WO2003078979A1

WO2003078979A1 - Puce pourvue d'un systeme microchimique et systeme microchimique

Info

Publication number: WO2003078979A1
Application number: PCT/JP2003/003073
Authority: WO
Inventors: Jun Yamaguchi; Akihiko Hattori; Takehiko Kitamori; Manabu Tokeshi
Original assignee: Nippon Sheet Glass Co., Ltd.; Institute Of Microchemical Technology
Priority date: 2002-03-20
Filing date: 2003-03-14
Publication date: 2003-09-25
Also published as: EP1489403A1; CA2479695A1; AU2003220924A1; CN1643363A; JP2003279471A; EP1489403A4

Description

明細書マイクロ化学システム用チップ及ぴマイク口化学システム技術分野

本発明は、マイク口化学システム用チップ及びマイク口化学システムに関し、特に、微小空間で高精度の超微量分析を可能とするマイクロ化学システムに用いられると共に、任意の場所で簡便な測定が可能であり、とりわけ、吸光光度分析法や蛍光分析法の実行時に用いられるマイクロ化学システム用チップ及ぴマイクロ化学システムに関する。背景技術

近年、化学反応を微小空間で行うための集積化技術が化学反応の高速化や微少量での反応、オンサイト分析等の観点から注目され、世界的に精力的な研究が進められている。

化学反応の集積化技術の 1 つとしてのマイクロ化学システムは、小さなガラス基板等に作製した微細な流路の中で試料溶液に含まれる試料 (液中試料）の混合、反応、分離、抽出、検出全てを行うことを目指したものである。マイクロ化学システムは、液中試料の分離だけを目的としたような単一の機能のみを備えるものであっても良く、また複数の機能を複合して備えるものであっても良い。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、抗原抗体反応があり、抽出、分離の例として溶媒抽出、電気泳動分離、カラム分離がある。上記機能のうち、分離のみを目的とした、極微量のタンパクや核酸等を分析する電気泳動装置として、互いに接合されて流路断面が約 1 0 0 « m X約 1 0 0 mの流路を備える流路付き板状部材で構成されたものが提案されている（例えば、特開平 8 - 1 7 8 8 9 7号公報）。この部材は板状であるので、断面が円形又は角状のガラスキヤビラリ一チューブに比べて破損しにくく、取り扱いが容易である。

マイクロ化学システムでは、液中試料の量が微量であるが故に高感度な検出方法が必須である。検出方法として一般的によく用いられる方法には、物質の吸光量を測定する吸光光度分析法、又は物質が発する蛍光の波長や強度を測定する蛍光分析法がある。

上記吸光光度分析法は、流路断面が約 l O O m X約 1 0 0 mの流路中の液中試料に流路と直角方向に検出光を透過させ、この透過した検出光に基づいて液中試料の吸光量を測定器で測定するものである。この場合、流路中での検出光の透過光路長は 1 0 O mと短く、液中試料の吸光量を測定するには十分ではない。

そこで、流路中の液中試料を検出光が透過する透過光路長'を十分取るために、流路に沿って導入された光の液中試料による吸光量を測定する提案がなされている（例えば、 Anal. Chem. 1996, 68, 1040、特開平 9 一 2 8 8 0 9 0号公報）。

また、上記蛍光分析法は、チューブ状セル内の液中試料に励起光を入射したときに液中試料から発する蛍光の波長や強度を測定することにより行う。この蛍光分析法では、蛍光分析測定中に蛍光物質の励起に用いた励起光が測定光学系に入射するとノイズとなつて測定感度が低下するため、励起光をチューブ状セルの直角方向から入射させて、励起光の光路とチューブ状セルの双方に直角の方向に測定器を設置して測定器に励起光が入射しないようにして測定している。

しかしながら、上記吸光光度分析法は、流路付き板状部材内の流路に沿って検出光を導入するために、検出光を、空間光ではなく光ファイバ一、光導波路等によって流路近傍まで導いているが、この場合、光ファィバ一、光導波路等の端部から出射する検出光が回折して広がってしまい、流路への検出光の光量が不足する場合がある。

上記蛍光分析法においては、液中試料の濃度が低い試料溶液に対してもその.蛍光の強度を良好に測定するために、励起光を液中試料に効率よく入射させる入射レンズ、液中試料から発せられる蛍光を効率よく受光する受光レンズが設置されているが、これらのレンズが大きいため装置を小型化することができない。

また、流路付き板状部材が複数の流路を有し、これらの流路に流れる液中試料を同時に測定する場合には、レンズが大きいために流路を離して設置する必要があり、装置の小型化が困難である。さらに、各流路と受光レンズとの距離が大きいため、各流路を流れる液中試料から発せられる蛍光が隣へ影響するクロストークが発生する。

流路付き板状部材の複数の流路内の液中試料を 1 つの励起光によって同時に励起するためには、流路付き板状部材の平面に沿つて流路に対して直角に励起光を入射させなければならないが、空間光では困難なために、励起光を光ファィバー、光導波路等によつて流路近傍まで導くことを行っており（例えば、 Anal. Chem. 1996, 68 , 1040、特開平 9 一 2 8 8 0 9 0号公報）、この場合、光ファイバ—、光導波路の端部から離れた位置にある流路には、光ファイバ一、光導波路の端部からの回折により広がった励起光が入射されるため、得られる蛍光強度が小さくなり、測定感度が低くなる。

本発明の目的は、測定感度を向上させつつ小型化することができるマイク口化学システム用チップ及びマイクロ化学システムを提供することにある。発明の開示上述の目的を達成するために、本発明の第 1 の態様によれば、液体中の試料を処理し、生成した生成物の検出を吸光光度分析法で行うマイク口化学システムに用いられるマイクロ化学システム用チップであって、前記試料を含む液体を流す流路を有する透明な板状部材と、前記流路内の液体に光を入射させる入射レンズと、前記流路から出射した光を受光する受光レンズとを備え、前記入射レンズ及び前記受光レンズの少なくとも一方はロッドレンズから成ることを特徴とするマイクロ化学システム用ヂップが提供される。

