JP3877661B2 - マイクロ化学分析装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、微小流路中で化学分析を行うマイクロ化学分析（マイクロＴＡＳ（トータル・アナリシス・システム）とも呼ばれる）に用いられる分析装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
マイクロＴＡＳは、チップ内に形成された数十〜数百μｍの流路に溶液を流して化学反応させるシステムである。溶液が微量であり、かつマイクロ流路を流れているため、分析にあたっては、感度の高い検出法が求められる。しかしながら、微量の成分を検出するための機構は複雑であり、大型化するため、システム全体が大きくなり、反応部分を微小化する意味が失われてしまう。
【０００３】
マイクロＴＡＳ技術を用いるマイクロチップ電気泳動法では、蛍光物質で測定対象を修飾し、レーザ誘起蛍光顕微鏡で検出する方法が一般に用いられている。また、北森らは、物質の光吸収に基づく熱緩和を、溶媒の屈折率の変化として捉える熱レンズ顕微鏡の利用を提唱しているが、機構が複雑であり、大型化を避けることができない。
【０００４】
通常の化学分析では、定量したい物質に光を当て、吸光光度を測定する方法（吸光光度法）が信頼性が高いため広く利用されている。また、光を当てることにより定量したい物質で発光を生じさせ、発光した光の量を測定する方法もある。これらの方法の測定には、分光光度計が用いられ、光路長が１０ｍｍのセルが用いられている。吸光度は、溶液の濃度と光路長に比例するため、光路長が検出感度を左右する。また、受光面積が小さいと、光量が不足して、Ｓ／Ｎ比が低下するため、検出下限が高くなってしまう。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
マイクロＴＡＳにおいて、上記の吸光光度法を用いようとすると、受光面積及び光路長が小さくなるため、検出感度が悪くなるとともに、Ｓ／Ｎ比が低下し、検出下限が高くなるという問題を生じる。
【０００６】
図８は、マイクロＴＡＳに、吸光光度法を用いた場合の従来の装置を説明するための斜視図である。図８に示す従来の分析装置は、２つの基板１及び２並びにこれらの基板を挟むように設けられる光源７及び受光部８から構成されている。一方の基板２には、溶液を導入するための２つの導入口３及び４が形成されており、導入口３及び４から導入された溶液は、微小流路５内で混合されながら流れる。微小流路５は、基板１と２の間に形成されている。混合された溶液は、基板２に形成された排出口６から外部に排出される。
【０００７】
微小流路５内を流れる溶液に、光源７からの光が照射され、通過した光が受光部８に受光される。受光部８で溶液の光吸収量が測定され、分析が行われる。このような方法では、図８にハッチングを付して示す測定領域９内を流れる溶液が測定対象となる。微小流路５内の厚みは、非常に小さく、約１００μｍである。従って、厚み、すなわち光路長が１０ｍｍであるセルを用いた場合と比較すると、１／１００の光路長となり、検出感度が著しく悪くなる。また、受光部８において受光する光のうち、溶液部分を透過する光の割合が小さいため、Ｓ／Ｎ比が低くなり、検出下限が高くなる。
【０００８】
本発明の目的は、微小流路中に溶液を流し、化学分析を行うマイクロ化学分析装置であって、感度が高く、かつ小型化可能なマイクロ化学分析装置を提供することにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明の第１の局面は、測定対象である溶液で吸収される光の強度を測定することにより分析するマイクロ化学分析装置であり、一対の透明基板と、該一対の透明基板に挟まれる着色基板と、該一対の透明基板を挟むようにその両側に設けられる光源及び受光部とを備え、光源から受光部に向かう光がその内部を通るように着色基板に貫通孔が形成され、測定対象である溶液を貫通孔に導くための導入用流路が一対の透明基板の一方に形成され、一対の透明基板の他方に、貫通孔から排出された溶液を外部に排出するための排出用流路が形成されていることを特徴としている。
