(57)【要約】      （修正有）【課題】マイクロチップ内の数１０〜数１００ｎｍのナノ空間に存在する微量検体を検出する光熱変換分光装置及び微量検体検出方法を提供すること。【解決手段】光熱変換分光装置は、励起光源１１、チョッパ１１ｃ、プローブ光源１２、第１集光レンズ１５と、透過光遮断部１７、受光素子１８、同期検波回路１９とを備える。前記励起光源１１はマイクロチップ２を加熱し、前記チョッパ１１ｃのチョッピング周波数でＯＮ／ＯＦＦされ、前記プローブ光源１２は励起光ＥＬよりも小出力であるプローブ光ＰＬをナノ流路に対して連続照射可能に構成され、前記励起光ＥＬ及びプローブ光ＰＬの焦点後の透過光の拡がり角が、前記マイクロチップで発生する前記プローブ光の回折光の回折角より小さく構成され、前記受光素子１８は前記同期検波回路１９により前記チョッピング周波数成分を検出可能に構成される。【選択図】図１
2020204594.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
マイクロチップ内に存在する微量検体を検出する光熱変換分光装置であって、
励起光源と、チョッパと、プローブ光源と、第１集光レンズと、透過光遮断部と、受光素子と、同期検波回路とを備え、
前記励起光源は、前記マイクロチップを加熱可能な励起光を、前記チョッパのチョッピング周波数でＯＮ／ＯＦＦを繰り返し照射可能に構成され、
前記プローブ光源は、前記励起光よりも小出力であるプローブ光を、前記マイクロチップ上に形成され液体が流通するナノ流路に対して連続照射可能に構成され、
前記第１集光レンズは、前記励起光と前記プローブ光を集光可能に構成され、
さらに前記第１集光レンズの開口数及び前記プローブ光の波長及び前記ナノ流路の幅は、前記励起光及びプローブ光の焦点後の透過光の拡がり角が、前記マイクロチップで発生する前記プローブ光の回折光の回折角より小さく構成され、
前記透過光遮断部は、前記透過光を遮断し、前記回折光を通過可能に構成され、
前記受光素子は、前記透過光遮断部を通過した前記回折光を受光するとともに光電流を発生可能に構成され、
前記同期検波回路は、
前記光電流の前記チョッピング周波数と同一周波数成分を検出可能に構成される、
光熱変換分光装置。
【請求項２】
請求項１に記載の光熱変換分光装置において、
前記透過光の前記ナノ流路なし時の中心強度をＩ０、回折光の、前記ナノ流路なし時の強度をＩ１、前記ナノ流路あり時の強度をＩ２、さらに（Ｉ２−Ｉ１）／Ｉ０を規格化回折強度Ａと定義した時に、Ａ＞０．０１を満たす、
光熱変換分光装置。
【請求項３】
請求項１又は請求項２に記載の光熱変換分光装置において、
前記微量検体は微小粒子であり、
前記光電流の時間履歴におけるピーク頻度から、微小粒子の流量個数とを計測する、
光熱変換分光装置。
【請求項４】
請求項３に記載の光熱変換分光装置において、
前記光電流の時間履歴における信号ピーク値の分布から、微小粒子群の寸法分布を推定する、
光熱変換分光装置。
【請求項５】
請求項１〜請求項４何れかに記載の光熱変換分光装置において、
干渉光源をさらに具備し、
前記干渉光源は、前記プローブ光とビート周波数だけ周波数差分を有する干渉光を前記回折光と同一箇所に照射可能な構成であり、
前記受光素子は、回折光と干渉光を合成した光を受光可能に構成され、
前記同期検波回路は、
前記光電流のビート周波数と同一周波数成分を検出可能に構成される、
光熱変換分光装置。
【請求項６】
請求項１〜請求項５何れかに記載の光熱変換分光装置において、
検出対象である前記微量検体を内に含有する前記マイクロチップが、
前記ベース部材の屈折率の温度微分値が正であり、前記液体の屈折率の温度微分値が負である、
光熱変換分光装置。
【請求項７】
請求項１〜請求項６何れかに記載の光熱変換分光装置において、
検出対象である前記微量検体を内に含有する前記マイクロチップが、
