JP2003194751A

JP2003194751A - マイクロ化学システム

Info

Publication number: JP2003194751A
Application number: JP2001391342A
Authority: JP
Inventors: Atsushi Yamaguchi; 山口　　淳; Akihiko Hattori; 明彦服部
Original assignee: Nippon Sheet Glass Co Ltd
Current assignee: Nippon Sheet Glass Co Ltd
Priority date: 2001-12-25
Filing date: 2001-12-25
Publication date: 2003-07-09

Abstract

(57)【要約】【課題】作業効率を向上できると共に測定感度の高い
小型のマイクロ化学システムを提供する。【解決手段】マイクロ化学システムは、先端に回折レ
ンズ１０２を端面上に形成したロッドレンズ１０１を取
り付けた、励起光及び検出光をシングルモードで伝搬す
る光ファイバ１０３を備え、光ファイバ１０３の外径を
ロッドレンズ１０１の外径と同一にするためのフェルー
ル１０４を有している。回折レンズ１０２を端面上に形
成したロッドレンズ１０１と光ファイバ１０３はチュー
ブ１０５によって固定されている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、マイクロ化学シス
テムに関し、特に、光熱変換分光分析法を実行するマイ
クロ化学システムに関する。

【０００２】

【従来の技術】従来から、化学反応を微小空間で行うた
めの集積化技術が、化学反応の高速性や微少量での反
応、オンサイト分析等の観点から注目されており、その
ための研究が、世界的に精力的に進められている。

【０００３】化学反応の集積化技術の１つとして小さな
ガラス基板等に形成した微細な流路の中で液中試料の混
合、反応、分離、抽出、検出等を行う所謂マイクロ化学
システムがある。このマイクロ化学システムで行われる
ものとしては反応の例として、ジアゾ化反応、ニトロ化
反応、抗原抗体反応などがあり、抽出、分離の例として
溶媒抽出、電気泳動分離、カラム分離などがある。マイ
クロ化学システムは、分離だけを目的としたような単一
の機能のみで用いられても良く、また複合的に用いられ
ても良い。

【０００４】上記の機能のうち、分離のみを目的とした
ものとして、極微量のタンパクや核酸等を分析する電気
泳動装置が提案されている（例えば、特開平８−１７８
８９７号公報）。これは互いに接合された２枚のガラス
基板からなる流路付き板状部材を備えている。この部材
は板状であるので、断面が円形又は角形のガラスキャピ
ラリーチューブに比べて破損しにくく、取り扱いが容易
である。

【０００５】これらのマイクロ化学システムでは試料の
量が微量であるので、高感度な検出方法が必須である。
このような方法として、微細な流路内の液中試料が光を
吸収することにより発生する熱レンズ効果を利用した光
熱変換分光分析法が確立され、これによりマイクロ化学
システムの実用化の道が開かれている。

【０００６】試料に光を集光照射すると試料中の溶質が
光を吸収すると共に熱エネルギーが放出される。この熱
エネルギーによって溶媒が局所的に温度上昇すると、屈
折率が変化して熱レンズが形成される（光熱変換効
果）。光熱変換分光分析方法はこの光熱変換効果を利用
するものである。

【０００７】図８は、熱レンズの原理の説明図である。

【０００８】図８において、対物レンズを介して励起光
を極微小な試料に集光照射すると光熱変換効果が誘起さ
れる。励起光が集光照射された試料は、集光中心に近づ
くほど温度上昇の度合が大きくなり、集光中心が最も高
温となる一方、集光中心から離れるにつれて熱拡散のた
めに温度上昇の度合は小さくなる。多くの物質では温度
上昇に伴い屈折率が小さくなるので、集光中心に近づく
ほど屈折率が小さくなる度合が大きく、逆に集光中心か
ら離れるほど屈折率が小さくなる度合は小さい。この屈
折率の分布は光学的には正に凹レンズと同じ効果を有
し、この効果を熱レンズ効果と呼ぶ。この熱レンズ効果
の大きさ、即ち凹レンズの度数は試料の光吸収度に比例
する。なお、屈折率が温度に比例して大きくなる場合は
凸レンズと同じ熱レンズ効果が生じる。

【０００９】このように、光熱変換分光分析法は、熱の
拡散、即ち屈折率の変化を観察するものであるので、極
微小試料の濃度を検出するのに適している。

【００１０】従来の光熱変換分光分析装置においては、
流路付き板状部材が顕微鏡の対物レンズの下方に配置さ
れており、励起光源から出力された所定波長の励起光が
顕微鏡に入射して、この顕微鏡の対物レンズにより流路
付き板状部材の流路内の試料に集光照射される。これに
より、集光照射位置を中心として試料に熱レンズが形成
される。

【００１１】一方、検出光源からは波長が励起光と異な
る検出光が出力され、顕微鏡に入射して、励起光と同様
にこの顕微鏡の対物レンズにより流路付き板状部材の流
路内の試料に集光照射される。この試料に集光照射した
検出光は、試料において形成された熱レンズを透過して
発散又は集光する。この試料から発散又は集光して出射
された光は信号光となり、その信号光は、集光レンズ及
びフィルタ双方又はフィルタのみを経て検出器により検
出される。この検出器に検出された信号光の強度は、試
料において形成された熱レンズに応じたものである。な
お、検出光は励起光と同一の波長でもよく、また励起光
が検出光を兼ねることもできる。

