WO2003036279A1 - Systeme micro-chimique et procede spectroscopique de conversion photothermique - Google Patents

Systeme micro-chimique et procede spectroscopique de conversion photothermique Download PDF

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WO2003036279A1
WO2003036279A1 PCT/JP2002/009464 JP0209464W WO03036279A1 WO 2003036279 A1 WO2003036279 A1 WO 2003036279A1 JP 0209464 W JP0209464 W JP 0209464W WO 03036279 A1 WO03036279 A1 WO 03036279A1
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WO
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light
lens
excitation light
detection light
detection
Prior art date
Application number
PCT/JP2002/009464
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Jun Yamaguchi
Akihiko Hattori
Original Assignee
Nippon Sheet Glass Co., Ltd.
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
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Publication date
Application filed by Nippon Sheet Glass Co., Ltd. filed Critical Nippon Sheet Glass Co., Ltd.
Publication of WO2003036279A1 publication Critical patent/WO2003036279A1/ja
Priority to US10/830,284 priority Critical patent/US7339677B2/en

Links

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
    • G01N21/17—Systems in which incident light is modified in accordance with the properties of the material investigated
    • G01N21/171—Systems in which incident light is modified in accordance with the properties of the material investigated with calorimetric detection, e.g. with thermal lens detection

Definitions

  • the present invention relates to a micro-mouth chemical system and a photothermal conversion spectroscopic analysis method.
  • microchemical system performs mixing, reaction, separation, extraction, detection, etc. of a sample solution (liquid containing a sample) in a fine channel formed in a small glass substrate or the like.
  • reactions performed in this microchemical system include a diazotization reaction, a nitration reaction, and an antigen-antibody reaction.
  • extraction and separation include solvent extraction, electrophoretic separation, and column separation.
  • a microchemical system may use only a single function, such as for separation only, or a combination of multiple functions.
  • This electrophoresis apparatus includes a plate-like member with a flow path composed of two glass substrates bonded to each other. Since this member is plate-shaped, it can be used as a glass cabriolet tube with a circular or square cross section. It is harder to break and easier to handle.
  • Figure 3 is a diagram showing the principle of a thermal lens.
  • the magnitude of the thermal lens effect that is, the power of the concave lens is proportional to the light absorption of the sample solution.
  • the refractive index increases in proportion to the temperature, the change in the refractive index is reversed, so that a thermal lens effect that has the same effect as a convex lens is generated.
  • photothermal conversion spectroscopy is used to observe the change in the refractive index of a sample solution caused by the diffusion of heat in the sample solution, it is suitable for detecting the concentration of an extremely small sample. I have.
  • a plate member with a flow path is disposed below an objective lens of a microscope, and excitation light of a predetermined wavelength output from an excitation light source enters the microscope.
  • This excitation light is focused and irradiated on the sample solution in the flow path of the plate member with the flow path by the objective lens of the microscope.
  • the focal position of the focused excitation light is located in the sample solution, and a thermal lens is formed around this focal position.
  • the detection light source outputs detection light having a wavelength different from that of the excitation light and enters the microscope.
  • the detection light emitted through the microscope is focused and irradiated on the thermal lens formed in the sample solution by the excitation light, passes through the sample solution, and diverges (when the thermal lens has the effect of a concave lens).
  • light is condensed (when the thermal lens has the effect of a convex lens).
  • the light diverged or condensed from the sample solution and emitted serves as signal light.
  • This signal light is received by the detector after passing through both the condenser lens and the filter or only the filter, and is detected.
  • the intensity of the detected signal light depends on the refractive index of the thermal lens formed in the sample solution.
  • the detection light may have the same wavelength as the excitation light, and the excitation light may also serve as the detection light.
  • the thermal lens is formed at the focal position of the excitation light, and the change in the refractive index of the formed thermal lens is different from that of the excitation light. It is detected by detection light of the same wavelength or a different wavelength.
  • the photothermal conversion spectrometer described above is bulky and lacks portability because the light source, the optical system of the measurement unit and the detection unit (photoelectric conversion unit) and the like are complicatedly configured. For this reason, there is a problem that the place where the photothermal conversion spectrometer is installed and the operation of the device are limited, and further, there is a problem that the work efficiency of the user is poor.
  • the photothermal conversion spectrometer guides the excitation light and the detection light as spatial light to the sample solution, each component of the optical system such as the light source, mirror, and lens may move during the measurement. This requires a solid surface plate to secure them.
  • FIG. 4A and 4B are diagrams showing the position of the formation of the thermal lens and the focal position of the detection light in the traveling direction of the excitation light, and FIG. 4A shows the case where the objective lens has chromatic aberration. 4B shows the case where the objective lens has no chromatic aberration.
  • the thermal lens 13 1 is formed at the focal position 13 2 of the excitation light, and the focal position 13 2 Since the focal position 133 of the detection light is formed at a position shifted by ⁇ L, a change in the refractive index of the thermal lens 131 can be detected as a change in the focal length of the detection light.
  • the focal position 13 3 of the detection light is the thermal lens 13 3 formed at the focal position 13 2 of the excitation light. It almost matches the position of 1. For this reason, since the detection light does not undergo refraction by the thermal lens 131, a change in the refractive index of the thermal lens 131 cannot be detected.
  • the focus position 133 of the detection light is a thermal lens formed at the focus position of the excitation light. It almost coincides with the position of 13 1 (Fig. 4B). Therefore, a change in the refractive index of the thermal lens 13 1 cannot be detected. This Therefore, the position of the sample solution on which the thermal lens 13 1 is formed is shifted from the focal position 13 3 of the detection light as shown in FIG. 5A or FIG. As shown in Fig. 6, by using a lens (not shown) to slightly diverge or condense the detection light and make it incident on the objective lens 130, the focus position 133 of the detection light is heated. The lens must be displaced from the lens 13 1, and the sensitivity of the measurement may be sacrificed, and there is a problem that the user's working efficiency is poor.
  • An object of the present invention is to provide a microchemical system capable of performing measurement with high sensitivity, and a photothermal conversion spectroscopy method to be performed by the microchemical system.
  • An object of the present invention is to provide a small-sized microchemical system that can improve the performance. Disclosure of the invention
  • an excitation light source that outputs excitation light
  • a detection light source that outputs detection light
  • the excitation light and the detection light are combined.
  • An irradiating lens for irradiating the sample with the excitation light and the detection light guided by the guidance optics; and an illumination lens generated by the sample irradiated with the excitation light.
  • a microchemical system including: a detection unit that detects the detection light transmitted through the thermal lens; and an analysis unit that analyzes a sample based on the detected detection light.
  • a first light introducing optical fiber for introducing excitation light into the guiding optical system; and a second introducing light for introducing detection light emitted from the detection light source into the guiding optical system.
  • Optical fiber and the guidance A two-wavelength multiplexing element that is disposed in a scientific system, multiplexes the excitation light and the detection light introduced by the first and second introduction light fibers, and Guidance light for guiding excitation light and detection light to the illumination lens
  • a microchemical system provided with a light guiding optical fiber is provided.
  • the two-wavelength multiplexing device has a multilayer film that reflects or transmits light according to the wavelength of light, and the multilayer film transmits the reflected light and transmits the light. It is preferable that the wavelength of the light at the boundary with the excitation light is between the wavelength of the excitation light and the wavelength of the detection light.