前記ベース部材の材料が石英ガラス又は硼珪酸ガラス、前記液体が水又はエタノールである、
光熱変換分光装置。
【請求項８】
マイクロチップ内に存在する微量検体を検出する微量検体検出方法であって、
励起光源と、チョッパと、プローブ光源と、第１集光レンズと、透過光遮断部と、受光素子と、同期検波回路を用い、
前記励起光源は、前記マイクロチップを加熱可能な励起光を、前記チョッパのチョッピング周波数でＯＮ／ＯＦＦを繰り返し照射し、
前記プローブ光源は、前記励起光よりも小出力であるプローブ光を、前記マイクロチップ上に形成され液体が流通するナノ流路に対して連続照射し、
前記第１集光レンズは、前記励起光と前記プローブ光を集光し、
さらに前記第１集光レンズの開口数及び前記プローブ光の波長及び前記ナノ流路の幅は、前記励起光及びプローブ光の焦点後の透過光の拡がり角が、前記マイクロチップで発生する前記プローブ光の回折光の回折角より小さく構成し、
前記透過光遮断部は、前記透過光を遮断し、前記回折光を通過可能に構成し、
前記受光素子は、前記透過光遮断部を通過した回折光を受光するとともに光電流を発生し、
前記同期検波回路は、
前記光電流の前記チョッピング周波数と同一周波数成分を検出する、
微量検体検出方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光熱変換分光装置及び微量検体検出方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
医療界における単一細胞単一分子分析など、超微小空間を利用した微量検体の分析方法の開発が進んでいる。従来の微量分析法としては、レーザ誘起蛍光法（Ｌａｓｅｒ  Ｉｎｄｕｃｅｄ  Ｆｌｕｏｒｅｓｃｅｎｃｅ：ＬＩＦ法）が知られているが、対象とする検体が蛍光特性を有している場合に限定されていた。
【０００３】
非蛍光物質の分析方法として、熱レンズ効果を用いた光熱変換分光方法として特許文献１が提案されている。特許文献１では、励起光の集光照射によって生成された熱レンズを透過した透過光（検出光）の強度の変化を計測することで微量検体の分析を行っている。この分析を行う装置は熱レンズ顕微鏡（Ｔｈｅｒｍａｌ  ｌｅｎｓ  ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ：ＴＬＭ）と呼ばれている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００３−３４４３２３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
特許文献１など、熱レンズを用いた分析方法では、分析対象である微量検体を含有する液体溶媒が、励起光で加熱されることにより発生する屈折率分布にしたがって、凹レンズとして機能する原理を利用している。そのため、分析対象の液体溶媒の幅が、集光した励起光の幅よりも広くある必要がある。一般にレーザ光を集光しても最小スポット径は数ｕｍ以上となるため、それより小さいサイズの空間、具体的には数１０〜数１００ｎｍの空間（ナノ空間）における微量検体の検出を実行することは不可能である。
【０００６】
例えば、分子濃度１ｎＭ（＝ｎｍｏｌ／Ｌ）の溶液では、１辺１ｕｍの立方体の体積１０＾−１８ｍ３＝１ｆＬには１０＾−２４ｍｏｌすなわち、０．６分子が存在することとなる。したがって、単一もしくは数個レベルの分子検出にはナノ空間を測定対象とする必要がある。
【０００７】
