CN107532995A - 光学分析装置 - Google Patents

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Abstract

在作为半导体元件用基板而使用的蓝宝石的基体(2)上形成供试样溶液流动的流路(3)，通过半导体制造工序，在基体(2)上夹持该流路(3)并对置地形成LED(4)和光电二极管(5)。LED(4)向基体(2)侧辐射光，该光在通过流路(3)中的试样溶液时受到与浓度等相应的吸收。该透过光通过基体(2)到达光电二极管(5)，光电二极管(5)输出与入射的光量相应的检测信号。根据该装置，光源、光检测器在流通池即基体(2)上被一体化，因此能够谋求小型轻质化，并且不需要装置组装时的繁琐的光轴调整。

Description

光学分析装置
技术领域
本发明涉及向试样照射光，并对此检测从试样获得的透过光、反射光、散射光、荧光等的光学分析装置。
背景技术
作为液相色谱仪(LC)的检测器，经常使用紫外可见分光光度计、光电二极管阵列检测器等光学分析装置。近年来，随着发光二极管(LED)技术的进展和急速普及，也逐渐地利用LED作为光学分析装置的光源。LED由于发光光谱中的峰宽比较狭窄，因此不适合如跨越宽波段范围地进行波长扫描这样的用途，但是适于将特定波长的光照射到试样的吸光光度计、荧光光度计等光学分析装置。LED与以往一般使用的各种光源相比除了格外廉价以外，还有寿命长、可靠性高这样的优点。
将使用LED作为光源的吸光光度计的概略构成用图7示出(参照例如专利文献1等)。
从光源即LED(例如深紫外LED)71射出的测试光照射在流通池72上。测试光在通过流通池72中的试样溶液时，受到与该试样溶液中的成分的种类、量相应的吸收。受到这样的吸收之后的光入射至光检测器73，光检测器73输出与该光的光量相应的检测信号。然后，在未图示的信号处理部中，根据检测信号算出试样的吸光度。
在使用这样的吸光光度计作为检测器的LC中，为了谋求分析的高速化、高灵敏度化，抑制试样在色谱柱以外的流路中的扩散(波峰的展宽)是重要的，因此，对于流通池也要求是低容量的流通池。针对这样的低容量化的要求，在专利文献2中记载了利用半导体制造工序而形成以氧化硅等为材料的流通池。通过利用半导体制造工序的微细化技术，能够以高尺寸精度地形成低容量的流通池。
这样的低容量流通池的自身即为小型轻质，也便于吸光光度计的小型轻质化。然而，为了在吸光光度计中进行高灵敏度、高精度的测试，需要在装置组装时手动地调整光源以及光检测器的光轴，以使测试光的光轴在流通池中的规定位置通过，流通池越小，这样的调整越难。因此，不但在装置的组装上花费功夫，而且需要在组装上熟练的作业者。另外，即使流通池进行了小型化，也由于光源、光检测器的部件的尺寸的制约，在装置的小型化上具有限制。
现有技术文献
专利文献
专利文献1:日本特开2011-237384号公报
专利文献2:美国专利第8213015号说明书
发明内容
发明要解决的问题
本发明正是鉴于上述问题而完成的，其目的在于，提供一种与以往相比小型轻质、并且不需要由手动进行光轴等的调整的光学分析装置。
解决问题的技术手段
为了解决上述问题而完成的本发明所涉及的光学分析装置的特征在于，具备：
a)基体，其由作为化合物半导体元件用、氧化物半导体元件用、或者有机半导体元件用的基板而被使用的透明或者半透明的材料形成，在其内部形成有供试样溶液流通的流路；
b)半导体发光部，其通过半导体制造工序形成在所述基体的表面，并针对所述流路中的试样溶液照射光；以及
