(57)【要約】【課題】内部に微小寸法の流路が形成されたチップの流路内の流体、特に液体の濃度を効率よく、精度よく、安定して測定する。【解決手段】光を透過する２枚の平面板により、流路を形成するための貫通溝が形成された厚みの均一な間仕切り板を挟み込むことによって内部に流路が形成されたチップ１１１を保持するためのチップ保持部１１０を備えている。チップ１１１の流路に光を照射するための光照射部、及び流路を透過した光を受光するための受光部を支持するための移動機構部材２０１が設けられている。移動機構部材２０１とチップ保持部１１０及びチップ１１１とを相対的に移動させるためのスライダー２０２，２０３を備えている。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも一方が光を透過する２枚の平面板で厚みの均一な間仕切り板を挟み込むことによって内部に流路が形成されたチップと、前記チップの前記流路に光を照射するための光照射部と、前記流路を透過した光を受光するための受光部と、前記光受光部が受光した光強度データに基づいて前記流路内の流体の物性を算出するデータ処理部と、を備えた流体物性測定計。
【請求項２】
前記光照射部及び前記受光部と前記チップとを相対的に移動させるための移動機構をさらに備えている請求項１に記載の流体物性測定計。
【請求項３】
前記移動機構は、前記チップの前記平面板の平面に対して平行な平面内で、前記光照射部及び前記受光部と前記チップとを相対的に移動させる請求項２に記載の流体物性測定計。
【請求項４】
前記移動機構は、前記平面板の平面に対して平行な平面内で互いに交差する２方向に独立に、前記光照射部及び前記受光部と前記チップとを相対的に移動させる請求項３に記載の流体物性測定計。
【請求項５】
前記チップの２枚の前記平面板はともに光を透過するものであり、
前記光照射部と前記受光部は前記チップを挟んで配置されている請求項１から４のいずれか一項に記載の流体物性測定計。
【請求項６】
前記受光部への光束軸が前記チップの前記平面板の平面に対して垂直である請求項５に記載の流体物性測定計。
【請求項７】
前記光照射部の前記チップに光を照射する部分と前記受光部の前記チップから光を受光する部分の一方又は両方は光ファイバーを備えている請求項１から６のいずれか一項に記載の流体物性測定計。
【請求項８】
前記チップの２枚の前記平面板のうち、一方は光を透過するものであり、他方は光を反射するものであり、
前記光照射部と前記受光部は前記チップに対して同じ側の位置に配置されている請求項１から４のいずれか一項に記載の流体物性測定計。
【請求項９】
前記光照射部の前記チップに光を照射する部分と、前記受光部の前記チップから光を受光する部分は１つの光学系で形成されている請求項８に記載の流体物性測定計。
【請求項１０】
前記光学系は光ファイバーを備えている請求項９に記載の流体物性測定計。
【請求項１１】
前記チップの構成材料は、ガラス材、石英、サファイア、ポリメチルメタクリレート、ポリジメチルシロキサンのいずれか又はそれらの組合せである請求項１から１０のいずれか一項に記載の流体物性測定計。
【請求項１２】
前記物性が流体の吸光度である請求項１から１１のいずれか一項に記載の流体物性測定計。
【請求項１３】
前記物性が流体の濃度である請求項１から１１のいずれか一項に記載の流体物性測定計。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、流体物性測定計に関し、特に、マイクロアレイ、微小アナリシスシステム、ＤＮＡチップ、マイクロ流体システム、統合型小型分析システム（μＴＡＳ）などのチップの流路内の流体の物性を測定するための流体物性測定計に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
マイクロ流体システムなどのチップ内の流路は、基板にエッチング技術等で形成された溝を他の基板で覆うことによって形成される（例えば特許文献１を参照。）。マイクロ流体システムにおいて、流体のプロセスが予定通り進行しているかどうかの確認は、マイクロ流体システム設計時又は試作段階で行なうのが一般的である。目的のプロセスに応じて、流体の流量、流速、設置温度、バルブ開閉時間などの条件を決定する。その後、できるかぎり同じ物を大量生産して、当初決められた条件で、システムを運用することとなる。