本発明は、かかる事情を鑑みてなされたものであり、数１０〜数１００ｎｍのナノ空間に存在し、かつ蛍光特性を有さない微量検体を検出する、光熱変換分光装置及び微量検体検出方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明によれば、マイクロチップ内に存在する微量検体を検出する光熱変換分光装置であって、励起光源と、チョッパと、プローブ光源と、第１集光レンズと、透過光遮断部と、受光素子と、同期検波回路とを備え、前記励起光源は、前記マイクロチップを加熱可能な励起光を、前記チョッパのチョッピング周波数でＯＮ／ＯＦＦを繰り返し照射可能に構成され、前記プローブ光源は、前記励起光よりも小出力であるプローブ光を、前記マイクロチップ上に形成され液体が流通するナノ流路に対して連続照射可能に構成され、前記第１集光レンズは、前記励起光と前記プローブ光を集光可能に構成され、さらに前記第１集光レンズの開口数及び前記プローブ光の波長及び前記ナノ流路の幅は、前記励起光及びプローブ光の焦点後の透過光の拡がり角が、前記マイクロチップで発生する前記プローブ光の回折光の回折角より小さく構成され、前記透過光遮断部は、前記透過光を遮断し、前記回折光を通過可能に構成され、前記受光素子は、前記透過光遮断部を通過した前記回折光を受光するとともに光電流を発生可能に構成され、前記同期検波回路は、前記光電流の前記チョッピング周波数と同一周波数成分を検出可能に構成される、光熱変換分光装置が提供される。
【０００９】
本発明に係る光熱変換分光装置では、マイクロチップ内の数１０〜数１００ｎｍの幅であるナノ流路によって発生する回折光を検出することにより、そのナノ流路内に存在する微量検体を検出することが可能となるという有利な効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本実施形態に係る光熱変換分光装置１の機能ブロック図。
【図２】検出対象である微量検体を有するマイクロチップ近傍の拡大図。
【図３】［図２］における領域Ｐ部で回折光が発生する原理を説明する図。
【図４】［図４Ａ］ナノ流路２２とベース部材２１の屈折率変化を示す図。［図４Ｂ］ナノ流路２２とベース部材２１の温度変化を示す図。
【図５】スリット位置と信号値の関係の計測結果。
【図６】濃度−信号値特性の開口数ＮＡ値依存の計測結果。
【図７】スリット位置と信号値及び規格化回折強度Ａの関係の計測結果。
【図８】［図８Ａ］微小粒子濃度が６０ｐＭにおける計数評価結果。［図８Ｂ］微小粒子濃度が０ｐＭにおける計数評価結果。
【図９】パルス高さ分布確率の粒子サイズ依存の評価結果。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下、図面を用いて本発明の実施形態について説明する。以下に示す実施形態中で示した各種特徴事項は、互いに組み合わせ可能である。
【００１２】
１．全体構成
第１章では、本実施形態に係る光熱変換分光装置１の全体構成について説明する。図１は、本実施形態に係る光熱変換分光装置１全体の機能ブロック図である。図１に示すとおり、本光熱変換分光装置１は、励起光ＥＬを出力する励起光源１１と、プローブ光ＰＬを出力するプローブ光源１２の２つの光源を有している。励起光ＥＬはチョッパ１１ｃ、ビームエクスパンダ１３ａ、ミラー１４ａ、１４ｂ、１４ｃを介して第１集光レンズ１５に入射される。一方、プローブ光ＰＬは、チョッパを介すること無く、ビームエクスパンダ１３ｂ、ミラー１４ｂ、１４ｃを介して第１集光レンズ１５に入射される。そして第１集光レンズ１５で集光された励起光ＥＬ及びプローブ光ＰＬの焦点位置に微量検体を有するマイクロチップ２を配置している。マイクロチップ２で発生した回折光ＤＬは第２集光レンズ１６と透過光遮断部１７を透過したのち受光素子１８に入射される。受光素子１８は入力した光を検知し、光電流Ｉ＿Ｌを同期検波回路１９に入力する。同期検波回路１９で特定周波数成分を抽出した信号値はデータ処理部３に入力される。以下、各要素について詳細に説明する。
【００１３】
＜励起光源１１＞
