CN1514933A - 微量化学*** - Google Patents

Abstract

一种微量化学***，可提高用户的工作效率，还可以实现小型化，该微量化学***具有顶端安装了折射率分布型棒式透镜(102)的光纤(10)，并且包括以单模方式传输激励光和检测光的光纤(101)，以及用于使光纤(101)的外径与折射率分布型棒式透镜(102)的外径相同的套圈(103)。折射率分布型棒式透镜(102)和光纤(101)由套筒(104)固定。

Description

微量化学***

技术领域

本发明涉及一种微量化学***，其实施将激励光聚光照射在试样上形成热透镜、并对透过该热透镜后的检测光进行测量的光热转换光谱分析方法，特别是涉及可在微小空间内的测量中进行高精度的超微量分析、同时可适用于台式热透镜显微镜的微量化学***。

现有技术

迄今为止，在微小空间内进行化学反应的集成化技术，从其化学反应的高速性、对微小量的反应、以及现场分析等角度颇受瞩目，世界范围内正在集中精力进行研究。

处理化学反应的集成化技术中的一种是使用玻璃基板等的微量化学***。这指的是期望能够在小玻璃基板等上形成的微细流道中发挥试样的混合、反应、分离、萃取、检测等全部功能。利用微量化学***进行反应的例子有重氮化反应、硝化反应、抗原抗体反应，进行萃取或分离的例子有溶剂萃取、电泳分离、柱分离等。

仅以上述功能当中的分离为目的的例子，有日本专利公报特开平8-178897号公报中提出的电泳装置。该电泳装置是对极微量的蛋白质、核酸等进行分析的装置，具有由相互结合的两块玻璃基板构成的带流道的板状构件。该构件为板状，因此与截面为圆形或角形的玻璃毛细管相比不易破损且容易使用。

这些微量化学***中，由于试样的量为微量，因而必须使用高度的测量方法，但通过光热转换光谱分析法开启了实用化之门，该光热转换光谱分析法利用微细流道内的试样通过吸收光而产生的热透镜效果。

光热转换光谱分析法是利用光热转换效果的方法，该光热转换效果是指，将光线聚光照射在试样上时，试样中的溶质因吸收光而放出的热能使溶剂局部温度上升，由此折射率发生变化形成热透镜。

图7所示为热透镜的原理说明图。

在图7中，通过显微镜的物镜将激励光聚光照射在极微小的试样上时就会引起上述的光热转换效果。大多数物质随温度上升而折射率变小。因此，被激励光照射后的试样在越靠近温度上升程度大的聚光中心处，其折射率降低的程度越大，而离开聚光中心越靠近周边部位，由于热扩散温度的上升程度小，因而折射率降低的程度也越小。光学上，折射率的这种分布恰好产生与凹透镜同样的效果，因而将这种效果称为热透镜效果。这一效果的大小，即凹透镜的度数与试样的光吸收度成比例。而折射率与温度成比例地变大的情况则相反，产生与凸透镜相同的效果。

如上所述，光热转换光谱分析法是观察试样中的热扩散、即试样的折射率的方法，因而适于检测极微小试样的浓度。

作为实施上述光热转换光谱分析法的微量化学***，提出有例如日本专利公报特开平10-232210号公报所记载的光热转换光谱分析装置。

在现有的光热转换光谱分析装置中，带流道的板状构件配置在显微镜的物镜的下方，从激励光源输出的规定波长的激励光入射到显微镜中，并由显微镜的物镜聚光照射到带流道的板状构件的分析用流道内的试样上。以该聚光照射的聚光照射位置为中心形成热透镜。

另一方面，波长与激励光不同的检测光由检测光源发射，入射到显微镜后从显微镜射出。射出的该检测光聚光照射到由激励光在试样中形成的热透镜上。透过试样的检测光因热透镜效果而发散或会聚。从该试样发散或会聚后射出的光作为信号光经由聚光透镜和滤光器、或仅经由滤光器后由检测器接收并被检测出来。检测出的信号光的强度与在试样中形成的热透镜的折射率相对应。检测光也可以与激励光的波长相同，还可以由激励光兼作检测光。

这样，在上述光热转换光谱分析装置中，是在激励光的聚光照射位置(以下称为焦点位置)上形成热透镜，且根据检测光检测出所形成的热透镜的折射率变化。

在使用利用热透镜的光热转换光谱分析法的多数情况下，激励光的焦点位置必须与检测光的焦点位置不同。图8所示为在激励光的行进方向上热透镜的形成位置和检测光的焦点位置的说明图。图8A表示的是物镜有色像差的情况，图8B表示的是物镜没有色像差的情况。

