KR100511574B1 - 마이크로 화학 시스템용 칩 부재, 및 이 칩 부재를 이용한마이크로 화학 시스템 - Google Patents

마이크로 화학 시스템용 칩 부재, 및 이 칩 부재를 이용한마이크로 화학 시스템 Download PDF

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Abstract

유로 부착 판형상 부재(10)는, 유리 기판(11), 유리 기판(12) 및 유리 기판(13)으로 이루어지고, 유리 기판(12)에는 양단이 분기한 형상을 갖는 유로(15)가 형성되어 있다. 이 유로(15)에 면하는 위치에서 유리 기판(11)의 외측면 및 유리 기판(13)의 외측면 쌍방에는 굴절률 분포형의 로드 렌즈(20)가 고정되어 있다. 시료의 분석 등은, 광열 변환 분광 분석법을 이용한 장치에 의해 행한다.

Description

마이크로 화학 시스템용 칩 부재, 및 이 칩 부재를 이용한 마이크로 화학 시스템{CHIP MEMBER FOR MICRO CHEMICAL SYSTEM, AND MICRO CHEMICAL SYSTEM USING THE CHIP MEMBER}
본 발명은, 마이크로 화학 시스템에 사용되는 마이크로 화학 시스템용 칩 부재, 및 이 칩 부재를 이용한 마이크로 화학 시스템에 관한 것이고, 특히, 미소 공간에서 정밀도가 높은 초미량 분석이 가능함과 동시에, 편리한 측정이 임의의 장소에서 가능하고, 따라서 특히, 소형 데스크탑 열 렌즈 현미경이나 분석용 열 렌즈 현미경 등에서의 사용에 적합한 칩 부재, 및 이 칩 부재를 이용한 마이크로 화학 시스템에 관한 것이다.
종래부터 화학 반응의 고속성, 미소량을 사용하는 반응, 온 사이트 분석 등의 관점에서, 화학 반응을 미소 공간에서 수행하기 위한 집적화 기술이 주목되어 왔고, 활발한 연구가 세계적으로 진행되고 있다.
이러한 집적화 기술의 하나로서, 유리 기판 등을 이용한 마이크로 화학 시스템이 있다. 이 마이크로 화학 시스템은, 소형 유리 기판 등에 미세한 유로를 형성하고, 이 유로에서 시료의 혼합, 반응, 분리, 추출, 검출 등을 수행한다. 이 마이크로 화학 시스템에서 행해지는 반응의 예로서는, 디아조화 반응, 니트로화 반응, 및 항원-항체 반응이 있고, 추출/분리의 예로서는, 용매 추출, 전기 영동(electrophoretic) 분리, 칼럼 분리 등이 있다. '분리'만을 목적으로 하는 예로서는, 극미량의 단백질이나 핵산 등을 분석하는 전기 영동 장치가 제안되어 있다. 이 전기 영동 장치는 서로 접합된 2장의 유리 기판으로 이루어지는 유로 부착 판형상 부재에 의해 구성되어 있다(예컨대, 일본국 특개평 제8-178897호 공보). 이 유로 부착 판형상 부재는 판형상이므로, 횡단면이 원형 또는 직사각형의 유리 모세관에 비해 파손하기 어렵고, 취급이 용이하다.
마이크로 화학 시스템에서는, 시료량이 미량이므로, 정밀도가 높은 검출 방법이 필수적이다. 필요한 정밀도를 갖는 검출 방법의 실용화에의 길은, 광열 변환 분광 분석법의 확립에 의하여 열리고 있다. 이 광열 변환 분광 분석법은, 미세한 유로 내의 액중 시료가 광을 흡수함으로써 생성하는 열 렌즈 효과를 이용하는 것이다.
도 12은 종래의 유로 부착 판형상 부재의 구성을 도시하는 분해 사시도이다.
종래의 유로 부착 판형상 부재(100)는, 서로 일체로 접합된 유리 기판(101) 및 유리 기판(102)으로 구성된다. 유리 기판(101)의 접합면 상에는, 분석용 유로(103)와, 이 분석용 유로(103)에 교차하는 시료(분석 대상물) 주입용 유로(104)가 형성되어 있다. 분석용 유로(103)는 양단 부분에 버퍼 저장부(105)를 가지고, 시료 주입용 유로(104)는 양단 부분에 버퍼 저장부(106)를 가진다. 유리 기판(102)에는, 유리 기판(101)의 버퍼 저장부(105)에 대향하는 위치에 관통 구멍(107)이 형성되어 있음과 동시에, 유리 기판(101)의 버퍼 저장부(106)에 대향하는 위치에 관통 구멍(108)이 형성되어 있다. 이 관통 구멍(107, 108)의 내벽, 및 관통 구멍(107,108)의 주변에서 유리 기판(102)의 외면 상에는 전극막(109)이 형성되어 있다.
이러한 유로 부착 판형상 부재(100)에 의해 분광 분석용 칩 부재가 구성되고, 분석용 유로(103) 내에는 시료 주입용 유로(104)에서 시료가 주입된다.
이 용액 시료는 광열 변환 분광 분석법을 사용하여 분석된다. 광열 변환 분광 분석법에는, 용액 시료에 광을 집광 조사할 때에, 용액 시료 중의 용질에 의한 광 흡수에 기인하여 열 에너지가 방출된다. 이 열 에너지에 의하여 용매가 국소적으로 온도 상승되어 온도 상승한 부분의 굴절률이 변화한다. 이 결과, 열 렌즈가 형성된다. 이것은 소위 광열 변환 효과이다.
도 13은 열 렌즈의 원리를 설명하는 설명도이다.
도 13에서, 현미경의 대물 렌즈를 경유하여 여기광을 극미소의 용액 시료에 집광 조사하면, 광열 변환 효과가 발생된다. 많은 물질에 대하여, 온도 상승에 따라 굴절률이 작아져서, 여기광이 집광 조사된 용액 시료는, 온도 상승이 큰 집광 중심에 근접할수록 굴절률이 작아진다. 한편, 집광 중심에서 멀어질수록 열 확산에 기인하여, 온도 상승은 더 작아져서 굴절률의 변화가 작다. 광학적으로는, 이 굴절률의 변화는 오목 렌즈와 같은 효과를 초래하고, 이 효과는 열 렌즈 효과라고 불린다. 이 열 렌즈 효과의 크기, 즉 오목 렌즈의 도수는 용액 시료의 광 흡수도에 비례한다. 또한, 굴절률이 온도에 비례하여 커지는 경우는, 굴절률의 변화는 역으로 되므로, 볼록 렌즈와 동일한 효과가 생성된다.