  • the two-wavelength multiplexing element includes a dielectric multilayer film filter in which two gradient index rod lenses are connected in series, and the multilayer film is made of a dielectric on a connection surface. It is preferable that the figure is formed. In the first embodiment of the present invention, it is preferable that the dielectric multilayer filter is formed on a surface of the refractive index distribution type lens.
  • the guide light fiber propagates the excitation light and the detection light in a single mode.
  • the irradiation lens is fixed to an end of the guide light fiber from which the excitation light and the detection light are emitted.
  • the frequency of the detection light is different from the frequency of the excitation light, and the irradiation lens has chromatic aberration.
  • the irradiation lens is preferably a refractive index distribution type lens.
  • the gradient index lens is a cylindrical lens.
  • a sample is irradiated with excitation light and detection light via an irradiation lens, and heat generated by the sample irradiated with the excitation light is emitted. Detects the detection light transmitted through the lens and In the photothermal conversion spectroscopy method for analyzing a sample, the excitation light and the detection light are each converted into a two-wavelength multiplexing element that multiplexes two types of light having different wavelengths through a first and a second input optical fiber.
  • a photothermal conversion spectroscopy method in which the excitation light and the detection light that have been introduced and multiplexed by the two-wavelength multiplexing element are guided to the irradiation lens in a single mode by a guide light fiber.
  • the two-wavelength multiplexing element is configured such that the excitation light is generated by a dielectric multilayer filter formed between two refractive index distribution type lenses connected in series. It is preferable that one of the light and the detection light is reflected and the other is transmitted and multiplexed.
  • FIG. 1 is a diagram showing a schematic configuration of a microchemical system according to a first embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a diagram illustrating a schematic configuration of a microchemical system according to a second embodiment of the present invention.
  • Figure 3 is a diagram showing the principle of a thermal lens.
  • FIG. 4A and 4B are diagrams showing the formation position of the thermal lens and the focus position of the detection light in the traveling direction of the excitation light, and FIG. 4A shows the case where the objective lens has chromatic aberration. Indicates the case where the objective lens has no chromatic aberration.
  • FIGS. 5A and 5B are diagrams showing the formation position of the thermal lens and the focal position of the detection light in the traveling direction of the excitation light
  • FIG. 5A shows that the thermal lens is closer to the objective lens than the focal position of the detection light
  • FIG. 5B shows a case where the thermal lens is formed at a position farther from the objective lens than the focal position of the detection light
  • Fig. 6 is a diagram showing a method for detecting a change in the refractive index of a thermal lens in a conventional photothermal conversion analyzer. A concave lens is inserted in the middle of the optical path to make the detection light divergent light, and the focal length of the excitation light The focus position is located farther than This is the case where BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
  • FIG. 1 is a diagram showing a schematic configuration of a microchemical system according to a first embodiment of the present invention.
  • a microchemical system 1 includes an optical fiber unit 10 (hereinafter, an optical fiber unit 10) having a built-in lens.
  • the optical fiber unit 10 has a gradient index rod lens 102 as an objective lens at the front end side (the lower side in the drawing) of the tube 104.
  • an optical fiber 101 that propagates the excitation light and the detection light in a single mode from the rear end side (the upper side in the drawing) is inserted.
  • the input end of the optical fin 101 is connected to one end of a gradient index lens 102.
  • the optical fiber 10 is further provided with a refractive index distributed type lens 102 on the one end side of the refractive index distributed type lens 102 in the tube 104.
  • a ferrule 103 having the same outer diameter as the outer diameter is incorporated in the ferrule 103.
  • the outer diameter of the optical fiber 101 is determined by changing the outer diameter of the refractive index rod lens 102.
  • the optical fiber 101 is mounted so as to penetrate through the ferrule 103.
  • the optical fiber 101 is mounted so as to penetrate the ferrule 103. It is fixed by a ferrule 103, and the gradient index rod lens 102 and the ferrule 103 are fixed in a tube 104.
  • an optical fiber is used.
  • the optical fiber unit 1 may be in close contact with the refractive index type land lens 102 and may have a gap. 0 indicates that the emitted light is perpendicularly incident on the plate-like member with flow path 20 described later. Is fixed by a jig 30 at the position where the light beam travels.
  • the refractive index distribution rod lens 102 is a columnar transparent lens whose refractive index continuously changes in the radial direction from the center line extending in the longitudinal direction.
  • the refractive index n (r) at a position at a distance of r in the radial direction from the center line position is represented by n Q as the refractive index at the center line position and g as the square distribution constant.
  • n (r) n 0 I 1 one (2/2) ⁇ r 2
  • the refractive index distributed lens 102 has its total length z. Where 0 ⁇ z.
  • both end faces are flat but have the same image forming properties as a normal convex lens, and the parallel incident light focuses from the exit end.
  • Such a gradient index rod lens 102 is manufactured, for example, by the following method.
  • the glass port is treated in an ion-exchange medium such as nitric acid-reamed salt to remove the thallium ions in the glass.
  • an ion-exchange medium such as nitric acid-reamed salt to remove the thallium ions in the glass.
  • the ion exchange between the sodium ion and the potassium ion in the ion exchange medium results in a refractive index distribution that decreases continuously from the center to the periphery in the glass rod. In this way, a gradient index lens is manufactured.
  • the refractive index distribution type lens 102 Since the bottom surface of the refractive index distribution type lens 102 is flat, the end face of the optical fiber 101 can be easily attached, and the refractive index distribution type lens 1 It is possible to easily match the optical axis of the optical filter 02 with the optical axis of the optical filter 101.
  • the gradient index rod lens 102 is a circle. Since the optical fiber unit 10 is columnar, the optical fiber unit 10 can be easily formed into a cylindrical shape. This makes it extremely easy to hold the optical fiber unit 10 by the jig 30.
  • the single mode of the optical fiber 101 which has only one propagation mode, is different from the single mode in which excitation light can be generated when detecting a small amount of solute in a sample solution using photothermal conversion spectroscopy.
  • the aperture By reducing the aperture as much as possible, the energy used for photothermal conversion is increased, and the thermal lens generated by the excitation light is made a lens with less aberration.
  • the focal point of the excitation light becomes smaller.
  • the thermal lens generated by the excitation light it is desirable to narrow down the detection light as much as possible in order to increase the amount of detection light passing through this thermal lens as much as possible. . From this point, it is preferable that the optical fiber transmits the excitation light and the detection light in a single mode.
  • any optical fiber 101 can be used as long as it transmits the excitation light and the detection light.
  • the output light does not have a Gaussian distribution, and the output pattern of the output light depends on various conditions such as the degree of bending of the optical fiber 101. Because of the change, stable emitted light cannot always be obtained. For this reason, it may be difficult to measure a small amount of solute, and the measured value may not be stable ( therefore, as described above, the optical fiber 101 is preferably of a single mode).
  • an excitation light source 105 for emitting excitation light for exciting the sample solution, and for analyzing the sample solution, etc.
  • a detection light source 106 that emits detection light that irradiates the sample to detect information
  • a modulator 107 that modulates excitation light
  • an optical fiber 1 A two-wavelength multiplexing element 108 for multiplexing the excitation light and the detection light to be incident on 01 is provided.
