃ１のナノチャネル１１下部に存在する第１光導波路２１まで伝播する。この熱により第１光導波路２１の屈折率が変化する。屈折率が変化すると、第１光導波路２１内を導波する光導波速度が変化し、第２導波路２２内を導波する光と位相差が生じる。したがって、出力される合成干渉波は位相差に合せて強度が変化する。
これに対し、試料Ｓ内に特定の成分が存在しない場合は、励起に伴う熱が発生しない。したがって、第１光導波路２１の屈折率変化も生じず、第１光導波路２１と第２光導波路２２間での位相差は生じない。
ここでは、試料Ｓ内に特定の成分の有無のみについて説明したが、特定の成分の濃度によっても生じる位相差が変化する。そのため、計測手段４００でマッハツェンダー型光導波路２０から出力された合成干渉波の強度を計測することで、特定の試料の存在の有無や、濃度の変化等を分析することができる。

（機能性デバイスの作製方法；第１実施形態）
本発明の第１実施形態にかかる機能性デバイスの製造方法は、２つ以上の基板のうち、第１の基板の一面に溝を形成する工程と、前記第１の基板の内部または第２の基板の一面または内部に、少なくとも２つの光導波路を備えるマッハツェンダー型光導波路を形成する工程と、接合されるそれぞれ一対の基板のうち、少なくとも一方の基板の接合面をフッ素処理して親水性を調整する工程と、前記溝と少なくとも１つの前記光導波路が平面視で重なるように、前記２つ以上の基板を接合し、チャネルを形成する工程とを有する。

以下、図９を用いて機能性デバイスの作製方法について具体的に説明する。第１の実施形態では二つの基板から機能性デバイスを作製する方法について説明する。
まず、第１の基板Ｐ１と第２の基板Ｐ２とを準備する。準備した第１の基板Ｐ１に溝Ｃを作製する。溝Ｃの作製方法は特に制限されるものではないが、基板の表面に、レーザー加工、エッチング加工など、適宜手段を用いて、そのサイズを適宜調整しながら形成する。

次に、第１の基板Ｐ１の内部または第２の基板Ｐ２の一面または内部に、少なくとも２つの光導波路を備えるマッハツェンダー型光導波路２０を作製する。マッハツェンダー型光導波路２０の作製方法は特に制限されるものではない。例えば、フォトリソグラフィーと薄膜蒸着を用いた方法や、Ｍ．Ｓａｋａｋｕｒａ，ｅｔ ａｌ，Ｏｐｔｉｃｓ Ｅｘｐｒｅｓｓ，１８，１２１３６−１２１４３（２０１０）に記載されたフェムト秒パルスレーザーを用いた方法等を用いることができる。
またここで図９（ｂ）に示すように、マッハツェンダー型光導波路２０は基板の片面の最表面に形成しても、基板の内部に形成してもよい。
また図９（ｂ）では、溝１０が形成された基板と異なる基板にマッハツェンダー型光導波路２０を作製しているが、同一基板の内部にマッハツェンダー型光導波路２０を形成してもよい。

次に、接合されるそれぞれ一対の基板のうち、少なくとも一方の基板の接合面をフッ素処理して親水性を調整する。二つの基板から機能性デバイスが形成される場合は、そのいずれかの一方の基板の接合面の親水性を調整すれば良い。
親水性を調整する工程として、基板の接合面をフッ素処理する。フッ素化処理は、種々の方法を用いることができ、例えば、酸素プラズマの照射と同時にフッ素（例えば、四フッ化メタン：ＣＦ_４）を供給することで行うことで実現することができる。このときの酸素プラズマ条件としては、例えば酸素圧力６０Ｐａ、２５０Ｗ、４０秒照射等を用いることができる。また親水化の程度としては、フッ素化処理を行った表面における水の接触角が１０°〜５０°になっていれば、十分親水化されているとみなすことができる。当該範囲の接触角を有していれば、接合後の接合強度を０．５Ｊ／ｍ^２以上とすることができ、十分な接合強度を得ることができる。
図９（ｃ）では、溝１０が形成された基板と、マッハツェンダー型光導波路を形成された基板の接合面両方に親水化処理として酸素プラズマＰを照射しているが、そのいずれか一方の接合面のみに親水化処理を行ってもよい。