이와 같이, 상기 광열 변환 분광 분석법은, 열 확산, 즉 굴절률의 변화를 관찰하는 것이므로, 극미소량의 용액 시료의 농도를 검출하는 데 적합하다.
상기 광열 변환 분광 분석법을 실행하는 광열 변환 분광 분석 장치의 일례가 일본국 특개평 제10-232210호 공보에 개시되어 있다.
종래의 광열 변환 분광 분석 장치에서는, 유로 부착 판형상 부재는 현미경의 대물 렌즈 아래에 배치되어 있고, 여기광 광원(exciting light source)으로부터 출력된 소정 파장의 여기광이 현미경에 입사한다. 이 여기광은 대물 렌즈에 의해 유로 부착 판형상 부재의 분석용 유로 내의 용액 시료에 집광 조사된다. 집광 조사된 여기광의 초점 위치는 용액 시료 중에 있고, 이 초점 위치에서 여기광이 흡수되어, 초점 위치를 중심으로 하는 열 렌즈가 형성된다.
한편, 검출광 광원(detecting light source)으로부터는, 파장이 여기광과 다른 검출광이 출력되어 현미경에 입사한다. 현미경으로부터 출사된 검출광은, 여기광에 의하여 용액 시료 내에 형성된 열 렌즈에 집광 조사되어, 용액 시료를 투과하여 발산(열 렌즈가 오목 렌즈의 효과를 가지는 경우) 또는 집광(열 렌즈가 볼록 렌즈를 가지는 경우)한다. 이 용액 시료로부터 출사된 검출광은 신호광이 된다. 이 신호광은, 집광 렌즈와 필터 또는 필터만을 경유한 후 검출기에 의하여 검출된다. 이 검출된 신호광의 강도는 용액 시료에 형성된 열 렌즈의 도수에 좌우된다. 또, 검출광은 여기광과 같은 파장을 가질 수도 있거나, 여기광은 검출광을 겸할 수도 있다.
이와 같이, 상기 분광 분석 장치에서, 열 렌즈는 여기광의 초점 위치에 형성되고, 또한 형성된 열 렌즈의 굴절률의 변화는 여기광과 같은 파장 또는 다른 파장의 검출광에 의하여 검출된다.
도 14A 및 도 14B는, 여기광의 광축 방향(Z 방향)에 관한 열 렌즈의 형성 위치와 검출광의 초점 위치의 설명도이다. 도 14A는 대물 렌즈가 색수차를 갖는 경우를 도시하고, 도 14B는 대물 렌즈가 색수차를 가지지 않는 경우를 도시한다. 또, 도 14A 및 도 14B의 어느 도에 있어서도, 여기광과 검출광은 서로 다른 파장을 가진다.
상기 마이크로 화학 시스템에서, 대물 렌즈(130)가 색수차를 가지는 경우는, 도 14A에 도시하는 바와 같이, 열 렌즈(131)는 여기광의 초점 위치(132)에 형성된다. 여기광과 검출광과의 파장의 차이에 의해서 검출광의 초점 위치(133)가 여기광의 초점 위치(132)로부터 ΔL 만큼 시프트되고, 따라서 검출광은 열 렌즈(131)에 의해서 편향된다. 이것에 의해, 열 렌즈(131)의 굴절률의 변화는 검출광의 초점 거리의 변화로서 검출될 수 있다. 한편, 대물 렌즈(130)가 색수차를 가지지 않는 경우는, 도 14B에 도시하는 바와 같이, 검출광의 초점 위치(133)는 여기광의 초점 위치(132)와 거의 일치한다. 이 때문에, 검출광은 열 렌즈(131)에 의하여 편향되지 않고, 따라서 열 렌즈(131)의 굴절률의 변화는 검출될 수 없다.
그러나, 현미경의 대물 렌즈(130)는 통상, 색수차를 가지지 않도록 제조되어 있기 때문에, 상기 이유에 의해, 검출광의 초점 위치(133)는 여기광의 초점 위치(132)에 형성된 열 렌즈(131)의 위치와 거의 일치한다(도 14B). 따라서, 열 렌즈(131)의 굴절률의 변화는 검출될 수 없다. 따라서, 도 15A 및 도 15B에 도시되는 바와 같이, 열 렌즈가 형성되는 용액 시료의 위치를 측정이 행해질 때 마다 검출광의 초점 위치(133)로부터 시프트되거나, 도 16에 도시하는 바와 같이, 미도시된 렌즈를 이용하여 검출광을 약간 각도지게 하여 대물 렌즈(130)에 입사시킴으로써 검출광의 초점 위치(133)를 열 렌즈(131)로부터 시프트시킬 것이라는 문제가 있다.
또한, 유로 부착 판형상 부재는 소형화되어 있지만, 예컨대 광원, 측정부, 검출부(광전 변환부) 등의 광학계는 전체적으로 시스템을 제조시 복잡하게 하고, 크기를 크게 하여, 휴대성의 결여를 초래한다. 이 때문에, 열 렌즈 현미경 시스템을 이용한 분석을 실시하거나 화학 반응을 실행할 때는, 이들을 행하는 장소와 조작이 한정된다.
또한, 열 렌즈가 형성되는 위치는 여기광의 초점 위치이므로, 검출 등의 대상물을 통과시키는 유로 부착 판형상 부재와 대물 렌즈가 분리되어 있는 경우에는, 그 대물 렌즈의 초점 위치를 판형상 부재의 유로내의 소정의 장소에 위치시키는 조작이 측정이 행해질 때 마다 필요하였다. 이 때문에, 판형상 부재의 위치를 조정하기 위한 XYZ 3차원 스테이지 및 초점 위치를 관찰하기 위한 수단(CCD 또는 시각적 관찰을 위한 접안경, 및 이들에 따르는 광학계)이 필요하고, 장치가 커져 휴대성이 결여된다.