【００１２】このように、上記光熱変換分光分析装置に
おいては、熱レンズは励起光の焦点位置に形成され、且
つ形成された熱レンズの屈折率変化は、波長が励起光と
同じ又は異なる検出光により検出される（特開平１０−
２３２２１０号公報）。

【００１３】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、従来の
光熱変換分光分析装置は、光源や、測定部や検出部（光
電変換部）の光学系等が複雑にシステムアップされてい
ているので大型であり、可搬性に欠けている。このた
め、光熱変換分光分析装置を使用した分析を行ったり、
化学反応を扱ったりする際には、場所や操作が限定され
るという問題がある。

【００１４】また、従来の光熱変換分光分析装置におい
て、仮に、顕微鏡の対物レンズが色収差をもっていれ
ば、熱レンズが形成される励起光の焦点位置に対して検
出光の焦点位置が所定距離ずれることにより熱レンズの
屈折率の変化を検出光の焦点位置の変化として検出する
ことができるが、顕微鏡の対物レンズは通常色収差をも
っていないので、検出光の焦点位置は、熱レンズが形成
される励起光の焦点位置とほぼ一致して、検出光には熱
レンズによる偏向が発生せず、その結果、熱レンズの屈
折率の変化を検出することができない。

【００１５】このため、図９（ａ）及び図９（ｂ）に示
すように、測定の度に、熱レンズ１３１が形成される試
料の位置を、検出光の焦点位置１３３からずらしたり、
図１０に示すように、図示しないレンズを用いて検出光
を若干発散又は集光させて対物レンズ１３０に入射させ
ることにより検出光の焦点位置１３３を熱レンズ１３１
が形成される励起光の焦点位置１３２からずらしたりし
なければならず作業効率が悪いという問題がある。

【００１６】本発明の目的は、作業効率を向上できると
共に高感度の小型なマイクロ化学システムを提供するこ
とにある。

【００１７】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、請求項１記載のマイクロ化学システムは、励起光を
出力する励起光用光源と、検出光を出力する検出光用光
源と、前記励起光及び前記検出光を合波して導く誘導光
学系と、該誘導光学系によって導かれた前記励起光及び
前記検出光を試料に照射する照射レンズと、前記励起光
の照射を受けた試料によって生成される熱レンズを透過
した前記検出光を検出する検出手段とを備えるマイクロ
化学システムにおいて、前記照射レンズは回折レンズで
あることを特徴とする。

【００１８】請求項１記載のマイクロ化学システムによ
れは、照射レンズは回折レンズであるので、レンズ自体
が薄型で軽量となりその結果、マイクロ化学システムを
小型化することができる。また、回折レンズはその構造
上色収差を有しているので、この回折レンズの他に外部
の光学系を使用せずに励起光と検出光の焦点位置をずら
すことができ、もって、マイクロ化学システムをより小
型化できる。

【００１９】請求項２記載のマイクロ化学システムは、
請求項１記載のマイクロ化学システムにおいて、前記照
射レンズは前記回折レンズに屈折レンズをさらに組合せ
たものであることを特徴とする。

【００２０】請求項２記載のマイクロ化学システムによ
れば、照射レンズは回折レンズに屈折レンズをさらに組
合せたものであるので、回折レンズと屈折レンズの色収
差の符合は逆であることを利用し、照射レンズの色収差
量を最適値に調整することができる結果、マイクロ化学
システムの測定感度を高くすることができ、且つ、照射
レンズの収差を小さくすることができると共に、マイク
ロ化学システムの測定感度を高くすることができる。

【００２１】請求項３記載のマイクロ化学システムは、
請求項２記載のマイクロ化学システムにおいて、前記回
折レンズは前記屈折レンズの表面に形成されていること
を特徴とする。

【００２２】請求項３記載のマイクロ化学システムによ
れば、回折レンズは屈折レンズの表面に形成されている
ので、照射レンズは小さくなる結果マイクロ化学システ
ムをさらに小型化できる。

【００２３】請求項４記載のマイクロ化学システムは、
請求項１乃至３のいずれか１項に記載のマイクロ化学シ
ステムにおいて、前記誘導光学系は光ファイバから成る
ことを特徴とする。

【００２４】請求項４記載のマイクロ化学システムによ
れば、誘導光学系は光ファイバから成るので、誘導光学
系で合波した励起光と検出光は常に同軸となる。このた
め、励起光と検出光との光軸を調整する必要がなく、作
業効率を向上できる。また、光軸を調整する装置が不要
なのでマイクロ化学システムをますます小型化できる。

【００２５】請求項５記載のマイクロ化学システムは、
請求項４記載のマイクロ化学システムにおいて、前記照
射レンズは前記光ファイバの光出射側端部に固定されて
いることを特徴とする。

