WO2016170670A1 - 光学分析装置 - Google Patents

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悠佑 長井
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株式会社島津製作所
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Definitions

  • the present invention relates to an optical analyzer that irradiates a sample with light and detects transmitted light, reflected light, scattered light, fluorescence, and the like obtained from the sample.
  • LEDs As a liquid chromatograph (LC) detector, an optical analyzer such as an ultraviolet-visible spectrophotometer or a photodiode array detector is often used.
  • LEDs are being used as light sources for optical analyzers. LEDs have a relatively narrow peak width in the emission spectrum, so they are not well suited for applications where wavelength scanning is performed over a wide wavelength range, but a spectrophotometer or fluorometer that irradiates a sample with light of a specific wavelength. It is suitable for optical analyzers such as.
  • the LED has advantages that it is much cheaper than various conventionally used light sources and has a long life and high reliability.
  • FIG. 7 A schematic configuration of an absorptiometer using an LED as a light source is shown in FIG. 7 (see, for example, Patent Document 1).
  • Measurement light emitted from an LED (for example, a deep ultraviolet LED) 71 that is a light source is applied to the flow cell 72.
  • the measurement light passes through the sample solution in the flow cell 72, it receives absorption according to the type and amount of components in the sample solution.
  • the light after receiving such absorption enters the photodetector 73, and the photodetector 73 outputs a detection signal corresponding to the amount of the light.
  • a signal processing unit not shown
  • the absorbance of the sample is calculated from the detection signal.
  • Patent Document 2 describes that a flow cell made of silicon oxide or the like is formed using a semiconductor manufacturing process. By using a miniaturization technique based on a semiconductor manufacturing process, a low-capacity flow cell can be formed with high dimensional accuracy.
  • Such a low-capacity flow cell itself is small and lightweight, which is convenient for reducing the size and weight of the absorptiometer.
  • the optical axes of the light source and the photodetector must be manually set during assembly so that the optical axis of the measurement light passes through a predetermined position in the flow cell. Adjustments need to be made, and such adjustments become more difficult the smaller the flow cell. For this reason, not only is it troublesome to assemble the apparatus, but also an operator skilled in assembling is required. Even if the flow cell is miniaturized, there is a limit to miniaturization of the apparatus due to the restrictions on the size of the light source and photodetector components.
  • the present invention has been made in view of the above problems, and an object of the present invention is to provide an optical analyzer that is smaller and lighter than conventional ones and that does not require manual adjustment of the optical axis or the like. There is to do.
  • An optical analyzer made to solve the above problems is as follows. a) a substrate made of a transparent or translucent material used as a substrate for a compound semiconductor element, an oxide semiconductor element, or an organic semiconductor element, in which a flow path through which a sample solution flows is formed; b) a semiconductor light emitting unit that irradiates the sample solution in the flow path with light formed on the surface of the substrate by a semiconductor manufacturing process; c) a semiconductor light receiving portion formed by a semiconductor manufacturing process at a position where the light from the sample solution in the flow channel reaches the surface of the base and the irradiation light from the semiconductor light emitting portion; It is characterized by having.
  • the transparent or translucent material used as a substrate for a compound semiconductor element, an oxide semiconductor element, or an organic semiconductor element is typically sapphire (aluminum oxide single crystal: Al 2 O 3 ).
  • various materials such as aluminum nitride (AlN), bismuth germanium oxide (Bi 4 Ge 3 O 12 ), diamond, aluminum oxide, silicon carbide, and zinc oxide can be used.
  • AlN aluminum nitride
  • Bi 4 Ge 3 O 12 bismuth germanium oxide
  • diamond aluminum oxide
  • silicon carbide silicon carbide
  • zinc oxide aluminum oxide
  • transparent or “translucent” as used herein does not need to have a light-transmitting property with respect to a wide range of wavelengths, and has a light-transmitting property with respect to a specific wavelength (the wavelength of light emitted by the semiconductor light emitting unit). It is enough. Moreover, it is desirable that the refractive index is high.
  • a straight tube having a predetermined inner diameter or a flow path having a shape other than that is formed inside a base made of sapphire, for example.
  • This flow path may be formed by mechanical drilling, or a groove is formed on a very flat surface of one or both of two substrates by chemical processing such as mechanical processing or etching.
  • a flow path may be formed inside by bonding two substrates together so that the groove is inside.
  • the semiconductor light emitting unit is, for example, an LED formed on the surface of a substrate by a semiconductor manufacturing process of a compound semiconductor.
  • a thin film layer such as gallium nitride (GaN) may be formed by crystal growth on the surface of a substrate made of sapphire, and an LED structure such as an active layer may be formed on the gallium nitride layer.
  • the semiconductor light receiving portion is also a photodiode formed by a semiconductor manufacturing process of a compound semiconductor on the surface of a substrate made of sapphire, for example.
  • a thin film layer such as gallium nitride may be formed on the surface of the substrate by crystal growth or the like, and a pn junction for light reception may be formed in the gallium nitride layer.