도 1은 본 발명의 제1 실시 형태에 따른 마이크로 화학 시스템용 칩 부재의 개략 구성을 도시하는 사시도이다.
도 2는 도 1의 유로 부착 판형상 부재의 분해 사시도이다.
도 3은 스페이서를 경유하여 렌즈의 배치를 도시하는 단면도이다.
도 4는 본 발명의 제2 실시 형태에 따른 마이크로 화학 시스템용 칩 부재의 개략 구성을 도시하는 사시도이다.
도 5는 도 4에 유로 부착 판형상 부재의 절단 사시도이다.
도 6은 본 발명의 제3 실시 형태에 따른 마이크로 화학 시스템용 칩 부재의 개략 구성을 도시하는 개략 사시도이다.
도 7은 도 6의 VI-VI 선에 따른 단면도이다.
도 8은 원주형상 렌즈(20)에 있어서의 초점 위치의 시프트 ΔL에 대한 신호 강도의 변화를 설명하는 도면이다.
도 9는 본 발명의 제 1 실시 형태에 따른 마이크로 화학 시스템의 개략 구성을 도시하는 블록도이다.
도 10은 본 발명의 제2 실시 형태에 따른 마이크로 화학 시스템의 개략 구성을 도시하는 블록도이다.
도 11은 본 발명의 제3 실시 형태에 따른 마이크로 화학 시스템의 개략 구성을 도시하는 블록도이다.
도 12는 종래의 유로 부착 판형상 부재의 구성을 도시하는 분해 사시도이다.
도 13은 열 렌즈의 원리를 설명하는 도면이다.
도 14A 및 도 14B는 여기광의 광축 방향(Z 방향)에 관한 열 렌즈의 형성 위치와 검출광의 초점 위치를 설명하는 도면이고, 도 14A는 대물 렌즈가 색수차를 갖는 경우를 도시하고, 도 14B는 대물 렌즈가 색수차를 가지지 않는 경우를 도시한다.
도 15A 및 도 15B는 종래의 광열 변환 분석 장치에서의 열 렌즈의 굴절률의 변화를 검출하는 방법을 설명하는 도면이고, 도 15A는 열 렌즈가 검출광의 초점 위치에 관하여 렌즈측에 형성된 경우, 도 15B는 열 렌즈가 검출광의 초점 위치에 관하여 렌즈의 반대측에 형성된 경우를 도시한다.
도 16은 종래의 광열 변환 분광 분석기에서의 열 렌즈의 굴절률의 변화를 검출하는 방법을 설명하는 도면이고, 검출광이 발산 렌즈를 이용하여 발산되는 경우를 도시한다.
본 발명의 목적은, 여기광 및 검출광의 초점 위치와 용액 시료의 위치맞춤을 측정할 때 마다 행할 필요가 없어, 유저의 작업 효율을 향상시킴과 동시에, 분석 장치와 같은 마이크로 화학 시스템을 소형화할 수 있는 칩 부재, 및 이 칩 부재를 이용한 마이크로 화학 시스템을 제공하는 것이다.
발명의 개시
상기 목적을 달성하기 위해서, 본 발명의 마이크로 화학 시스템용 칩 부재는, 액체에서의 시료를 처리하는 마이크로 화학 시스템에 이용하는 마이크로 화학 시스템용 칩 부재에 있어서, 시료를 포함하는 액체가 통과하는 유로를 가지는 유로 부착 판형상 부재와, 상기 유로에 면하는 위치에서 상기 유로 부착 판형상 부재에 고정된 렌즈로 이루어지는 것을 특징으로 한다.
또, 본 발명의 마이크로 화학 시스템용 칩 부재는, 상기 렌즈의 초점 위치가 상기 유로 내에 있는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명의 마이크로 화학 시스템용 칩 부재는, 스페이서를 통하여 상기 유로 부착 판형상 부재에 고정되어 있는 것을 특징으로 한다.
또, 본 발명의 마이크로 화학 시스템용 칩 부재는, 상기 렌즈가 굴절률 분포형 렌즈인 것을 특징으로 한다.
또, 본 발명의 마이크로 화학 시스템용 칩 부재는, 상기 굴절률 분포형 렌즈가 상기 유로 부착 판형상 부재의 한쪽의 면에 배치되어 있는 것을 특징으로 한다.
또, 본 발명의 마이크로 화학 시스템용 칩 부재는 상기 굴절률 분포형 렌즈가 원주형상의 렌즈로 이루어지는 것을 특징으로 한다.
또, 본 발명의 마이크로 화학 시스템용 칩 부재는 상기 굴절률 분포형 렌즈가 플레이너(planer) 렌즈로 이루어지는 것을 특징으로 한다.
또, 본 발명의 마이크로 화학 시스템용 칩 부재는, 상기 유로에 관해서 상기 굴절률 분포형 렌즈에 대향하는 위치에서 상기 유로 부착 판형상 부재의 다른 쪽 면에 제2 굴절률 분포형 렌즈가 고정되어 있는 것을 특징으로 한다.
또, 본 발명의 마이크로 화학 시스템용 칩 부재는, 상기 제2 굴절률 분포형 렌즈가 원주형상의 렌즈로 이루어지는 것을 특징으로 한다.
또, 본 발명의 마이크로 화학 시스템용 칩 부재는, 상기 제2 굴절률 분포형 렌즈가 플레이너 렌즈로 이루어지는 것을 특징으로 한다.
또, 본 발명의 마이크로 화학 시스템용 칩 부재는, 상기 굴절률 분포형 렌즈가 상기 유로 부착 판형상 부재 중에 장착되어 있는 것을 특징으로 한다.
또, 본 발명의 마이크로 화학 시스템용 칩 부재는, 상기 굴절률 분포형 렌즈가 원주형상의 렌즈로 이루어지는 것을 특징으로 한다.
또, 본 발명의 마이크로 화학 시스템용 칩 부재는, 상기 유로에 관해서 상기 굴절률 분포형 렌즈에 대향하는 위치에서 상기 유로 부착 판형상 부재 중에 제2 굴절률 분포형 렌즈가 장착되어 있는 것을 특징으로 한다.
또, 본 발명의 마이크로 화학 시스템용 칩 부재는, 상기 제2 굴절률 분포형 렌즈가 원주형상의 렌즈로 이루어지는 것을 특징으로 한다.