【００１０】
本発明の第１の局面においては、光源から受光部に向かう光がその内部を通るように着色基板に貫通孔が形成され、この貫通孔に測定対象である溶液が流れる。従って、光源と受光部の間の光路に沿って貫通孔が形成され、この貫通孔内を溶液が流れる。このため、貫通孔の長さを長くすることにより、測定のための光路長を長くすることができ、検出感度を高めることができる。一般に、貫通孔は着色基板の厚み方向に形成されるため、着色基板の厚みと同程度の光路長を確保することができる。貫通孔の長さ、すなわち光路長は、１ｍｍ以上であることが好ましく、１０ｍｍ以下であることが好ましい。
【００１１】
また、本発明の第１の局面における着色基板は、単位厚み当たりの光透過率が、透明基板の単位厚み当たりの光透過率よりも小さく、好ましくは１０％以下である。このため、受光部では、貫通孔を透過した光が相対的に多く受光されるので、検出のＳ／Ｎ比を高めることができる。従って、検出下限を高めることができる。
【００１２】
本発明の第２の局面は、測定対象である溶液で吸収される光の強度を測定することにより分析するマイクロ化学分析装置であり、一対の透明基板と、該一対の透明基板に挟まれる中間基板と、一対の透明基板を挟むようにその両側に設けられる光源及び受光部とを備え、光源から受光部に向かう光がその内部を通るように中間基板に貫通孔が形成され、測定対象である溶液を貫通孔に導くための導入用流路が一対の透明基板の一方に形成され、一対の透明基板の他方に、貫通孔から排出された溶液を外部に排出するための排出用流路が形成されており、光源と受光部の間の光路上の透明基板の外側表面に集光レンズが形成されていることを特徴としている。
【００１３】
本発明の第２の局面では、光源と受光部の間の光路上の透明基板の外側表面に集光レンズが形成されているので、光源からの光を中間基板の貫通孔に集光することができる。また、貫通孔から出る光を受光部に集光することができる。このため、検出感度を高めることができる。
【００１４】
集光レンズは、透明基板を成形する際に所定の領域に形成することができる。例えば、金型等を用いて透明基板を成形する場合には、所定の領域に集光レンズが形成されるような金型等を用いることにより、透明基板の形成と同時に集光レンズを所定の領域に形成することができる。
【００１５】
集光レンズは、一般に凸状レンズであるが、凸状レンズ以外の集光レンズであってもよい。例えば、同心円上に複数の溝が形成された集光レンズであってもよい。
【００１６】
第２の局面において、一対の透明基板が透明な弾性体から形成される場合、凸状レンズが形成される領域以外の部分に枠材を設け、該枠材で凸状レンズが形成される領域以外の部分を内側に押しつけることにより、該領域に凸状レンズを形成してもよい。すなわち、透明基板が透明な弾性体から形成される場合、所定領域以外の部分を枠材で押しつけることにより、所定領域の部分を膨ませ、凸状レンズを形成することができる。このような場合、枠材を押しつける力を変化させることにより、凸状レンズの形状を変化させて、焦点距離を変えることが可能である。
【００１７】
第２の局面において、中間基板は、第１の局面と同様に着色基板であってもよい。中間基板として着色基板を用いることにより、第１の局面と同様に、Ｓ／Ｎ比を高くすることができ、検出感度を高めることができる。
【００１８】
第２の局面における貫通孔は、第１の局面における貫通孔と同様にして形成することができる。第２の局面においても、第１の局面と同様に、貫通孔内を流れる溶液に測定光を照射して測定しているので、光路長を長くすることができ、検出感度を高めることができる。
【００１９】
以下、本発明の第１の局面及び第２の局面に共通する事項について「本発明」として説明する。
本発明においては、導入用流路が形成された透明基板に複数の導入口を形成し、それぞれの導入口から供給された溶液を導入用流路内で混合しながら貫通孔に供給することが好ましい。複数の導入口を形成することにより、複数の溶液を混合して反応させることができる。従って、例えば発色剤を混合して発色反応させることができ、特定成分の濃度を容易に測定することができる。