  • a pn junction type a Schottky junction type or a photo-conductive type light receiving element may be used.
  • the semiconductor light emitting unit and the semiconductor light receiving unit are disposed, for example, so as to face each other with the flow path in the substrate sandwiched in the orthogonal direction or the oblique direction.
  • the semiconductor light emitting unit When a driving current is supplied to the semiconductor light emitting unit, the semiconductor light emitting unit emits light of a predetermined wavelength to the substrate side. This light is transmitted through a transparent or translucent substrate, and is irradiated to the sample solution flowing in the flow path inside the substrate. The transmitted light absorbed by the components in the sample solution passes through the transparent or translucent substrate and reaches the semiconductor light receiving unit. The semiconductor light receiving unit generates a detection signal corresponding to the amount of light that has reached. Thereby, in the optical analyzer according to the present invention, a detection signal reflecting the absorption by the sample solution flowing in the flow path inside the substrate in which the semiconductor light emitting unit and the semiconductor light receiving unit are integrated can be obtained.
  • materials used as substrates for compound semiconductor elements, oxide semiconductor elements, or organic semiconductor elements exhibit a high refractive index. For this reason, light is likely to be totally reflected at the interface between the substrate made of such a material and air. Therefore, when the light passing through the flow path hits the interface between the substrate and air at a certain angle or more, it is totally reflected and returns to the inside of the substrate. If such total reflection is used, light can be incident on the semiconductor light-receiving portion after having passed through the flow path a plurality of times. Thereby, the absorbance can be obtained with high accuracy even for a sample having a small degree of light absorption.
  • the optical analyzer according to the present invention can measure not only the absorbance but also the fluorescence intensity.
  • the semiconductor light emitting unit may be a super luminescence diode (SLD) or a laser diode (LD) instead of an LED.
  • the semiconductor light receiving unit may be a phototransistor or the like instead of a photodiode.
  • not only one semiconductor light receiving unit but also a plurality of semiconductor light receiving units are provided, and the signals obtained by the plurality of semiconductor light receiving units are added together, or one of the signals obtained by the plurality of semiconductor light receiving units is selectively extracted. May be. Further, when the semiconductor light emitting unit is selectively turned on / off, a time-division operation in which each of the plurality of semiconductor light emitting units is repeatedly turned on / off in order may be performed.
  • the semiconductor manufacturing process is an organic semiconductor manufacturing process including a solution process. That is, the semiconductor manufacturing process here is a semiconductor manufacturing process regardless of whether it is an inorganic substance or an organic substance.
  • the light source, the flow path through which the sample solution flows, that is, the flow cell, and the photodetector are integrated, and the light source and the photodetector are formed on the surface of the substrate on which the flow path is formed. It is formed with high positional accuracy by a semiconductor manufacturing process. Therefore, manual adjustment of the optical axis at the time of assembly, which is essential in the conventional apparatus, is unnecessary, and highly sensitive measurement can be achieved without the need for such adjustment.
  • the gap between the light source and the flow cell and the gap between the flow cell and the photodetector are both wall surfaces of the flow path, so there is no unnecessary gap between these elements. Therefore, the apparatus can be miniaturized. Furthermore, as described above, since the refractive index of the material generally used for the substrate of the compound semiconductor element, oxide semiconductor element, or organic semiconductor element is high and total reflection is likely to occur at the interface between the base and air, Diffusion of light can be suppressed.
  • an element or circuit that can be made of a compound semiconductor, an oxide semiconductor, or an organic semiconductor such as a drive circuit of a semiconductor light emitting unit or an amplifier that amplifies a signal obtained by a semiconductor light receiving unit.
  • a drive circuit of a semiconductor light emitting unit or an amplifier that amplifies a signal obtained by a semiconductor light receiving unit. can be mounted on a substrate on which a flow path is formed.
  • Various optical elements can also be manufactured on the same substrate.
  • the lens can have a refractive index distribution using a refractive index dispersion material such as a photonic polymer.
  • FIG. 1 is a schematic configuration diagram of an optical analyzer according to the present embodiment, where (a) is a cross-sectional view in a plane including the center line of the flow path, and (b) is a cross-sectional view taken along line AA ′ in (a).
  • FIG. 1 is a schematic configuration diagram of an optical analyzer according to the present embodiment, where (a) is a cross-sectional view in a plane including the center line of the flow path, and (b) is a cross-sectional view taken along line AA ′ in (a).
  • the optical analyzer 1A of the present embodiment has a base 2 made of sapphire used as a material for a substrate for a compound semiconductor element, and a cylindrical straight tubular flow path 3 is formed inside the rectangular parallelepiped base 2. Yes.
  • a compound semiconductor element substrate may be appropriately cut and used.
  • the flow path 3 may be perforated by, for example, mechanical processing including laser processing.
  • the sample solution eluted from the LC column outlet is supplied to the flow path 3 at a substantially constant flow rate.