또, 본 발명의 마이크로 화학 시스템용 칩 부재는, 상기 유로 부착 판형상 부재가 유리제인 것을 특징으로 한다.
또, 본 발명의 마이크로 화학 시스템용 칩 부재는, 상기 마이크로 화학 시스템이 분석 장치인 것을 특징으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 마이크로 화학 시스템은, 상기 중 어느 하나의 마이크로 화학 시스템용 칩 부재와, 소정 파장의 여기광을 출력하는 여기광 광원과, 파장이 상기 여기광과 다른 검출광을 출력하는 검출광 광원과, 상기 여기광과 상기 검출광을 동축적으로 상기 유로 내의 시료에 입사시키는 입사 광학계와, 상기 시료로부터의 출력광을 인도하는 출사 광학계와, 상기 출사 광학계를 통해서 상기 출력광을 검출하는 검출기를 구비하는 것을 특징으로 한다.
또, 본 발명의 마이크로 화학 시스템은, 상기 마이크로 화학 시스템용 칩 부재의 상기 유로 부착 판형상 부재가 유리제인 것을 특징으로 한다.
또, 본 발명의 마이크로 화학 시스템은, 상기 굴절률 분포형 렌즈는, 상기 여기광의 초점 위치에 대한 상기 검출광의 초점 위치의 어긋남이 소정의 최적치가 되도록, 색수차 특성이 조정되어 있는 것을 특징으로 한다.
또, 본 발명의 마이크로 화학 시스템은 상기 마이크로 화학 시스템이 분석 장치인 것을 특징으로 한다.
또, 본 발명의 마이크로 화학 시스템은, 상기 마이크로 화학 시스템용 칩 부재에 상기 여기광 광원과, 상기 검출광 광원과, 상기 입사 광학계와, 상기 출사 광학계가 장착된 것을 특징으로 한다.
발명을 실시하기 위한 최선의 형태
이하, 본 발명의 실시 형태에 따른 마이크로 화학 시스템용 칩 부재의 구성을 도면을 참조하여 설명한다.
도 1은 본 발명의 제1 실시 형태에 따른 마이크로 화학 시스템용 칩 부재의 개략 구성을 도시하는 사시도이다.
도 1에서, 마이크로 화학 시스템용 칩 부재는 유로 부착 판형상 부재(10)를 가지고, 이 유로 부착 판형상 부재(10)는 3층으로 겹쳐짐과 동시에 서로 접착된 유리 기판(11), 유리 기판(12), 및 유리 기판(13)으로 구성된다. 유리 기판(12)에는, 유로 부착 판형상 부재(10)의 분해 사시도인 도 2에 도시하는 바와 같이, 양단이 2개로 분기한 형상을 가지는 유로(15)가 형성되고, 유로(15)의 분기단에 대응하는 4개의 위치에 버퍼 저장부(16)가 형성된다. 이 유로(15)는 혼합, 합성, 분리, 검출 등의 용도에 이용된다.
이 유리 기판(12)의 양면에 유리 기판(11) 및 유리 기판(13)이 접합됨으로써 유로(15)가 완성된다. 또한, 유리 기판(11)에는, 상기 버퍼 저장부(16)에 대응하는 4개의 위치에 관통 구멍(17)이 형성되어 있다.
유리 기판(11 내지 13)의 재료는, 세포 등의 생체 시료로, 예컨대 DNA 분석용으로 사용될 수 있다는 것을 고려하면, 내산성, 내알칼리성이 뛰어난 유리, 구체적으로는 붕규산 유리, 소다 라임 유리, 알루미노붕규산 유리, 석영 유리 등이 바람직하다. 그러나, 용도를 제한하여, 플라스틱 등의 유기 화합물을 사용할 수 있다.
유로(15)에 면하는 위치에서 유로 부착 판형상 부재(10)의 한 쪽의 면과 이 쪽의 면에 대향하는 다른 쪽의 면에는, 상기 분석을 수행하기 위한 굴절률 분포형의 원주형상의 렌즈(20)가 고정되어 있다. 원주형상 렌즈(20)는 유로 부착 판형상 부재(10)의 한 쪽의 면(광 입사측)에만 제공되면 충분하다.
원주형상 렌즈(20)는 접착제를 사용하여 유로 부착 판형상 부재(10)(즉, 유리 기판(11)과 유리 기판(13))에 직접 접착될 수도 있고, 지그를 이용하여 고정될 수도 있다. 원주형상 렌즈(20)를 유리 기판(11, 13)에 접착하는 접착제에는, 적외선 경화형, 열경화형 또는 2액 경화형 등의 아크릴 접착제, 에폭시계 등의 유기계 접착제, 및 무기계 접착제 등을 이용할 수 있다.
유리 기판(11 내지 13)들을 접착하기 위한 접착제는, 상술의 렌즈(20)와 유로 부착 판형상 부재(10)와의 접착에 이용하여도 좋다. 또는, 열 융합에 의하여 유리 기판(11 내지 13)이 융합될 수도 있다.
또한, 도 3에 도시된 바와 같이, 원주형상 렌즈(20)의 초점 위치를 조정하기 위한 스페이서(25)를 원주형상 렌즈(20)와 유로 부착 판형상 부재(10)와의 사이에 배치하여, 이 스페이서(25)에 렌즈(20)를 고정해도 좋다.
굴절률 분포형 원주형상 렌즈(20)는, 예컨대 유리 또는 플라스틱제의 원주형상의 투명체이고, 그 중심에서 그 주변을 향하여 연속적으로 굴절률이 변하는 것이다(예컨대, 일본 특공소 제63-63502호 공보).
이러한 원주형상의 투명체는 중심축으로부터 반경 방향으로 r의 거리의 위치에서 굴절률 n(r)이 근사적으로 r에 관한 2차 방정식에 의하여 주어지는 집속성 광 전송체인 것으로 알려져 있다.
n(r) = n0 {1 - (g2/2)ㆍr2}
여기서, n0 는 축상 굴절률을 나타내고, g는 2승 분포 정수를 나타낸다.
원주형상 렌즈(20)는 그 길이 zo를 0 < zo < π/2g 의 범위이도록 선택된다면, 그 결상 특성은, 양 단면이 편평하여도 통상의 볼록 렌즈와 동일할 것이고, 렌즈(20)의 일단면(입사면)에 입사된 평행 광선의 초점을 타단면(출사면)으로부터,
s0 = cot(gzo)/nog
떨어진 위치에 형성된다.