【００２６】請求項５記載のマイクロ化学システムによ
れば、照射レンズは光ファイバの光出射側端部に固定さ
れているので、励起光、検出光、及び照射レンズの全て
の光軸が固定され、その結果、光軸の調整が不要であ
り、作業効率をより向上させることができる。また、光
軸調整用の治具等が不要であるので、マイクロ化学シス
テムを一層小型化できる。

【００２７】請求項６記載のマイクロ化学システムは、
請求項４又は５記載のマイクロ化学システムにおいて、
前記光ファイバは前記励起光及び前記検出光の双方をシ
ングルモードで伝搬するものであることを特徴とする。

【００２８】請求項６記載のマイクロ化学システムによ
れば、光ファイバは励起光及び検出光の双方をシングル
モードで伝線するものであるので、励起光によって生成
される熱レンズが収差の小さい小さなレンズとなる結
果、正確な測定ができる。

【００２９】請求項７記載のマイクロ化学システムは、
請求項１乃至３のいずれか１項に記載のマイクロ化学シ
ステムにおいて、前記誘導光学系は光導波路から成るこ
とを特徴とする。

【００３０】請求項７記載のマイクロ化学システムによ
れば、誘導光学系は光導波路から成るので、誘導光学系
で合波した励起光と検出光は常に同軸となる。このた
め、励起光と検出光との光軸を調整する必要がなく、作
業効率を向上できる。また、光軸を調整する装置が不要
なのでマイクロ化学システムをますます小型化できる。

【００３１】請求項８記載のマイクロ化学システムは、
請求項７記載のマイクロ化学システムにおいて、前記照
射レンズは前記光導波路の光出射側端部に固定されてい
ることを特徴とする。

【００３２】請求項８記載のマイクロ化学システムによ
れば、照射レンズは光導波路の光出射側端部に固定され
ているので、励起光、検出光、及び照射レンズの全ての
光軸が固定され、その結果、光軸の調整が不要であり、
作業効率をより向上させることができる。また、光軸調
整用の治具等が不要であるので、マイクロ化学システム
を一層小型化できる。

【００３３】請求項９記載のマイクロ化学システムは、
請求項７又は８記載のマイクロ化学システムにおいて、
前記光導波路は前記励起光及び前記検出光の双方をシン
グルモードで伝搬するものであることを特徴とする。

【００３４】請求項９記載のマイクロ化学システムによ
れば、光導波路は励起光及び検出光の双方をシングルモ
ードで伝搬するものであるので、励起光によって生成さ
れる熱レンズが収差の小さい小さなレンズとなる結果、
正確な測定ができる。

【００３５】請求項１０記載のマイクロ化学システム
は、請求項２乃至９のいずれか１項に記載のマイクロ化
学システムにおいて、前記屈折レンズが屈折率分布型レ
ンズであることを特徴とする。

【００３６】請求項１０記載のマイクロ化学システムに
よれば、屈折レンズが屈折率分布型レンズであるので、
照射レンズを小型化できる結果、マイクロ化学システム
をより一層小型化できる。

【００３７】請求項１１記載のマイクロ化学システム
は、請求項１０記載のマイクロ化学システムにおいて、
前記屈折率分布型レンズはロッドレンズであることを特
徴とする。

【００３８】請求項１１記載のマイクロ化学システムに
よれば、屈折率分布型レンズがロッドレンズであるの
で、光ファイバもしくは光導波路の光軸とロッドレンズ
との光軸は容易に合わせることができると共に保持を容
易とすることができる。

【００３９】

【発明の実施の形態】本発明者は、励起光を出力する励
起光用光源と、検出光を出力する検出光用光源と、励起
光及び検出光を合波して導く誘導光学系と、該誘導光学
系によって導かれた励起光及び検出光を試料に照射する
照射レンズと、励起光の照射を受けた試料によって生成
される熱レンズを透過した検出光を検出する検出手段と
を備えるマイクロ化学システムにおいて、照射レンズは
回折レンズであると、レンズ自体が薄型で軽量となり、
その結果、マイクロ化学システムを小型化することがで
き、また、回折レンズはその構造上色収差を有している
ので、この回折レンズの他に外部の光学系を使用せずに
励起光と検出光の焦点位置をずらすことができ、もっ
て、マイクロ化学システムをより小型化できることを見
出した。

【００４０】本発明は、上記研究の結果に基づいてなさ
れたものである。

【００４１】以下、本発明の実施の形態に係るマイクロ
化学システムを図面を参照しながら詳細に説明する。

【００４２】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の概略構成を示す図である。

【００４３】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１は、後述する流路付き板
状部材２０内に形成された流路２０４中の液中試料に励
起光及び検出光を照射する照射部１ａと共に、流路付き
板状部材２０を通過した励起光及び検出光を受光する受
光部１ｂとから成る。

【００４４】照射部１ａは、励起光を出力する励起光用
光源１０６と、検出光を出力する検出光用光源１０７
と、励起光用光源１０６が出力する励起光を変調する変
調器１０８と、励起光用光源１０６及び検出光用光源１
０７に夫々光ファイバを介して接続され、励起光用光源
１０６からの励起光と検出光用光源１０７からの検出光
を合波する２波長合波素子１０９と、合波された光を受
光すると共に、内部に流路２０４が形成される流路付き
板状部材２０に合波された光を照射するレンズ付き光フ
ァイバ１０と、レンズ付き光ファイバ１０の位置を流路
付き板状部材２０の流路２０４に面するように調整・保
持する治具３０とから成る。このように照射部１ａを構
成することにより、励起光と検出光とが合波された光を
流路付き板状部材２０に照射でき、且つ、励起光の焦点
が流路２０４の中に位置するように調整できる。