在物镜130有色像差的情况下，如图8A所示，热透镜131形成在激励光的焦点位置132上，同时检测光的焦点位置133从激励光的焦点位置132偏移ΔL，因此可以通过该检测光将热透镜131折射率的变化作为检测光焦距的变化检测出来。另一方面，物镜130没有色像差的情况下，如图8B所示，检测光的焦点位置133与激励光的焦点位置132、即热透镜131的位置基本一致。这样检测光就不会产生由热透镜131引起的折射，因而无法检测热透镜131的折射率变化。

但是，显微镜等的物镜通常都制造成没有色像差，由于上述理由，如图8B所示，检测光的焦点位置133与激励光的焦点位置132上形成的热透镜131的位置基本一致。因此无法检测热透镜131折射率的变化。从而必须如图9A和图9B所示，每次测量时都要使热透镜131的形成位置偏离检测光的焦点位置133，或者如图10所示，利用图上未示出的透镜使检测光稍微发散或会聚后入射到物镜130，从而使检测光的焦点位置133偏离热透镜131，这样就有使用者工作效率低的问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种可提高使用者的工作效率，同时可以实现小型化的微量化学***。

为了实现上述目的，本发明第1实施例提供的微量化学***中，通过聚光透镜将激励光和检测光聚光照射到试样上，并对透过由激励光的聚光照射而形成的热透镜后的所述检测光进行测量，其中，还具有将所述激励光和检测光引导到所述聚光透镜的光纤。

在本发明第1实施例中，所述聚光透镜最好是被固定在所述光纤两端中的试样一侧的顶端。

在本发明第1实施例中，所述光纤最好为1根。

在本发明第1实施例中，最好是所述激励光与所述检测光的频率不同，所述聚光透镜有色像差，透过该聚光透镜后的所述激励光和所述检测光的焦点位置不同。

在本发明第1实施例中，所述聚光透镜最好为折射率分布型透镜。

在本发明第1实施例中，所述折射率分布型透镜最好为棒式透镜。

在本发明第1实施例中，所述光纤最好在激励光和检测光的频率上为单模方式。

在本发明第1实施例中，最好还具有用于移动在所述顶端固定有聚光透镜的光纤的移动机构。

在本发明第1实施例中，最好至少具有2组以上所述光纤和固定在该光纤顶端的所述聚光透镜构成的构件组。

附图说明

图1是本发明第1实施例的微量化学***的概略构成示意图。

图2所示为与图1中棒式透镜的最佳焦点位置的偏移量ΔL相对应的信号强度的变化的说明图。

图3是本发明第2实施例的微量化学***的概略构成示意图。

图4是本发明第3实施例的微量化学***的概略构成示意图。

图5是表示本发明第4实施例的微量化学***主要部分的部分斜视图。

图6是表示本发明第5实施例的微量化学***的概略构成的框图。

图7所示为热透镜的原理说明图。

图8A和图8B所示为在激励光的行进方向上热透镜的形成位置和检测光的焦点位置的说明图，图8A表示的是物镜有色像差的情况，图8B表示的是物镜没有色像差的情况。

图9A和图9B所示为在激励光的行进方向上热透镜的形成位置和检测光的焦点位置的说明图，图9A表示的是热透镜相对于检测光的焦点位置形成在物镜一侧的情况，图9B表示的是热透镜相对于检测光的焦点位置形成在物镜的相反一侧的情况。

图10所示为现有光热转换光谱分析装置中测量热透镜折射率变化的方法的说明图，表示使用发散透镜来扩散检测光的情况。

具体实施方式

以下参照附图说明本发明实施例的微量化学***。

图1是本发明第1实施例的微量化学***的概略构成示意图。

在图1中，顶端安装了透镜的光纤10(以下称为带透镜的光纤10)被安装在以单模方式传输激励光和检测光的光纤101的一端。该带透镜的光纤10具有折射率分布型棒式透镜102、以及用于扩大光纤101的外径使其与折射率分布型棒式透镜102的外径实质上相同的套圈103。折射率分布型棒式透镜102位于激励光和检测光的行进方向上，并配置在套圈103的下游。折射率分布型棒式透镜102和光纤101由套筒104固定。光纤101与折射率分布型棒式透镜102之间可以紧贴，也可以有间隙。

光纤101在另一端的光复用器108处分为2路，其中一路的端部配置有激励光用光源105，另一路的端部配置有检测光用光源106。在激励光用光源105上连接有用于调制激励光的调制器107。入射到光纤内的激励光和检测光由光复用器108进行复用。另外，也可以使用分色镜等来代替光复用器108，使激励光和检测光同轴后入射到光纤101。