励起光源１１は、検出しようとする検体が吸収し無輻射緩和による熱が発生する励起光ＥＬを出力するものであれば発光素子としての発光原理など種類は限定されない。発熱に充分なエネルギーを確保し、集光処理を行うことからコヒーレンシーの高いレーザが好ましい。種類としては固体（半導体含む）レーザ、ガスレーザ、液体レーザなどが使用可能である。また、検体が吸収可能な範囲であれば波長も限定されず、赤外光、可視光、紫外光を使用することが出来る。出力が得やすい固体レーザとしては、具体的には例えば、Ｎｄ：ＹＡＧレーザ（基本波長：１０６４ｎｍ、第２高調波：５３２ｎｍ）やＮｄ：ＹＶＯ４レーザ（基本波長：１０６４ｎｍ、第２高調波：５３２ｎｍ）を使うことが出来る。
【００１４】
＜チョッパ１１ｃ＞
チョッパ１１ｃは、励起光ＥＬの遮断と通過を繰り返すデバイスである。結果として、マイクロチップ２に照射される励起光ＥＬのＯＮ／ＯＦＦが繰り返されることとなる。このＯＮ／ＯＦＦの周期をチョッピング周波数とし、後述の同期検波回路１９で使用する。励起光ＥＬを遮断・通過させる方式は限定されるものでは無いが、容易にｋＨｚオーダーの高速ＯＮ／ＯＦＦを実現できる方式が好ましい。具体的には例えば、多数のスリットが開いた円盤を回転させる方式の光チョッパである。
【００１５】
＜プローブ光源１２＞
プローブ光源１２は、マイクロチップ透過時に、エネルギーの一部が回折光ＤＬとなるプローブ光ＰＬを出力するものであり、微量検体を含むマイクロチップに連続照射される。励起光源１１と同様に発光素子としての発光原理など種類は限定されない。集光の管理の容易性からはコヒーレンシーが高いレーザが好ましい。プローブ光ＰＬは発熱の元とはならないので励起光ＥＬに比して低出力でも構わない。具体的には例えば、固体レーザなどと比べて小型で扱いやすいＨｅ−Ｎｅガスレーザ（基本波長：６３３ｎｍ）などが好ましい。
【００１６】
＜第１集光レンズ１５までの光学系＞
図１においては、励起光源１１から出力されチョッパ１１ｃを通過した励起光ＥＬは、ビームエクスパンダ１３ａ、ミラー１４ａ、１４ｂ、１４ｃを介して第１集光レンズ１５に入射している。また、プローブ光源１２から出力されたプローブ光ＰＬは、ビームエクスパンダ１３ｂ、ミラー１４ｂ、１４ｃを介して第１集光レンズ１５に入射している。ここでは、ミラー１４ｂは励起光ＥＬを反射、プローブ光ＰＬを通過させているため、ダイクロイックミラー（Ｄｉｃｈｒｏｉｃ  ｍｉｒｒｏｒ）を用いている。励起光ＥＬとプローブ光ＰＬがマイクロチップ２の微量検体存在箇所に焦点を設定できる範囲において、第１集光レンズ１５に至るまでの光学系は、素子の個数や特性の観点で任意の構成とすることが可能である。
【００１７】
＜第１集光レンズ１５＞
第１集光レンズ１５は、入射した励起光ＥＬ及びプローブ光ＰＬを集光して、マイクロチップ２上で焦点を結ぶ凸レンズである。ここで凸レンズとしての特性として開口数（ＮＡ）があるが、本実施形態において求められる開口数の特徴については改めて後述する。
【００１８】
＜第２集光レンズ１６＞
図１では、マイクロチップ２と透過光遮断部１７の間に第２集光レンズ１６を配置した例を示している。ここでの第２集光レンズ１６は回折光ＤＬの拡がりを適度に抑えるためのものである。この第２集光レンズ１６以外にもマイクロチップ２と透過光遮断部１７の間にミラーを設けて回折光の光路を変更したり、フィルタを設けて回折光ＤＬ以外の波長成分を遮断する光学系を構成しても良い。
【００１９】
＜透過光遮断部１７＞
透過光遮断部１７は、マイクロチップ２を通過した透過光ＥＬ＿Ｔ、ＰＬ＿Ｔを遮断し、回折光ＤＬを通過させる機能を有する。透過光ＥＬ＿Ｔ、ＰＬ＿Ｔを遮断可能であれば、スリットＳＬ（図２参照）を有するスリット板もしくは内側を遮断するマスクを使用することが可能である。本実施形態においては、スリットＳＬの位置もしくはマスクの境界位置は光熱変換分光装置１全体の性能に影響を与えるものである。ここではスリット板を使用することとし、スリットＳＬの位置の詳細については後述する。
【００２０】
＜受光素子１８＞