本発明の第 1 の態様において、前記入射レンズ及び前記受光レンズの少なくとも一方は屈折率分布型ロッドレンズから成ることが好ましい。本発明の第 1 の態様において、前記入射レンズ及び前記受光レンズの少なくとも一方は前記板状部材の内部に配設されていることが好ましい。本発明の第 1 の態様において、前記入射レンズ及び前記受光レンズの少なくとも一方は前記板状部材の表面に配設されていることが好ましい。本発明の第 1 の態様において、前記入射レンズ及び前記受光レンズの各々には誘導光学系が接続されていることが好ましい。

本発明の第 1 の態様において、前記誘導光学系は光フアイバーから成ることが好ましい。

本発明の第 1 の態様において、前記誘導光学系は光導波路から成ることが好ましい。

本発明の第 2 の態棣によれば、液体中の試料を処理し、生成した生成物の検出を吸光光度分析法で行うマイク口化学システムに用いられるマイク口化学システム用チップであって、前記試料を含む液体を流す流路を有する透明な板状部材と、前記流路の一端から前記流路内に前記流路の長手方向に検出光を入射させる入射レンズと、前記流路の他端から出射した前記入射された検出光を受光する受光レンズとを備え、前記入射レンズ及び前記受光レンズの各々は前記板状部材の内部に配設され且つロッドレンズから成ることを特徴とするマイクロ化学システム用チップが提供される。

本発明の第 2 の態様において、前記入射レンズ及び前記受光レンズの各々は屈折率分布型口ッドレンズから成ることが好ましい。

本発明の第 2 の態様において、前記入射レンズ及び前記受光レンズの各々には誘導光学系が接続されていることが好ましい。

本発明の第 2 の態様において、前記誘導光学系は光フアイパーから成ることが好ましい。

本発明の第 2 の態様において、前記誘導光学系は光導波路から成ることが好ましい。

本発明の第 2 の態様において、前記板状部材はガラス製であることが好ましい。

本発明の第 3 の態様によれば、本発明の第 1 の態様によるマイクロ化学システム用チップ、又は本発明の第 2 の態様によるマイクロ化学システム用チップと、前記入射レンズに検出光を導入する導入手段と、前記受光レンズから前記受光レンズが受光した検出光を受容する受容手段と前記受容された検出光の強度を演算する演算手段とを備えることを特徴とするマイクロ化学システムが提供される。

本発明の第 4 の態様によれば、液体中の試料を処理し、生成した生成物の検出を蛍光分析法で行うマイクロ化学システムに用いられるマイク口化学システム用チップであって、前記試料を含む液体を流す流路を有する透明な板状部材と、前記流路内に前記流路と直交する方向から励起光を入射させる入射レンズと、前記入射された励起光によって流路内を流れる液体中の試料から発せられる蛍光を受光する受光レンズとを備え前記入射レンズ及び前記受光レンズの一方は前記板状部材の内部に配設されると共に前記入射レンズ及び前記受光レンズの他方は前記板状部材の表面に配設され、前記入射レンズ及び前記受光レンズの一方はロッドレンズから成ることを特徴とするマイクロ化学システム用チップが提供される。

本発明の第 4 の態様において、前記ロッドレンズは屈折率分布型レンズから成ることが好ましい。

本発明の第 4の態様において、前記入射レンズ及び前記受光レンズの他方はロッドレンズから成ることが好ましい。

本発明の第 4 の態様において、前記入射レンズ及ぴ前記受光レンズの他方はプレイナーレンズから成ることが好ましい。

本発明の第 4 の態様において、前記入射レンズ及ぴ前記受光レンズの他方は屈折率分布型レンズから成ることが好ましい。

本発明の第 4 の態様において、前記受光レンズは前記板状部材の内部に配設されると共に前記入射レンズは前記板状部材の表面に配設されることが好ましい。

本発明の第 4の態様において、前記流路は、前記入射された励起光の光軸に沿って配列された複数の流路から成り、前記入射レンズは前記板状部材の内部に配設されると共に、前記受光レンズは前記板状部材の表面に配設され且つ前記複数の流路に夫々対向する複数のレンズから成ることが好ましい。

本発明の第 4 の態様において、前記入射レンズは屈折率分布型レンズから成ることが好ましい。

本発明の第 4 の態様において、前記受光レンズはロッドレンズから成ることが好ましい。

本発明の第 4 態様において、前記受光レンズはプレ'イナ一レンズから成ることが好ましい。本発明の第 4 の態様において、前記受光レンズは屈折率分布型レンズから成ることが好ましい。

本発明の第 4 の態様において、前記入射レンズ及び前記受光レンズの各々には誘導光学系が接続されていることが好ましい。

本発明の第 4 の態様において、前記誘導光学系は光ファイバ一から成ることが好ましい。

本発明の第 4 の態様において、前記誘導光学系は光導波路から成ることが好ましい。

本発明の第 4の態様において、前記板状部材はガラス製であることが好ましい。

本発明の第 5 の態様によれば、本発明の第 4の態様によるマイクロ化学システム用チップと、前記入射レンズに励起光を導入する導入手段と、前記受光レンズから前記受光レンズが受光した蛍光を受容する受容手段と、前記受容された蛍光の強度を測定する測定手段とを備えることを特徴とするマイクロ化学システムが提供される。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用チップの概略構成を示す図であり、（ a ) は平面図であり、（ b ) は（ a ) の線 I b— I b に沿う断面図である。

図 2 は、図 1 のマイクロ化学システム用チップ 1 を用いて吸光光度分析法を実行するマイクロ化学システムのプロック図である。

図 3 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用チップの概略構成を示す図であり、（ a ) は斜視図であり、 ¹ ( b ) は（ a ) の線 li b—li b に沿う断面図である。