输送用于测量的试样的带流道的板状构件20由3层重叠粘合的玻璃基板201、202、203构成，在中间的玻璃基板202上形成有对试样进行混合、搅拌、合成、分离、萃取、检测等工作的流道204。

该带流道的板状构件20的材料从耐久性和耐药性方面来说最好是玻璃。特别是，考虑到细胞等生物试样例如用于DNA解析等用途，最好是耐酸性和耐碱性较好的玻璃，具体地说，最好是硼硅酸玻璃、碱石灰玻璃、铝硼硅酸玻璃、石英玻璃等。但是，通过限定用途，可以使用由塑料等有机物质制造的材料。

带透镜的光纤10由夹具30固定在与带流道的板状构件20的流道204面对的位置上。

在面向流道204、且中间夹着带流道的板状构件20同带透镜的光纤10对置的位置上，设置有用于检出检测光的光电转换器401、以及分离激励光和检测光仅使检测光选择性透过的波长滤光器402。在检测光的光路上比光电转换器401更为上游的位置上，也可以设置仅使检测光的一部分选择性透过的针孔。从光电转换器401得到的信号，为了与调制器107同步而被送到锁定放大器404，然后在计算机405中进行解析。

粘合玻璃基板201、202、203的粘合剂，有例如紫外线硬化型、热硬化型、二液硬化型的丙烯酸系、环氧系的有机粘合剂以及无机粘合剂等。另外，除了粘合还可以通过热融合使玻璃基板201～203融接。

折射率分布型棒式透镜102是折射率从中心向周边连续变化的圆柱形透明体，并且是在半径方向上离开中心轴距离为r的位置处的折射率n(r)由下式表示的集束性光传输体，即用中心折射率为n₀、平方分布系数为g的关于r的近似2次方程式

n(r)＝n₀{1-(g²/2)·r²}

表示上述折射率n(r)。

棒式透镜102的长度z₀在0＜z₀＜π/2g的范围内选择时，虽然两端面平坦，但其成像特性与通常的凸透镜相同，由平行入射光线在离射出端

s₀＝cot(g z₀)/n₀g

的位置上形成焦点。

另外，例如可以使用下列方法制造棒式透镜102。

即，使以摩尔百分比SiO₂：57～63％、B₂O₃：17～23％、Na₂O：5～17％、Tl₂O：3～15％为主要成分的玻璃成形为棒状后，在硝酸钾盐溶液等的离子交换介质中对该玻璃棒进行处理，将玻璃中的铊离子和钠离子同介质中的钾离子进行离子交换，从而在玻璃棒内形成从中心向周边连续降低的折射率分布。

在本发明第1实施例的微量化学***中，棒式透镜102安装在传输激励光和检测光的光纤101的顶端，因而不必每次测量时都调整激励光及检测光的光路和棒式透镜102的光轴，而且不需要使光轴重合的夹具和坚固的定盘，因而可以使微量化学***小型化。

棒式透镜102的激励光的焦点位置必须位于带流道的板状构件20的流道204中。棒式透镜102不必与带流道的板状构件20接触，但在接触的情况下，可以利用板状构件20的上部玻璃板201的厚度来调整棒式透镜102的焦距。上部玻璃板201的厚度不足的情况下，可以在棒式透镜102和上部玻璃板201之间加入用于调整焦距的隔板。在这些情况下，不必调整焦距，因而可以使装置进一步小型化。

设定棒式透镜102，使检测光的焦点位置相对于激励光的焦点位置的偏移量为ΔL(图8A)。

Ic作为共焦点距离(nm)(共焦点長)，以Ic＝π·(d/2)²/λ₁来计算。在此，d为以d＝1.22×λ₁/NA计算的爱里斑(エアリ一デイスケ)，λ₁为激励光的波长(nm)，NA为棒式透镜102的数值孔径。在使用光纤的情况下，光纤的出射光的数值孔径小，因而在使用数值孔径较大的棒式透镜时有必要使用光纤的数值孔径来计算。

上述ΔL的值随被测试样的厚度变化。在测量厚度小于共焦点长的试样时，ΔL的值最好为 $\mathrm{\ΔL}=\sqrt{3}\·\mathrm{Ic}.$

例如，NA＝0.46、λ₁＝488nm、λ₂＝632.8nm时偏移量ΔL的值与信号强度的关系，如果以ΔL＝4.67μm时的信号强度为100的相对系数值表示，则如图2所示，ΔL＝4.67μm时信号强度最大。因此，这种情况下最好将棒式透镜102最佳焦点位置的偏移量ΔL设计为4.67μm。该ΔL值仅表示检测光的焦点位置和激励光的焦点位置之差，因此无论检测光的焦距比激励光的焦距长还是短都没有不同。