  • sapphire is used as the material of the substrate 2, but it is a material used for a substrate for a compound semiconductor element, an oxide semiconductor element, or an organic semiconductor element, and is transparent or translucent, that is, a predetermined
  • the material that can be used is not limited to sapphire as long as the material has a property of transmitting light having a wavelength or wavelength band.
  • aluminum nitride, bismuth germanium oxide, or the like that is generally available as a single crystal substrate may be used. Further, a diamond substrate or the like may be used.
  • the LED 4 is formed on the base 2 as a semiconductor light emitting part on one of two surfaces (upper surface and lower surface in the example of FIG. 1) which are opposite to each other with the flow path 3 in the base 2.
  • a photodiode 5 is formed on the base 2 as a semiconductor light receiving part on the other of the two surfaces. These are all formed on the substrate 2 by a standard manufacturing process of a compound semiconductor.
  • FIG. 5 is a schematic cross-sectional view of an example of the LED 4.
  • An n-type gallium nitride thin film layer (n-GaN layer) 41 is formed on the surface of the substrate 2 by crystal growth, and an active layer 42 which is a multilayer film of, for example, indium gallium nitride (InGaN) and gallium nitride is formed thereon.
  • an active layer 42 which is a multilayer film of, for example, indium gallium nitride (InGaN) and gallium nitride is formed thereon.
  • p-GaN layer p-type gallium nitride thin film layer
  • the p-GaN layer 43 and a part of the active layer 42 are removed, and electrodes 45 and 46 are formed on the exposed n-GaN layer 41 and the p-GaN layer 43, respectively.
  • a protective film is formed on the entire element surface, a contact hole is formed in a part of the protective film on the electrodes 45 and 46, and wiring is provided to the electrodes 45 and 46 through the contact holes. Connected.
  • the active layer 42 When the driving current is supplied through this wiring, the active layer 42 emits light. This light is emitted to both the space side (upper side in FIG. 5) and the substrate 2 side (lower side in FIG. 5), but almost the entire upper surface of the p-GaN layer 43 is covered with the electrode 46, The electrode 46 functions as a reflective layer. Therefore, the light emitted upward from the active layer 42 is reflected by the electrode 46 and turns downward. Therefore, the light is efficiently emitted to the base 2 side.
  • FIG. 6 is a schematic sectional view of an example of the photodiode 5.
  • n-GaN layer n-type gallium nitride thin film layer
  • p-GaN layer p-type gallium nitride thin film layer
  • the p-GaN layer 53 and the light receiving layer 52 are partially removed, and electrodes 55 and 56 are formed on the exposed n-GaN layer 51 and the p-GaN layer 53, respectively.
  • a protective film is formed on the whole, a contact hole is formed in a part of the protective film on the electrodes 55 and 56, and wiring is connected to the electrodes 55 and 56 through the contact hole.
  • the structure of the LED 4 and the photodiode 5 made of a compound semiconductor is not limited to this, and various modifications are possible. What is important is that the LED 4 efficiently emits light to the base 2 side, and the photodiode 5 efficiently receives and photoelectrically converts the light transmitted through the base 2.
  • the positions of the LEDs 4 and the photodiodes 5 are such that the optical axis of the light emitted from the LEDs 4 and incident on the photodiodes 5 is substantially orthogonal to the flow path 3. It has been established. Therefore, the light emitted from the LED 4 and transmitted through the substrate 2 passes through the sample solution in the flow path 3 in the radial direction of the flow path 3. In the meantime, the light absorbed by the sample solution further passes through the substrate 2 and reaches the photodiode 5, and the photodiode 5 generates a detection signal corresponding to the amount of received light.
  • the LED 4 emits light over a certain area
  • the photodiode 5 also has a light receiving surface with a certain area. Therefore, not only the light orthogonal to the flow path 3 but also the light obliquely crossed at a certain angle reaches the photodiode 5, but there is no problem in calculating the absorbance because there is no temporal variation of the optical path. .
  • the LED 4 is integrated as the light source and the photodiode 5 is integrated as the photodetector 2 with the flow path 3 formed therein. Since both the LED 4 and the photodiode 5 are formed on the substrate 2 with high positional accuracy by a semiconductor manufacturing process, troublesome optical axis adjustment as in the conventional apparatus is unnecessary. In addition, since there is no extra space other than the base 2 between the LED 4 and the flow path 3 and between the photodiode 5 and the flow path 3, the overall size of the device is very small, small and light. Can be realized.
  • the LED 4 and the photodiode 5 are not provided at positions opposed to each other in the radial direction across the flow path 3, but as shown in FIGS. You may make it arrange
  • the optical analyzer 1B shown in FIG. 2 light emitted from the LED 4 toward the substrate 2 in the oblique direction with a predetermined angle ⁇ passes through the sample solution in the flow path 3.
  • the photodiode 5 is reached.
  • the optical path length in the sample solution is longer than in the case of the configuration of FIG.
  • light having an angle smaller than ⁇ is also emitted from the LED 4, but they are not reflected at the interface between the base 2 and the air, and are thus emitted to the outside through the base 2.