【００４５】尚、励起光と検出光とは、２波長合波素子
１０９を用いずにダイクロイックミラー等を用いて光フ
ァイバ１０３の外部で同軸にしてから光ファイバ１０３
に入射させてもよい。

【００４６】流路付き板状部材２０は、３層に順に接着
された基板２０１，２０２、２０３から成り、また、基
板２０２内部に形成される流路は、液中試料の混合、攪
拌、合成、分離、抽出、検出等に用いられる。

【００４７】流路付き板状部材２０の材料は、耐久性、
耐薬品性、光透過性の面からガラスが望ましく、細胞等
の生体試料、例えばＤＮＡ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、ソーダライムガラス、アルミノ硼珪
酸ガラス、石英ガラス等が好ましい。しかし、用途を限
定することによってプラスチック等の有機物を用いるこ
とができる。

【００４８】基板２０１，２０２，２０３同士を接着さ
せる接着剤には、例えば、紫外線硬化型、熱硬化型、２
液硬化型のアクリル系、エポキシ系の有機接着剤、及び
無機接着剤等がある。また、熱融着によって基板２０
１，２０２，２０３同士を融着させてもよい。

【００４９】受光部１ｂは、流路付き板状部材２０を通
過した励起光及び検出光を受光すると共に、検出光のみ
を選択的に濾波する波長フィルタ４０２と、濾波された
検出光を検出する光電変換器４０１と、光電変換器４０
１からの信号を変調器１０８と同期させるロックインア
ンプ４０３と、この信号を解析するコンピュータ４０４
とから成る。

【００５０】波長フィルタ４０２としては、例えば、高
屈折率と低屈折率とを多層に積層した光学干渉フィルタ
が用いられる。また、光電変換器４０１の上流側におい
て検出光の光路上に、検出光の一部のみを選択的に透過
させるピンホールを配置してもよい。

【００５１】レンズ付き光ファイバ１０は、２波長合波
素子１０９に接続されたシングルモードの光ファイバ１
０３と、フェルール１０４と、光ファイバ１０３の先端
に配された照射レンズ４０と、フェルール１０４と照射
レンズ４０を固定するチューブ１０５とから成る。尚、
光ファイバ１０３をシングルモードとしたのは、光熱変
換分光分析方法を利用して試料中の微量な溶質を検出す
る場合、励起光をできるだけ小さく絞り、光熱変換に利
用されるエネルギーを高くすると共に、励起光によって
生成する熱レンズが収差の少ないレンズになることが望
ましいからである。

【００５２】フェルール１０４は、光ファイバ１０３の
外径を照射レンズ４０の外径と等しくするものであり、
照射レンズ４０とは密着していてもよいし、隙間があっ
ても良い。

【００５３】チューブ１０５、ひいてはレンズ付き光フ
ァイバ１０は、治具３０によって保持され、流路付き板
状部材２０の流路２０４に面して位置するように位置が
調整されている。

【００５４】熱レンズを生成させ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。シングルモ
ードの光ファイバ１０３から出射される光は常にガウス
分布になるので、励起光の焦点を小さくするのに適して
いる。また、励起光によって生成された熱レンズが小さ
い場合、この熱レンズを透過する検出光をできるだけ多
くするためには、検出光もできる限り小さく絞ることが
望ましい。このためにも、光ファイバ１０３は、励起光
及び検出光がシングルモードで伝搬することが好まし
い。

【００５５】なお、光ファイバ１０３は励起光及び検出
光を透過させるものであればどのようなものでも使用は
できるが、マルチモードの光ファイバを使用した場合
は、出射光がガウス分布にならない上に、光ファイバの
曲がり具合等の種々の条件によって出射パターンが変化
するので、必ずしも安定な出射光が得られない。このた
め、微量な溶質の測定が困難になると共に測定値が安定
しない場合がある。従って、上述のように光ファイバ１
０３はシングルモードのものが好ましい。

【００５６】レンズ付き光ファイバ１０は、図２に示す
ように、熱レンズ１３１が形成される励起光の焦点位置
１３２に対して検出光の焦点位置１３３が僅かにΔＬだ
けずれるように設定されている。

【００５７】Ｉｃは、共焦点長（ｎｍ）として、Ｉｃ＝π・（ｄ／２）²／λ₁ ・・・（１）で計算される。ここで、ｄはｄ＝１．２２×λ₁／ＮＡ
で計算されるエアリーディスクであり、λ₁は、励起光
の波長（ｎｍ）、ＮＡは、照射レンズ４０の開口数であ
る。尚、ＮＡの値に関しては、本実施の形態のように、
光ファイバ１０３を用いる場合は、一般に光ファイバの
出射光の開口数が小さいため、大きな開口数を有する照
射レンズ４０を用いた場合は光ファイバ１０３の開口数
を用いて計算する必要がある。