【００２０】
本発明において、透明基板を透明な弾性体から形成する場合、透明な弾性体としては、例えばＰＤＭＳ（ポリジメチルシロキサン）などを用いることができる。ＰＤＭＳは、密着性及び伸縮性に優れ、かつ破損しにくい透明なゴム状物質である。このようなゴム状物質を用いることにより、上述のように、凸状レンズを形成する領域以外の部分を枠材を用いて押し付けることにより、該領域に凸状レンズを形成することができる。また、ＰＤＭＳは、型に流し込んで加熱することにより硬化させて成形することができるので、導入用流路及び排出用流路などの微小流路を容易に形成することができる。
【００２１】
本発明において、着色基板は、着色されたガラス、着色されたプラスチック類、金属、セラミック等から形成することができる。また、中間基板が、着色基板である場合、上記と同様な材料から形成することができ、着色基板でない場合、透明基板と同様の材料から形成することができる。
【００２２】
着色基板または中間基板と透明基板の接合は、接着剤を用いて接合してもよいが、透明基板がＰＤＭＳなどの透明な弾性体から形成される場合、中間基板または着色基板に押しつけるだけで接合することができる。
【００２３】
本発明における光源及び受光部は、測定対象である溶液で吸収される光の強度を測定することができる測定光を出射する光源であり、測定光を検出することができる受光部であれば特に限定されるものではない。しかしながら、小型化を図る観点からは、半導体素子を用いた光源及び受光部が好ましい。このような光源としては、ＬＥＤまたはレーザダイオードが好ましく用いられる。また、半導体素子を用いた受光部としてはフォトダイオードが好ましく用いられる。
【００２４】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明の参考例のマイクロ化学分析装置を示す斜視図であり、図２は分解斜視図である。
【００２５】
本参考例のマイクロ化学分析装置は、透明基板１０及び２０、着色基板３０、光源４０、並びに受光部５０から構成されている。着色基板３０は、透明基板１０及び２０に挟まれており、透明基板１０の外側に光源４０が設けられ、透明基板２０の外側に受光部５０が設けられている。
【００２６】
着色基板３０には、厚み方向に貫通孔３１が形成されている。貫通孔３１は、光源４０から受光部５０に向かう光がその内部を通るように形成されている。本実施例において、着色基板３０の厚みは、３ｍｍである。従って、貫通孔３１の長さ、すなわち貫通孔３１内の光路長は、３ｍｍである。本実施例において、着色基板３０は、黒色のアクリル樹脂から形成されている。また、透明基板１０及び２０は、透明なアクリル樹脂から形成されている。従って、着色基板３０の単位厚み当たりの光透過率は、透明基板１０及び２０のそれのほぼ０％である。
【００２７】
貫通孔３１の直径は、１ｍｍである。貫通孔３１の直径としては、例えば１０μｍ〜３ｍｍの範囲で形成することができる。
透明基板１０には、２つの導入口１２及び１３が形成され、この導入口から供給された溶液を貫通孔３１に導くための、導入用流路１１が形成されている。
【００２８】
透明基板２０には、排出口２２が形成されており、貫通孔３１から排出された溶液を貫通孔２２に送るための排出用流路２１が形成されている。
【００２９】
図３は、透明基板１０及び２０並びに着色基板３０を示す平面図である。図３に示すような位置に、導入口１２及び１３、導入用流路１１、貫通孔３１、排出用流路２１及び排出口２２が形成されている。
【００３０】
図４は、断面構造を示す断面図であり、導入口１２及び１３から導入された溶液が、導入用流路１１で混合され、混合された溶液が貫通孔３１を通り、排出用流路２１及び排出口２２を通り外部に排出される。
【００３１】
図５は、本実施例のマイクロ化学分析装置を用いた測定を説明するための断面図である。光源４０から出射した測定光は、貫通孔３１を通り、受光部５０に受光される。
【００３２】