또, 원주형상 렌즈(20)는, 예컨대 다음의 방법에 의하여 제조될 수 있다.
몰 백분율로 SiO2 : 57mol% ~ 63mol%, B2O3 : 17mol% ~ 23mol%, Na2 O : 5mol% ~ 17mol%, 및 Tl2O : 3mol% ~ 15mol%를 주성분으로 하는 유리로 원주형상을 형성한 후, 이 원주형상 유리를 질산칼륨염욕 등의 이온 교환 매체에서 처리되어, 유리에서의 탈륨 이온 및 나트륨 이온과 매체 중의 칼륨 이온과의 이온 교환을 수행하여, 원주형상의 유리내에 중심에서 그 주변을 향하여 연속적으로 감소하는 굴절률 분포를 제공한다.
제 1 실시예에 따르면, 원주형상 렌즈(20)는 유로 부착 판형상 부재(10)의 적어도 한 쪽의 면에 고정되고, 따라서 용액 시료의 위치에 형성된 열 렌즈를 검출광에 의하여 검출할 때, 원주형상 렌즈(20)와 유로(15) 내의 용액 시료와의 거리를 항상 일정하도록 할 수 있어, 원주형상 렌즈(20)에 의한 여기광의 초점 위치를 유로(15) 내의 용액 시료의 위치에 고정되어, 검출 등을 행할 때 마다 여기광의 초점과 용액 시료와의 위치 맞춤을 행할 필요가 없어지고, 또한 초점 위치를 조정하기 위한 장치가 불필요해진다. 따라서, 마이크로 화학 시스템용 칩 부재를 구비함으로써, 마이크로 화학 시스템이 보다 소형화될 수 있다.
원주형상 렌즈(20)는 여기광의 초점 위치에 대하여 검출광의 초점 위치가 시프트 ΔL 만큼 약간 시프트되도록 설계된다(도 14A).
Ic 는 공(共)초점 길이(nm) 로서, Ic = πㆍ(d/2)2/λ1로 계산된다. 여기서 d는 에어리 디스크의 직경을 나타내고, d = 1.22 ×λ1/NA 로 계산되고, λ1은 여기광의 파장(nm)을 나타내고, NA는 원주형상 렌즈(20)의 개구수이다.
상술된 ΔL 값은 측정하는 시료(분석 대상물)의 두께에 따라 변화한다. 공초점 길이 보다 얇은 두께를 가지는 시료를 측정하는 경우는, ΔL이 ㆍIc 인 것이 가장 바람직하다.
예컨대, NA = 0.46, λ1 = 488 nm, λ2 = 632.8 nm(λ2은 검출광의 파장)이면, 시프트 ΔL의 값과 신호 강도와의 관계는, ΔL= 4.67㎛ 일 때의 신호 강도를 100으로 한 경우의 상대비 계수값을 표시하면, 도 8에 도시된 바와 같이, ΔL= 4.67㎛ 일 때의 신호 강도가 최대가 된다. 따라서, 원주형상 렌즈(20)는 초점 위치의 시프트 ΔL이 4.67㎛의 최적값이도록 설계하는 것이 바람직하다. ΔL 값은 검출광의 초점 위치와 여기광의 초점 위치와의 차이를 나타내고, 검출광의 초점 거리가 여기광의 초점 거리보다도 길거나 짧아도 동일한 결과가 달성된다.
상기 조건에서의 각종 NA의 원주형상 렌즈(20)에서의 최적 초점 위치의 시프트 ΔL(L1 - L2)의 예가 표 1에 주어진다. 여기서, L1, L2는 여기광(파장 λ1)과 검출광(파장 λ2)의 초점 거리이다.
표 1
λ1(nm) NA d(nm) Ic (nm) ΔL(㎛) λ2(nm)
488 0.46 1294.3 2696.0 4.670 633
488 0.40 1488.4 3565.4 6.175 633
532 0.46 1411.0 2939.0 5.091 633
532 0.40 1622.6 3886.9 6.732 633
원주형상 렌즈(20)는 그 양단면이 평면이므로, 스페이서(25)에 고정시키고, 광축을 용액 시료에 있도록 조정하는 것이 용이하다.
또한, 원주형상 렌즈(20)는 현미경 대물 렌즈보다도 상당히 작으므로, 마이크로 화학 시스템을 보다 소형화할 수 있다.
또한, 굴절률 분포형 렌즈는 적절량의 색수차를 가지고, 따라서 원주형상 렌즈(20) 만으로 여기광 및 검출광의 초점 위치가 시프트될 수 있다. 그 결과, 다수의 렌즈를 배치할 필요가 없고, 따라서 이 관점에서 원주형상 렌즈(20)는 마이크로 화학 시스템을 보다 소형화시키는 데 기여한다.
원주형상 렌즈(20)가 상기의 최적 초점 위치의 시프트 ΔL을 가지지 않아도, 검출광의 초점 위치를 조정하는 다른 기구가 제공된다면 여전히 사용될 수 있다.
예컨대, 초점 위치의 시프트 ΔL이 최적값 보다 작은 경우(즉, 렌즈의 색수차가 작은 경우), 검출광(파장 λ2)의 초점 거리가 길어져야 하고, 검출광과 여기광을 동축으로 하기 전에, 검출광의 광로에 오목렌즈를 배치하여 검출광을 발산광으로 함으로써 원주형상 렌즈(20)에 의한 검출광의 초점 위치가 길어지고, 따라서 ΔL이 최적화된다면 좋다.
상기 Δ L에 관한 설명은, 이하의 실시 형태에서의 원주형상의 렌즈(22) 및 플레이너 렌즈(21)에도 적합하다.
도 4는, 본 발명의 제2 실시 형태에 관한 마이크로 화학 시스템용 칩 부재의 개략 구성을 도시하는 사시도이다.
본 실시 형태에 관한 마이크로 화학 시스템용 칩 부재의 유로 부착 판형상 부재(30)는 도 2에 도시하는 유로 부착 판형상 부재(10)와 동일 구조인 동시에, 원주형상의 렌즈(22)는 제1 실시 형태의 원주형상의 렌즈(20)와 동일하다.