図 4 は、図 3 のマイクロ化学システム用チップ 2 に用いられるプレイナーレンズの説明図である。

図 5 は、図 3 のマイクロ化学システム用チップ 2 を用いて蛍光分析法を実行するマイクロ化学システムの概念図である。

図 6 は、本発明の第 3 の実施の形態に係るマイク口化学システム用チップの概略構成を示す図である。

図 7 は、本発明の第 4 の実施の形態に係るマイク口化学システム用チップの概略構成を示す図である。発明を実施するための最良の形態

以下、本発明の実施の形態に係るマイクロ化学システムの構成を図面を参照して説明する。ただし、本発明は以下の実施の形態に限定されるものではない。

図 1 において、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用チップ 1 は、流路内を流れる試料溶液中の液中試料が流路に導入された検出光を吸光する吸光量を測定する吸光光度分析に用いられるものである。

マイクロ化学システム用チップ 1 は略長方形板状のガラス基板 1 0 (板状部材）から成り、ガラス基板 1 0 は内部にコの字形流路 1 1 を有する。コの字形流路 1 1 は、長手方向流路 1 1 a と、この長手方向流路 1 l aの各端部に接続した一対の横方向流路 1 l b， l 1 c とから成る。また、ガラス基板 1 0 は、横方向流路 1 l b の端部に接続すると共にガラス基板 1 0の一方の面に開口する注入孔 1 2 と、横方向流路 1 1 c の端部に接続すると共にガラス基板 1 0 の—方の面に開口する排出孔 1 3 とを有する。

さらに、ガラス基板 1 0 は、長手方向流路 1 1 a の両端近傍に長手方向流路 1 l a と同軸的に 2 つの空所を有し、これらの 2 つの空所には、夫々、屈折率分布型口ッドレンズ 1 4， 1 5 が収容されている。屈折率分布型口ッドレンズ 1 4 には、図示しない光源から出射した検出光を伝搬する光ファイバ一 1 6 が接続され、屈折率分布型口ッドレンズ 1 5 には、そこで受光した光を図示しない検出器まで導く光ファイバ一 1 7が接続されている。

図 1 において、屈折率分布型口ッドレンズ 1 4 , 1 5 は、夫々、空所内において長手方向流路 1 1 a側に配されていればよく、必ずしも空所の長手方向流路 1 1 a側端面とは接触レていなくてもよく、また、接触する場所において、屈折率分布型ロッドレンズ 1 4 , 1 5 自体が、夫々、コの字型流路 1 1 の側面を形成してもよい。長手方向流路 1 1 a に均一に検出光を入射させるために、屈折率分布型ロッドレンズ 1 4 からの出射される検出光は平行であることが好ましい。

ガラス基板 1 0 は、 3層に重ねて互いに接着されたガラス基板 1 0 a 〜 1 0 c から成り、ガラス基板 1 O b にはコの字形の溝が形成され、このガラス基板 1 0 bの雨面にガラス基板 1 0 a及び 1 0 cが接合されることによりコの字形流路 1 1 が形成される。また、ガラス基板 1 0 a には、上記コの字形流路 1 1 の両端に対応する 2 つの位置に夫々貫通孔が形成され、これにより注入孔 1 2及び排出孔 1 3 を形成する。

長手方向流路 1 1 a は、液中試料を分析するための分析用セルを構成し、その幅及ぴ深さが夫々 1 0 0 mである。

屈折率分布型ロッドレンズ 1 4， 1 5 は、夫々、その中心から周辺に向かって屈折率が連続的に変化する円柱状透明体から成り、その中心軸から半径方向に r の距離の位置における屈折率 n ( r ) は、軸上屈折率を n _Q、 2乗分布定数を g とすると、近似的に、 r に関する 2次方程式、 n ( r ) = n ₀ I 1 ― ( g 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。

屈折率分布型ロッドレンズ 1 4 , 1 5 は、夫々、その長さ z 。を 0 < z 。 < r / 2 gの範囲内で選ぶとき、その結像性は、雨端面が平坦でありながら通常の凸レンズと同じであり、平行入射光線が屈折率分布型口ッドレンズ 1 4 , 1 5各々に入射することによって、出射端より、

s 0 = c 0 t ( g z 0 ) / n o g

の位置に焦点が作られる。

屈折率分布型ロッドレンズ 1 4 , 1 5 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 %を主成分とするガラスでロッドを形成した後、このガラスで形成されたロッド（ガラスロッド）を硝酸カリウム塩等のイオン交換媒体中で、ガラス中のタリウムイオン及ぴナトリウムイオンと媒体中のカリウムイオンとをイオン交換して、ガラス口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与える。屈折率分布型ロッドレンズ 1 4 , 1 5 は、夫々、その形状が円柱状であり、端面が平面であるので、光ファイバ一 1 6 , 1 7 の端面に容易に取付けることが可能であると共に、屈折率分布型ロッドレンズ 1 4， 1 5夫々と光ファイバ一 1 6 , 1 7 の光軸を合わせることが容易にである。屈折率分布型口ッドレンズ 1 4， 1 5 は小さいので、長手方向流路 1 1 a近傍に設置する場合に、屈折率分布型口ッドレンズ 1 4， 1 5 を設置するための大きな穴を作製する必要がない。

特に、光ファイバ一 1 6， 1 7 の径と同じ径の屈折率分布型ロッドレンズ 1 4 , 1 5 を光ファイバ一 1 6 , 1 7端面に夫々取付けた場合は、長手方向流路 1 1 a と同軸的に長手方向流路 1 1 aの各端近傍に設けられた空所に屈折率分布型口ッドレンズ 1 4， 1 5 が先端に付けられた光ファイバー 1 6， 1 7 を差し込むだけで、屈折率分布型ロッドレンズ 1 4， 1 5各々を設置することができる。

このように設置された屈折率分布型口ッドレンズ 1 5 は、屈折率分布型ロッドレンズ 1 4 から出射され、長手方向流路 1 1 a を透過してきた検出光の残光を効率良く受光することでノイズを低減し、高感度の測定を可能としている。屈折率分布型口ッドレンズ 1 5で受光された残光は、光ファイバ一 1 7 を介して検出器へ伝搬される。