受光素子１８は、透過光遮断部１７を通過した後の回折光ＤＬを検知する素子で、これを契機として光電流Ｉ＿Ｌを発生する。例えば、光電管、光電子増倍管、半導体の内部光電効果を利用したフォトトランジスタ、フォトダイオード、アバランシェフォトダイオード、光導電セル、イメージセンサ等が挙げられる。好ましくは、小型かつ高速応答が可能であるフォトダイオードが採用されうる。
【００２１】
＜同期検波回路１９＞
同期検波回路１９は、振幅変調やデジタル変調など、搬送波を持つ変調された信号を復調する回路であるが、本実施形態においては、受光素子１８が回折光ＤＬ及び雑音となる透過光を含む外部環境光を受光して発生した光電流Ｉ＿Ｌのうち、所望の回折光ＤＬに係る特定成分すなわちチョッパ１１ｃの変調周波数であるチョッピング周波数と同期した同一周波数成分を検出する。同期検波回路１９としては、ロックインアンプを用いることが可能である。そのロックインアンプの出力電圧は、回折光ＤＬの強度を計測した信号値として用いることが出来る。
【００２２】
＜データ処理部３＞
データ処理部３は、同期検波回路１９で計測した回折光ＤＬの強度である信号値を必要に応じて２次加工するものである。同期検波回路１９の出力電圧をＡ／Ｄ変換してデジタル化した信号とすれば、パーソナルコンピュータなどの情報処理装置をデータ処理部３として用いることが出来る。
【００２３】
２．動作原理
第２章では、本実施形態に係る光熱変換分光装置１の動作原理について説明する。
【００２４】
２．１  ナノ流路２２による回折
図２に検出対象である微量検体を有するマイクロチップ２近傍の拡大図を示す。ここでは簡単のため、マイクロチップ２と透過光遮断部１７の間には第２集光レンズ１６など光学素子は無いものとしている。マイクロチップ２は、ベース部材２１の中にナノ流路２２を備えており、ナノ流路２２内には微量検体を含む液体が流れている。励起光源１１から照射された励起光ＥＬ及びプローブ光源１２から照射されたプローブ光ＰＬは第１集光レンズ１５によって集光される。その集光された励起光ＥＬの焦点位置での最小スポット径ｄｓ（直径）は［数１］で与えられる。
【数１】
2020204594.tif 000003
ここで、λ＿ｅｘは励起光ＥＬの波長、ＮＡが第１集光レンズ１５の開口数である。例えば、λ＿ｅｘを５３２ｎｍ（＝０．５３２ｕｍ）、ＮＡを０．５とすると、［数１］よりｄｓは１．３０ｕｍとなる。一方、ナノ流路２２の流路幅ｗｃは数１０〜数１００ｎｍであり、焦点の最小スポット径ｄｓよりもナノ流路２２の流路幅ｗｃが小さい点に留意されたい。
【００２５】
図２における領域Ｐ部を拡大した様子を図３に示す。本実施形態ではマイクロチップ２のベース部材２１の屈折率ｎ＿ｇが、ナノ流路２２内の液体の屈折率ｎ＿ｗより大きい材料の組み合わせとしている。液体及びベース部材２１の材料は限定されないが、ナノ流路２２内の液体としては検出対象である微量検体が分散しやすいもの、ベース部材２１としては加工しやすいものが好ましい。具体的には例えば、ナノ流路２２内の液体としては水もしくはエタノールなどが、ベース部材２１を石英ガラス（ＳｉＯ２）もしくは硼珪酸ガラスなどが利用できる。
【００２６】
図３では上方からプローブ光ＰＬがマイクロチップ２に入射している。屈折率ｎ＿ｗが比較的小さいナノ流路２２内に比べて、屈折率ｎ＿ｇが比較的大きいベース部材２１では媒質内での波長が短くなっている点に留意されたい。そのため、ナノ流路２２出口では、図３中右側に回折角θ＿Ｄだけ拡がった回折光ＤＬが発生する。この回折現象は、ナノ流路２２が単一スロットであるフラウンホーファー回折と見なすことが可能であり、プローブ光ＰＬの波長及びナノ流路２２の流路幅ｗｃにより回折角θ＿Ｄが変化する。
【００２７】