【００５８】上記ΔＬ値は、測定する試料の厚みによっ
て変化する。共焦点長より薄い試料を測定する場合は、
上記ΔＬ値は、好ましくは、Ｉｃ＜ΔＬ＜１０・Ｉｃ・・・（２）であるが、 ΔＬ＝√３・Ｉｃ・・・（３）であるのがより好ましい。

【００５９】例えば、ＮＡ＝０．４６、λ₁＝４８８ｎ
ｍ、λ₂＝６３２．８ｎｍにおけるずれΔＬの値と信号
強度の関係は、ΔＬ＝４．６７μｍのときの信号強度を
１００とした場合の相対比係数値で表すと、図３に示す
ように、ΔＬ＝４．７６μｍのときに信号強度が最大と
なる。すなわち、共焦点長（Ｉｃ）より薄い試料を測定
する場合は、式（２）、好ましくは式（３）の関係を満
たすようにΔＬを設計するのが好ましいことがわかる。
このΔＬの値は、検出光の焦点位置と励起光の焦点位置
の差を表しているので、検出光の焦点距離が励起光の焦
点距離よりも長い場合も短い場合も同じ結果となる。

【００６０】測定に際し最適なΔＬとするため、通常、
照射レンズ４０として、屈折率分布型のロッドレンズを
用いることが多い。

【００６１】ロッドレンズは、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、中心
軸から半径方向でｒの距離の位置における屈折率ｎ
（ｒ）、軸上屈折率ｎ₀、２乗分布定数ｇ、及び距離ｒ
との関係が、近似的に以下の２次方程式ｎ（ｒ）＝ｎ₀｛１−（ｇ²／２）・ｒ²｝で表される集束性光伝送体として知られている。

【００６２】ロッドレンズは、その長さｚ₀を０＜ｚ₀＜
π／２ｇの範囲内で選ぶとき、その結像性は、両端面が
平坦でありながら通常の凸レンズと同じであり、平行入
射光線によって出射端よりＳ₀＝ｃｏｔ（ｇｚ₀）／ｎ₀ｇの位置に焦点が形成される。

【００６３】また、ロッドレンズは、例えば以下のよう
な方法で製造される。

【００６４】即ち、モル百分率でＳｉＯ₂：５７〜６３
％、Ｂ₂Ｏ₃：１７〜２３％、Ｎａ₂Ｏ：５〜１７％、Ｔ
ｌ₂Ｏ：３〜１５％を主成分とするガラスでロッドを形
成した後、このガラスロッドを硝酸カリウム塩等のイオ
ン交換媒体中で処理し、ガラス中のタリウムイオン及び
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、ガラスロ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。

【００６５】しかし、ロッドレンズの色収差は、主に用
いられるイオンの種類によって決定されるものであり、
上述したようにガラスロ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事が可能なイオン
の種類は、タリウム、リチウム、セシウム、銀など一部
に限られているため、ロッドレンズのみから成る照射レ
ンズ４０では、測定条件によっては最適なΔＬとするこ
とができない。そこで、本実施の形態では、ロッドレン
ズ１０１の端面上に回折レンズ１０２を形成したもの
（図１，図５）を照射レンズ４０として用いている。以
下、その理由について述べる。

【００６６】回折レンズ１４０は位相変調素子と考えら
れ、位相変調量ψは、焦点距離をｆ、レンズ中心からの
距離をｒで表して φ（ｒ）＝−πｒ²／λｆで与えられる。これにより、回折レンズ１０２は、位相
２πの整数倍に相当する部分を取り除き、残りの位相を
さらに量子化した断面が波形（図５（ａ））、上からみ
ると、同心に形成される複数の輪帯状（図５（ｂ））の
形状となる。量子化数ｍが大きいほど、屈折レンズの位
相分布に近くなる（光学 vol.30 (4) 270(2001)）。

【００６７】回折レンズ１０２は位相を基準にして形状
の量子化を行うため、波長によりその形状が異なり、設
計波長が必ず存在する。

【００６８】回折レンズ１０２を形成する方法はどのよ
うな方法でもよいが、波長程度の深さ分布を精度よく形
成する必要があるので、半導体露光装置や電子ビーム描
画装置を用いた、エッチング法、火炎加水分解堆積法な
どが用いられる。いずれの場合も、１回のプロセスで２
段階の形状が得られるので、Ｎ回のプロセスを繰返すこ
とで２^N階段の形状が得られる。このようにして作製さ
れた階段状の形状を持つ回折光学素子は、バイナリ光学
素子とも呼ばれる。従って、図５（ｂ）に示すように、
回折レンズ１０２は上からみると同心に形成される複数
の輪帯状の形状が２^N形成されている。

【００６９】次に、照射レンズ４０として、ロッドレン
ズ１０１と回折レンズ１０２を組み合わせたものを用い
た場合に、信号強度が最大となるΔＬの値がどのような
値であっても、調整することができる理由について説明
する。