本発明の第 1 の実施の形態によれば、屈折率分布型口ッドレンズ 1 4 が光フアイバー 1 6 の先端に取付けられているので、光フアイバー 1 6 から出射された検出光を確実に受光レンズである屈折率分布型ロッドレンズ 1 5 に受光せしめ、もってマイクロ化学システム用チップ 1 の測定感度を向上させることができ、加えて屈折率分布型ロッドレンズ 1 4がガラス基板 1 0 の中に配されているので、マイクロ化学システム用チップ 1 を小型化することができる。また、長手方向流路 1 1 a を流れる試料溶液中の液中試料全体の検出光の吸収を測定するためには、光フアイバー 1 6 から出射した検出光が平行光となることが望ましいが、屈折率分布型ロッドレンズ 1 4 は、その長さを調整するだけで焦点距離を調整できるので、屈折率分布型ロッドレンズ 1 4 の長さを使用する検出光の波長に最適な長さとすることで、検出光を平行光として長手方向流路 1 1 a を流れる液中試料に入射させることが可能である。

ガラス基板 1 0 の材料は、耐久性、耐薬品性を考慮してガラスであり、ガラス基板 1 0 は、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、ソ一ダライムガラス、アルミノ硼珪酸ガラス、石英ガラス等が好ましい。しかしながら、用途を限ればプラスチック等の有機物を用いることもできる。

ガラス基板 1 0 a〜 1 0 c 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、エポキシ系の有機接着剤、及び無機接着剤等がある。また、熱融着によってガラス基板 1 0 a〜 l 0 c 同士を融着させてもよい。

さらに、誘導光学系としての光ファイバ一 1 6， 1 7 に代えて、例えば火炎加水分解法で形成される光導波路を用いてもよい。この火炎加水分解法では、例えば四塩化シリコン、四塩化ゲルマニウムの火炎加水分解によりガラス基板 1 0 b の表面に下クラッド用及ぴコア用の 2層のガラス微粒子層を堆積させ、高温加熱により微粒子層を透明ガラス層に改質する。次いで、フォトリソ,グラフィ及ぴ反応性エッチングにより回路ノヽ'ターンを有するコア部を形成する。この後、上クラッドを四塩化シリコンの火炎加水分解により形成する。この方法で光導波路を形成した例としては、例えば J. Lightwave Tech. Vol. 17 (5).771 ( 1999)の文献がある。上記において、ガラス基板 1 0 b とコァ部分の屈折率が適当な値を有している場合は、下クラッドを形成しなくてもよい。また、光導波路は屈折率分布型口ッドレンズ 1 4 , 1 5及ぴ長手方向流路 1 1 a の中心を通る中心線に同軸的になるように、ガラス基板 1 0 b の光導波路が形成される部分を前もってエッチング等で適当な深さまで除まし、その後火炎加水分解法で光導波路を形成してもよい。

上記ガラス基板の材料、接着剤、及び光導波路の形成法については、以下に述べる実施の形態においても同様のことが云える。

図 2 は、図 1 のマイクロ化学システム用チップ 1 を用いて吸光光度分祈法を実行するマイクロ化学システムのプロック図である。

図 2 において、光源 2 0から IIした検出光は、光ファイバ一 1 6 を介して液中試料を含むマイクロ化学システム用チップ 1 に入射する。マイク口化学システム用チップ 1 で屈折率分布型口ッドレンズ 1 5 が受光した検出光は、光ファイバ一 1 7 を介して受光器 2 1 に受光されて受光強度演算器 2 2 に受光される。受光強度演算器 2 2 では、受光器 2 1 が受光した検出光の強度を演算し、その演算値'をレコーダー 2 3 に記録させる。

図 2 の吸光光度分装置においては、予め既知の濃度の液中試料を含むマイクロ化学システム用チップ 1 の長手方向流路 1 1 a を透過した検出光の強度を測定しておき、この強度に対する目的の液中試料を含むマイクロ化学システム用チップ 1 の長手方向流路 1 1 a を透過した検出光の強度とを比較することにより、目的液中試料の濃度を算出する。

濃度が低い試料溶液の液中試料の検出光の吸収量を測定するためには. 検出光が目的の液中試料を透過する距離を長くすることが重要で、通常では 1 0 m m角程度のセル中に目的の液中試料を入れ、検出光が液中試科を透過する距離 d を 1 0 m mとして測定している。

図 3 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用チップの概略構成を示す図であり、（ a ) は斜視図であり、（ b ) は（ a ) の線 II b— II b に沿う断面図である。

図 3 において、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用チップ 2 は、流路内を流れる試料溶液中の液中試料が流路に導入された励起光を吸収して発する蛍光を測定する蛍光分析法に用いられるものである。

マイクロ化学システム用チップ 2 は略長方形板状のガラス基板 3 0 (板状部材）から成り、ガラス基板 3 0 は、内部にガラス基板 3 0 の平面に沿ってガラス基板 3 0 の短手方向に延ぴ、且つ互いに平行に配列された 3 つの流路 3 1 a〜 3 1 c を有する。さらに、ガラス基板 3 0 は、流路 3 1 a〜 3 1 c の各一端に接続すると共にガラス基板 3 0 の一方の面に夫々開口する注入孔 3 2 と、流路 3 1 a〜 3 1 c の各他端に接続すると共にガラス基板 3 0 の一方の面に夫々開口する排出孔 3 3 とを、各流路 3 1 a〜 3 1 c毎に有する。