貫通孔３１の長さは３ｍｍであるので、測定セルの厚みは３ｍｍであり、従来の分析装置に比べ、長い光路長を確保することができる。従って、高い検出感度を得ることができる。また、図５に示すように、貫通孔３１は、着色基板３０に形成されているため、貫通孔３１を通過する光以外の光は、貫通孔３１周辺の着色基板３０により遮蔽される。従って、貫通孔３１を通過した光のみが受光部５０に受光される。このため、Ｓ／Ｎ比を高めることができる。
【００３３】
本参考例においては、光源４０として、レーザダイオードが用いられており、受光部５０として、フォトダイオードが用いられている。
【００３４】
図６は、本発明に従う一実施例のマイクロ化学分析装置を示す断面図である。図１〜図５に示す参考例と同様に、着色基板３０を、一対の透明基板１０及び２０で挟み、その両側に光源４０及び５０を配置することにより構成されている。着色基板３０には、貫通孔３１が形成され、透明基板１０には、上記実施例と同様に２つの導入口及び導入用流路が形成されている。透明基板２０も、上記実施例と同様に、排出用流路及び排出口が形成されている。
【００３５】
着色基板３０は、上記実施例と同様に黒色のアクリル樹脂により形成されている。透明基板１０及び２０は、透明な弾性体である、ＰＤＭＳから形成されている。
【００３６】
図６に示すように、光源４０と受光部５０の間の光路上の透明基板１０の外側表面には、凸状レンズ１４が形成されている。透明基板２０にも同様に、光源４０と受光部５０の間の光路上の外側表面に凸状レンズ２３が形成されている。凸状レンズ１４の周囲には、枠材６１が設けられており、凸状レンズ２３の周囲には、枠材６０が設けられている。枠材６０及び６１は、固定具６２及び６３により固定されている。枠材６０は、凸状レンズ２３の周囲の部分を内側に押しつけるように取り付けられており、枠材６１は、凸状レンズ１４の周囲を内側に押しつけるように取り付けられている。凸状レンズ１４及び２３は、その周囲の部分を、枠材６０及び６１により内側に押しつけることにより形成されているものである。従って、凸状レンズ１４及び２３の形状は、枠材６０及び６１を押しつける力を変化させることにより、変えることができる。従って、枠材６０及び６１を押しつける力を変化させて、凸状レンズ１４及び２３の焦点距離を変えることができる。
【００３７】
図６に示すように、光源４０から照射された光は、凸状レンズ１４を通り、貫通孔３１に集光される。貫通孔３１を通過した光は、凸状レンズ２３により集光されて受光部５０に受光される。従って、本実施例では、光源からの光を集光して貫通孔３１に照射することができ、貫通孔３１を通過した光は、集光して、受光部５０に受光させることができる。このため、検出感度をさらに高めることができる。
【００３８】
図６に示すマイクロ化学分析装置を用いて、吸光光度法によりリン酸イオンの測定を行った。リン酸イオンの測定法としては、ＪＩＳ Ｋ ０１０２に、モリブデンブルー法が規定されている。ここでは、ＪＩＳ Ｋ ０１０２の発色試薬とほぼ同等の性能を有するポケットリン酸系試薬ＰｈｏｓＶｅｒ３Ｐｈｏｓｐｈａｔｅ（ハック社製）を用いた。また、リン酸イオン溶液としては、イオンクロマトグラフィー用リン酸二水素カリウム水溶液（１０００ｍｇ／リットル、値付け結果：９９８ｍｇ／リットル、関東化学社製）を希釈して用いた。
【００３９】
光源としては、７９０ｎｍのレーザダイオードを用い、受光部としてはＰＩＮフォトダイオードを用い、テスターでその電流を計測した。
【００４０】
リン酸溶液としては、５ｍｌのサンプル瓶に、濃度が０、０．２、０．５、１．０、２．０及び５．０ｍｇ／リットルの溶液を３ｍｌ入れ、これに発色試薬１／３包を加え、蓋をして振り混ぜサンプルとした。発色後２分以内に導入口からこのサンプルを５００μｌのマイクロシリンジポンプを用いて、導入した。１００μｍの直径のキャピラリを用い、２５μｌ／分の速度で供給した。
【００４１】
マイクロ化学分析装置内の洗浄とバックグラウンドドリフトの影響を補正するため、試料と純水を交互に導入し、それぞれ５分後のフォトダイオード電流値を読み取った。
【００４２】
吸光度Ａと透過率Ｔには次式の関係がある。
Ａ＝ＬＯＧ（１／Ｔ）