  • the two-wavelength multiplexing element 500 has two gradient index rod lenses 501 and 502.
  • the refractive index rod lenses 501 and 502 have almost the same overall length.
  • the gradient index rod lenses 501 and 502 are fixed so that one end faces thereof are connected in series.
  • An interference filter film 503 described later is formed between the one end surfaces.
  • the excitation light source 105 is driven by an optical fiber 505 to one end face of the refractive index distribution type aperture lens 501 (hereinafter, the incident side). It is connected to the end face 504).
  • the optical fiber 505 is connected to a position shifted from the center of the incident side end face 504.
  • One end of the optical fiber 101 is connected to the incident side end face 504.
  • the detection light source 106 is connected to one end face of a refractive index distribution type aperture lens 502 by an optical fiber 508.
  • the optical fiber 508 is connected to a position shifted from the center of the one end face.
  • the total length of the refractive index distribution type lens 501 is about 1/4 of the meandering period of the off-axis incident light beam.
  • the above-described interference filter film 503 is formed of a dielectric multilayer film, and is formed by a film forming method such as sputtering. This interference filter film 503 reflects the excitation light propagating through the optical fiber 505 and reflects the detection light propagating through the optical fiber 508. have.
  • the outgoing light beam of the excitation light propagated through the optical fiber 505 from the excitation light source 105 is subjected to a refractive index distribution from the incident side end face 504. It is incident on the mold lens 501.
  • the emitted light beam becomes a light beam 506 whose beam diameter increases while meandering in the gradient index rod lens 501, and is incident on the interference filter film 503.
  • Light beam 5 0 6 is reflected by an interference filter ⁇ "503 and becomes a light beam 507, which is incident on an optical fiber 101.
  • the light beam 509 meanders and the beam diameter increases while meandering. Then, the light enters the interference filter film 503. The light beam 509 passes through the interference filter 503 and then becomes the light beam 507 and enters the optical fiber 101.
  • the two-wavelength multiplexing element 500 has the interference filter film 503 of the dielectric multilayer film between the two refractive index type aperture lenses 501 and 502. Since it is only sandwiched and fixed, the number of components is small, and all components can be fixed, so that the loss of pumping light and detection light in the two-wavelength multiplexer 500 is small. Stable for long-term use, improving measurement sensitivity and stability. Further, since the refractive index distribution type lens elements 501 and 502 can be extremely small, the two-wavelength multiplexing element becomes extremely small, and the microchemical system can be miniaturized.
  • the pump light and the detection light multiplexed by the two-wavelength multiplexing element 500 propagate through the optical fiber 101 and enter the optical fiber unit 10, where the refractive index distribution is obtained.
  • the light exits from the lens 102.
  • This emitted light is perpendicularly incident on the plate member 20 with the flow path.
  • the plate member 20 with a flow path has a flow path 204 through which the sample solution flows, and is made of glass substrates 201, 202, and 203 that are adhered in three layers.
  • the glass substrate 202 is provided with the above-mentioned flow path 204 through which the sample solution flows during mixing, stirring, synthesis, separation, extraction, detection, and the like.
  • the material of the plate member 20 with a flow path is desirably glass from the viewpoint of durability and chemical resistance.
  • glass having high acid resistance and alkali resistance specifically, borosilicate glass, soda lime glass, and aluminum Borosilicate glass, JT British glass Etc. are preferred.
  • JT British glass Etc. is preferred.
  • Adhesives for bonding the glass substrates 201, 202, and 203 to each other include, for example, UV-curable, thermosetting, two-liquid curable acrylic and epoxy-based organic adhesives. , And inorganic adhesives. Further, the glass substrates 201 to 203 may be fused to each other by heat fusion.
  • the photoelectric converter 401 for detecting the detection light separates the excitation light and the detection light.
  • a wavelength filter 403 for selectively transmitting only the detection light is provided.
  • the pinhole of the member in which the pinhole is formed is located on the optical path of the detection light and at a position upstream of the photoelectric converter 401. It may be arranged as follows. The signal obtained from the photoelectric converter 401 is sent to a lock-in amplifier 404 in order to synchronize with the modulator 107 used for modulating the pump light, and then transmitted to the lock amplifier 404. Analyzed (analyzed) by computer 405.
  • the two-wavelength multiplexing element 500 for multiplexing the excitation light and the detection light has two very small refractive index distributed rod lenses 5. Since it is composed of 0 1 and 502, the size of the micro chemical system can be reduced. Also, since the refractive index distribution type lens 102 is connected to the tip of the optical fiber 101 that propagates the excitation light and the detection light, the optical axis of the excitation light and the detection light is changed every measurement. It is not necessary to adjust the optical axis of the refractive index distributed type lens 102, and a jig for aligning the optical axis and a solid surface plate are not required. Efficiency is improved and the size of the microchemical system can be further reduced.
  • the focal position of the excitation light emitted from the gradient index rod lens 102 needs to be located in the channel 204 of the plate member 20 with a channel.
  • Refractive index The distributed lens 102 does not need to be in contact with the plate member 20 with the flow path, but if it does, it is bent by the thickness of the upper glass plate 201 of the plate member 20 with the flow path.
  • the focal length of the rate distribution type lens 102 can be adjusted. If the thickness of the upper glass plate 201 is not sufficient, a spacer for adjusting the focal length may be inserted between any of the gradient index aperture lens 102 and the upper glass plate 201. . If the focal position of the excitation light is fixed in the flow path 204 of the plate member 20 with a flow path in this manner, the focal length adjustment is not necessary, and the microchemical system is not required. 1 can be further miniaturized.
  • the refractive index rod lens 102 is set so that the focus position of the detection light slightly deviates by ⁇ L from the focus position of the excitation light (FIG. 4A).
  • SZXA! Is a near disk calculated by SNA, Z is the wavelength of the excitation light (nm), and NA is the refractive index distribution type aperture.
  • the numerical aperture of the drain 102 When an optical fiber is used, the numerical aperture of the light emitted from the optical fiber is small. Therefore, the optical fiber is used for calculating the confocal length when a land lens having a large numerical aperture is used. Use the numerical aperture of.
  • the above AL value varies depending on the thickness of the sample to be measured.
  • the value of ⁇ L represents the difference between the focal position of the detection light and the focal position of the excitation light
  • the value of ⁇ L can be used when the focal length of the detection light is longer than the focal length of the excitation light or shorter. The same result.
  • the tip of the optical fiber is processed into a spherical shape to form a lens, it is possible to narrow down the excitation light and detection light without attaching a lens to the tip of the optical fiber.
  • Excitation light and detection due to almost no chromatic aberration The respective focal positions of the light emission become substantially the same. Therefore, there is a problem that the signal of the thermal lens is hardly detected.
  • the lens formed by adding the tip of the optical fiber has another large aberration, so that there is a problem that the focus of the excitation light and the detection light is large. Therefore, in the present embodiment, the gradient index rod lens 102 is attached to the tip of the optical fiber 101.
  • FIG. 2 is a diagram showing a schematic configuration of a microphone chemical system according to the second embodiment of the present invention.
  • the microphone chemical system 2 according to the second embodiment has the same reference numerals as those of the microphone chemical system 1 according to the first embodiment. The description is omitted.