さらに、ガラス基板 3 0 は、その一方の短辺側であってその中央部付近において、ガラス基板 3 0 の長手方向に空所を有し、この空所には、屈折率分布型口ッドレンズ 3 4が収容されている。屈折率分布型口ッドレンズ 3 4 には、図示しない光源から励起光を伝搬する光ファイバ一 3 5が接続されている。流路 3 1 a〜 3 1 c に面する位置においてガラス基板 3 0 の一方の面に、流路 3 1 a〜 3 1 c 内を流れる液中試料が発する蛍光を集光する屈折率分布型ロッドレンズ 3 6 が夫々配置され、この屈折率分布型口ッドレンズ 3 6 には、屈折率分布型口ッドレンズ 3 6 によって集められた蛍光を図示しない検出器まで導く光ファイバ一 3 7が接続されている。

ガラス基板 3 0 は、 3層に重ねて互いに接着されたガラス基板 3 0 a 〜 3 0 c から成り、ガラス基板 3 O b は、その短辺方向に延ぴ、且つ互いに平行に形成された 3 つの貫通溝を有し、ガラス基板 3 0 b の一方の面にガラス基板 3 0 a が、同他方の面にガラス基板 3 0 cが接合されることにより複数の流路 3 1 a〜 3 1 c が形成されている。流路 3 1 a〜 3 1 c は液中試料の混合、攪拌、合成、分離、抽出、検出等に用いられる。

屈折率分布型ロッドレンズ 3 6 は、プレイナ一レンズに替えてもよい。これにより、ガラス基板 3 0 に屈折率分布型口ッドレンズ 3 6 の突起がなくなり、分光分析装置を小型化することができる。

このプレイナーレンズは、ィォン交換法等によってガラス基板 3 0 の内部に形成されたもの、インクジヱット法、レジスト溶解法等によってガラス基板 3 0 の一方の面に球状にレンズ媒体を盛り上げて作成されたものがある。

また、マイクロ化学システム用チップ 2 は、流路 3 1 a〜 3 1 c が 3 本配されているが、流路の本数はこれに限られるものではない。

図 4 において、まず、図 3 におけるガラス基板 3 0 a と同一形状且つ同一サイズのガラス基板 4 0 aの一方の面をレンズ領域に対応した開口部を有する金属マスクでマスキングし、このガラス基板 4 0 a を K N O ₃溶融塩に浸漬して露出部においてカリゥムイオンとナトリゥムィオンのイオン交換処理を施した後に金属マスクを除去することにより、所定の屈折率分布が形成されたプレイナーレンズ 4 0 を形成することができる。プレイナーレンズ 4 0 は、ガラス基板 4 0 a の内側に凸状になり、外側にも若干盛り上がつている。

図 3 のマイクロ化学システム用チップ 2 において、ガラス基板 3 0 a をプレイナーレンズ 4 0 を備えるガラス基板 4 0 a に替えることにより . 上述のようにガラス基板 3 0 に屈折率分布型口ッドレンズ 3 6 の突起がなくなり、分光分析装置を小型化することができる。

本発明の第 2 の実施の形態によれば、屈折率分布型口ッドレンズ 3 4 が光ファイバ一 3 5 の先端に取付けられているので、光ファイバ一 3 5 から出射した励起光を確実に流路 3 1 a〜 3 1 c の夫々に受光せしめ、もってマイクロ化学システム用チップ 2 の測定感度を向上させることができ、加えて屈折率分布型ロッドレンズ 3 4がガラス基板 3 0 の中に配されているので、マイクロ化学システム用チップ 2 を小型化するとこができる。また、流路 3 1 a〜 3 1 c 内の液中試料から発せられる蛍光を受光する屈折率分布型口ッドレンズ 3 6がガラス基板 3 0の表面に取付けられているので、流路 3 1 a〜 3 1 c と屈折率分布型ロッドレンズ 3 6の間隔を狭めることができ、蛍光の集光効率が高くなるので、高感度な測定が可能となる。また屈折率分布型ロッドレンズ 3 6はその形状が円柱状で小さいので、ガラス基板 3 0の表面に狭い間隔で並べることが可能となり、マイクロ化学システムを小型化することができる。

なお、図 3 においては、屈折率分布型ロッドレンズ 3 6で集められた蛍光は光ファィバー 3 7 にて検出器に導かれるが、屈折率分布型口ッドレンズ 3 6の焦点位置に検出のため光電変換器を配してもよい。

図 5 は、図 3 のマイク口化学システム用チップ 2 を用いて蛍光分析法を実行するマイクロ化学.システムのブロック図である。

図 5 において、レーザ^"光源 5 0から出射した励起光は、まず、光ファィバー 3 5 を介して液中試料を含むマイク口化学システム用チップ 2 の流路 3 1 a〜 3 1 c夫々に入射し、流路 3 1 a〜 3 1 c内の液中試料から蛍光が夫々発せられる。次いで、屈折率分布型口ッドレンズ 3 6の各々で蛍光が受光されて、受光された蛍光は、光ファイバ一 3 7 を介して受光器 5 1 に受光され、続く信号処理器 5 2で分析され、その結果がレコーダー 5 3 に記録される。

上記マイクロ化学システムにおいては、.測定対象物質としての液中試料が吸収する波長の励起光を液中試料に入射し、液中試料が発する蛍光を測定することで液中試料の同定、定量を実施する。液中試料が吸収する光の量に'対しては、液中試料に入射する励起光の強度を I Q (入射光強度）、目的の液中試料を透過する励起光の強度を I (透過光強度）、係数を a、液中試料の濃度を c、液中試料内を励起光が透過する距離を d としたときに、下記の式（ 1 ) が成り立つ（Lambert-Beerの法則）。

A = - l o g ( I / I o ) = a c d - ( 1 )

ここで、 Aは吸光度、 I / I 。は内部透過率である。吸収された光によつて発光する蛍光の量は、吸収された光の量に比例すると仮定すれば、蛍光強度 Fは

F = K， ( I ₀ - I ) = K I ₀ ( l - e -^{a c d}) φ - ( 2 ) となる。ここで、 Κは液中試料の入射面積や受光器 5 2の大きさとレスポンス等の機器による定数、？5は蛍光収率、即ち吸収された励起光量に対する総蛍光量の比である。よって、濃度が低い液中試料では、