使光纤101为单模光纤的原因是，在利用光热转换光谱分析方法检测试样中的微量溶质时，希望尽量收缩激励光并增加光热转换中使用的能量，同时希望由激励光生成的热透镜为像差小的透镜。用于生成热透镜的激励光最好具有高斯分布。由于从单模光纤射出的光通常为高斯分布，因而适于将激励光的焦点变小。另外，由激励光生成的热透镜较小的情况下，为了使通过该热透镜的检测光尽可能多，最好也尽可能收缩检测光。因此，最好使用以单模传输激励光和检测光的光纤。

另外，只要能使激励光和检测光透过，则什么样的光纤都可以，但是在使用多模光纤的情况下，出射光不是高斯分布，而且随着光纤的弯曲状况等种种条件的变化出射形态也发生变化，因此未必能得到稳定的出射光。从而会出现难以测量微量溶质，或者测量值不稳定的情况。因此，如上所述，光纤最好为单模光纤。

如果将光纤的顶端加工成球形等形状作为透镜，即使不在光纤的顶端安装透镜，也可以收缩激励光和检测光，但在这种情况下，透镜部分几乎没有色像差，因而激励光和检测光两者的焦点位置几乎一致。因此就有热透镜的信号几乎检测不出的问题。另外，加工光纤顶端作成的透镜像差大，因此也有激励光和检测光的焦点大的问题。因此，在本实施例中，光纤101的顶端安装有透镜102。

图3所示为本发明第2实施例的微量化学***的概略构成。

光纤40是将光纤101和折射率分布型棒式透镜102粘合或热融合而成的。这些粘合可使用与上述带流道的板状构件20的粘合剂相同的物质。

与本发明第1实施例的微量化学***不同，没有使用套圈103和套筒104。因此，比图1所示的微量化学***成本低，同时可以更进一步地小型化。

另外，使用夹具可以移动安装有折射率分布型棒式透镜102的光纤101一侧(入射光学***)，从而可以测量试样中的任意位置。移动带流道的板状构件20来改变测量位置时，流道204中的试样流动紊乱，从而影响反应等。另外，因为一直等到紊乱平息后才进行测定等工作，因而作业效率不高。这些不便在移动光纤40一侧的情况下都不存在。

图4所示为本发明第3实施例的微量化学***的概略构成。

顶端安装了透镜102的光纤10(带透镜的光纤10)的构成，与本发明第1实施例的微量化学***的光纤10相同。固定带透镜的光纤10的夹具30由支柱501a支承。支柱501a配置在带流道的板状构件20的上方，并与带流道的板状构件20的板面的伸长方向平行地延伸。带流道的板状构件20的下方配置有平行于支柱501a而延伸的支柱501b。支柱501b支承光电转换器401和波长滤光器402，支柱501a、501b由载物台502支承。该载物台502通过控制支柱501a、501b的送出长度来控制带透镜的光纤10和光电转换器401在Y轴方向(图4纸面上的左右方向)上的位置。载物台502由可在X轴方向(图4纸面上的上下方向)上移动的载物台503支承。这样，通过控制支柱501a、501b和载物台502，可使带透镜的光纤10和光电转换器401的位置在XY方向上任意移动。另外，支柱501a、501b也可固定在市售的XY载物台上。

为了评价由照射在试样上的激励光形成的热透镜，有必要测量随透过试样的检测光的偏转而发生的强度变化。因此，通过移动激励光和检测光的照射位置来移动测量位置时，必须同时移动光电转换器401和波长滤光器402。这一移动由上述机构进行。

图5所示为本发明第4实施例的微量化学***主要部分的部分斜视图。

在图5中，带透镜的光纤10的构成与图1中相同。分别对应各个带透镜的光纤10设置有多个光电转换器401和波长滤光器(图上未示出)。光电转换器401在对应各带透镜的光纤10而互相独立配置，也可以连接成阵列状。

这样，在配置了多个带透镜的光纤10的微量化学***中，可以对应每个带透镜的光纤10而分别设置激励光用光源和检测光用光源，也可以使用转换器(图上未示出)对1个激励光光源和检测光光源进行切换，以便能使用于各带透镜的光纤10。

如上所述，通过在试样上方配置多个带透镜的光纤10可以在多个测量点进行测量。这种情况下，因为不需要移动带透镜的光纤10的机构从而可以小型化，同时因为不移动带透镜的光纤10就能够进行其它测量点的测量，因而可以迅速进行测量从而提高用户的工作效率。