  • the two-wavelength multiplexing device 600 is different from the two-wavelength multiplexing device 500 of the microphone chemistry system 1 according to the first embodiment. I have.
  • the two-wavelength multiplexing element 600 has a two-wavelength multiplexing device in which an interference filter film of a dielectric multilayer film is interposed between the end faces of two gradient index load lenses 501 and 502. Instead of a configuration like the wave element 500, the excitation light and the detection light propagating through the optical fiber are collimated once by the collimator 110, and the dielectric The structure is such that the light is multiplexed by the multilayer filter 111.
  • the excitation light and the detection light that have propagated through the optical fiber 101 are collimated by the collimator 110. Since the light is multiplexed by the dielectric multilayer filter 111, the two-wavelength multiplexing element is slightly larger than that of the microchemical system of the first embodiment. However, since the collimated light is multiplexed, the optical axis can be easily aligned, and a two-wavelength multiplexing device with lower loss can be easily manufactured. Industrial applicability
  • the excitation light and the detection light are supplied to the guiding optical system by the first and second introduction light fibers, respectively. Since it is introduced, the excitation light and the detection light can be accurately introduced into the guiding optical system. After the excitation light and the detection light introduced into the guiding optical system are multiplexed by a two-wavelength multiplexing element and guided to the irradiation lens by a guiding light fiber, they are always coaxial with the excitation light and the detection light. Become. Further, since the excitation light and the detection light have no process of being guided as spatial light, there is no deviation of the optical axis due to a change in environment such as temperature. Therefore, measurement can be performed with high sensitivity.
  • the work efficiency of the user can be improved.
  • a jig for adjusting the optical axis is unnecessary, the size of the micro chemical system can be reduced.
  • the excitation light and the detection light are multiplexed using a two-wavelength multiplexing element that reflects or transmits light according to the wavelength of the light.
  • the miniaturization is easy, and the microchemical system can be further miniaturized.
  • the two-wavelength multiplexing element connects two refractive index distribution rod lenses, and reflects one of the excitation light and the detection light therebetween, and the other. Since it is formed with a dielectric multilayer filter that transmits light, it is extremely compact, and the microchemical system can be further miniaturized. Further, since the loss of the excitation light and the detection light in the two-wavelength multiplexing element is small and stable for long-time use, the sensitivity and stability of measurement can be improved.
  • the refractive index distribution type filter is formed on the surface of the refractive index distribution type lens. This eliminates the need for combining a dielectric multilayer filter separate from the rod lens with the gradient index rod lens, and can be easily manufactured. Further, since a jig for combining the refractive index distribution type lens and the dielectric multilayer film filter is not required, the microchemical system can be further miniaturized. In addition, the number of surfaces involved in the reflection is reduced, so that the loss of excitation light and detection light is smaller, and the sensitivity and stability of measurement can be further improved. .
  • the thermal lens generated by the excitation light becomes a lens with small aberration.
  • the irradiation lens is fixed to the end of the guide light fiber from which the excitation light and the detection light are emitted, all of the excitation light, the detection light, and the irradiation lens are used.
  • the optical axis is fixed. Therefore, more accurate measurement is possible.
  • the work efficiency of the user is further improved.
  • a jig for adjusting the optical axis is not required, the size of the microchemical system can be further reduced.
  • the frequency of the detection light is different from the frequency of the excitation light
  • the irradiation lens is a lens having chromatic aberration.
  • the micro chemical system can be further miniaturized.
  • the irradiation lens is a gradient index lens
  • the irradiation lens can be downsized. This can further reduce the size of the micro-mouth chemical system.