c)半导体受光部，其通过半导体制造工序形成在所述基体的表面的、来自所述流路中的试样溶液的光所到达的位置上，所述流路中的该试样溶液面对所述半导体发光部的照射光。
作为化合物半导体元件用、氧化物半导体元件用、或者有机半导体元件用的基板而被使用的透明或者半透明的材料典型地为蓝宝石(氧化铝单晶体：Al2O3)，但是除此之外，也能够利用氮化铝(AlN)、锗酸铋(Bi4Ge3O12)、金刚石、氧化铝、碳化硅、氧化锌等各种各样的材料。
另外，在此所述的透明或者半透明不需要针对宽波段具有透光性，针对特定的波长(半导体发光部的发射光的波长)具有透光性就足够了。另外，优选地，折射率越高越好。
在本发明所涉及的光学分析装置中，在由例如蓝宝石形成的基体的内部，形成有规定内径的直管状或者除此以外的形状(例如L字状、コ字状等)的流路。该流路可以通过机械的穿孔加工而形成，或者，也可以在两个基体中的一方或两方的极其平坦的表面通过机械加工、蚀刻等化学加工等形成沟槽，并以该沟槽成为内侧的方式将两个基体贴合，由此在内部形成流路。
半导体发光部例如为在基体的表面通过化合物半导体的半导体制造工序而形成的LED。具体来说，例如，在由蓝宝石形成的基体的表面通过晶体生长形成氮化镓(GaN)等薄膜层，在该氮化镓层之上形成活性层等LED结构即可。另外，半导体受光部同样为在例如由蓝宝石形成的基体的表面通过化合物半导体的半导体制造工序而形成的光电二极管。在这种情况下，在基体的表面通过晶体成长等形成氮化镓等薄膜层，在该氮化镓层形成受光用的pn结即可。也可以不是pn结型，而是肖特基势垒、光电导(Photo-conductive)型的受光元件。该半导体发光部以及半导体受光部例如以在基体内的流路的正交方向或者斜交方向上夹持基体内的流路地对置的方式进行配置。
若向半导体发光部供给驱动电流，则半导体发光部在基体一侧发出规定波长的光。该光在透明或半透明的基体中透过，并照射到在该基体内部的流路中流动的试样溶液。由于试样溶液中的成分而受到吸收的透过光在透明或半透明的基体中透过并到达半导体受光部。半导体受光部生成与到达的光的光量相应的检测信号。由此，通过本发明所涉及的光分析装置，能够获得反映了在一体化了半导体发光部以及半导体受光部的基体内部的流路中流动的试样溶液的吸收的检测信号。
一般地作为化合物半导体元件用、氧化物半导体元件用、或者有机半导体元件用的基板而被使用的材料显示出高的折射率。因此，光在由这样的材料形成的基体与空气之间的界面容易发生全反射。因此，若通过流路的光以某程度以上的角度射到基体与空气的界面上，则会发生全反射而向基体内部返回。如果利用这样的全反射的作用，就能够使光在流路中多次通过之后入射至半导体受光部。由此，即使对于光的吸收的程度很小的试样，也能够以高精度获得吸光度。
另外，通过由半导体受光部对与从半导体发光部发出的光的波段不同的特定的波段的光进行受光，也能够检测试样的荧光而非透过光、散射光。即，通过本发明所涉及的光学分析装置，不仅能够进行吸光度的测定还能够进行荧光强度的测定。
另外，上述半导体发光部也可以不是LED而是超辐射发光二极管(SLD)、激光二极管(LD)。另外，半导体受光部也可以不是光电二极管而是光敏晶体管等。进而，也可以设置多个而不是仅一个半导体受光部，将由这些多个半导体受光部获得的信号进行合计，或是选择性地取出由多个半导体受光部获得的信号中的一个。另外，在对半导体发光部进行选择性地点亮、熄灭的情况下，也可以作为按顺序反复进行多个半导体发光部的每一个的点亮、熄灭这样的分时的动作。
另外，在使用有机半导体元件用的基板材料作为基体，通过有机半导体形成半导体发光部、半导体受光部的情况下，上述半导体制作工序为含有溶液工序等的有机半导体的制造工序。即，在此所述的半导体制造工序是对无机物、有机物普适的半导体的制造工序。