次に、図９（ｄ）、（ｅ）に示すように、溝Ｃと少なくとも１つの前記光導波路が平面視で重なるように、前記２つ以上の基板Ｐ１，Ｐ２を接合し、チャネル１０を形成する。当該方法を用いることで、マッハツェンダー型光導波路２０が熱によりダメージを受けることを避けることができる。
接合時の加熱温度は、２５℃〜４００℃であることが好ましく、常温かもしくはそれに近い温度（２５℃〜１００℃）であることがより好ましい。当該温度範囲内であれば、マッハツェンダー型光導波路２０の光導波路を構成する材料（石英ガラス、シリコン、ポリマー類など）にダメージを与えずに接合することができる。これに対し、従来の熱融着法による基板接合では、温度が１０００℃以上となるため、光導波路部分がダメージを受けるため本発明の機能性デバイスを作製することはできない。
また接合時の加圧圧力は、１０００Ｎ〜５０００Ｎであることが好ましく、４０００Ｎ〜５０００Ｎであることがより好ましい。１０００Ｎ未満であると、十分な接合強度を維持することができない。接合面の最表面にチャネルを形成した場合は、そこを通過する試料が一部漏洩してしまう恐れも生じる。これに対し、５０００Ｎを超えると基板が破損してしまう恐れがある。
また加圧時間は、１時間〜１０時間であることが好ましく、９時間〜１０時間であることがより好ましい。当該範囲であれば接合強度を高くすることができる。

（機能性デバイスの作製方法；第２実施形態）
図１０は、機能性デバイスを３つの基板を用いて作製した場合を示す。
３つの基板を用いる場合は、図１０（ａ）に示すように、溝Ｃが形成された第１基板Ｐ１とマッハツェンダー型光導波路２０が形成された第２基板Ｐ２と、何も形成されていない第３基板Ｐ３を準備する。
３枚の基板からなる場合でも、溝Ｃを形成する工程と、マッハツェンダー型光導波路２０を形成する工程は、第１実施形態と同様に行うことができる。

次に、接合されるそれぞれ一対の基板のうち、少なくとも一方の基板の接合面をフッ素処理して親水性を調整する。このとき、３枚の基板からなる場合、接合される一対の基板は、第１基板Ｐ１と第３基板Ｐ３の組み合わせと、第２基板Ｐ２と第３基板Ｐ３の組み合わせがある。そのため、その接合面は、第１基板Ｐ１の一面Ｐ１ａと、第２基板の一面Ｐ２ｂと、第３基板の一面Ｐ３ａと、第３基板のもう一方の面Ｐ３ｂの４つがある。この場合、親水性を調整するのは、第１基板Ｐ１の一面Ｐ１ａおよび／または第３基板のもう一方の面Ｐ３ｂと、第２基板の一面Ｐ２ａおよび／または第３基板の一面Ｐ３ａとなる。
親水性の調整方法は、第１の実施形態と同様の方法を用いることができる。

図１０（ｂ）は接合後の機能性デバイスであり、溝Ｃと少なくとも１つの前記光導波路が平面視で重なるように接合されている。このとき第１基板Ｐ１に形成された溝Ｃは、何も形成されていない第３基板Ｐ３と接合することで、チャネル１０が形成される。

（機能性デバイスの作製方法；第３実施形態）
本発明の第３実施形態に係る機能性デバイスの作製方法は、２つ以上の基板のうち、いずれかの基板の一面に溝を形成する工程と、前記溝が形成された基板を異なる別の基板と接合し、前記溝とその別の基板の接合面とでチャネルを形成すると共に、残りの基板を接合する工程と、前記いずれかの基板の内部に、前記チャネルと少なくとも１つの前記光導波路が平面視で重なるようにマッハツェンダー型光導波路を形成する工程とを有する。

以下、図１１を用いて機能性デバイスの作製方法について具体的に説明する。
まず、二つ以上の基板を準備する。次に、図１１（ａ）に示すように、いずれかの基板に溝Ｃを作製する。溝Ｃの作製方法は特に制限されるものではないが、第１実施形態の機能性デバイスの作製方法と同一の方法を用いることができる。

次に、図１１（ｂ）に示すように、溝が形成された基板を異なる別の基板と接合しチャネル１０を形成する。このときの接合方法は、チャネルの形状が変化しなければ特に制限されず、上述のフッ素処理を用いた低温接合方法でも、加熱による熱融着方法でもよい。
また３枚以上の基板を用いる場合は、チャネル１０を形成すると共に、残りの基板を接合する。

最後に、図１１（ｃ）に示すように、いずれかの基板の内部に、チャネルＣと少なくとも１つの光導波路が平面視で重なるようにマッハツェンダー型光導波路２０を形成する。マッハツェンダー型光導波路２０の形成方法は、前述のフェムト秒パルスレーザーを用いた方法等を用いることができる。ここで、「いずれかの基板の内部」とは、３枚以上の基板からなる場合、いずれの基板の内部でもよく、その接合界面に形成してもよい。
フェムト秒パルスレーザーを用いたマッハツェンダー型光導波路２０の形成方法は、レーザーによる加工であるため、基板の外部からでも、基板内部の屈折率変化を起こすことができる。そのため、基板を接合後でも、外部からマッハツェンダー型光導波路２０を形成することができる。