  • the gradient index lens is a cylindrical rod lens
  • the optical axis of the guide light fiber and the optical axis of the rod lens can be easily adjusted. It is easy to hold as well as easy to manufacture. Easy to manufacture and maintain.
  • the excitation light and the detection light multiplexed by the two-wavelength multiplexing element are converted by the induction light filter. Since the light propagates to the irradiation lens in single mode, the excitation light and the detection light are always coaxial.
  • the excitation light and the detection light have no process of being guided as spatial light, there is no deviation of the optical axis due to a change in environment such as temperature. Therefore, measurement can be performed with high sensitivity. Further, there is no need to adjust the optical axes of the excitation light and the detection light, and the work efficiency of the user can be improved.
  • the two-wavelength multiplexing element includes the excitation light and the excitation light by the dielectric multilayer filter formed between the two connected refractive index distribution type lens elements. Since either one of the detection lights is reflected and the other is transmitted and combined, the loss of the excitation light and the detection light in the two-wavelength multiplexing element is small, and the excitation light and the detection light can be used for a long time. Light is stable. For this reason, the sensitivity and stability of the measurement can be improved.

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Description

明 細 書 マイ ク ロ化学システム及ぴ光熱変換分光分析方法 技術分野
この発明は、 マイ ク 口化学システム及び光熱変換分光分析方法に関す る。 背景技術
従来から、 化学反応の高速性や微少量の試料での反応、 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。
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 な流路の中で試料溶液 （試料を含む液体） 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う反応の例と しては、 ジァゾ化反応、 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 能のみを使用しても よ く 、 また、 複数の機能を組み合わせて使用 しても よい。
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、 特開 平 8 — 1 7 8 8 9 7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ヤ ビラ リ チューブに 比べて破損しに く く 、 取り扱いが容易である。
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なので、 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 の試料溶液が光を吸収する こ とによ つ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、 試科溶液に集光照射された光を試料溶液中の溶質が吸収して熱エネルギ —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 つて試料溶液の屈折率が変化し、 も つ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 ィ ク 口化学システムの実用化の道が開かれている。
図 3 は、 熱レンズの原理を示す図である。
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少な試料溶 液に集光照射する 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溶液は、 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。 言い換え る と 、 集光中心から離れるほど屈折率は大き く なる。 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溶液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 じ効果を齋す熱レンズ効果が生じる。
このよ う に、 光熱変換分光分析法は、 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。
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 1 0— 2 3 2 2 1 0号公報に開示されている。
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試料溶液中に位置し、 この焦点位置を中心と して熱レンズが形成される。
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 しての働き をする。 この信号光は、 集光レン ズ及ぴフ ィ ルタの双方又はフィ ルタのみを経た後に検出器に受光され、 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 れた熱レンズの屈折率にに応じたものになる。 なお、 検出光は励起光と 同一の波長でも よ く 、 励起光が検出光を兼ねるこ と もできる。
この よ う に、 マイ ク ロ化学システムである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の変化は、 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。
しかしながら、 上記の光熱変換分光分析装置は、 光源、 測定部や検出 部 （光電変換.部） の光学系等が複雑に構成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設置する 場所や装置の操作が限定される という 問題があ り 、 延いては、 ユーザの 作業効率が悪いという 問題がある。 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 溶液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、 可搬性に欠けたものになる原因となっている。
また、 光熱変換分光分析方法を用いるマイ ク 口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 とが必要である。 図 4 A及び 4 Bは、 励起光の進行方向に関する熱レ ンズの形成位置と検出光の焦点位置を示す図であ り、 図 4 Aは、 対物レ ンズに色収差が有る場合を示し、 図 4 Bは、 対物レンズに色収差がない 場合を示す。
対物レンズ 1 3 0 に色収差が有る.場合は、 図 4 Aに示すよ う に、 励起 光の焦点位置 1 3 2 に熱レンズ 1 3 1 が形成される と共に、 この焦点位 置 1 3 2 から Δ Lだけずれた位置に検出光の焦点位置 1 3 3 が形成され るので、 熱レンズ 1 3 1 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 1 3 0 に色収差がない場合 は、 図 4 B に示すよ う に、 検出光の焦点位置 1 3 3 は、 励起光の焦点位 置 1 3 2 に形成される熱レンズ 1 3 1 の位置とほぼ一致する。このため、 検出光には熱レンズ 1 3 1 による屈折が起こ らないので、 熱レンズ 1 3 1 の屈折率の変化は検出できない。
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 1 3 3 は励起 光の焦点位置に形成される熱レンズ 1 3 1 の位置とほぼ一致する （図 4 B ) 。 したがって、 熱レンズ 1 3 1 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 1 3 1 が形成される試料溶液の位置を、 図 5 A又は図 5 Bに示すよ う に、 検出光の焦点位置 1 3 3 からずら した り 、 図 6 に示すよ う に、 不図示の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 1 3 0 に入射させる こ と によ って検出光の焦点 位置 1 3 3 を熱レンズ 1 3 1 からずら した り しなければならず、 測定の 感度が犠牲になるこ とが有り、 また、 ユーザの作業効率が悪いという 問 題がある。