  • the optical analysis apparatus 1C shown in FIG. 3 among the light emitted from the LED 4 to the base 2 side, the light that hits the interface between the base 2 and the air at an angle greater than a predetermined angle is reflected at the interface. Therefore, the light that has passed through the base 2 while being reflected twice or more at the interface between the base 2 and air reaches the photodiode 5. The light traverses the sample solution in the flow path 3 a plurality of times, and the optical path length increases accordingly. At the interface between the photodiode 5 and the substrate 2, the reflection conditions are different from those at the interface between the substrate 2 and air.
  • the optical path length in the sample solution can be increased by appropriately determining the positions of the LED 4 and the photodiode 5.
  • the flow path 3 is a straight tube, but the flow path 3 can have various shapes.
  • the shape of the flow path 3 is U-shaped.
  • LED4 and the photodiode 5 are provided so that the center linear part of the U-shaped flow path 3 may be pinched
  • the flow path 3 having the shape as shown in FIG. 4 it is difficult to manufacture the flow path 3 having the shape as shown in FIG. 4 by simple machining.
  • grooves are formed on one or both surfaces of two substrates by chemical processing such as mechanical processing or etching, and the two substrates are formed so that the grooves are on the inside. Can be pasted together.
  • the LED 4 and the photodiode 5 are formed on the substrate 2 such as sapphire, but another semiconductor light emitting unit such as a super luminescence diode or a laser diode may be formed instead of the LED 4. Further, a semiconductor light receiving portion such as a phototransistor may be formed in place of the photodiode 5. Furthermore, not only the semiconductor light emitting unit and the semiconductor light receiving unit, but also other elements and circuits that can be manufactured by the manufacturing process of the compound semiconductor may be provided on the substrate 2 together. For example, a driving circuit that supplies a driving current to the LED 4, such as a current source and its control circuit, an amplifier that amplifies a signal detected by the photodiode 5, and the like may be mounted on the substrate 2. Furthermore, an optical element such as a lens can also be provided on the substrate 2.
  • the signals obtained from the plurality of photodiodes are added to form one detection signal, or signals obtained from a plurality of photodiodes. One of them may be selectively taken out and used as a detection signal.