【００７０】回折レンズ１０２は、上述したように、そ
の色収差が回折レンズの形状に起因するものであるのに
対し、ロッドレンズ１０１は、その色収差が材料の分散
に起因するものであるため、色収差の符号が逆となり、
ロッドレンズ１０１が有する色収差量と、その端面上に
形成された回折レンズ１０２との色収差を組合せること
で、レンズ付き光ファイバ１０の色収差量を調整するこ
とが可能となる。

【００７１】また、照射レンズ４０として、回折レンズ
１０２を端面上に形成したロッドレンズ１０１を用いる
場合、単独の回折レンズ１４０を用いる場合より、照射
レンズ４０の収差が小さくなるため、励起光及び検出光
の焦点を小さくすることができる。

【００７２】また、ロッドレンズ１０１はその形状が円
柱状であり、底面が平面であるので、光ファイバ１０３
端面に容易に取り付けられると共に、レンズの光軸を光
ファイバ１０３の光軸に対して容易に合わせることがで
きる。また、形状が円柱状であるので、レンズを光ファ
イバ１０３に取り付ける際に治具３０を用いる場合はレ
ンズの保持が容易である。

【００７３】本発明の第１の実施の形態に係るマイクロ
化学システムによれば、回折レンズ１０２を端面上に形
成したロッドレンズ１０１が、励起光及び検出光を伝搬
する光ファイバ１０３の先端に取り付けられているの
で、測定毎に励起光と検出光との光軸及び回折レンズ１
０２を端面上に形成したロッドレンズ１０１の光軸を調
整する必要が無い上に、光軸を合わせるための治具及び
堅固な定盤が不用であり、もって、マイクロ化学システ
ムを小型化できる。また、回折レンズ１０２とロッドレ
ンズ１０１の色収差を組合せることで、測定するために
用いる溝のディメンジョンに適した色収差量とすること
ができるため、高感度な測定が可能となる。

【００７４】また、回折レンズ１０２を端面上に形成し
たロッドレンズ１０１は流路付き板状部材２０に接触し
ている必要はないが、接触する場合は流路付き板状部材
２０の基板２０１の厚みで回折レンズ１０２を端面上に
形成したロッドレンズ１０１の焦点距離を調整できる。
基板２０１の厚みが足りない場合は、回折レンズ１０２
を端面上に形成したロッドレンズ１０１と基板２０１の
間に焦点距離を調整するためのスペーサーを入れてもよ
い。これらの場合は励起光の焦点距離の調整も不要とな
るため、装置をさらに小型化できる。

【００７５】さらに、上述したように、回折レンズは設
計波長によって形状を調整することで色収差の調整を可
能とするため、回折レンズのみで照射レンズ４０を構成
するようにしてもよい（図４）。

【００７６】尚、光ファイバ１０３の先端を球形等に加
工してレンズとすれば、光ファイバ１０３の先端にレン
ズを取り付けなくても励起光及び検出光を絞ることが可
能であるが、この場合、色収差がほとんどないために励
起光と検出光の焦点位置がほぼ同じとなる。このため、
熱レンズの信号がほとんど検出されないという問題があ
る。また、光ファイバ１０３先端の加工によるレンズは
収差が大きいので、励起光ならびに検出光の焦点が大き
いという問題もある。従って、本実施の形態では光ファ
イバ１０３の先端に上述の照射レンズ４０が取りつけら
れている。

【００７７】図６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の概略構成を示す図である。

【００７８】図６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２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１（図１）と基本的
に同じ構成であり、同じ構成部材には同一の符合を付し
て説明を省略して、以下に異なる点のみ説明する。

【００７９】図６において、マイクロ化学システム２に
おける照射部２ａは、基板２０５に配され、基板２０５
は、屈折率分布型ロッドレンズ１０１と、このロッドレ
ンズ１０１の上端面に形成された回折レンズ１０２と、
回折レンズ１０２の上に配されたプリズム１２１とを備
える。また、基板２０５の上面上には、一端がプリズム
１２１に向けられていると共に他端が二又に分岐した光
導波路１２０が形成され、光導波路１２０の二又の各先
端には励起光用光源１０６及び検出光用光源１０７が配
置されると共に、分岐部近傍には２波長合波素子１０９
が配置されている。

【００８０】光導波路１２０は、励起光用光源１０６か
らの励起光及び検出光用光源１０７からの検出光をシン
グルモードで伝搬し、プリズム１２１で方向が変えられ
て回折レンズ１０２及び屈折率分布型ロッドレンズ１０
１を介して、流路付き板状部材２０の流路２０４に照射
される。

【００８１】光導波路１２０を形成する方法は、どのよ
うな方法でもよいが、例えば、火炎加水分解法がある。
この火炎加水分解法とは、例えば四塩化シリコンと四塩
化ゲルマニウムの火炎加水分解により基板２０５の表面
に下クラッド用及びコア用の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び反応性エッチン
グにより回路パ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（J. Lightwave Tech. Vol. 17(5) 771 (1999)
等）。尚、上記において、基板２０５とコア部分の屈
折率が適当な値を有している場合は、下クラッドを形成
させなくてもよい。

【００８２】光導波路１２０の先端は、プリズム１２１
に接触させても良い。また、励起光の焦点距離を調整す
るため、プリズム１２１とロッドレンズ１０１とを離し
て設置しても良い。ロッドレンズ１０１の端面は、流路
付き板状部材２０の表面と同一の面であってもよい。