本発明の目的は、 高い感度で測定ができ るマイ ク ロ化学システム及び このマイ ク ロ化学システムで実行する光熱変換分光分析方法を提供する こ と に有り 、 さ らには、 ユーザの作業効率を向上させる こ とができ る小 型のマイ ク ロ化学システムを提供する こ と にある。 発明の開示
上記目的を達成するために、 本発明の第 1 の態様によれば、 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、 当該誘導光学系によ 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ための照射レンズと - 前記励起光の照射を受けた試料によつ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、 前記検出された検出光に基づいて試 料を分析する分析手段と を備えるマイ ク ロ化学システムにおいて、 前記 励起光光源から出射された励起光を前記誘導光学系に導入する第 1 の導 入光フ ア イノ 一（light introducing optical fiber)と、 前記検出光光源から 出射された検出光を前記誘導光学系に導入する第 2 の導入光フ ァイバ一 と、 前記誘導光学系に配'設され、 前記第 1 及び第 2 の導入光フ ァ イバ一 によ って導入された前記励起光及び検出光を合波する 2波長合波素子と， 前記合波された励起光及び検出光を前記照射レンズまで誘導する誘導光 フ ア イノ 一 (light guiding optical fiber)と を備えるマイ ク ロ化学システム が提供される。
本発明の第 1 の態様において、 前記 2波長合波素子は、 光の波長に応 じて光を反射し又は透過させる多層膜を有し、 当該多層膜は、 前記反射 される光と透過される光との境界の光の波長が前記励起光の波長と前記 検出光の波長との間にあるこ とが好ま しい。
本発明の第 1 の態様において、 前記 2波長合波素子は、 2 つの屈折率 分布型ロ ッ ドレンズが直列に接続され、 接続面に前記多層膜が誘電体か らなる誘電体多層膜フ イ ルク一が形成されたものである こ とが好ま しい。 本発明の第 1 の態様において、 前記誘電体多層膜フ ィ ルタ一は前記屈 折率分布型口 ッ ドレンズの表面に形成されたこ と.が好ま しい。
前記誘導光ファ ィバーは、 前記励起光及び検出光をシングルモ一 ドで 伝搬する も のである こ とが好ま しい。
本発明の第 1 の態様において、 前記照射レ ンズは、 前記励起光及ぴ検 出光が出射する前記誘導光フ ァ イバ一の端部に固定されたこ とが好ま し い o
本発明の第 1 の態様において、 前記検出光の周波数は前記励起光の周 波数とは異な り 、 前記照射レンズは色収差を有する ものである こ とが好 ま しい。
本発明の第 1 の態棣において、 前記照射レ ンズは屈折率分布型レ ンズ である こ とが好ま しい。
本発明の第 1 の態様において、 前記屈折率分布型レンズは円柱状の口 ッ ドレンズである こ とが好ま しい。
上記目的を達成するために、 本発明の第 2 の態様によれば、 励起光及 ぴ検出光を照射レンズを介して試料に照射し、 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して試 料を分析する光熱変換分光分析方法において、 前記励起光及び検出光を 夫々第 1及び第 2の導入光ファイバ一によ り、 波長の異なる 2種類の光 を合波する 2波長合波素子に導入し、 当該 2波長合波素子によ って合波 した前記励起光及び検出光を誘導光ファィバーによ ってシングルモー ド で前記照射レンズまで誘導する光熱変換分光分析方法が提供される。 本発明の第 2の態様において、 前記 2波長合波素子は、 直列に接続さ れた 2 つの屈折率分布型口 ッ ドレンズの間に形成された誘電体多層膜フ ィルターによつ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が好ま しい。 図面の簡単な説明
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 略構成を示す図である。
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 略構成を示す図である。
図 3 は、 熱レンズの原理を示す図である。
図 4 A及び 4 Bは、 励起光の進行方向に関する熱レンズの形成位置と 検出光の焦点位置を示す図であり、 図 4 Aは、 対物レンズに色収差が有 る場合を示し、 図 4 Bは、 対物レンズに色収差がない場合を示す。
図 5 A及び 5 Bは、 励起光の進行方向に関する熱レンズの形成位置と 検出光の焦点位置を示す図であり、 図 5 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、 図 5 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 は、 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 検出する方法を示す図であり、 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。 発明を実施するための最良の形態
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。
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 略構成を示す図である。
図 1 において、 マイ ク ロ化学システム 1 はレンズを内蔵する光フ ア イ バーュニ ッ ト 1 0 (以下光フ ァイバ一ュニッ ト 1 0 ) を備えている。 光 フ ァ イ ノ 一 ュ ニ ッ ト 1 0 はチューブ 1 0 4 内の前端側 （図面上では下 側） に対物レンズと しての屈折率分布型ロ ッ ドレンズ 1 0 2 を有してお り 、 後端側 （図面上では上側） から励起光及び検出光をシングルモー ド で伝搬する光フ ァ イバ一 1 0 1 が揷入されている。 この光フ ァ イ ノ 一 1 0 1 の揷入端は屈折率分布型口 ッ ドレンズ 1 0 2 の一端に接続されてい る o
光フ ァ イバ一 1 0 には、 さ らに、 チュ ^"ブ 1 0 4 内で屈折率分布型口 ッ ドレンズ 1 0 2 の上記一端側に、 屈折率分布型口 ッ ドレンズ 1 0 2 の 外径と同一の外径を有する フエルール 1 0 3 が組み込まれている。 この フエルール 1 0 3 は、 光フ ァ イバ一 1 0 1 の外径を屈折率分布型ロ ッ ド レンズ 1 0 2 の外径と同一にするためのものであ り 、 光フ ァ イ ノ 一 · 1 0 1 はフェル一ル 1 0 3 を貫通する よ う に取り付けられている。 光フ アイ ノ ー 1 0 1 はフエルール 1 0 3 によ って固定されてお り、 屈折率分布型 ロ ッ ドレンズ 1 0 2 と フエルール 1 0 3 とはチューブ 1 0 4 内に固定さ れている。 ここで、 光フ ァ イバ一 1 0 1 と屈折率分布型ロ ン ドレンズ 1 0 2 とは密着していても よいし、 隙間が有っても よい。 この光フ ァ イバ 一ユニッ ト 1 0 は出射光が後述する流路付き板状部材 2 0 に垂直に入射 する位置に治具 3 0 によ って固定されている。
屈折率分布型ロ ッ ドレンズ 1 0 2 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 n Q、 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 ) = n 0 I 1 一 ( 2 / 2 ) · r 2 |
で表される集束性光伝送体と して知られている。
屈折率分布型ロ ン ドレ ンズ 1 0 2 は、 その全長 z 。 を 0 < z 。く ττ / 2 g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、 平行入射光線の焦点が出射端から、
S 0 = C O t K g Z o ) / R 0 g
の位置に作られる。
このよ う な屈折率分布型ロ ッ ドレンズ 1 0 2 は、 例えば以下のよ う な 方法で製造される。
即ち、 モル百分率で S i 0 2 ： 5 7 〜 6 3 %、 B 2 0 3 ： 1 7 〜 2 3 %、 N a 2 0 ： 5 〜 1 7 %、 T 1 2 0 ： 3 - 1 5 %を主成分とする両端面が 平坦なガラス口 ッ ドを形成した後、 このガラス 口 ッ ドを硝酸力 リ ゥム塩 等のィォン交換媒体中で処理し、 ガラス中のタ リ ウムイ オン及ぴナ ト リ ゥムイ オンとィ ォン交換媒体中のカ リ ウムイ オンとをィ ォン交換して、 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 生じさせる。 このよ う に して、屈折率分布型口 ッ ドレンズが製造される。 屈折率分布型口 ッ ドレンズ 1 0 2 の底面が平面であるので、 光フ アイ バー 1 0 1 の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 布型口 ッ ドレンズ 1 0 2 の光軸と光フ アイパー 1 0 1 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 1 0 2 は円 柱形であるので光フ ァ イバ一ュニ ッ ト 1 0 も容易に円柱形に形成する こ とができ る。 これによ つて、 治具 3 0 よる光フ ァ イバ一ュニ ッ ト 1 0 の 保持が極めて容易である。
光フ ァイバ一 1 0 1 を伝搬モー ドを 1 つ しか持たないシングルモー ド と したのは、 光熱変換分光分析方法を利用 して試料溶液中の微量な溶質 を検出する場合、 励起光をでき るだけ小さ く 絞る こ と によつて光熱変換 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 る熱レンズを収差の少ないレンズにするためである。
シングルモー ドの光フ ァ イバ一 1 0 1 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 ァイバ一は励起光及ぴ検出光をシングル モー ドで伝搬する ものが好ま しい。