【特許文献１】特表２００１−５０９２６０号公報
【特許文献２】特開２００７−１５５４９４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
ところが現実には、マイクロ流体システムの流路寸法はエッチング条件で大きく変化する。もともと、マイクロ流体システムの流路はミクロン領域のサイズであるため、エッチング誤差がミクロンオーダーでも誤差比としてはかなり大きくなる。そのため、流体の流速や流量は製作ロットにより大きく変わる。製作者が同じ物を作製したつもりでも、同一条件で運用しても得られる結果は大きく変わるときがある。
【０００４】
また、流体の物理的特性が刻々と変化する場合もある。具体的には液体の粘度変化によって流量が顕著に変わる場合である。液体の粘度は温度に依存するので、マイクロ流体システムが設置されている環境温度変化や流体そのものの温度変化によって液体の粘度、ひいては液体の流量が変化する。また、流体が揮発性液体の場合などは、刻々と溶剤が揮発して濃度が濃くなり、粘度が増加するという場合もある。
【０００５】
そのような理由で、マイクロ流体システムで、プロセス最終点で、プロセスが正常に進行しているかどうかの確認としてセンサーを設けている場合もある。しかし、ミクロン化できる精度の良いセンサーというのは限られていることや、それを設置するにはマイクロ流体システム製作工程が複雑になりコストが高価になること、複雑化により故障頻度が上がるなどの信頼性が低下すること、などの問題があった。
【０００６】
また、互いに隔離された第１の空間と第２の空間をもつフローセルを用い、光源から発生された光をフローセルに入射し、フローセルを透過した光を受光素子に導く光路の一部である第１端部と第２端部の位置を、フローセルの第１の空間と第２の空間の一方に光を透過する位置から他方に光を透過する位置に移動可能な分光光度計が開示されている（特許文献２参照。）。
【０００７】
本発明は、マイクロアレイ、微小アナリシスシステム、ＤＮＡチップ、マイクロ流体システム、統合型小型分析システムなど、内部に微小寸法の流路が形成されたチップの流路内の流体物性測定計、特に液体の濃度を効率よく、精度よく、安定して測定できる液体濃度計を提供することを目的とするものである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明にかかる流体物性測定計は、少なくとも一方が光を透過する２枚の平面板で厚みの均一な間仕切り板を挟み込むことによって内部に流路が形成されたチップと、上記チップの上記流路に光を照射するための光照射部と、上記流路を透過した光を受光するための受光部と、受光部が受光した光強度データに基づいて上記流路内の流体の物性を算出するデータ処理部と、を備えている。
【０００９】
本発明の流体物性測定計では、２枚の平面板と、それに挟まれた間仕切り板とから構成されるチップを用いる。チップ内での流体のプロセスを、そのプロセスが進行している流路箇所に光を入射し、流体を通過させ、それを受光し、その光の強度を計測することにより、その点でのプロセス状況を把握する。そのためには、チップの流路における光の通過する距離、すなわち流路の深さ寸法がどこの流路でも同じであることが好ましい。それは、流体の透過光の減衰と流体の濃度または物性と、光通過距離の関係として、ランベルト・ベールの法則が成り立ち、光通過距離（セル長）が一定ならば、透過強度の対数値と流体濃度（下記の媒質のモル濃度に相当）あるいは、流体物性（下記の媒質のモル吸光係数に相当）に比例関係が成り立ち、光の透過強度計測から、その流体の濃度あるいは吸光係数に関連する物性を求めることができるためである。
【００１０】
ランベルト・ベールの法則
−ｌｏｇ１０（Ｉ１／Ｉ０）＝ａ・ｂ・ｃ
Ｉ０：媒質への光の入射強度
Ｉ１：媒質からの光の透過強度
ａ：媒質のモル吸光係数
ｂ：媒質の光通過距離
ｃ：媒質のモル濃度
【００１１】
しかし、従来のチップでは、特許文献１のように、エッチング技術により、流体が流れる溝や滞留する空間などを作る。そのため、エッチング処理のばらつきが、溝の深さ、空間の高さ方向のばらつきとなり、正確な距離（セル長）を設けることが難しいという問題があった。さらに、フッ酸（ＨＦ）などの薬液を用いたエッチング処理では、表面が粗面になり、光の透過を損なわせるという問題もあった。