  • the optical analyzer according to the present invention can be configured to detect fluorescence emitted from a sample.
  • light emitted from the LED 4 may be used as excitation light, and a photodiode capable of selectively detecting the wavelength band of the fluorescence excited by the excitation light and emitted from the sample may be used.
  • the light source and the photodetector are formed of an organic semiconductor instead of a general compound semiconductor or oxide semiconductor.
  • the above-described embodiment is merely an example of the present invention, and it is apparent that the present invention is encompassed by the claims of the present application even if appropriate modifications, corrections and additions are made within the scope of the present invention.
  • Optical analyzer 2 ... Base 3 ... Channel 4 ... LED 41, 51 ... n-GaN layer 42 ... active layers 43, 53 ... p-GaN layers 45, 46, 55, 56 ... electrode 5 ... photodiode 52 ... light receiving layer

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Abstract

　半導体素子用基板として用いられるサファイアの基体（２）に試料溶液を流す流路（３）を形成し、その流路（３）を挟んで対向して、基体（２）上にＬＥＤ（４）とフォトダイオード（５）を半導体製造プロセスにより形成する。ＬＥＤ（４）は基体（２）側へと光を放出し、この光が流路（３）中の試料溶液を通過する際に濃度等に応じた吸収を受ける。この透過光は基体（２）を通過してフォトダイオード（５）に到達し、フォトダイオード（５）は入射した光量に応じた検出信号を出力する。この装置によれば、光源や光検出器がフローセルである基体（２）に一体化されているので小形・軽量化が図れるとともに、装置組立て時の煩雑な光軸調整も不要である。

Description

光学分析装置
　本発明は、試料に光を照射し、それに対して試料から得られる透過光、反射光、散乱光、蛍光などを検出する光学分析装置に関する。
　液体クロマトグラフ（ＬＣ）の検出器として、紫外可視分光光度計やフォトダイオードアレイ検出器などの光学分析装置がしばしば用いられる。近年、発光ダイオード（ＬＥＤ）の技術の進展と急速な普及に伴い、光学分析装置の光源としてもＬＥＤが利用されつつある。ＬＥＤは発光スペクトルにおけるピーク幅が比較的狭いため、幅広い波長範囲に亘って波長走査を行うような用途にはあまり向かないが、特定の波長の光を試料に照射する吸光光度計や蛍光光度計などの光学分析装置には適している。ＬＥＤは従来一般に使用されている各種光源に比べて格段に廉価であるうえに、寿命も長く、信頼性が高いという利点がある。
　光源としてＬＥＤを用いた吸光光度計の概略構成を図７に示す（例えば特許文献１など参照）。
　光源であるＬＥＤ（例えば深紫外ＬＥＤ）７１から出射した測定光はフローセル７２に照射される。測定光はフローセル７２中の試料溶液を通過する際に、該試料溶液中の成分の種類や量に応じた吸収を受ける。そうした吸収を受けたあとの光が光検出器７３に入射し、光検出器７３はその光の光量に応じた検出信号を出力する。そして、図示しない信号処理部において、検出信号から試料による吸光度を算出する。
　こうした吸光光度計を検出器として用いたＬＣにおいて分析の高速化、高感度化を図るには、カラム以外の流路での試料の拡散（ピークの広がり）を抑制することが重要であり、そのために、フローセルにも低容量のものが求められている。こうした低容量化の要求に対し、特許文献２には、半導体製造プロセスを利用して、酸化シリコンなどを材料とするフローセルを形成することが記載されている。半導体製造プロセスによる微細化技術を利用することで、低容量のフローセルを高い寸法精度で形成することが可能である。
　こうした低容量のフローセルはそれ自体が小形・軽量であり、吸光光度計の小形・軽量化にも都合がよい。しかしながら、吸光光度計において高感度、高精度の測定を行うには、フローセル中の所定位置に測定光の光軸が通過するように、装置組立て時に光源及び光検出器の光軸を手作業で調整する必要があり、こうした調整はフローセルが小形であるほど難しくなる。そのため、装置の組立てに手間が掛かるのみならず、組立てに熟練した作業者が必要になる。また、フローセルを小形化しても、光源や光検出器の部品のサイズの制約から、装置の小形化には限界がある。
特開２０１１－２３７３８４号公報 米国特許第８２１３０１５号明細書
　本発明は上記課題に鑑みて成されたものであり、その目的とするところは、従来に比べて小形・軽量であり、しかも手作業による光軸等の調整が不要である光学分析装置を提供することにある。