なお、 光フ ァ イバ一 1 0 1 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。 しかしながら、 マルチモー ド光フ アイバーを使用 した場合は、 出射光がガウス分布にならない上に、 光フ ア イバ— 1 0 1 の曲がり具合等の種々の条件によ つて出射光の出射パタ 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 イバ一 1 0 1 はシングルモー ドのもの が好ま しい。
光フ ァ イバ一 1 0 1 の揷入端とは反対側の端部近傍には、 試料溶液を 励起するための励起光を出射する励起光光源 1 0 5、 試料溶液を分析等 するための情報を検出するために試料に照射する検出光を出射する検出 光光源 1 0 6 、 励起光を変調するための変調器 1 0 7、 光フ ァ イバ一 1 0 1 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 1 0 8 が配設されている。
2波長合波素子 5 0 0 は 2 つの屈折率分布型ロ ッ ドレ ンズ 5 0 1 , 5 0 2 を有している。 屈折率分布型ロ ッ ドレ ンズ 5 0 1， 5 0 2 はほぼ同 じ全長である。 屈折率分布型ロ ッ ドレンズ 5 0 1 , 5 0 2 は一端面同士 を合わせて直列に成る よ う に固着されている。 一端面同士の間には後述 する干渉フ ィ ルタ一膜 5 0 3が形成されている。 屈折率分布型口 ッ ドレ ンズ 5 0 1， 5 0 2励起光光源 1 0 5 は光フ ァ イバ一 5 0 5 によって屈 折率分布型口 ッ ドレンズ 5 0 1 の一端面 （以下、 入射側端面 5 0 4 ) に 接続されている。 光フ ァ イバ一 5 0 5 は入射側端面 5 0 4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 5 0 4 には上記した光フ ァ ィバー 1 0 1 の一端が接続されている。 一方、 検出光用光源 1 0 6 は光 フ ァ イバー 5 0 8 によ り 、 屈折率分布型口 ッ ドレ ンズ 5 0 2 の一端面に 接続されている。 光フ ァ イバ一 5 0 8 はこの一端面の中心からずれた位 置に接続されている。
屈折率分布型口 ッ ドレンズ 5 0 1 は、 全長が異軸入射光ビームの蛇行 周期の約 1 / 4 である。 上述した干渉フィ ルター膜 5 0 3 は誘電体の多 層膜から成り、 スパッ タ リ ング等の成膜方法によ って形成されている。 この干渉フ ィ ルタ 一膜 5 0 3 は光フ ァ イバ一 5 0 5 を伝搬して入射した 励起光を反射する一方、 光フ ァイバ一 5 0 8 を伝搬してきた検出光を透 過させる特性を有している。
このよ う な 2波長合波素子 5 0 0 では、 励起光光源 1 0 5 から光フ ァ ィバー 5 0 5 内を伝搬した励起光の出射光ビームが入射側端面 5 0 4か ら屈折率分布型口 ッ ドレ ンズ 5 0 1 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 5 0 1 内を蛇行しながら ビーム径が拡大する光ビ ーム 5 0 6 とな り 、 干渉フ ィ ルタ 一膜 5 0 3 に入射する。 光ビーム 5 0 6 は干渉フ ィ ルタ ^ " 5 0 3 で反射した後に光ビーム 5 0 7 となって光フ ア イバー 1 0 1 に入射する。
一方、 光フ ァ イバ一 5 0 8 内を伝搬した検出光の出射光ビームが屈折 率分布型口 ッ ドレンズ 5 0 2 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 5 0 9 と な り、 干渉フ ィ ルタ ー膜 5 0 3 に入射する。 光ビーム 5 0 9 は干渉フ ィ ルタ 一 5 0 3 を透過した後に光ビーム 5 0 7 となって光フ ァ イバ一 1 0 1 に入射する。
以上のよ う に、 2波長合波素子 5 0 0 は 2 つの屈折率分布型口 ッ ドレ ンズ 5 0 1， 5 0 2 の間に誘電体多層膜の干渉フ ィ ルタ ー膜 5 0 3 を挟 んで固着してあるだけなので、 構成部品が少な 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 5 0 0 における励起光及ぴ検 出光の損失が小さ く 、 長時間の使用に対して安定しているので、 測定の 感度および安定性が向上する。 また、 屈折率分布型口 ッ ドレンズ 5 0 1， 5 0 2 は極めて小型のものでよいので 2波長合波素子が極めて小型にな り 、 マイ ク ロ化学システムを小型化でき る。
この 2波長合波素子 5 0 0 に合波された励起光及び検出光は光フ ァ ィ ノ 一 1 0 1 を伝搬して光フ ァイバ一ュニッ ト 1 0 に入射し、 屈折率分布 型ロ ッ ドレンズ 1 0 2 から出射する。 この出射光は流路付き板状部材 2 0 に垂直に入射する。 流路付き板状部材 2 0 は試科溶液を流す流路 2 0 4 を有してお り 、 3層に重ねて接着されたガラス基板 2 0 1、 2 0 2、 2 0 3から成る。 ガラス基板 2 0 2 には混合、 攪拌、 合成、 分離、 抽出、 検出等の際に試料溶液を流す上記の流路 2 0 4が形成されている。
この流路付き板状部材 2 0 の材料は耐久性、 耐薬品性の面からガラス が望ま しい。 特に、 細胞等の生体試料、 例えば D N A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、 JT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 有機物を用いて製造したも のを使用する こ と もでき る。
ガラス基板 2 0 1、 2 0 2、 2 0 3 同士を接着させる接着剤には、 例 えば、 紫外線硕化型、 熱硬化型、 2 液硕化型のアク リ ル系及びエポキシ 系の有機接着 、 並びに無機接着剤等がある。 また、 熱融着によ ってガ ラス基板 2 0 1〜 2 0 3 同士を融着させても よい。
流路付き板状部材 2 0 を間に入れて光フ ァ ィバーュニ ッ ト 1 0 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 4 0 1 、 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 4 0 3 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 4 0 1 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 4 0 1 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 1 0 7 と同期させるためにロ ッ ク イ ンア ンプ 4 0 4 に送られ、 その後コ ンピュータ一 4 0 5 で解析 （分析） される。
本実施の形態に係るマイ ク 口化学システム 1 によれば、 励起光及ぴ検 出光を合波するための 2波長合波素子 5 0 0が極めて小型の 2 つの屈折 率分布型ロ ッ ドレンズ 5 0 1 , 5 0 2 から構成されているので、 マイ ク 口化学システムを小型化でき る。 また、 屈折率分布型口 ッ ドレンズ 1 0 2 は、 励起光及び検出光を伝搬する光フア イバー 1 0 1 の先端に接続さ れているので、 測定毎に励起光と検出光との光軸及ぴ屈折率分布型口 ッ ドレンズ 1 0 2 の光軸を調整する必要が無い上に、 光軸を合わせるため の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 ロ化学システムをさ らに小型化でき る。
屈折率分布型ロ ッ ドレンズ 1 0 2 から出射した励起光の焦点位置は、 流路付き板状部材 2 0 の流路 2 0 4 の中に位置する必要がある。 屈折率 分布型口 ッ ドレンズ 1 0 2 は流路付き板状部材 2 0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 2 0の上部ガラス板 2 0 1の厚みで屈折率分布型口 ッ ドレンズ 1 0 2の焦点距離を調整でき る。 上部ガラス板 2 0 1 の厚みが足り ない場合は、 屈折率分布型口 ッ ドレン ズ 1 0 2 と上部ガラス板 2 0 1 どの間に焦点距離を調整するためのスぺ 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 2 0の流路 2 0 4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 1 をさ らに小型化でき る。
屈折率分布型ロ ッ ドレンズ 1 0 2 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 Δ Lだけずれる よ う に設定される （図 4 A) 。
I c は、 共焦点長 （ n m) と して、 I c = ;r ' ( d / 2 ) で 計算される。 こ こで、 dは d = l . S Z X A ! ZNAで計算されるニァ リ'一ディ スクであ り 、 ス は励起光の波長 （ n m) であ り 、 NAは、 屈 折率分布型口 ッ ドレンズ 1 0 2の開口数である。 光フ ァ イバ一を用いる 場合は、 光ファ イバ—の出射光の開口数が小さいので、 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 イバ一の 開口数を用いる。
上記 A L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 も厚みが薄い試料を測定する場合は、 上記厶 L値は、 A L =^ 3 · I c である こ とが最も好ま しい。
この Δ L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 も長い場合であつ ても、 短い場合であっても 同 じ結果になる。
光フ アイバーの先端を球形等に加工してレンズと した場合は、 光フ ァ ィバーの先端にレンズを取り付けな く ても励起光及び検出光を絞る 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及ぴ検 出光の夫々の焦点位置がほぼ同じになる。 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 イバ一先端を加 ェしてレンズに したもの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 ィバー 1 0 1 の先端に屈折率分布型ロ ッ ドレンズ 1 0 2 が取り付けられ ている。