【００１２】
そこで、セル長を決定する、厚みの均一な間仕切り板を作製して、それを２枚の平面板でサンドイッチのように挟み込むことでチップを作製する。間仕切り板は、正確な平行平面板を用いて作製する。流路や空間になる箇所は、間仕切り板としての複数の平行平面板の組み合わせでその平面形状が流路形状を形成するように配置したり、間仕切り板に貫通溝や貫通穴を設けたりすることによって作製する。そのため、チップのどの箇所でも高さ（セル長）は同じであることが保証される。このようにチップのどの箇所でもよいし、光で測定する箇所だけでもよいが、複数箇所で流体物性、特に流体濃度の光計測を行ない、チップ内のプロセスを精度よく、安定して監視することができる。
【００１３】
光を照射及び受光する方法として、光計測したい流路位置に照射光を当て、照射光が流路を通過した光を、その近くに設置している受光素子に集光させる方法がまずある。この場合、複数箇所計測するときは、その数だけの照射部と受光部の機能が必要になり、チップが複雑になる短所がある。照射部機能をひとつにまとめて、受光部だけを個別に設置すれば、複雑化を低減できる。
また、光ファイバーを用いて照射部と受光部をチップから離れたところに設置するようにしてもよい。この方法もチップ近辺を簡素化でき、複雑化を低減できる。
【００１４】
光ファイバーを使用する場合、光ファイバーをそれぞれの測定箇所に設置することで複数の測定箇所で測定可能になるが、チップ内の数十点又は数百点の箇所に測定箇所を設ける場合は、光照射側と受光側とで測定箇所の２倍の光ファイバーの設置が必要になり、現実的ではなくなる。
【００１５】
そこで、本発明の流体物性測定計において、上記光照射部及び上記受光部と上記チップとを相対的に移動させるための移動機構を備えているようにしてもよい。これにより、任意の箇所に光照射部及び受光部を移動させて効率よく計測できる。複数点の測定を同時にはできないが、流体プロセス時間と、光照射部及び受光部の移動時間で後者の方が高速である場合は、十分な対応ができる。
【００１６】
上記移動機構を備えた形態の本発明の流体物性測定計において、上記移動機構は、上記チップの上記平面板の平面に対して平行な平面内で、上記光照射部及び上記受光部と上記チップとを相対的に移動させる例を挙げることができる。
さらに、上記移動機構は、上記平面板の平面に対して平行な平面内で互いに交差する２方向に独立に、上記光照射部及び上記受光部と上記チップとを相対的に移動させる例を挙げることができる。
【００１７】
また、本発明の流体物性測定計において、上記チップの２枚の上記平面板はともに光を透過するものであり、上記光照射部と上記受光部は上記チップを挟んで配置されている例を挙げることができる。
さらに、上記受光部への光束軸が上記チップの上記平面板の平面に対して垂直である例を挙げることができる。
また、上記光照射部の上記チップに光を照射する部分と上記受光部の上記チップから光を受光する部分の一方又は両方は光ファイバーを備えている例を挙げることができる。
【００１８】
また、上記チップの２枚の上記平面板のうち、一方は光を透過するものであり、他方は光を反射するものであり、上記光照射部と上記受光部は上記チップに対して同じ側の位置に配置されているようにしてもよい。
この場合、上記光照射部の上記チップに光を照射する部分と、上記受光部の上記チップから光を受光する部分は１つの光学系で形成されている例を挙げることができる。さらにその光学系の一例は光ファイバーを備えている。
【００１９】
また、上記チップの構成材料である上記平面板と上記間仕切り板は、ガラス材、石英、サファイア、ポリメチルメタクリレート（ＰＭＭＡ）、ポリジメチルシロキサン（ＰＤＭＳ）のいずれか又はそれらの組合せからなる例を挙げることができる。
本発明の流体物性測定計において、測定する流体の物性は、流体の吸光度又濃度である例を挙げることができる。
【発明の効果】
【００２０】
本発明の流体物性測定計では、少なくとも一方が光を透過する２枚の平面板で厚みの均一な間仕切り板を挟み込むことによって内部に流路が形成されたチップと、そのチップの流路に光を照射するための光照射部と、流路を透過した光を受光するための受光部と、光受光部が受光した光強度データに基づいて流路内の流体の物性を算出するデータ処理部と、を備えているようにした。