Ｔ＝Ｉ／Ｉ₀（ここで、Ｉ₀は入射光、Ｉは透過光）
上述のように、試料と純水を交互に導入し、各試料の直前に導入した純水の測定値を入射光量、試料導入時の測定値を透過光量として透過率を求めた。
【００４３】
図７は、リン酸濃度と吸光度の関係を示す図である。通常の１０ｍｍセルで分光光度計用いた場合と同様に、０．２〜５ｐｐｍまで直線関係となっており、実用的な感度と精度が得られることが確認された。
【００４５】
また、上記実施例では、発色試薬を予め添加し、発色させた後にマイクロ化学分析装置に導入しているが、２つの導入口を用いて、それぞれ別個に導入し、マイクロ化学分析装置内で発色反応させてもよい。
【００４６】
【発明の効果】
本発明によれば、感度が高く、かつ小型化可能なマイクロ化学分析装置とすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の参考例のマイクロ化学分析装置を示す斜視図。
【図２】 本発明の参考例のマイクロ化学分析装置を示す分解斜視図。
【図３】 図１に示す参考例の装置の各基板を示す平面図。
【図４】 図１に示す参考例の装置を示す断面図。
【図５】 図１に示す参考例の装置を用いた測定を説明するための断面図。
【図６】 本発明の一実施例のマイクロ化学分析装置を示す断面図。
【図７】 リン酸濃度と吸光度の関係を示す図。
【図８】 従来のマイクロ化学分析装置を示す斜視図。
【符号の説明】
１０…透明基板
１１…導入用流路
１２，１３…導入口
１４，２３…凸状レンズ
２０…透明基板
２１…排出用流路
２２…排出口
３０…着色基板
３１…貫通孔
４０…光源
５０…受光部
６０，６１…枠材

Claims (8)

1. 測定対象である溶液で吸収される光の強度を測定することにより分析するマイクロ化学分析装置であって、
   一対の透明基板と、該一対の透明基板に挟まれる中間基板と、前記一対の透明基板を挟むようにその両側に設けられる光源及び受光部とを備え、
   前記光源から前記受光部に向かう光がその内部を通るように前記中間基板に貫通孔が形成され、測定対象である前記溶液を前記貫通孔に導くための導入用流路が前記一対の透明基板の一方に形成され、前記一対の透明基板の他方に、前記貫通孔から排出された前記溶液を外部に排出するための排出用流路が形成されているとともに、前記光源と前記受光部の間の光路上の前記透明基板の外側表面に凸状レンズが形成されており、
   前記一対の透明基板が透明な弾性体から形成されており、前記凸状レンズが形成される領域以外の部分に枠材が設けられ、該枠材で前記凸状レンズが形成される領域以外の部分を押しつけることにより、該領域に前記凸状レンズが形成されていることを特徴とするマイクロ化学分析装置。
2. 前記中間基板が、着色基板であることを特徴とする請求項１に記載のマイクロ化学分析装置。
3. 前記着色基板の単位厚み当たりの光透過率が、前記透明基板の単位厚み当たりの光透過率の１０％以下であることを特徴とする請求項２に記載のマイクロ化学分析装置。
4. 前記導入用流路が形成された前記透明基板に複数の導入口が形成されており、それぞれの導入口から供給された溶液を前記導入用流路内で混合しながら前記貫通孔に供給することを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載のマイクロ化学分析装置。
5. 前記貫通孔の長さが１ｍｍ以上であることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載のマイクロ化学分析装置。
6. 前記光源及び受光部に半導体素子が用いられていることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載のマイクロ化学分析装置。
7. 前記光源がＬＥＤまたはレーザダイオードであることを特徴とする請求項６に記載のマイクロ化学分析装置。
8. 前記受光部がフォトダイオードであることを特徴とする請求項６または７に記載のマイクロ化学分析装置。

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