F = K I ₀ ?5 a c d ( a c d < 0. 0 5のとき） ·'· （ 3 ) が成り立つ（田中、飯田著「機器分析」、裳華房、 1985 _Ρ51)

式（ 3 ) より、蛍光強度は液中試料濃度 cに比例するので、予め Fと cの関係線（検量線）を求めておけば、未知の液中試料の濃度を知ることができる。

濃度が低い試料溶液内の液中試料の蛍光測定を実施するためには、式 ( 3 ) 'に示した通り、液中試料に吸収される励起光の量を大きくすることが重要となる。そのため、励起光をレンズで絞り、液中試料に入射することが行われている。また、液中試科が発光した蛍光をできるだけ集めるために、検出器の前に集光レンズを置くことが行われている。この場合、発光する液中試料の体積が小さいほどより効率良く蛍光を集光することが可能となるので、励起光をレンズで絞つて液中試料に入射させることが濃度の低い試料溶液内の液中試料の蛍光測定では重要である。複数の流路 3 1 a〜 3 1 c を同時に測定する必要のない場合は、式 ( 3 ) で示されたように、液中試料に入射する励起光の量を大きくするほど液中試料が発する蛍光量が増加するので、励起光を平行光ではなく、流路 3 1 a〜 3 1 cのいずれか 1つの流路内に焦点を結ぶようにすることで、流路内に励起光を多く供給できるようになり、測定感度を向上させることができる。また、励起光が流路内に焦点を結ぶようにすることで、蛍光の発光点が小さくなり、プレイナ一レンズ 4 0で集光する蛍光量も大きくすることができるので、測定感度を更に向上させることができる。

図 6 の本発明の第 3 の実施の形態に係るマイクロ化学システム用チップ 3 において、 '図 3 のマイクロ化学システム用チップ 2 と同じ構成部材には同一の符号を付して重複した説明を省略し、以下に異なる点についてのみ説明する。

マイクロ化学システム用チップ 3 は、流路 3 1 が 1 つであり、屈折率分布型口ッドレンズ 3 4から入射した励起光が流路 3 1 内に焦点を結ぶ, また、流路 3 1 内の液中試料から発せられた蛍光を集光するためのレンズがプレイナーレンズ 4 0 であり、プレイナーレンズ 4 0が集光した光を電気信号に変換する光電変換器 6 0がガラス基板 3 0 の近傍に設置されている。

本発明の第 3 の実施の形態によれば、流路 3 1 内の液中試料から発せられた蛍光を集光するためのレンズとして、図 4 に示したプレイナーレンズ 4 0 を使用しているので、ガラス基板 3 0上に突起がなくなり、マィクロ化学システムを小型化することができる。

なお、本発明の第 3 の実施の形態では、流路 3 1 、屈折率分布型ロッドレンズ 3 4、光ファイバ一 3 5及ぴプレイナーレンズ 4 0 をガラス基板 3 0 の一方の短辺側に 1 組のみ配設しているが、ガラス基板 3 0 の雨側に、流路 3 1 、屈折率分布型ロッドレンズ 3 4、光ファイバ一 3 5、及びブレイナーレンズ 4 0 を 2組、互いに対向して配設してもよい。

図 7 は、本発明の第 4 の実施の形態に係るマイクロ化学システム用チップの概略構成を示す図である。

図 7 の本発明の第 4 の実施の形態に係るマイクロ化学システム用チップ 4 において、図 6 のマイクロ化学システム用チップ 3 と同じ構成部材には同一の符号を付して重複した説明を省略し、以下に異なる点についてのみ説明する。

マイクロ化学システム用チップ 4 は、図 6 の第 3 の実施の形態に係るマイクロ化学システム用チップ 3 に対して、励起光と蛍光の関係が逆転していること、プレイナーレンズ 4 0表面を除くプレイナ一レンズ 4 0 側ガラス基板 3 0表面にマスク 8 0が形成されていること、ガラス基板 3 0 の両側に、流路 3 1 、屈折率分布型ロッドレンズ 3 4、光ファイバ一 3 5 、及ぴプレイナーレンズ 4 0 を 2組、互いに対向して配設していることが異なる。

マイクロ化学システム用チップ 4 においては、図示しない光源より出射した励起光が図示しないコリメータにより空間平行光 7 0 となり、空間平行光 7 0 は、流路 3 1 に面する位置において、ガラス基板 3 0 の表面上に設置されたプレイナーレンズ 4 0 に入射し、空間平行光 7 0 は、ブレイナーレンズ 4 0 により流路 3 1 内に焦点を結ぶ。流路 3 1 内の焦点位置で液中試料から発せられた蛍光は、流路 3 1 近傍に設置された屈折率分布型ロッドレンズ 3 4 に集光され、光ファイバ一 3 5 により図示しない検出器に導かれる。マイクロ化学システム用チップ 4 の光フアイバー 3 5 は、できるだけ多くの蛍光を検出器まで導くために、コアの大きなものが好ましい。

なお、マイクロ化学システム用チップ 4 は、プレイナーレンズ 4 0以外の場所に入射した空間平行光 7 0が蛍光分析においてノィズとなるので、ガラス基板 3 0表面に空間平行光 7 0 を遮断するためのマスク 8 0 が形成されている。

本発明の第 4 の実施の形態によれば、励起光をコリメータ等で空間平行光 7 0 とする必要があるので、マイクロ化学システムとしては大きくなるが、蛍光を発する流路 3 1 の極近傍に蛍光集光用の屈折率分布型口ッドレンズ 3 4 を設置できるため、蛍光の集光効率を向上させて、測定感度を向上させつつ装置を小型化することができる。

本発明の第 4 の実施の形態では、空間平行光 7 0 として励起光を導いているが、光ファイバ一等の誘導光学系によって夫々のプレイナーレンズ 4 0 まで励起光を個別に導いてもよい。