また、励起光ＯＮ／ＯＦＦ時のナノ流路２２とベース部材２１の屈折率の変化を図４Ａに、温度の変化を図４Ｂに示す。ここではナノ流路２２内の液体は水、ベース部材２１は石英ガラスとしている。図４Ｂに示す通り、励起光ＥＬをＯＮとすると温度が上昇するが、励起光ＥＬのエネルギー密度が高い中心部に位置するナノ流路２２の方がベース部材２１よりも上昇の程度が大きい。また、図４で示した材料であるナノ流路２２中の液体材料である水は屈折率ｎ＿ｗの温度微分値ｄｎ＿ｗ／ｄＴが負であり、逆にベース部材２１の材料である石英ガラスでは屈折率ｎ＿ｇの温度微分値ｄｎ＿ｇ／ＤＴが正となっている。この様な屈折率の温度特性を持つ組み合わせの材料を使用すると、励起光がＯＮの時にナノ流路２２とベース部材２１の屈折率の差がより大きくなり、強い回折光ＤＬが得られるという利点がある。
【００２８】
改めて図２で確認すると、励起光ＥＬとプローブ光ＰＬは第１集光レンズ１５の焦点が位置するマイクロチップ２通過後に透過光ＥＬ＿Ｔ、ＰＬ＿Ｔとして拡がり角θ＿Ｔで拡がっていく。図２では励起光ＥＬとプローブ光ＰＬの拡がり角に差が無い場合を示しているが、励起光ＥＬとプローブ光ＰＬの波長や第１集光レンズ以前の光学系の違いにより、焦点後の拡がる程度が異なる場合には大きい方を透過光全体の拡がり角θ＿Ｔと定義する。その透過光の拡がり角θ＿Ｔと比較して回折角θ＿Ｄが大きければ、図２に示すごとく、透過光遮断部１７上において透過光が到達する直径ｄｔの領域の外に回折光のみが到達する領域が生成される。そこに透過光遮断部１７のスリットＳＬが来るように位置を調整すれば、回折光ＤＬを選択的に受光素子１８に供給することが出来る。
【００２９】
実際にスリット位置を変化させたときの、ロックインアンプ出力の信号値すなわち回折光ＤＬの強度を計測した結果を図５に示す。図５上側は板に透過光ＥＬ＿ＴとＰＬ＿Ｔ及び回折光ＤＬが照射している様子で、スリット位置０〜９ｍｍの範囲が主として透過光ＥＬ＿Ｔ、ＰＬ＿Ｔが照射されており、その外側では主として回折光ＤＬが照射されている。信号値の計測結果から明らかな様に、回折光領域にスリットＳＬを配置することで回折光ＤＬの強度を正確に計測できている。
【００３０】
２．２  第１集光レンズ１５の開口数
第１集光レンズ１５の開口数ＮＡは大きいほどより多くのエネルギーを焦点に集めることが可能であり、
ナノ流路２２を効率よく加熱するには開口数ＮＡが大きい方が望ましい。一方で、前節で説明した通り、開口数ＮＡが大きくなると、焦点後の透過光ＥＬ＿Ｔ、ＰＬ＿Ｔの拡がり（図２ｄｔ参照）も大きくなってしまい、回折光ＤＬのみを高強度で検出することが困難となる。したがって、ベース部材２１やナノ流路２２の液体材料及び流路幅ｗｃ、さらには励起光ＥＬとプローブ光ＰＬの波長によって最適な第１集光レンズ１５の開口数ＮＡが決定される。
【００３１】
例として、開口数ＮＡが微量検体濃度−信号値（計測された回折光ＤＬ強度）特性に与える影響を計測した結果を図６に示す。ここでは、励起光ＥＬの波長は５３２ｎｍ、プローブ光ＰＬの波長は６３３ｎｍ、ベース部材２１材料は石英ガラス、ナノ流路２２の溶媒は水、ナノ流路２２の流路幅ｗｃは４００ｎｍ、ナノ流路２２内の微量検体は色素分子サンセットイエローＦＣＦ（Ｃ１６Ｈ１０Ｎ２Ｎａ２Ｏ７Ｓ２）としている。このパラメータの組み合わせにおいては、開口数ＮＡが０．４５の場合において最も高い感度が得られている。
【００３２】
ここで、光熱変換分光装置１全体として、第１集光レンズ１５の開口数ＮＡやスリット位置が適切に設定されているかどうかの判断指標として規格化回折強度Ａを［数２］で定義する。
【数２】
2020204594.tif 000004
ここに、ナノ流路なし時の中心強度をＩ０、回折光ＤＬにおけるナノ流路２２なし時の強度をＩ１、ナノ流路２２あり時の強度をＩ２である。
【００３３】
第１集光レンズ１５の開口数ＮＡが０．４５で、その他は図６と同一条件でスリット位置を変化させた場合の信号値と規格化回折強度Ａの計測結果を図７に示す。図７から明らかな様に信号値と規格化回折強度は強い相関を示している。したがって、規格化回折強度Ａ＞０．０１を満たした状態で光熱変換分光装置１を使用すれば、微量検体を正確に検出することが可能である。
【００３４】
３．変形例