发明的效果
根据本发明所涉及的光学分析装置，光源、试样溶液流经的流路即流通池、以及光检测器被一体化，并且光源、光检测器通过半导体制造工序以高的位置精度形成在形成有流路的基体的表面。因此，不需要以往装置中必须的、组装时的手动的光轴调整，能够不需要这样的调整地完成高灵敏度的测定。
另外，在本发明所涉及的光学分析装置中，光源与流通池之间的间隙、流通池与光检测器之间的间隙都成为了流路的壁面，因此这些元件间的不需要的间隙消失，能够谋求装置的小型化。进而，如上所述，一般地，化合物半导体元件、氧化物半导体元件、或者有机半导体元件的基板所使用的材料的折射率很高，在基体与空气的界面容易产生全反射，因此，能够抑制在流路内部的光的扩散。
另外，在本发明所涉及的光学分析装置中，在通过使用了半导体曝光技术的化学加工形成流路的情况下，能够简单地制作复杂形状的流路。
进而，在本发明所涉及的光学分析装置中，能够在形成有流路的基体上安装例如半导体发光部的驱动电路、对由半导体受光部获得的信号进行放大的放大器等、能够由化合物半导体、氧化物半导体或有机物半导体制作的元件、电路。另外，也能够在同一基体上制作各种光学元件。例如对于透镜，能够使用光子聚合物等折射率分散材料而使其具有折射率分布。由此，能够提供具备了电路、光学***的功能的高性能的光学分析单元。
附图说明
图1为作为本发明一实施例的光学分析装置的概略构成图，(a)为在包含流路的中心线的平面处的截面图，(b)为(a)中的A-A’箭视线截面图。
图2为作为本发明另一实施例的光学分析装置的概略构成图。
图3为作为本发明另一实施例的光学分析装置的概略构成图。
图4为作为本发明另一实施例的光学分析装置的概略构成图。
图5为半导体发光部的一例的概略截面图。
图6为半导体受光部的一例的概略截面图。
图7为以往的吸光光度计的概略构成图。
具体实施方式
以下，参照附图对本发明所涉及的光学分析装置的一实施例进行说明。
图1为本实施例的光学分析装置的概略构成图，(a)为在包含流路的中心线的平面处的截面图，(b)为(a)中的A-A’箭视线截面图。
本实施例的光学分析装置1A具有由作为化合物半导体元件用基板的材料而被使用的蓝宝石形成的基体2，在其长方体状的基体2的内部形成有圆筒直管状的流路3。将化合物半导体元件用基板适当地切断用作基体2即可。另外，流路3通过例如包含激光加工的机械加工来进行穿孔即可。从例如LC的色谱柱出口洗脱的试样溶液以大致稳定的流速供给至该流路3。
在此，使用蓝宝石作为基体2的材料，但是能够使用的材料不限于蓝宝石，只要是化合物半导体元件用、氧化物半导体元件用、或者有机半导体元件用的基板所使用的材料，且为透明或半透明、即具有使规定的波长或波段的光透过的特性的材料即可。例如，作为单晶基板也可以是一般能够获得的氮化铝、锗酸铋等。另外，也可以为金刚石基板等。
在基体2上夹持流路3而对置的两个表面(在图1的例子中为上表面以及下表面)中的一方上，在基体2上形成有LED 4作为半导体发光部。另外，在两个表面中的另一方上，在基体2上形成有光电二极管5作为半导体受光部。这两者都是通过化合物半导体的标准制造工序而形成在基体2上的部件。
在此，概略性地说明LED 4以及光电二极管5的结构。
图5为LED 4的一例的概略截面图。
在基体2的表面，通过晶体生长形成n型的氮化镓薄膜层(n-GaN层)41，在其上形成例如氮化铟镓(InGaN)和氮化镓的多层膜即活性层42，进而在此之上形成p型的氮化镓薄膜层(p-GaN层)43。随后，去除p-GaN层43以及活性层42的一部分，在露出的n-GaN层41之上和p-GaN层43之上分别形成电极45、46。进而，在图5中虽未图示，但是在元件表面整体形成保护膜，在电极45、46之上的一部分保护膜上形成有连接孔，配线通过连接孔与电极45、46连接。