【００８３】本発明の第２の実施の形態に係るマイクロ
化学システムによれば、回折レンズ１０２を端面上に形
成したロッドレンズ１０１は、励起光及び検出光を伝搬
する光導波路１２０の先端に取り付けられているので、
測定毎に励起光と検出光との光軸及び回折レンズ１０２
を端面上に形成したロッドレンズ１０１の光軸を調整す
る必要が無い上に、光軸を合わせるための治具及び堅固
な定盤が不用であり、もって、マイクロ化学システムを
小型化できる。

【００８４】また、回折レンズ１０２とロッドレンズ１
０１の色収差を組合せることで、測定するために用いる
溝のディメンジョンに適した色収差量とすることができ
るため、高感度な測定が可能となる。

【００８５】図７は、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の概略構成を示す図である。

【００８６】図７において、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３は、第１の実施の形態に
係るマイクロ化学システム１（図１）と基本的に同じ構
成であり、同じ構成部材には同一の符合を付して説明を
省略して、以下に異なる点のみ説明する。

【００８７】図７において、マイクロ化学システム３に
おける照射部４ａは、流路付き板状部材２０の基板２０
１上に配された回折レンズ１５０と、励起光をダイクロ
ミックミラー１５２を介して流路付き板状部材２０上の
回折レンズ１５０に照射する励起光用光源１０６と、検
出光をダイクロミックミラー１５２を介して流路付き板
状部材２０上の回折レンズ１５０に照射する検出光用光
源１０６とを備え、励起光用光源１０６からの励起光
は、熱レンズ信号のＳ／Ｎ比を向上するために音響光学
変調器１５１により変調される。

【００８８】音響光学変調器１５１のかわりにチョッパ
ーを用いても良い。変調された励起光はダイクロイック
ミラー１５２にて反射される。このダイクロイックミラ
ー１５２には検出光用光源１０７からの検出光が入射す
る。ダイクロイックミラー１５２によって励起光と検出
光とが同軸になり、流路付き板状部材２０の表面に形成
された回折レンズ１５０に導かれる。

【００８９】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３によれば、照射レンズ４０として、回折
レンズ１５０が検出する試料を流す流路付き板状部材２
０の表面に形成されているため、照射レンズ４０部分の
厚みが無くなる結果、マイクロ化学システムを非常に小
型化できる。

【００９０】

【発明の効果】以上詳細に説明したように、請求項１記
載のマイクロ化学システムによれば、照射レンズは回折
レンズであるので、レンズ自体が薄型で軽量となりその
結果、マイクロ化学システムを小型化することができ
る。また、回折レンズはその構造上色収差を有している
ので、この回折レンズの他に外部の光学系を使用せずに
励起光と検出光の焦点位置をずらすことができ、もっ
て、マイクロ化学システムをより小型化できる。

【００９１】請求項２記載のマイクロ化学システムによ
れば、照射レンズ、回折レンズに屈折レンズをさらに組
合せたものであるので、回折レンズと屈折レンズの色収
差の符合は逆であることを利用し、照射レンズの色収差
量を最適値に調整することができる結果、マイクロ化学
システムの測定感度を高くすることができ、且つ、照射
レンズの収差を小さくすることができると共に、マイク
ロ化学システムの測定感度を高くすることができる。

【００９２】請求項３記載のマイクロ化学システムによ
れば、回折レンズは屈折レンズの表面に形成されている
ので、照射レンズは小さくなる結果、マイクロ化学シス
テムをさらに小型化できる。

【００９３】請求項４記載のマイクロ化学システムによ
れば、誘導光学系は光ファイバから成るので、誘導光学
系で合わされた励起光と検出光は常に同軸となる。この
ため、励起光と検出光との光軸を調整する必要がなく、
作業効率を向上できる。また、光軸を調整する装置が不
要なのでマイクロ化学システムをますます小型化でき
る。

【００９４】請求項５記載のマイクロ化学システムによ
れば、照射レンズは光ファイバの光出射側端部に固定さ
れているので、励起光、検出光、及び照射レンズの全て
の光軸が固定され、その結果、光軸の調整が不要であ
り、作業効率をより向上させることができる。また、光
軸調整用の治具等が不要であるので、マイクロ化学シス
テムを一層小型化できる。

【００９５】請求項６記載のマイクロ化学システムによ
れば、光ファイバは励起光及び検出光の双方をシングル
モードで伝搬するものであるので、励起光によって生成
される熱レンズが収差の小さい小さなレンズとなる結
果、正確な測定ができる。

【００９６】請求項７記載のマイクロ化学システムによ
れば、誘導光学系は光導波路から成るので、誘導光学系
で合わされた励起光と検出光は常に同軸となる。このた
め、励起光と検出光との光軸を調整する必要がなく、作
業効率を向上できる。また、光軸を調整する装置が不要
なのでマイクロ化学システムをますます小型化できる。

【００９７】請求項８記載のマイクロ化学システムによ
れば、照射レンズは光導波路の光出射側端部に固定され
ているので、励起光、検出光、及び照射レンズの全ての
光軸が固定され、その結果、光軸の調整が不要であり、
作業効率をより向上させることができる。また、光軸調
整用の治具等が不要であるので、マイクロ化学システム
を一層小型化できる。