图6所示为本发明第5实施例的微量化学***的概略构成框图。

本实施例涉及的微量化学***与第1实施例的微量化学***不同的特征在于，带透镜的光纤10被固定在带流道的板状构件20上，以及在对透过带流道的板状构件20的检测光进行引导的出射光学***中也配置了光纤111。

根据本实施例涉及的微量化学***，带透镜的光纤10被固定在带流道的板状构件20上，因而不必每次测量时都调整焦点位置和测量位置。因此，完全不需要调整焦点位置和测量位置的机构，因而可以使微量化学***小型化。

另外，因为在出射光学***中使用了光纤111，因而可以将检测器离开带流道的板状构件20而设置，并可以使微量化学***小型化。另外，出射光学***中的光纤，只要可透过检测光，则可以使用任意种类的光纤。

根据上述各实施例的微量化学***，不必使激励光及检测光的光路和透镜的光轴重合。另外，不需移动带流道的板状构件就可在带流道的板状构件的多个位置进行测量，因而没有一直等待流道中试样的紊乱平息的不便。从而提高了用户的工作效率。

另外，不需要为了在带流道的板状构件上聚光而在显微镜等中使用的物镜以及聚光镜，因而可使***小型化。

产业实用性

如以上的详细说明，本发明具有用于将激励光和检测光引导到试样上的光纤，因而不必每次测量时都调整激励光和检测光的光路，从而提高了用户的工作效率，并且不需要用于调整光路的夹具从而可使微量化学***小型化。

在本发明中，光纤两端中试样一侧的顶端上固定有聚光透镜，因而不必在每次测量时都要使激励光及检测光对正聚光透镜的光轴，从而可以进一步提高用户的工作效率。

在本发明中，光纤为1根，因而在光纤内传输的激励光和检测光常常同轴，不需要调整光轴的夹具，从而可使微量化学***更为小型化。

在本发明中，激励光与检测光的频率不同，聚光透镜具有色像差，且透过该聚光透镜后的激励光和检测光的焦点位置不同，因此上述热透镜的变化常体现为检测光焦点位置的变化，从而可以对试样进行正确测量。

在本发明中，聚光透镜为折射率分布型透镜，因此聚光透镜极小，从而可使微量化学***更为小型化。

在本发明中，折射率分布型透镜为棒式透镜，因此，可以很容易地安装在光纤上，同时容易使棒式透镜的光轴和光纤的光轴重合。

在本发明中，光纤在激励光和检测光的频率上为单模，因此，由激励光生成的热透镜是像差小的透镜，从而可进行更为准确的测量。

在本发明中，具有用于移动在顶端固定有聚光透镜的光纤的移动装置，因此，通过将聚光透镜与光纤一同移动，可以测量试样中的任意位置，同时因为不移动试样一侧，因而不必一直等待试样移动所引起的的试样紊乱平息，从而可进一步提高用户的工作效率。

在本发明中，至少具有2组以上光纤和固定在该光纤顶端的聚光透镜所构成的构件组，因此，可以迅速测量试样中至少2个以上的位置，从而可进一步提高用户的工作效率。

Claims (9)

1.微量化学***，通过聚光透镜将激励光和检测光聚光照射到试样上，并对透过由激励光的聚光照射而形成的热透镜后的所述检测光进行测量，其特征在于，具有将所述激励光和检测光引导到所述聚光透镜的光纤。

2.如权利要求1所述的微量化学***，其特征在于，所述聚光透镜被固定在所述光纤两端中的试样一侧的顶端。

3.如权利要求2所述的微量化学***，其特征在于，所述光纤为1根。

4.如权利要求2或3所述的微量化学***，其特征在于，所述激励光与所述检测光的频率不同，所述聚光透镜有色像差，透过该聚光透镜后的所述激励光和所述检测光的焦点位置不同。

5.如权利要求1至4中任一项所述的微量化学***，其特征在于，所述聚光透镜为折射率分布型透镜。

6.如权利要求5所述的微量化学***，其特征在于，所述折射率分布型透镜为棒式透镜。

7.如权利要求1至6中任一项所述的微量化学***，其特征在于，所述光纤在激励光和检测光的频率上为单模方式。

8.如权利要求2至7中任一项所述的微量化学***，其特征在于，还具有用于移动在所述顶端固定有聚光透镜的光纤的移动机构。

9.如权利要求2至7中任一项所述的微量化学***，其特征在于，至少具有2组以上所述光纤和固定在该光纤顶端的所述聚光透镜构成的构件组。

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