上記本発明の第 2 〜第 4 の実施の形態では、屈折率分布型口ッドレンズ 3 4 には、光ファイバ一 3 5が接続されているが、光ファイノー 3 5 に代えて光導波路を用いてもよい。励起光を伝搬する光フアイバ一又は光導波路は、励起光の周波数においてシングルモードであることが望ましい。蛍光分析法を利用して微量な液中試料を検出する場合、励起光をできるだけ小さく絞り、蛍光反応に利用されるエネルギーを高くすることが望ましい。この場合、蛍光を発するために用いる励起光はガウス分布を有していることが望ましいが、シングルモードの光ファイノー又は光導波路から出射される励起光は常にガウス分布となるため、励起光の焦点を小さくするためには適している。このため、励起光がシングルモ一ドで伝搬する光ファイバ一又は光導波路を利用することが望ましい。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用チップによれば、入射レンズ及ぴ受光レンズの少なくとも一方はロッドレンズから成るので、レンズの保持及び光軸の調整を容易にでき、且つレンズの小型化によりマイク口化学システムを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用チップによれば、入射レンズ及ぴ受光レンズの少なくとも一方は屈折率分布型ロッドレンズから成るので、レンズをより小さくすることができると共に、屈折率分布型ロッドレンズは、その端面が平面であるので、レンズの光軸の調整をより容易にすることができる。

本発明に係るマイクロ化学システム用チップによれば、入射レンズ及ぴ受光レンズの少なくとも一方は板状部材の内部に配設されているので入射レンズ及ぴ受光レンズの少なくとも一方と流路間の光の伝達を確実に行うことができ、もつて測定感度を向上させつつシステムを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用チップによれば、入射レンズ及ぴ受光レンズの少なくとも一方は板状部材の表面に配設されているので. 入射レンズ及ぴ受光レンズの少なくとも一方と流路間の光の伝達を確実に行うことができる。

本発明に係るマイク口化学システム用チップによれば、誘導光学系は光ファィバーから成るので、板状部材の流路近傍まで検出光が確実に伝搬され、もって測定感度を向上させつつマイクロ化学システムを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用チップによれば、誘導光学系は光導波路から成るので、板状部材の流路近傍まで検出光が確実に伝搬され、もって測定感度を向上させつつマイクロ化学システムを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用チップによれば、入射レンズ及ぴ受光レンズの各々は板状部材の内部に配設され且つ口ッドレンズから成るので、検出光が流路に沿つて検出に十分な長さを確実に伝搬され、且つ流路を透過した検出光が受光レンズまで確実に伝搬され、もつて測定感度を向上させつつマイクロ化学システムを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用チップによれば、入射レンズ及ぴ受光レンズの各々は屈折率分布型ロッドレンズから成るので、レンズをより小さくできると共に、屈折率分布型ロッドレンズは、その端面が平面であるのでレンズの光軸の調整をより容易にすることができ、. 板状部材へのレンズの配設を容易することができる。

本発明に係るマイクロ化学システム用チップによれば、誘導光学系は光ファイバ一から成るので、板状部材の流路近傍まで検出光が確実に伝搬され、もつて測定感度を向上させつつマイク口化学システムを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用チップによれば、板状部材はガラス製であるので、耐久性、耐薬品性を向上させることができる。

本発明に係るマイク口化学システムによれば、吸光光度分析法の測定感度を向上させることができると共に、マイクロ化学システムを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用チップによれば、入射レンズ及び受光レンズの一方はロッドレンズから成るので、レンズの保持及び光軸の調整を容易にすることができると共に、レンズをより小さくすることができ、もってマイクロ化学システムを小型化することでき、加えて、入射レンズ及ぴ受光レンズの一方は板状部材の内部に配設されるので、入射レンズ及ぴ受光レンズの一方と流路間の光の伝達を確実に行うことができ、もって測定感度を向上させつつマイクロ化学システムを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用チップによれば、ロッドレンズは屈折率分布型レンズから成るので、レンズを小さくでき、もってシステムを小型化できると共に、屈折率分布型レンズは、その端面が平面であるので、レンズの光軸の調整をより容易にすることができ、もって板状部材へのレンズの配設を容易にすることができる。

本発明に係るマイクロ化学システム用チップによれば、複数の流路に一つのレンズから励起光を入射させることができ、もってマイクロ化学システムを小型化することができる。

本発明に係るマイク口化学システム用チップによれば、入射レンズは屈折率分布型口ッドレンズから成るので、レンズの小型化によりマイク口化学システムを小型化することできると共に、屈折率分布型ロッドレンズは、その端面が平面であるのでレンズの光軸の調整をより容易にすることができ、もって板状部材へのレンズの配設を容易にすることができる。

本発明に係るマイクロ化学システム用チップによれば、誘導光学系は光ファイバ一から成るので、板状部材の流路近傍まで励起光が確実に伝搬されると共に受光した蛍光が確実に伝搬され、もって測定感度を向上させつつマイクロ化学システムを小型化することができる。

本発明に係るマイク口化学システム用チップによれば、誘導光学系は光導波路から成るので、板状部材の流路近傍まで励起光が確実に伝搬されると共に受光した蛍光が確実に伝搬され、もつて測定感度を向上させつつマイクロ化学システムを小型化することができる。

本発明に係るマイク口化学システムによれば、蛍光分析法の測定感度を向上させることができると共にマイクロ化学システムを小型化することができる。

Claims

請求の範囲

1 . 液体中の試料を処理し、生成した生成物の検出を吸光光度分析法で行うマイクロ化学システムに用いられるマイクロ化学システム用チップであつて、前記試料を含む液体を流す流路を有する透明な板状部材と、前記流路内の液体に光を入射させる入射レンズと、前記流路から出射した光を受光する受光レンズとを備え、前記入射レンズ及び前記受光レンズの少なくとも一方はロッドレンズから成ることを特徴とするマイクロ化学システム用チップ。

2 . 前記入射レンズ及び前記受光レンズの少なくとも一方は屈折率分布型口ッドレンズから成ることを特徴する請求の範囲第 1 項記載のマイク口化学システム用チップ。

3 . 前記入射レンズ及び前記受光レンズの少なくとも一方は前記板状 • 部材の内部に配設されてい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用チップ。