本実施形態の光熱変換分光装置１は、微量検体の濃度計測以外の使い方が可能である。さらに、より高感度な計測も実現できる。第３章ではこれらについて説明する。
【００３５】
３．１  微小粒子計数
本実施形態に係る光熱変換分光装置１では、ナノ流路２２の流路幅ｗｃは数１０〜数１００ｎｍである。したがって、このナノ流路２２を１個ずつ通過するナノサイズ粒子を計数することが可能である。従来の熱レンズ顕微鏡でもナノサイズ粒子を計数できることもあるが、流路サイズが数ｕｍ以上であり、集光された励起光ＥＬやプローブ光ＰＬのスポット径よりも大きく、計数したいナノサイズ粒子が必ずしもスポットを通過するとは限らない。そのため、熱レンズ顕微鏡を用いてナノサイズ粒子の数を計数することは確実性に欠ける。それに対して本実施形態におけるナノ流路２２は確実にプローブ光ＰＬのスポット領域に収まるため、確実なナノ粒子計測が可能となる。
【００３６】
具体的な例として、直径２０ｎｍの金（Ａｕ）粒子を計数した評価結果を図８Ａ、図８Ｂに示す。図８Ａは濃度６０ｐＭ、図８Ｂは濃度０ｐＭ（粒子無し）の場合で、図中黒線が励起光ＯＦＦ、グレーの線が励起光ＯＮの場合を示す。図８から明らかな通り、信号値の時間履歴におけるピーク頻度からナノサイズである微小粒子の流量個数を計数できている。
【００３７】
３．２  微小粒子寸法推定
また、本実施形態にかかる光熱変換分光装置１では、ナノサイズである微小粒子群の寸法分布を推定することも可能である。図９に直径２０ｎｍと４０ｎｍの金粒子をナノ流路２２に通した場合の信号ピーク値と出現確率の分布を示す。図９から明らかな様に、直径４０ｎｍと比較的大きい粒子において、信号ピーク値が高いパルスの出現確率が高くなっている。この傾向は微小粒子の材料に依存するものでは無く、一般に成立する。したがってナノサイズの微小粒子群をナノ流路２２に流したときの光電流の時間履歴における信号ピーク値の分布から、微小粒子群の寸法の分布を推定することが可能である。
【００３８】
３．３  光ヘテロダイン法による高感度化
回折光ＤＬの強度はナノ流路２２の流路幅ｗｃが小さくなると微弱になってしまう。それを補う方法として、プローブ光ＰＬと少し周波数が異なる干渉光（不図示）を回折光ＤＬと同一箇所に照射し合成する方法を取り得る。このとき、受光素子１８は回折光ＤＬと干渉光を合成した光を受光し、プローブ光と干渉光の周波数差分であるビート周波数でロックインアンプなどの同期検波回路１９を動作させると高精度かつ高感度に微量検体の検出が可能となる。周波数が少しだけ異なる干渉光を出力する干渉光源としてはゼーマンレーザ（Ｚｅｅｍａｎ  Ｌａｓｅｒ）や、音響光学周波数シフタ（Ａｃｏｕｓｔｏ−Ｏｐｔｉｃ  Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ  Ｓｈｉｆｔｅｒ）を使用することが出来る。
【００３９】
５．結言
以上のように、本実施形態によれば、、数１０〜数１００ｎｍのナノ空間に存在し、かつ蛍光特性を有さない微量検体を検出する光熱変換分光装置１を実施することが出来る。
【００４０】
すなわち、マイクロチップ２内に存在する微量検体を検出する光熱変換分光装置１は、励起光源１１と、チョッパ１１ｃと、プローブ光源１２と、第１集光レンズ１５と、透過光遮断部１７と、受光素子１８と、同期検波回路１９とを備え、前記励起光源１１は、前記マイクロチップ２を加熱可能な励起光ＥＬを、前記チョッパ１１ｃのチョッピング周波数でＯＮ／ＯＦＦを繰り返し照射可能に構成され、前記プローブ光源１２は、前記励起光よりも小出力であるプローブ光ＰＬを、前記マイクロチップ２上に形成され液体が流通するナノ流路２２に対して連続照射可能に構成され、前記第１集光レンズ１５は、前記励起光ＥＬと前記プローブ光ＰＬを集光可能に構成され、さらに前記第１集光レンズ１５の開口数ＮＡ及び前記プローブ光ＰＬの波長及び前記ナノ流路２２の幅ｗｃは、前記励起光ＥＬ及びプローブ光ＰＬの焦点後の透過光ＥＬ＿Ｔ、ＰＬ＿Ｔの拡がり角θ＿Ｔが、前記マイクロチップ２で発生する前記プローブ光ＰＬの回折光ＤＬの回折角θ＿Ｄより小さく構成され、前記透過光遮断部１７は、前記透過光ＥＬ＿Ｔ、ＰＬ＿Ｔを遮断し、前記回折光ＤＬを通過可能に構成され、前記受光素子１８は、前記透過光遮断部１７を通過した前記回折光ＤＬを受光するとともに光電流Ｉ＿Ｌを発生可能に構成され、前記同期検波回路１９は、前記光電流Ｉ＿Ｌの前記チョッピング周波数と同一周波数成分を検出可能に構成される。