도 4에 있어서, 유로(15)를 사이에 두고 서로 대향하도록 한쌍의 원주형상의 렌즈(22, 22)가 유리 기판(12)의 내부에 장착되어 있다(도 5).
도 4 및 도 5에는, 유로(15)를 사이에 두고 양측에 원주형상의 렌즈(22)가 도시되어 있지만, 로드 렌즈(22)는 적어도 입사광측에 있으면 좋다.
본 실시 형태에 의하면, 원주형상의 렌즈(22, 22)가 판형상 부재(30)의 내부에 장착되어 있기 때문에, 제1 실시 형태에 관한 칩 부재와 동일한 작용 효과가 얻어지는 것에 더하여, 원주형상의 렌즈(22, 22)가 돌출되어 있지 않기 때문에, 제1 실시 형태에 의한 마이크로 화학 시스템용 칩 부재의 작용 효과에 더하여, 마이크로 화학 시스템을 보다 소형화할 수 있다.
도 6은, 본 발명의 제3 실시 형태에 관한 마이크로 화학 시스템용 칩 부재의 개략 구성을 도시하는 사시도이다.
본 실시 형태에 관한 마이크로 화학 시스템용 칩 부재의 유로 부착 판형상 부재(40)는, 도 2에 도시하는 유로 부착 판형상 부재(10)와 동일 구조이다. 도 6에 있어서, 유리 기판(11)의 외측면 및 유리 기판(13)의 외측면에는 굴절률 분포형의 플레이너 렌즈(21)가 유로(15)에 면하도록 유리 기판(11 및 13)에 형성되어 있다(도 7).
도 7에 도시하는 바와 같이, 플레이너 렌즈(21)는, 구 절결 형상(구를 둥글게 절단한 형상)을 이루고, 그 평탄면은 유리 기판(11, 13)의 표면과 동일한 레벨에 있으며, 렌즈의 중심에 향함에 따라서 굴절률이 커지고 있다. 이 굴절률 구배는, 유리 기판(11, 13) 중의 나트륨 이온을 탈륨 이온이나 칼륨 이온으로 치환하는 이온 교환 방법에 의해 형성할 수 있다. 이온 교환은, 유리 기판 표면을 플레이너 렌즈를 형성하는 부분을 제외하고 금속막을 피복함으로써 마스킹하여, 유리 중의 나트륨 이온을 질산 칼륨이나 질산 탈륨의 용융염에 침지함으로써 행한다.
플레이너 렌즈(21)는, 유로 부착 판형상 부재(40)의 한쪽 면(광의 입사측)에만 설치되어 있으면 충분하다.
이 플레이너 렌즈(21)의 굴절률의 분포는, 상기 원주형상의 렌즈(20, 22)의 굴절률의 분포와 동일하다. 이 플레이너 렌즈(21)를 구비한 유로 부착 판형상 부재(40)는, 제1 실시 형태의 경우와 동일하게 마이크로 화학 시스템에 의해서 소망의 검출 등이 행해진다.
본 실시 형태에 의하면, 제1 실시 형태에 의한 작용 효과에 더하여, 유리 기판(11 및 13)의 표면으로부터의 돌출 부분이 없는 것에 의해 마이크로 화학 시스템을 한층 소형화할 수 있다.
상기와 같은 유로 부착 판형상 부재(10, 30, 40)에 의해서 구성된 마이크로 화학 시스템용 칩 부재는, 대상물(용액 시료) 주입용 유로로부터 유로(15) 내에 용액 시료를 주입한다.
용액 시료의 검출 등은, 광열 변환 분광 분석법을 이용한 마이크로 화학 시스템에 의해서 행한다. 이 마이크로 화학 시스템은, 용액 시료에 여기광을 집광 조사하였을 때에 용액 시료 중의 용질의 광흡수에 기인하여 그 후에 방출되는 열 에너지에 의해 용매가 국소적으로 온도 상승하여 굴절률이 국소적으로 변화하고, 이것에 의해서 열 렌즈가 형성된다고 하는 광열 변환 효과를 이용하는 것이다.
이하, 본 발명의 실시 형태에 관한 마이크로 화학 시스템을 도면을 참조하여 설명한다.
도 9는, 본 발명의 제1 실시 형태에 관한 마이크로 화학 시스템의 일례인 분석 장치의 개략 구성을 도시하는 블록도이다.
도 9에 있어서, 전술한 유로 부착 판형상 부재(10)는, X-Y 시료 스테이지(125) 상에 재치되어 있다. 여기광 광원(111)이 소정 파장의 여기광을 출력하고, 이 여기광은 쵸퍼(112)에 의해 변조된다. 변조된 여기광은, 반사경(114)에 의해 반사되고, 다음에, 다이클로익 미러(113)를 투과하여, 유로 부착 판형상 부재(10)의 원주형상의 렌즈(20)에 조사된다. 조사된 여기광은, 유로 부착 판형상 부재(10)의 분석용 유로(15) 내의 용액 시료 상의 초점 위치에서 흡수되고, 그 집광 조사 위치를 중심으로 하여 열 렌즈가 형성된다. 용액 시료에 조사된 여기광 중, 용액 시료에 흡수되지 않았던 광은, 용액 시료를 투과하여, 다른 쪽의 원주형상의 렌즈(20)를 투과한 후, 파장 커트 필터(116)에 흡수되기 때문에 검출기(117)에는 입사되지 않는다.
한편, 검출광 광원(120)은, 여기광과는 다른 파장의 검출광을 출력하고, 이 검출광은, 발산 렌즈(119)에 의해, 약간 발산된 후, 다이클로익 미러(113)에서 반사되어, 한쪽의 원주형상의 렌즈(20)에 입사하고, 이 원주형상의 렌즈(20)에 의해 유로 부착 판형상 부재(10)의 분석용 유로(15) 내의 용액 시료에 집광 조사된다. 한쪽의 원주형상의 렌즈(20)로부터 출사되는 검출광은, 여기광에 의해 용액 시료에 형성된 열 렌즈 내를 투과하여 발산 또는 집광한다. 이 용액 시료로부터 발산 또는 집광하여 출사된 광은 신호광이 되고, 그 신호광은, 다른쪽의 원주형상의 렌즈(20) 및 파장 커트 필터(116)를 지나서 검출기(117)에 의해 검출된다.