4 . . 前記入射レンズ及び前記受光レンズの少なくとも一方は前記板状部材の表面に配設されてい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用チップ。

5 . 前記入射レンズ及び前記受光レンズの各々には誘導光学系が接続されてい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用チップ。

6 . 前記誘導光学系は光フアイバーから成ることを特徴とする請求の範囲第 5項記載のマイクロ化学システム用チップ。

7 . 前記誘導光学系は光導波路から成ることを特徴とする請求の範囲第 5項記載のマイクロ化学システム用チップ。

8 . 液体中の試料を処理し、生成した生成物の検出を吸光光度分析法で行うマイクロ化学システムに用いられるマイクロ化学システム用チップであって、前記試料を含む液体を流す流路を有する透明な板状部材と、前記流路の一端から前記流路内に前記流路の長手方向に検出光を入射させる入射レンズと、前記流路の他端から出射した前記入射された検出光を受光する受光レンズとを備え、前記入射レンズ及び前記受光レンズの各々は前記板状部材の内部に配設され且つ口ッドレンズから成ることを特徴とするマイク口化学システム用チップ。

9 . 前記入射レンズ及び前記受光レンズの各々は屈折率分布型口ッドレンズから成ることを特徴とする請求の範囲第 8項記載のマイク口化学システム用チップ。

1 0 . 前記入射レンズ及び前記受光レンズの各々には誘導光学系が接続されてい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用チップ。

1 1 . 前記誘導光学系は光フアイバーから成ることを特徴とする請求の範囲第 1 0項記載のマイク口化学システム用チップ。

1 2 . 前記誘導光学系は光導波路から成ることを特徴.とする請求の範囲第 1 0項記載のマイクロ化学システム用チップ。

1 3 . 前記板状部材はガラス製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用チップ。

1 4 . 請求の範囲第 1 項記載のマイクロ化学システム用チップ又は請求の範囲第 8項記載のマイクロ化学システム用チップと、前記入射レンズに検光を導入する導入手段と、前記受光レンズから前記受光レンズが受光した検出光を受容する受容手段と、前記受容された検出光の強度を演算する演算手段とを備えることを特徴とするマイク口化学システム。

1 5 . 液体中の試料を処理し、生成した生成物の検出を蛍光分析法で行うマイクロ化学システムに用いられるマイクロ化学システム用チップであって、前記試料を含む液体を流す流路を有する透明な板状部材と、前記流路内に前記流路と直交する方向から励起光を入射させる入射レンズと、前記入射された励起光によつて流路内を流れる液体中の試料から発せられる蛍光を受光する受光レンズとを備え、前記入射レンズ及び前記受光レンズの一方は前記板状部材の内部に配設されると共に前記入射レンズ及び前記受光レンズの他方は前記板状部材の表面に配設され、前記入射レンズ及ぴ前記受光レンズの一方はロッドレンズから成ることを特徴とするマイク口化学システム用チップ。

1 6 . 前記口ッドレンズは屈折率分布型レンズから成ることを特徴とする請求の範囲第 1 5項記載のマイクロ化学システム用チップ。

1 7 . 前記入射レンズ及び前記受光レンズの他方はロッドレンズから成ることを特徴とする請求の範囲第 1 5項記載のマイクロ化学システム用チップ。

1 8 . 前記入射レンズ及び前記受光レンズの他方はプレイナーレンズから成ることを特徴とする請求の範囲第 1 5項記載のマイクロ化学システム用チップ。

1 9 . 前記入射レンズ及び前記受光レンズの他方は屈折率分布型レンズから成ることを特徴とする請求の範囲第 1 7項記載のマイクロ化学システム用チップ。

2 0 . 前記受光レンズは前記板状部材の内部に配設されると共に前記入射レンズは前記板状部材の表面に配設されることを特徴とする請求の範囲第 1 5項記載のマイクロ化学システム用チップ。

2 1 . 前記流路は、前記入射された励起光の光軸に沿って配列された複数の流路から成り、前記入射レンズは前記板状部材の内部に配設されると共に、前記受光レンズは前記板状部材の表面に配設され且つ前記複数の流路に夫々対向する複数のレンズから成ることを特徴とする請求の範囲第 1 5項記載のマイクロ化学システム用チップ。

2 2 . 前記入射レンズは屈折率分布型レンズから成ることを特徴とする請求の範囲第 2 1項記載のマイク口化学システム用チップ。

2 3 . 前記受光レンズはロッドレンズから成ることを特徴とする請求の範囲第 2 1項記載のマイクロ化学システム用チップ。

2 4 . 前記受光レンズはプレイナーレンズから成ることを特徴とする請求の範囲第 2 1 項記載のマイクロ化学システム用チップ。

2 5 . 前記受光レンズは屈折率分布型レンズから成ることを特徴とする請求の範囲第 2 3項記載のマイクロ化学システム用チップ。

2 6 . 前記入射レンズ及び前記受光レンズの各々には誘導光学系が接続されていることを特徴とする請求の範囲第 1 5項記載のマイクロ化学システム用チップ。

2 7 . 前記誘導光学系は光フアイバーから成ることを特徴とする請求の範囲第 2 6項記載のマイク口化学システム用チップ。

2 8 . 前記誘導光学系は光導波路から成ることを'特徴とする請求の範囲第 2 6項記載のマイク口化学システム用チップ。

2 9 . 前記板状部材はガラス製であることを特徴とする請求の範囲第 1 5項記載のマイクロ化学システム用チップ。

3 0 . 請求の範囲第 1 5項記載のマイクロ化学システム用チップと、前記入射レンズに励起光を導入する導入手段と、前記受光レンズから前記受光レンズが受光した蛍光を受容する受容手段と、前記受齊された蛍光の強度を測定する測定手段とを備えることを特徴とするマイク口化学システム。