　上記課題を解決するためになされた本発明に係る光学分析装置は、
　a)化合物半導体素子用、酸化物半導体素子用、又は有機半導体素子用の基板として用いられる透明又は半透明の材料から成り、その内部に試料溶液が流通する流路が形成されてなる基体と、
　b)前記基体の表面に半導体製造プロセスにより形成された、前記流路中の試料溶液に対し光を照射する半導体発光部と、
　c)前記基体の表面であって前記半導体発光部による照射光に対する前記流路中の試料溶液からの光が到達する位置に半導体製造プロセスにより形成された半導体受光部と、
　を備えることを特徴としている。
　化合物半導体素子用、酸化物半導体素子用、又は有機半導体素子用の基板として用いられる透明又は半透明の材料とは、典型的には、サファイア（酸化アルミニウム単結晶：Al2O3）であるが、それ以外にも、窒化アルミニウム（AlN）、ビスマスゲルマニウムオキサイド（Bi4Ge3O12）、ダイヤモンド、酸化アルミニウム、炭化ケイ素、酸化亜鉛など、様々な材料を利用することができる。
　なお、ここでいう透明又は半透明とは、幅広い波長に対して透光性を有している必要はなく、特定の波長（半導体発光部による発光光の波長）に対し透光性を有していれば十分である。また、望ましくは、屈折率が高いほうがよい。
　本発明に係る光学分析装置では、例えばサファイアからなる基体の内部に、所定内径の直管状又はそれ以外の形状（例えばＬ字状、コ字状など）の流路が形成されている。この流路は機械的な穿孔加工によって形成されたものでもよいし、或いは、二つの基体の一方又は両方のごく平坦な表面に機械的加工やエッチング等の化学的加工などにより溝を形成し、その溝が内側になるように二つの基体を貼り合わせることで、内部に流路が形成されるようにしてもよい。
　半導体発光部は、例えば基体の表面に化合物半導体の半導体製造プロセスにより形成されたＬＥＤである。具体的には例えば、サファイアからなる基体の表面に窒化ガリウム（GaN）などの薄膜層を結晶成長により形成し、該窒化ガリウム層の上に活性層などのＬＥＤ構造を形成すればよい。また、半導体受光部は、同じく例えばサファイアからなる基体の表面に化合物半導体の半導体製造プロセスにより形成されたフォトダイオードである。この場合にも、基体の表面に窒化ガリウムなどの薄膜層を結晶成長などにより形成し、該窒化ガリウム層に受光用のｐｎ接合を形成すればよい。ｐｎ接合型ではなく、ショットキー接合型やフォトコン（Photo-conductive）型の受光素子でもよい。この半導体発光部及び半導体受光部は、例えば基体内の流路をその直交方向又は斜交方向に挟んで対向するように配置される。
　半導体発光部に駆動電流が供給されると、半導体発光部は所定波長の光を基体側に放出する。この光は透明又は半透明である基体中を透過し、その基体内部の流路中を流れる試料溶液に照射される。試料溶液中の成分により吸収を受けた透過光は透明又は半透明である基体中を透過して半導体受光部に到達する。半導体受光部は到達した光の光量に応じた検出信号を生成する。これにより、本発明に係る光分析装置では、半導体発光部及び半導体受光部が一体化された基体内部の流路中に流れる試料溶液による吸収を反映した検出信号を得ることができる。
　一般に化合物半導体素子用、酸化物半導体素子用、又は有機半導体素子用の基板として用いられる材料は高い屈折率を示す。そのため、こうした材料からなる基体と空気との界面で光は全反射し易い。したがって、流路を通過した光が基体と空気との界面に或る程度以上の角度を有して当たると、全反射して基体内部へと戻る。こうした全反射の作用を利用すれば、光を流路中に複数回通過させたあとに半導体受光部に入射させることができる。それによって、光の吸収の度合いが小さい試料に対しても高い精度で吸光度を得ることができる。
　また、半導体発光部から発した光の波長帯域とは異なる特定の波長帯域の光を半導体受光部で受光することで、透過光や散乱光ではなく、試料による蛍光を検出することもできる。即ち、本発明に係る光学分析装置では、吸光度だけでなく蛍光強度の測定も可能である。
　なお、上記半導体発光部はＬＥＤでなく、スーパールミネッセンスダイオード（ＳＬＤ）やレーザーダイオード（ＬＤ）であってもよい。また、半導体受光部はフォトダイオードでなく、フォトトランジスタ等であってもよい。さらに、半導体受光部を一つのみでなく複数設け、それら複数の半導体受光部で得られた信号を合算したり、複数の半導体受光部で得られた信号の一つを選択的に取り出したりしてもよい。また、半導体発光部を選択的に点灯・消灯する場合には、複数の半導体発光部のそれぞれの点灯・消灯を順番に繰り返し行うという時分割的な動作としてもよい。
　また、有機半導体素子用の基板材料を基体として用い、半導体発光部や半導体受光部を有機半導体により形成する場合には、上記半導体製造プロセスは溶液プロセスなどを含む有機半導体の製造プロセスである。即ち、ここでいう半導体製造プロセスは、無機物、有機物を問わない半導体の製造プロセスである。
　本発明に係る光学分析装置によれば、光源、試料溶液が流れる流路つまりはフローセル、及び光検出器が一体化され、しかも光源や光検出器は流路が形成されている基体の表面に、半導体製造プロセスにより高い位置精度で以て形成される。したがって、従来装置で必須であった組立て時の手作業による光軸調整は不要であり、そうした調整を要さずに高感度な測定が達成できる。
　また、本発明に係る光学分析装置では、光源とフローセルとの間の間隙、フローセルと光検出器との間の間隙がいずれも流路の壁面となるので、それら要素間の不要な間隙がなくなり、装置の小形化を図ることができる。さらにまた、上述したように一般に化合物半導体素子、酸化物半導体素子、或いは有機半導体素子の基板に用いられる材料の屈折率は高く、基体と空気との界面で全反射が生じ易いので、流路内部での光の拡散を抑制することができる。
　また本発明に係る光学分析装置において、半導体露光技術を用いた化学的加工により流路を形成する場合には、複雑な形状の流路を簡単に作製することができる。