【００９８】請求項９記載のマイクロ化学システムによ
れば、光導波路は励起光及び検出光の双方をシングルモ
ードで伝搬するものであるので、励起光によって生成さ
れる熱レンズが収差の小さい小さなレンズとなる結果、
正確な測定ができる。

【００９９】請求項１０記載のマイクロ化学システムに
よれば、屈折レンズが屈折率分布型レンズであるので、
照射レンズを小型化できる結果、マイクロ化学システム
をより一層小型化できる。

【０１００】請求項１１記載のマイクロ化学システムに
よれば、屈折率分布型レンズがロッドレンズであるの
で、光ファイバもしくは光導波路の光軸とロッドレンズ
との光軸は容易に合わせられると共に保持を容易とする
ことができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施の形態に係るマイクロ化学
システムの概略構成を示す図である。

【図２】励起光の光軸（Ｚ軸方向）に関する熱レンズの
形成位置と検出光の焦点位置の説明図である。

【図３】最適焦点位置のずれΔＬに対する信号強度の変
化の説明図である。

【図４】本発明の第１の実施の形態に係るマイクロ化学
システムの変形例の概略構成を示す図である。

【図５】本発明の第１の実施の形態に係る照射レンズ４
０の概略図であり、（ａ）は、照射レンズ４０の断面図
であり、（ｂ）は、照射レンズ４０の平面図である。

【図６】本発明の第２の実施の形態に係るマイクロ化学
システムの概略構成を示す図である。

【図７】本発明の第３の実施の形態に係るマイクロ化学
システムの概略構成を示す図である。

【図８】熱レンズの原理の説明図である。

【図９】従来の光熱変換分光分析装置における熱レンズ
の屈折率の変化を検出する方法の説明図であり、（ａ）
は、検出光の焦点位置を熱レンズの位置より長くした場
合を示し、（ｂ）は、検出光の焦点位置を熱レンズの位
置より短くした場合を示す。

【図１０】従来の光熱変換分光分析装置における熱レン
ズの屈折率の変化を検出する方法の説明図であり、検出
光を光路の途中にレンズを入れて若干発散又は集光さ
せ、検出光の焦点距離を励起光の焦点距離より長くした
場合を示す。

【符合の説明】

１０レンズ付き光ファイバ２０流路付き板状部材１０１ロッドレンズ１０２回折レンズ１０３光ファイバ１０４フェルール１０５チューブ１０６励起光用光源１０７検出光用光源１０８変調器１０９２波長合波素子１２０光導波路１２１プリズム１３０対物レンズ１３１熱レンズ１３２励起光の焦点位置１３３色収差を有する対物レンズ１３０による検出光
の焦点位置１３４色収差を有さない対物レンズ１３０による検出
光の焦点位置１４０，１５０回折レンズ１５１音響光学変調器１５２ダイクロイックミラー２０１，２０２，２０３基板２０４流路２０５基板４０１光電変換器４０２波長フィルタ４０３ロックインアンプ４０４コンピュータ

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Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】励起光を出力する励起光用光源と、検出
光を出力する検出光用光源と、前記励起光及び前記検出
光を合波して導く誘導光学系と、該誘導光学系によって
導かれた前記励起光及び前記検出光を試料に照射する照
射レンズと、前記励起光の照射を受けた試料によって生
成される熱レンズを透過した前記検出光を検出する検出
手段とを備えるマイクロ化学システムにおいて、前記照
射レンズは回折レンズであることを特徴とするマイクロ
化学システム。
【請求項２】前記照射レンズは前記回折レンズに屈折
レンズをさらに組合せたものであることを特徴とする請
求項１記載のマイクロ化学システム。
【請求項３】前記回折レンズは前記屈折レンズの表面
に形成されていることを特徴とする請求項２記載のマイ
クロ化学システム。
【請求項４】前記誘導光学系は光ファイバから成るこ
とを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の
マイクロ化学システム。
【請求項５】前記照射レンズは前記光ファイバの光出
射側端部に固定されていることを特徴とする請求項４記
載のマイクロ化学システム。
【請求項６】前記光ファイバは前記励起光及び前記検
出光の双方をシングルモードで伝搬するものであること
を特徴とする請求項４又は５記載のマイクロ化学システ
ム。
【請求項７】前記誘導光学系は光導波路から成ること
を特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載のマ
イクロ化学システム。
【請求項８】前記照射レンズは前記光導波路の光出射
側端部に固定されていることを特徴とする請求項７記載
のマイクロ化学システム。
【請求項９】前記光導波路は前記励起光及び前記検出
光の双方をシングルモードで伝搬するものであることを
特徴とする請求項７又は８記載のマイクロ化学システ
ム。
【請求項１０】前記屈折レンズは屈折率分布型レンズ
であることを特徴とする請求項２乃至９のいずれか１項
に記載のマイクロ化学システム。
【請求項１１】前記屈折率分布型レンズはロッドレン
ズであることを特徴とする請求項１０記載のマイクロ化
学システム。