図 2 は、 本発明の第 2 の実施の形態に係るマイ ク 口化学システムの概 略構成を示す図である。
図 2 において、 第 2 の実施の形態に係るマイ ク 口化学システム 2 は、 第 1 の実施の形態に係るマイ ク 口化学システム 1 と対応する構成部材及 ぴ部分には同一の符合を付して説明を省略する。
本実施の形態に係るマイ ク 口化学システム 2 では、 2波長合波素子 6 0 0が第 1 の実施の形態に係るマイ ク 口化学システム 1 の 2波長合波素 子 5 0 0 と異なっている。 2波長合波素子 6 0 0 は、 誘電体多層膜の干 渉フ ィ ルタ一膜を 2つの屈折率分布型ロ ッ ドレンズ 5 0 1 , 5 0 2 の端 面間に介在させる という 2波長合波素子 5 0 0 のよ う な構成ではな く 、 光フ ァイバ一を伝搬してき た励起光及び検出光をコ リ メ ータ 1 1 0 によ つて一旦コ リ メ ー ト して、 誘電体多層膜フ ィ ルタ ー 1 1 1 で合波する よ う な構成になっている。
本実施の形態に係るマイ ク ロ化学システム 2 では、 光フ ァ イバ一 1 0 1 を伝搬してきた励起光及び検出光がコ リ メ ータ 1 1 0 によ つてー且コ リ メー ト され、誘電体多層膜フィ ルタ一 1 1 1 によって合波されるため、 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。 しかし、 一旦コ リ メ ー ト している光を合波するので光 軸合わせが容易にな り 、 よ り低損失の 2波長合波素子を容易に作製でき る。 産業上の利用可能性
以上詳細に説明 したよ う に、 本発明に係るマイ ク ロ化学システムによ れば、 励起光及び検出光をそれぞれ第 1 及び第 2 の導入光フ ァ イバ一に よ って誘導光学系に導入するので励起光及び検出光を正確に誘導光学系 に導入でき る。 誘導光学系に導入した励起光及び検出光を 2波長合波素 子によって合波した後に、 誘導光フ ァイバ一によ つて照射レンズまで誘 導するので、 励起光及び検出光とは常に同軸になる。 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、 高い感度で測定ができる。 さ らに、 励起光と検出光との光軸を調整する必要がないので、 ユーザの作 業効率を向上でき る。 また、 光軸調整用の治具等が不用であるのでマイ ク 口化学システムを小型化できる。
本発明に係るマイ ク ロ化学システムでは、 光の波長に応じて光を反射 し又は透過させる 2波長合波素子を使用して励起光と検出光と を合波す るので、 構成が簡単で小型化が容易であ り 、 マイ ク ロ化学システム をよ り小型化する こ とができ る。
本発明に係るマイ ク ロ化学システムでは、 2波長合波素子は 2つの屈 折率分布型ロ ッ ドレンズを接続し、 間に前記励起光及び前記検出光の何 れか一方を反射し、 他方を透過する誘電体多層膜フ ィ ルターを形成して あるので、 極めて小型とな り、 マイ ク ロ化学システムをさ らに小型化で き る。 また、 2波長合波素子における励起光及び検出光の損失が小さ く 、 長時間の使用に対して安定であるので、 測定の感度及び安定性を向上さ せる こ とができ る。
本発明に係るマイ ク ロ化学システムでは、 誘電体多層膜フ ィ ルターが 屈折率分布型口 ッ ドレンズの表面に形成されているので、 屈折率分布型 ロ ッ ドレンズと は別個の誘電体多層膜フィ ルターを屈折率分布型ロ ッ ド レンズと組み合わせる必要がな く な り 、 容易に製造でき る。 また、 屈折 率分布型口 ッ ドレンズと誘電体多層膜フィ ルター と を組合せる治具が不 用であるのでマイ ク ロ化学システムを一層に小型化でき る。 さ らに、 反 射に関与する面が少な く なる こ とから励起光及ぴ検出光の損失がよ り小 さ く な り、 測定の感度及び安定性をよ り向上する こ とができ る。
本発明に係るマイ ク ロ化学システムでは、 光フ ァ イバ一は励起光及ぴ 検出光をシングルモー ドで伝搬するので、 励起光によ って生成される熱 レンズが収差の小さいレンズにな り、 も ってよ り正確な測定ができ る。 本発明に係るマイ ク ロ化学システムでは、 照射レンズは、 励起光及び 検出光が出射する誘導光フ ァイバ一の端部に固定されているので、 励起 光、 検出光、 及び照射レンズの全ての光軸が固定される。 したがって、 一層に正確な測定が可能である。 また、 光軸の調整が不要であるので、 ユーザの作業効率がよ り 向上する。 また、 光軸調整用の治具等が不要で あるのでマイ ク ロ化学システムをよ り一層に小型化でき る。
本発明に係るマイ ク ロ化学システムでは、 検出光の周波数は励起光の 周波数とは異な り、 照射レンズは色収差を有する レンズであるので、 励 起光と検出光の焦点位置を他の光学系を付加せずにずらすこ とができ る , これによつて、 マイ ク ロ化学システムをさ らに一層に小型化できる。
本発明に係るマイ ク ロ化学システムでは、 照射レンズは屈折率分布型 レンズであるので、 照射レンズを小型にでき る。 これによつて、 マイ ク 口化学システムをよ り一層に小型化できる。
本発明に係るマイ ク 口化学システムでは、 屈折率分布型レンズが円柱 状のロ ッ ドレンズであるので、 誘導光フ ァ イバ一の光軸とロ ッ ドレンズ の光軸とを容易に合わせるこ とができ る と と も に保持が容易であるので. 製造及びメ ンテナンスが容易である。 以上詳細に説明 したよ う に、 本発明に係る光熱変換分光分析方法によ れば、 2波長合波素子によ って合波した励起光と検出光と を誘導光フ ァ ィパーによ ってシングルモー 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になる。 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、 このため、 高い感度で測定ができ る。 さ ら に、 励起 光と検出光との光軸を調整する必要がな く 、 ュ一ザの作業効率を向上で きる。
本発明に係る光熱変換分光分析方法では、 2波長合波素子は、 接続し た 2つの屈折率分布型口 ッ ドレンズの間に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励起光及び検出光の損失が小 さ く 、 長時間の使用に対しても励起光及び検出光が安定している。 この ため、 測定の感度及び安定性を向上する こ とができ る。

Claims

請 求 の 範 囲
1 . 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、 当該誘導光学 系によ つて'導かれた前記励起光及び前記検出光を試料に照射するための 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、 前記検出された検出 光に基づいて試料を分析する分析手段と を備えるマイ ク ロ化学システム において、
前記励起光光源から出射された励起光を前記誘導光学系に導入する第 1 の導入光フ'ァ イ ノ、、一 (light introducing optical fiber)と、
前記検出光光源から出射された検出光を前記誘導光学系に導入する第 2 の導入光フ ァイバ一と、
前記誘導光学系に配設され、 前記第 1 及び第 2 の導入光フ ァ ィバーに よつて導された前記励起光及び検出光を合波する 2波長合波素子と、 前記合波された励起光及び検出光を前記照射レンズまで誘導する誘導 光フ ァ イ ノ 一 (light guiding optical fiber)とを備えるこ と を特徴とするマ イ ク口化学システム。
2 . 前記 2波長合波素子は、 光の波長に応じて光を反射し又は透過させ る多層膜を有し、 当該多層膜は、 前記反射される光と透過される光との 境界の光の波長が前記励起光の波長と前記検出光の波長との間にある こ とを特徴とする請求の範囲第 3項記載のマイ ク ロ化学システム。
3 . 前記 2波長合波素子は、 2つの屈折率分布型ロ ッ ドレンズが直列に 接続され、 接続面に前記多層膜が誘電体からなる誘電体多層膜フ ィ ル夕 一が形成されたものである こ とを特徴とする請求の範囲第 2項記載のマ イ ク 口化学システム。
4 . 前記誘電体多層膜フ ィ ルターは前記屈折率分布型口 ッ ドレンズの表 面に形成されたこ と を特徴とする請求の範囲第 3 項記載のマイ ク ロ化学 システム。
5 . 前記誘導光フ ァ イバ一は、 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 を特徴とする請求の範囲第 1 項記載のマイ ク 口化学システム。
6 . 前記照射レンズは、 前記励起光及び検出光が出射する前記誘導光フ アイバーの端部に固定されたこ と を特徴とする請求の範囲第 1 項記載の マイ ク 口化学システム。
7 . 前記検出光の周波数は前記励起光の周波数とは異な り、 前記照射レ ンズは色収差を有する ものである こ と を特徴とする請求の範囲第 1 項記 載のマイ ク ロ化学システム。
8 . 前記照射レンズは屈折率分布型レンズである こ と を特徴とする請求 の範囲第 1乃至 7 のいずれか 1 項に記載のマイ ク ロ化学システム。
9 . 前記屈折率分布型レンズは円柱状のロ ッ ドレンズであるこ と を特徴 とする請求の範囲第 8項記載のマイ ク ロ化学システム。
1 0 . 励起光及び検出光を照射レンズを介して試料に照射し、 前記励起 光の照射を受けた試料によつて生成される熱レンズを透過した前記検出 光を検出して試料を分析する光熱変換分光分析方法において、
前記励起光及び検出光を夫々第 1 及び第 2 の導入フ ァ イバ一によ り 、 波長の異なる 2種類の光を合波する 2波長合波素子に導入し、 当該 2波 長合波素子によって合波した前記励起光及び検出光を誘導光フ ァ イバ一 によ ってシングルモ ^" ドで前記照射レンズまで誘導する こ とを特徴とす る光熱変換分光分析法。
1 1 . 前記 2波長合波素子は、 直列に接続された 2つの屈折率分布型口 ッ ドレンズの間に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 徴とする請求の範囲第 1 0項記載の光熱変換分光分析方法。
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