　さらにまた、本発明に係る光学分析装置では、例えば半導体発光部の駆動回路や半導体受光部で得られた信号を増幅する増幅器など、化合物半導体、酸化物半導体又は有機物半導体で作製可能な素子や回路を、流路が形成されている基体に実装することができる。また、各種の光学素子も同一基体上に作製可能である。例えばレンズについては、フォトニックポリマーなどの屈折率分散材料を用いて屈折率分布を持たせることができる。それによって、電気回路や光学系の機能を取り込んだ高機能な光学分析ユニットを提供することができる。
本発明の一実施例である光学分析装置の概略構成図であり、（ａ）は流路の中心線を含む平面での断面図、（ｂ）は（ａ）中のＡ－Ａ’矢視線断面図。 本発明の他の実施例である光学分析装置の概略構成図。 本発明の他の実施例である光学分析装置の概略構成図。 本発明の他の実施例である光学分析装置の概略構成図。 半導体発光部の一例の概略断面図。 半導体受光部の一例の概略断面図。 従来の吸光光度計の概略構成図。
　以下、本発明に係る光学分析装置の一実施例について、添付図面を参照して説明する。
図１は本実施例の光学分析装置の概略構成図であり、（ａ）は流路の中心線を含む平面での断面図、（ｂ）は（ａ）中のＡ－Ａ’矢視線断面図である。
　本実施例の光学分析装置１Ａは、化合物半導体素子用基板の材料として用いられるサファイアからなる基体２を有し、その直方体状の基体２の内部には円筒直管状の流路３が形成されている。基体２としては化合物半導体素子用基板を適宜に切断して用いればよい。また、流路３は例えばレーザー加工を含む機械的な加工によって穿孔すればよい。この流路３には例えばＬＣのカラム出口から溶出した試料溶液が略一定流速で供給される。
　ここでは、基体２の材料としてサファイアを用いているが、化合物半導体素子用、酸化物半導体素子用、又は有機半導体素子用の基板に用いられる材料であって、透明又は半透明、つまりは所定の波長又は波長帯域の光を透過させる特性を有する材料であれば、使用可能な材料はサファイアに限らない。例えば、単結晶基板として一般に入手可能である、窒化アルミニウム、ビスマスゲルマニウムオキサイド、などでもよい。また、ダイヤモンド基板などでもよい。
　基体２にあって流路３を挟んで対向する二つの面（図１の例では上面及び下面）の一方には、基体２上に半導体発光部としてＬＥＤ４が形成されている。また、二つの面の他方には、基体２上に半導体受光部としてフォトダイオード５が形成されている。これらはいずれも基体２上に化合物半導体の標準的な製造プロセスによって形成されたものである。
　ここで、ＬＥＤ４及びフォトダイオード５の構造を概略的に説明する。
　図５はＬＥＤ４の一例の概略断面図である。
　基体２の表面には、ｎ型の窒化ガリウム薄膜層（n-GaN層)４１が結晶成長により形成され、その上に例えばインジウム窒化ガリウム（InGaN）と窒化ガリウムの多層膜である活性層４２が形成され、さらにその上にｐ型の窒化ガリウム薄膜層（p-GaN層）４３が形成される。そのあと、p-GaN層４３及び活性層４２の一部が除去され、露出したn-GaN層４１の上とp-GaN層４３の上とにそれぞれ電極４５、４６が形成される。さらに、図５では図示していないが、素子表面全体に保護膜が形成され、電極４５、４６の上の一部の保護膜にコンタクトホールが形成され、コンタクトホールを通して電極４５、４６に配線が接続される。
　この配線を通して駆動電流が供給されると活性層４２が光を発する。この光は空間側（図５では上方）と基体２側（図５では下方）との両方に放出されるが、p-GaN層４３の上面のほぼ全体が電極４６で覆われており、該電極４６は反射層として機能する。そのため、活性層４２から上方へと放出された光は電極４６で反射されて下方へと向きを変える。そのため、光は基体２側へと効率良く放出される。
　図６はフォトダイオード５の一例の概略断面図である。
　基体２の表面には、例えばｎ型の窒化ガリウム薄膜層（n-GaN層)５１が結晶成長により形成され、その上に低バンドギャップのGaN系結晶層が受光層５２としてが形成され、さらにその上にｐ型の窒化ガリウム薄膜層（p-GaN層）５３が形成され、それによってダブルヘテロ接合構造が形成されている。p-GaN層５３及び受光層５２の一部は除去され、露出したn-GaN層５１の上とp-GaN層５３の上とにそれぞれ電極５５、５６が形成される。さらに、図５では図示していないが、全体に保護膜が形成され、電極５５、５６の上の一部の保護膜にコンタクトホールが形成され、コンタクトホールを通して電極５５、５６に配線が接続される。
　基体２を透過して来た光がn-GaN層５１を経て受光層５２に達すると、光の強度（光量）に応じた量のキャリアが発生し、そのキャリアがn-GaN層５１とp-GaN層５３とに移動する。それによって、電極５５、５６を通して外部の負荷に電流が流れる。なお、p-GaN層５３のほぼ全体を覆っている電極５６は受光層５２に空間側から入射して来る光を遮蔽する機能も有する。
　なお、周知のように、化合物半導体によるＬＥＤ４やフォトダイオード５の構造はこれに限るものではなく、様々な変形が可能である。重要なことは、ＬＥＤ４は基体２側に効率良く光を放出することであり、フォトダイオード５は基体２を透過して来た光を効率良く受光して光電変換することである。
　図１に戻り説明を続けると、図１に示した実施例では、ＬＥＤ４から発しフォトダイオード５に入射する光の光軸が流路３に略直交するように、ＬＥＤ４及びフォトダイオード５の位置が定められている。そのため、ＬＥＤ４から発し基体２を透過した光は流路３中の試料溶液を流路３の径方向に透過する。その間に試料溶液による吸収を受けた光は、さらに基体２を透過してフォトダイオード５に到達し、フォトダイオード５は受光した光の光量に応じた検出信号を生成する。なお、実際には、ＬＥＤ４は或る程度の面積全体が発光し、フォトダイオード５も或る程度の面積の受光面を有する。したがって、流路３に直交する光だけでなく或る程度の角度を以て斜交する光もフォトダイオード５に到達するが、そうした光路の時間的な変動はないので吸光度を算出するうえで問題はない。