以上、本発明の好ましい実施の形態について詳述したが、本発明は特定の実施の形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲内に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。

以下、本発明の実施例について説明する。なお、本発明は以下の実施例のみに限定されるものではない。

まず、一つの基板の表面に深さ数１００ｎｍ〜数μｍ、幅数１００ｎｍ〜数μｍの溝とその両端にＵ字型の溝とを、電子線リソグラフィー、フォトリソグラフィーおよびプラズマエッチングを用いて作製した。次に、異なる基板の内部に、光分岐構造で２つに分岐し、第１光導波路および第２光導波路を備えるマッハツェンダー型光導波路を作製した。次に、一方の基板のチャネル形成面に酸素プラズマを酸素圧力６０Ｐａ、２５０Ｗ、４０秒照射という条件で照射し、同時に四フッ化メタン：ＣＦ_４を供給した。このとき、酸素プラズマが照射された接合面の任意の１０点を測定した際の水接触角は１０°〜５０°だった。最後に、接合面を溝と光導波路が平面視で重なるように面接触させ、１００℃、５０００Ｎ、１０時間の条件で接合し、チャネルを形成して機能性デバイスを作製した。このとき、ナノチャネルと光導波路の最近接距離は２０μｍであった。

この作製した機能性デバイスのナノチャネルには、試料としてサンセットイエロー水溶液を試料濃度０ｍＭ、１ｍＭ，３ｍＭ，５ｍＭの条件でそれぞれ導入した。このナノチャネル内の試料に対して、コヒレント社のＳａｐｐｈｉｒｅを用い、波長４８８ｎｍの励起光を照射した。
このとき、マッハツェンダー型光導波路から出力される合成干渉波の強度を計測した。図１２は、試料濃度に対するマッハツェンダー型光導波路から出力される合成干渉波の強度を示す。合成干渉波の強度は、浜松ホトニクス社のアバランシェフォトダイオードを用いて計測した。縦軸は信号強度（μＶ）であり、横軸は試料の濃度（ｍＭ）である。

この結果、試料の濃度が高くなるに従い、信号強度が大きくなっていることがわかる。すなわち、試料濃度の変化を合成干渉波の強度として変換できることがわかる。
また当該合成波の強度は、試料から発生する熱と比例しており、試料が通過するナノチャネルから一定の距離に光導波路を配置すると、励起光によって発生した熱変化を適切にマッハツェンダー型光導波路から出力される合成干渉波として置き換えられていることがわかる。

１０…チャネル、１１…ナノチャネル、１２ａ，１２ｂ…マイクロチャネル、２０…マッハツェンダー型光導波路、２１…光導波路（第１光導波路）、２２…光導波路（第２光導波路）、２３…光分岐構造、２４…光結合構造、１００…機能性デバイス、２００…プローブ光源、３００…励起光源、４００…分析手段、５００…試料供給手段、１０００…検出システム、Ｓ…試料、Ｃ１，Ｃ２…交点、Ｐ…酸素プラズマ、Ｐ１…第１基板、Ｐ２…第２基板、Ｐ３…第３基板、Ｃ…溝

Claims (4)

1. ２つ以上の基板が接合されてなり、
   前記２つ以上の基板のうち、いずれかの基板の一面に形成された溝と他の基板の一面とで形成されたチャネルと、
   少なくとも２つの光導波路を有し、前記チャネルと少なくとも１つの前記光導波路とが平面視重なるようにいずれかの基板に配置されたマッハツェンダー型光導波路とを備え、
   前記チャネルは、少なくとも前記チャネルと前記光導波路とが平面視重なる位置において、前記２つ以上の基板により囲まれた閉空間内に形成されている、機能性デバイス。
2. 前記チャネルと前記光導波路の最近接距離が、０μｍ〜１００μｍであることを特徴とする請求項１に記載の機能性デバイス。
3. 請求項１または請求項２のいずれかに記載された機能性デバイスと、
   前記マッハツェンダー型光導波路にプローブ光を入力するプローブ光源と、
   前記チャネルと前記光導波路とが平面視で重なる交点のうち、少なくとも一つの交点に熱を発生させる熱発生手段と、
   前記マッハツェンダー型光導波路の出力側で位相差に応じた合成干渉波の強度を計測する計測手段とを備える分析システム。
4. 請求項１または請求項２のいずれかに記載された機能性デバイスの前記チャネルに試料を供給し、さらにマッハツェンダー型光導波路にプローブ光を入力する工程と、
   前記チャネル内を通過する試料内の対象物質により、前記チャネルと前記光導波路とが平面視で重なる交点のうち、少なくとも一つの交点に熱を発生させる工程と、
   前記発生した熱により光導波路を導波する光の位相を変化させ、生じた位相差に応じた合成干渉波の強度を出力側で計測する工程とを有する分析方法。

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