이 검출기(117)에 의해 검출된 신호광의 강도는, 용액 시료에서 형성된 열 렌즈에 따른 것이며, 또, 쵸퍼(112)에 의한 여기광 변조 주기에 동기하여 변화한다. 그래서, 이 검출기(117)로부터 출력되어 프리앰프(121)에 의해 증폭된 신호는, 록인 앰프(122)에 의해, 쵸퍼(112)에 의한 여기광 변조 주기에 동기하여 검파되고, 그 록인 앰프(122)로부터의 출력 신호에 기초하여 컴퓨터(123)에 의해 용액 시료의 분석이 이루어진다.
본 발명의 제1 실시 형태에 관한 마이크로 화학 시스템에 의하면, 유로 부착 판형상 부재(10)에 집광하기 위한 현미경용의 대물 렌즈 및 콘덴서 렌즈가 불필요하게 되고, 또한 Z축 방향의 위치 맞춤이 불필요하게 된다.
도 10은, 본 발명의 제2 실시 형태에 관한 마이크로 화학 시스템의 일례인 분석 장치의 개략 구성을 도시하는 블록도이다.
분석 장치는, 본 발명의 제1 실시 형태의 것과 비교하여, 입사광측의 원주형상의 렌즈(20)가, 여기광과 검출광에 대해서 최적 초점 위치를 실현하는 색수차로 되어 있는 점, 여기광 및 검출광 각각의 초점 위치를 어긋나게 하기 위해서 이용하는, 검출광을 발산 또는 집광하는 렌즈를 배치하고 있지 않는 점, 및 프리앰프(121)를 구비하고 있지 않은 점에서 다른 것 외에는 동일 구성이다. 도 10에 있어서, 도 9의 것과 동일 구성 요소에는 동일한 참조 번호를 붙이고 있다. 또한, 신호 강도가 약한 경우는, 프리앰프(121)를 설치해도 좋다.
도 10의 분석 장치는, 입사광측의 원주형상의 렌즈(20)가 여기광과 검출광에 대해서 최적 초점 위치를 실현하는 색수차를 갖고 있기 때문에, 여기광 및 검출광 각각의 초점 위치를 어긋나게 하기 위해서 이용하는, 검출광을 발산 또는 집광하는 렌즈가 불필요하게 된다.
본 실시 형태에 관한 마이크로 화학 시스템에 의하면, 유로 부착 판형상 부재(10)에 집광하기 위한 현미경용의 큰 대물 렌즈 및 콘덴서 렌즈에 더하여, 검출광의 초점 위치를 어긋나게 하기 위해서 이용하는, 검출광을 발산 또는 집광하는 렌즈가 불필요하게 되기 때문에, 마이크로 화학 시스템을 한층 소형화할 수 있다.
도 11은, 본 발명의 제3 실시 형태에 관한 마이크로 화학 시스템의 개략 구성을 도시하는 블록도이다.
도 11에 있어서, 도 10에 도시하였지만 구성 요소와 동일의 구성 요소에는 동일한 참조 번호를 붙이고 있다.
본 실시 형태에 관한 마이크로 화학 시스템은, 주된 구성 요소를 마이크로 화학 시스템용 칩 부재의 유로 부착 판형상 부재(30)에 장착한 점이 상기의 실시 형태와는 명확하게 다른 점이다. 또, 여기광 광원(111) 자체를 변조하는 구성으로 하였기 때문에, 쵸퍼(112)를 구비하고 있지 않은 점에서 상기의 실시 형태와는 다르다. 따라서, 여기광 광원(111), 검출광 광원(120), 다이클로익 미러(113), 반사경(114), 원주형상의 렌즈(22, 22), 파장 커트 필터(116) 및 검출기(117)가 유로 부착 판형상 부재(30)의 내부에 장착되어 있고, 또, 여기광 광원(111)으로부터의 여기광 및 검출광 광원(120)으로부터의 검출광 쌍방의 광로가 유로 부착 판형상 부재(30) 내에 확보되어 있다. 또한, 상기의 구성 요소는 유로 부착 판형상 부재(30)의 표면에 실장해도 좋다.
본 실시 형태에 관한 마이크로 화학 시스템에 의하면, 각 구성 요소가 유로 부착 판형상 부재(30)에 장착되어 있기 때문에, 마이크로 화학 시스템을 지극히 소형화할 수 있는 동시에 휴대성도 지극히 양호하다.
용액 시료의 측정을 행할 때마다 여기광의 초점과 용액 시료의 위치 맞춤을 행할 필요성이 없고 유저의 작업 효율을 향상할 수 있는 동시에, 마이크로 화학 시스템을 소형화할 수 있다.
또한, 렌즈는 굴절률 분포형 렌즈이기 때문에, 렌즈의 크기가 지극히 작아지고, 마이크로 화학 시스템을 한층 소형화할 수 있다.
또한, 굴절률 분포형 렌즈가 플레이너 렌즈로 이루어지기 때문에, 마이크로 화학 시스템을 보다 소형화할 수 있다.
또, 상기 굴절률 분포형 렌즈는 상기 유로 부착 판형상 부재의 한쪽 면에 배치되어 있는 한편, 제2 굴절률 분포형 렌즈가 유로에 관해서 상기 최초의 굴절률 분포형 렌즈에 대향하는 위치에서 유로 부착 판형상 부재의 다른 쪽 면에 고정되어 있기 때문에, 용액 시료의 위치에 형성되는 열 렌즈를 검출하는 검출광을 용이하게 취출할 수 있는 것에 더하여, 마이크로 화학 시스템을 소형화할 수 있다.
또, 제2 굴절률 분포형 렌즈가 플레이너 렌즈로 이루어지기 때문에, 마이크로 화학 시스템을 보다 소형화할 수 있다.
또한, 상기 최초의 굴절률 분포형 렌즈가 유로 부착 부재 중에 장착되어 있기 때문에, 마이크로 화학 시스템을 확실하게 소형화할 수 있다.
또, 제2 굴절률 분포형 렌즈가 유로 부착 판형상 부재 중에 장착되어 있기 때문에, 마이크로 화학 시스템을 한층 소형화할 수 있다.