　以上のように、本実施例の光学分析装置では、ＬＥＤ４が光源として、またフォトダイオード５が光検出器として、流路３が形成されている基体２に一体化されている。ＬＥＤ４及びフォトダイオード５はいずれも半導体製造プロセスによって高い位置精度で以て基体２上に形成されるため、従来装置のような面倒な光軸調整は不要である。また、ＬＥＤ４と流路３との間、及び、フォトダイオード５と流路３との間には、基体２以外の余計な空隙は存在しないので、装置全体のサイズは非常に小さく、小形・軽量な装置を実現できる。
　よく知られているように、吸光度の精度や感度を高めるには、試料溶液中の光路長を長くすることが望ましい。そこで、図１に示したように、ＬＥＤ４とフォトダイオード５とを流路３を挟んで径方向に対向した位置に設けるのではなく、図２、図３に示すように、流路３の長手方向にずらした位置にＬＥＤ４とフォトダイオード５とを配置するようにしてもよい。図２に示した光学分析装置１Ｂでは、ＬＥＤ４から基体２側に放出された光のうち、所定角度θを有して斜め方向に放出された光が流路３中の試料溶液を通過してフォトダイオード５に達する。このとき、試料溶液中の光路長は図１の構成の場合に比べて長くなる。なお、このとき、ＬＥＤ４からは角度がθよりも小さな光も放出されるが、それらは基体２と空気との界面では反射しないので、基体２を通り抜けて外部へと放出される。
　一方、図３に示した光学分析装置１Ｃでは、ＬＥＤ４から基体２側に放出された光のうち、基体２と空気との界面に所定の角度以上の角度で当たる光は該界面で反射する。したがって、基体２と空気との界面で２回以上反射しながら基体２を通過した光がフォトダイオード５に到達する。光は流路３中の試料溶液を複数回横切り、それだけ光路長が長くなる。フォトダイオード５と基体２との界面では、基体２と空気との界面とは反射条件が異なるため、フォトダイオード５の位置に達した光はその界面で反射せずにフォトダイオード５に侵入し検出される。このように、ＬＥＤ４とフォトダイオード５との位置を適宜に定めることで、試料溶液中の光路長を長くすることができる。
　また、図１～図３に示した例では、流路３は直管状であったが、流路３は様々な形状とすることができる。例えば図４に示した光学分析装置１Ｄでは、流路３の形状をコ字状としている。そして、そのコ字状の流路３の中央の直線部をその長手方向に挟むようにＬＥＤ４とフォトダイオード５を設けている。この構成によれば、試料溶液中の光路は一方向であるが、その光路長は長く、吸光度の精度や感度を高めることができる。
　なお、図４に示したような形状の流路３は単純な機械加工によって作製することは難しい。こうした複雑な形状の流路を形成するには、二つの基体の一方又は両方の表面に機械的加工やエッチングなどの化学的加工により溝を形成し、その溝が内側になるように二つの基体を貼り合わせるようにすればよい。
　また、上記実施例では、サファイア等の基体２上にＬＥＤ４及びフォトダイオード５を形成していたが、ＬＥＤ４に代えて他の半導体発光部、例えばスーパールミネッセンスダイオードやレーザーダイオードを形成してもよい。また、フォトダイオード５に代えてフォトトランジスタ等の半導体受光部を形成してもよい。さらにまた、半導体発光部や半導体受光部だけでなく、化合物半導体の製造プロセスで作製可能である他の素子や回路を併せて基体２上に設けてもよい。例えば、ＬＥＤ４に駆動電流を供給する駆動回路、例えば電流源やその制御回路、フォトダイオード５で検出された信号を増幅する増幅器、などを基体２上に実装しても構わない。さらには、レンズ等の光学素子も基体２上に設けることができる。
　また、フォトダイオードは一つのみならず、適宜の位置に複数設け、それら複数のフォトダイオードで得られた信号を合算して一つの検出信号としたり、或いは、複数のフォトダイオードで得られた信号の一つを選択的に取り出して検出信号としたりしてもよい。
　さらにまた、本発明に係る光学分析装置は試料から発せられる蛍光を検出する構成とすることもできる。この場合、ＬＥＤ４から放出された光を励起光とし、この励起光により励起されて試料から発せられる蛍光の波長帯域を選択的に検出可能なフォトダイオードを用いればよい。
　また、一般的な化合物半導体や酸化物半導体ではなく、光源や光検出器を有機半導体により形成することも当然である。
　さらにまた、上記実施例は本発明の一例にすぎず、本発明の趣旨に沿った範囲で適宜変形や修正、追加を行っても本願特許請求の範囲に包含されることは明らかである。
１Ａ、１Ｂ、１Ｃ、１Ｄ…光学分析装置
２…基体
３…流路
４…ＬＥＤ
４１、５１…n-GaN層
４２…活性層
４３、５３…p-GaN層
４５、４６、５５、５６…電極
５…フォトダイオード
５２…受光層

Claims (3)

  1. 　a)化合物半導体素子用、酸化物半導体素子用、又は有機半導体素子用の基板として用いられる透明又は半透明の材料から成り、その内部に試料溶液が流通する流路が形成されてなる基体と、
    　b)前記基体の表面に半導体製造プロセスにより形成された、前記流路中の試料溶液に対し光を照射する半導体発光部と、
    　c)前記基体の表面であって前記半導体発光部による照射光に対する前記流路中の試料溶液からの光が到達する位置に半導体製造プロセスにより形成された半導体受光部と、
    　を備えることを特徴とする光学分析装置。
  2. 　請求項１に記載の光学分析装置であって、
    　前記基体はサファイアから成ることを特徴とする光学分析装置。
  3. 　請求項１又は２に記載の光学分析装置であって、
    　前記半導体受光部は、前記半導体発光部による照射光が前記流路中の試料溶液を透過して到達する位置に設けられていることを特徴とする光学分析装置。
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