２枚の平面板で厚みの均一な間仕切り板を挟み込むことによって内部に流路が形成されたチップを用いるようにしたので、チップにおける流路の深さ寸法、すなわち光路長を均一にすることができ、チップの流路内の流体の物性、例えば吸光度や濃度の測定を精度よく、かつ安定して行なうことができる。
【００２１】
本発明の流体物性測定計において、光照射部及び受光部とチップとを相対的に移動させるための移動機構を備えているようにすれば、１組の光照射部及び受光部のみによってチップの複数個所で流路内の流体の物性、例えば吸光度や濃度の測定を効率よく行なうことができる。
【００２２】
移動機構を備えた形態の本発明の流体物性測定計において、移動機構は、チップの平面板の平面に対して平行な平面内で、光照射部及び受光部とチップとを相対的に移動させるようにすれば、安定した測定を行なうことができる。
さらに、移動機構は、平面板の平面に対して平行な平面内で互いに交差する２方向に独立に、光照射部及び受光部とチップとを相対的に移動させるようにすれば、チップのどの箇所においても測定を行なうことができるようになる。
【００２３】
また、チップの２枚の平面板はともに光を透過するものであり、光照射部と受光部はチップを挟んで配置されているようにすれば、光照射部の光を無駄なく、受光部に集光できる。
さらに、受光部への光束軸がチップの平面板の平面に対して垂直であるようにすれば、チップ内を通過する光の透過距離を最小にすることができるの。これにより、光照射部と受光部を含めたチップサイズを小さくすることができる。
【００２４】
また、光照射部のチップに光を照射する部分と受光部のチップから光を受光する部分の一方又は両方は光ファイバーを備えているようにすれば、光ファイバーの先端部と必要な集光光学系だけをチップに近接したところに設置すればよいので、小型化した光の照射部と受光部を構築できる。分光された光を照射する分光部と、受光部での光強度を電気信号に変換するセンサー部とは、チップ側とは反対側の光ファイバー端部に設置すればよいので、チップ部周辺の小型化が可能となる。
【００２５】
また、チップの２枚の平面板のうち、一方は光を透過するものであり、他方は光を反射するものであり、光照射部と受光部はチップに対して同じ側の位置に配置されているようにすれば、チップ面の片方側に光照射部と受光部の両方を配置することができ、よりチップサイズを小型化できる。
【００２６】
また、光照射部のチップに光を照射する部分と、受光部のチップから光を受光する部分は１つの光学系で形成されているようにすれば、さらに小型化が可能となる。光の逆進性を利用すれば、照射光学系と受光光学系を１つにできる。光照射のための光源の部分と、受光素子の部分の光路を分けるために、半透明なビームスプリッタなどを用いる必要がある。それらの部分の光学系に光ファイバーを備えている場合は、照射側の光ファイバー及び受光側の光ファイバーとして１つの光ファイバーを使用でき、部品点数の削減によるコスト低減と、装置のサイズ小型化が可能となる。
【００２７】
また、チップの平面板と間仕切り板の材料は、例えばガラス材、石英、サファイア、ポリメチルメタクリレート（ＰＭＭＡ）、ポリジメチルシロキサン（ＰＤＭＳ）から選べる。
種々なガラス材ならば、透過させる光に対して透明な材質を適宜選択することが可能である。また、ガラス材の中でも特に石英を使用することは、その材質が限定されることから、酸やアルカリの流体に腐食されないことや、腐食されたとしても、溶け出す材質が限定されているため、金属汚染を嫌う、半導体プロセスで用いることができる。
また、石英はフッ酸に侵されるが、フッ酸を含む流体に関しては、それに対する耐食性のあるサファイアを用いることが好ましい。
ＰＭＭＡで代表されるアクリル樹脂は、透明性が高いことと、熱可塑性をもつこと、アセトンなどの有機溶媒に可溶なことなどから、鋳型による大量生産と、無機ガラスではできない複雑な形状の加工が可能となる。チップの平面板又は間仕切り板に合わせて、複雑な加工をする場合などに特に有効である。