마이크로 화학 시스템이 마이크로 화학 시스템용 칩 부재를 갖기 때문에, 종래 장치에서는 필요한 현미경용의 대물 렌즈를 불필요하게 하여 마이크로 화학 시스템을 소형화할 수 있고, 또한, 굴절률 분포형 렌즈와 유로 부착 판형상 부재의 일체화에 의해, 대물 렌즈와 유로 부착 판형상 부재를 측정할 때마다의 조정을 불필요하게 하여 조작을 간단화할 수 있으며, 따라서, 유저의 작업 효율을 향상할 수 있다.
마이크로 화학 시스템용 칩 부재에 상기 여기광 광원과, 상기 검출광 광원과, 상기 입사 광학계와, 상기 출사 광학계가 장착되어 있기 때문에 마이크로 화학 시스템을 지극히 소형화할 수 있는 동시에 휴대성이 우수하다.

Claims (21)

  1. 액체 중의 시료를 처리하는 마이크로 화학 시스템에 이용하는 마이크로 화학 시스템용 칩 부재에 있어서, 시료를 포함하는 액체를 흐르게 하는 유로를 갖는 유로 부착 판형상 부재와, 상기 유로에 면하는 위치에서 상기 유로 부착 판형상 부재에 고정된 렌즈를 구비하는 것을 특징으로 하는 마이크로 화학 시스템용 칩 부재.
  2. 제1항에 있어서, 상기 렌즈의 초점 위치가 상기 유로 내에 있는 것을 특징으로 하는 마이크로 화학 시스템용 칩 부재.
  3. 제1항에 있어서, 상기 렌즈는, 스페이서를 통해서 상기 유로 부착 판형상 부재에 고정되어 있는 것을 특징으로 하는 마이크로 화학 시스템용 칩 부재.
  4. 제1항에 있어서, 상기 렌즈는, 굴절률 분포형 렌즈인 것을 특징으로 하는 마이크로 화학 시스템용 칩 부재.
  5. 제4항에 있어서, 상기 굴절률 분포형 렌즈는 상기 유로 부착 판형상 부재의 한쪽 면에 배치되어 있는 것을 특징으로 하는 마이크로 화학 시스템용 칩 부재.
  6. 제5항에 있어서, 상기 굴절률 분포형 렌즈는 원주형상의 렌즈(solid cylindrical lens)로 이루어지는 것을 특징으로 하는 마이크로 화학 시스템용 칩 부재.
  7. 제5항에 있어서, 상기 굴절률 분포형 렌즈는 플레이너(planer) 렌즈로 이루어지는 것을 특징으로 하는 마이크로 화학 시스템용 칩 부재.
  8. 제5항에 있어서, 상기 유로에 관해서 상기 굴절률 분포형 렌즈에 대향하는 위치에서 상기 유로 부착 판형상 부재의 다른 쪽 면에 제2 굴절률 분포형 렌즈가 고정되어 있는 것을 특징으로 하는 마이크로 화학 시스템용 칩 부재.
  9. 제8항에 있어서, 상기 제2 굴절률 분포형 렌즈는 원주형상의 렌즈로 이루어지는 것을 특징으로 하는 마이크로 화학 시스템용 칩 부재.
  10. 제8항에 있어서, 상기 제2 굴절률 분포형 렌즈는 플레이너 렌즈로 이루어지는 것을 특징으로 하는 마이크로 화학 시스템용 칩 부재.
  11. 제4항에 있어서, 상기 굴절률 분포형 렌즈는, 상기 유로 부착 판형상 부재 중에 장착되어 있는 것을 특징으로 하는 마이크로 화학 시스템용 칩 부재.
  12. 제11항에 있어서, 상기 굴절률 분포형 렌즈는 원주형상의 렌즈로 이루어지는 것을 특징으로 하는 마이크로 화학 시스템용 칩 부재.
  13. 제11항에 있어서, 상기 유로에 관해서 상기 굴절률 분포형 렌즈에 대향하는 위치에서 상기 유로 부착 판형상 부재 중에 제2 굴절률 분포형 렌즈가 장착되어 있는 것을 특징으로 하는 마이크로 화학 시스템용 칩 부재.
  14. 제13항에 있어서, 상기 제2 굴절률 분포형 렌즈는 원주형상의 렌즈로 이루어지는 것을 특징으로 하는 마이크로 화학 시스템용 칩 부재.
  15. 제1항 내지 제14항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 유로 부착 판형상 부재는 유리제인 것을 특징으로 하는 마이크로 화학 시스템용 칩 부재.
  16. 제15항에 있어서, 상기 마이크로 화학 시스템은 분석 장치인 것을 특징으로 하는 마이크로 화학 시스템용 칩 부재.
  17. 마이크로 화학 시스템에 있어서, 제1항 내지 제14항 중 어느 한 항에 기재된 마이크로 화학 시스템용 칩 부재와, 소정 파장의 여기광을 출력하는 여기광 광원과, 파장이 상기 여기광과 다른 검출광을 출력하는 검출광 광원과, 상기 여기광과 상기 검출광을 동축적으로 상기 유로 내의 시료에 입사시키는 입사 광학계와, 상기 시료로부터의 출력광을 인도하는 출사 광학계와, 상기 출사 광학계를 통해서 상기 출력광을 검출하는 검출기를 구비하는 것을 특징으로 하는 마이크로 화학 시스템.
  18. 제17항에 있어서, 상기 마이크로 화학 시스템용 칩 부재의 상기 유로 부착 판형상 부재는 유리제인 것을 특징으로 하는 마이크로 화학 시스템.
  19. 제17항에 있어서, 상기 굴절률 분포형 렌즈는, 상기 여기광의 초점 위치에 대한 상기 검출광의 초점 위치의 어긋남이 소정의 최적치가 되도록, 색수차 특성이 조정되어 있는 것을 특징으로 하는 마이크로 화학 시스템.
  20. 제17항에 있어서, 상기 마이크로 화학 시스템은 분석 장치인 것을 특징으로 하는 마이크로 화학 시스템.
  21. 제17항에 있어서, 상기 마이크로 화학 시스템용 칩 부재에 상기 여기광 광원과, 상기 검출광 광원과, 상기 입사 광학계와, 상기 출사 광학계가 장착된 것을 특징으로 하는 마이크로 화학 시스템.
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