当通过该配线供给驱动电流时，活性层42发出光。该光向空间侧(在图5为上方)和基体2侧(在图5中为下方)这两方辐射，但是p-GaN层43的上表面几乎整体都被电极46覆盖，该电极46作为反射层而发挥作用。因此，从活性层42向上方辐射的光被电极46反射而向下方改变方向。因此，光高效地向基体2侧辐射。
图6为光电二极管5的一例的概略截面图。
在基体2的表面，通过晶体生长形成例如n型的氮化镓薄膜层(n-GaN层)51，在其上形成低带隙的GaN系晶体层作为受光层52，进而在此之上形成p型的氮化镓薄膜层(p-GaN层)53，由此形成双异质结结构。去除p-GaN层53以及受光层52的一部分，在露出的n-GaN层51之上和p-GaN层53之上分别形成电极55、56。进而，在图5中虽未图示，但是在整体上形成有保护膜，在电极55、56之上的一部分保护膜上形成有连接孔，配线通过连接孔与电极55、56连接。
当透过基体2而来的光经由n-GaN层51到达受光层52时，产生与光的强度(光量)相应的量的载流子，该载流子移动至n-GaN层51和p-GaN层53。由此，电流通过电极55、56流至外部的负载。另外，几乎覆盖p-GaN层53整体的电极56也具有遮蔽从空间侧向受光层52入射而来的光的功能。
此外，众所周知，化合物半导体的LED 4、光电二极管5的结构并不限于此，能够进行各种各样的变形。重要的是，LED 4高效地向基体2侧辐射光，光电二极管5对透过基体2而来的光高效地受光并进行光电转换。
返回图1进行说明，在图1所示的实施例中，以从LED 4发出并入射到光电二极管5的光的光轴与流路3大致正交的方式，确定LED 4以及光电二极管5的位置。因此，从LED 4发出并透过基体2的光在流路3的直径方向透过流路3中的试样溶液。在此期间受到试样溶液的吸收的光进一步透过基体2到达光电二极管5，光电二极管5产生与受光到的光的光量相应的检测信号。另外，实际上，LED 4的某程度的面积整体发光，光电二极管5也有某程度的面积的受光面。因此，不仅是与流路3正交的光，而且以某程度的角度斜交的光也到达光电二极管5，但由于这样的光路没有时间上的变动，因此在计算吸光度方面没有问题。
如上所述，在本实施例的光学分析装置中，LED 4作为光源，且光电二极管5作为光检测器，被一体化在形成有流路3的基体2上。LED 4以及光电二极管5都通过半导体制造工序以高的位置精度形成在基体2上，因此不需要以往装置那样的麻烦的光轴调整。另外，在LED 4与流路3之间、以及光电二极管5与流路3之间，不存在基体2以外的多余的空隙，因此装置整体的尺寸非常小，能够实现小型轻质的装置。
正如所熟知的那样，为了提高吸光度的精度、灵敏度，期望延长试样溶液中的光路长度。因此，也可以不是如图1所示那样将LED 4与光电二极管5设置在夹持流路3并在直径方向上对置的位置上，而是如图2、图3所示那样在流路3的长度方向上偏离了的位置上配置LED 4和光电二极管5。在图2所示的光学分析装置1B中，在从LED 4向基体2侧辐射的光中，以规定角度θ向倾斜方向辐射的光通过流路3中的试样溶液到达光电二极管5。此时，试样溶液中的光路长度相比于图1的构成的情况变长。此外，此时，从LED 4也辐射角度比θ小的光，但它们在基体2与空气的界面上不反射，因此穿过基体2而向外部辐射。