【００４１】
また、かかる光熱変換分光装置１を用いることで、数１０〜数１００ｎｍのナノ空間に存在し、かつ蛍光特性を有さない微量検体を検出する微量検体検出方法を実施することが出来る。
【００４２】
すなわち、「マイクロチップ２内に存在する微量検体を検出する微量検体検出方法であって、励起光源１１と、チョッパ１１ｃと、プローブ光源１２と、第１集光レンズ１５と、透過光遮断部１７と、受光素子１８と、同期検波回路１９を用い、前記励起光源１１は、前記マイクロチップ２を加熱可能な励起光ＥＬを、前記チョッパ１１ｃのチョッピング周波数でＯＮ／ＯＦＦを繰り返し照射し、前記プローブ光源１２は、前記励起光ＥＬよりも小出力であるプローブ光ＰＬを、前記マイクロチップ２上に形成され液体が流通するナノ流路に対して連続照射し、前記第１集光レンズ１５は、前記励起光ＥＬと前記プローブ光ＰＬを集光し、さらに前記第１集光レンズ１５の開口数ＮＡ及び前記プローブ光ＰＬの波長及び前記ナノ流路２２の幅ｗｃは、前記励起光ＥＬ及びプローブ光ＰＬの焦点後の透過光ＥＬ＿Ｔ、ＰＬ＿Ｔの拡がり角θ＿Ｔが、前記マイクロチップ２で発生する前記プローブ光ＰＬの回折光ＤＬの回折角θ＿Ｄより小さく構成し、前記透過光遮断部１７は、前記透過光ＥＬ＿Ｔ、ＰＬ＿Ｔを遮断し、前記回折光ＤＬを通過可能に構成し、前記受光素子１８は、前記透過光遮断部１７を通過した回折光ＤＬを受光するとともに光電流Ｉ＿Ｌを発生し、前記同期検波回路１９は、前記光電流Ｉ＿Ｌの前記チョッピング周波数と同一周波数成分を検出する、微量検体検出方法」が提供される。
【００４３】
最後に、本発明に係る種々の実施形態を説明したが、これらは、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。当該新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことが出来る。当該実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれるものである。
【符号の説明】
【００４４】
１        ：光熱変換分光装置
１１      ：励起光源
１１ｃ    ：チョッパ
１２      ：プローブ光源
１３ａ    ：ビームエクスパンダ
１３ｂ    ：ビームエクスパンダ
１４ａ    ：ミラー
１４ｂ    ：ミラー
１４ｃ    ：ミラー
１５      ：第１集光レンズ
１６      ：第２集光レンズ
１７      ：透過光遮断部
１８      ：受光素子
１９      ：同期検波回路
２        ：マイクロチップ
２１      ：ベース部材
２２      ：ナノ流路
３        ：データ処理部
ＥＬ      ：励起光
ＰＬ      ：プローブ光
ＥＬ＿Ｔ  ：透過光（励起光）
ＰＬ＿Ｔ  ：透過光（プローブ光）
ＤＬ      ：回折光
Ｉ＿Ｌ    ：光電流
ＮＡ      ：開口数
ＳＬ      ：スリット
ｄｓ      ：最小スポット径
ｗｃ      ：流路幅
ｎ＿ｇ    ：屈折率（ベース部材）
ｎ＿ｗ    ：屈折率（液体）
θ＿Ｄ    ：回折角
θ＿Ｔ    ：拡がり角
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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