另一方面，在图3所示的光学分析装置1C中，在从LED 4向基体2侧辐射的光中，以规定角度以上的角度射到基体2与空气的界面的光在该界面反射。因此，一边在基体2与空气的界面反射2次以上一边通过基体2的光到达光电二极管5。光多次横跨流路3中的试样溶液，与此相应地光路长度变长。在光电二极管5与基体2的界面，反射条件与在基体2与空气的界面是不同的，因此到达了光电二极管5的位置的光在该界面不反射地侵入光电二极管5并被检测。如此，通过适当地确定LED 4与光电二极管5的位置，能够延长试样溶液中的光路长度。
另外，在图1～图3所示的例子中，流路3为直管状，但是流路3能够设为各种各样的形状。例如在图4所示的光学分析装置1D中，流路3的形状设为コ字状。并且，以在流路3的长边方向上夹持该コ字状的流路3的中央的直线部的方式设置LED 4和光电二极管5。根据这样的构成，试样溶液中的光路为单向，但是该光路长度较长，能够提高吸光度的精度、灵敏度。
另外，图4所示那样形状的流路3难以通过单纯的机械加工来制作。为了形成这样复杂形状的流路，在两个基体中的一方或两方的表面通过机械加工、蚀刻等化学加工形成沟槽，以该沟槽成为内侧的方式将两个基体贴合即可。
另外，在上述实施例中，在蓝宝石等基体2上形成LED 4以及光电二极管5，但也可以取代LED 4而形成其他半导体发光部，例如形成超辐射发光二极管、激光二极管。另外，也可以取代光电二极管5而形成光敏晶体管等半导体受光部。进而，不仅可以在基体2上设置半导体发光部、半导体受光部，也可以在基体2上一并设置能够由化合物半导体的制造工序制造的其他元件、电路。例如，即使在基体2上安装将驱动电流供给至LED 4的驱动电路例如电流源、其控制电路、对由光电二极管5检测到的信号进行放大的放大器等也没有问题。进而，也能够在基体2上设置透镜等光学元件。
另外，光电二极管不限于一个，也可以在合适的位置设置多个，并将由这些多个光电二极管获得的信号进行合计作为一个检测信号，或者，选择性地取出由多个光电二极管获得的信号中的一个作为检测信号。
进而，本发明所涉及的光学分析装置也能够作为检测从试样发出的荧光的构成。这种情况下，将从LED 4辐射的光作为激发光，使用能够选择性地检测由该激发光激发而从试样发出的荧光的波段的光电二极管即可。
另外，不是由一般的化合物半导体、氧化物半导体，而是由有机半导体形成光源、光检测器也是理所当然的。
进而，上述实施例仅是本发明的一例，很显然即使在按照本发明主旨的范围进行适当的变形、修正、增加，也包含在本申请权利要求的范围内。
符号说明
1A，1B，1C，1D…光学分析装置
2…基体
3…流路
4…LED
41，51…n-GaN层
42…活性层
43，53…p-GaN层
45，46，55，56…电极
5…光电二极管
52…受光层。

Claims (3)

1.一种光学分析装置，其特征在于，具备：
a)基体，其由作为化合物半导体元件用、氧化物半导体元件用、或者有机半导体元件用的基板而被使用的透明或者半透明的材料形成，在其内部形成有供试样溶液流通的流路；
b)半导体发光部，其通过半导体制造工序形成在所述基体的表面，并对所述流路中的试样溶液照射光；以及
c)半导体受光部，其通过半导体制造工序形成在所述基体的表面的、来自所述流路中的试样溶液的光所到达的位置上，所述流路中的该试样溶液面对所述半导体发光部的照射光。
2.如权利要求1所述的光学分析装置，其特征在于，
所述基体由蓝宝石形成。
3.如权利要求1或2所述的光学分析装置，其特征在于，
所述半导体受光部被设置在所述半导体发光部的照射光透过所述流路中的试样溶液而到达的位置。
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