ＰＤＭＳは、無色透明で、弾力性に富み、耐熱性と形状転写性に優れているので、マイクロ流体システムでは多用されている。樹脂表面を疎水性にしたり親水性にしたりするなど、用途に応じた表面処理が可能であり、複雑な形状加工も可能である。ＰＤＭＳを用いる場合も鋳型による大量生産が可能であり、チップの平面板又は間仕切り板に合わせて、複雑な加工をする場合などに特に有効である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２８】
［実施例１］
図１は、一実施例の測定部を説明するための平面図である。図２は測定部の側面図である。図３は、この実施例の全体の構成を概略的に示す図である。
【００２９】
図３に示すように、この実施例の流体物性測定計は、実質的に分光部１と、測定部２と、データ処理部３とで構成されている。
まず、分光部１の具体的な構成を説明する。
【００３０】
分光部１には、光源であるタングステンランプ４と、凸レンズ５と、８個の干渉フィルタ６を備えた回転円板７と、凸レンズ８と、凸レンズ１１と、受光素子１２とが設けられている。タングステンランプ４から放射された光は、凸レンズ５によって集光され、干渉フィルタ６を通過する。ここで、回転円板７に保持された干渉フィルタ６は、光を、２０００〜２６００ｎｍ（ナノメートル）の範囲内の所定の波長の光に分光する。
干渉フィルタ６によって分光された光は、凸レンズ８によって集光され、投光側光ファイバー９の入射端面９ａに照射される。投光側光ファイバー９は測定部２につながっている。
【００３１】
図１及び図２を参照して測定部について説明する。
測定部２の符号１０３は調液部である。調液部１０３は、内部に流路が形成されたチップ１１１と、チップ１１１を支持するための金属製の枠部１１０と、チューブ１０４，１０５，１０８をチップ１１１に接続するための継ぎ手１１２，１１３，１１４を備えている。チューブ１０４，１０５，１０８は例えばＰＴＦＥ（Poly Tetra Fluoro Ethylene）やＰＦＡ（tetra fluoro ethylene-PerFluoro Alkylvinyl ether copolymer）などの樹脂によって形成されている。調液部１０３及び送液機構についての詳細な説明は後述する。
【００３２】
測定部２は、測定位置を移動させるための移動機構を備え、図１に示したＸ軸とＹ軸方向に独立に測定位置を移動できる。符号２０２は測定位置をＸ軸移動するためのステッピングモータ内蔵のスライダーであり、符号２０３は測定位置をＹ軸移動するためのステッピングモータ内蔵のスライダーである。
【００３３】
調液部１０３を挟んでコの字型の移動機構部材２０１が設置されている。移動機構部材２０１には、投光側光ファイバー９の出射端面９ｂと受光側光ファイバー１０の入射端面１０ａとそれに関係する凸レンズ５２３，５２５が取り付けられている。移動機構部材２０１はスライダー２０２，２０３によってＸ軸、Ｙ軸に任意に動き、チップ１１１への照射位置を変えることができる。投光側光ファイバー９の出射端面９ｂは、移動機構部材２０１の出射側部分５２２に接続されている。出射側部分５２２には、凸レンズ５２３が設置されていて、出射端面９ｂからの光を集光させて、チップ１１１に照射する。それを通過した光は、移動機構部材２０１の受光側部分５２４に設置された凸レンズ５２５に照射され、集光して、受光側光ファイバー１０の入射端面１０ａに集光される。
【００３４】
投光側光ファイバー９及び凸レンズ５２３は本発明の流体濃度計の光照射部を構成する。受光側光ファイバー１０及び凸レンズ５２５は本発明の流体濃度計の受光部を構成する。移動機構部材２０１及びスライダー２０２，２０３は本発明の流体濃度計の移動機構を構成する。
【００３５】
図３に示すように、受光側光ファイバー１０の出射端面１０ｂは分光部１に設置されている。受光側光ファイバー１０の入射端面１０ａに入射した光は、受光側光ファイバー１０の出射端面１０ｂから凸レンズ１１に入射して、集光して、受光素子１２に入射される。受光素子１２は、入射された光を、その強度に対応する光電流に変換する。データ処理部３は、受光素子１２が受光した光強度データに基づいて測定位置の流体の物性を算出する。
【００３６】
回転円板７は、８枚の干渉フィルタ６を、円周方向に等角度間隔で保持し、駆動モータ１３により所定の回転数、例えば１２００ｒｐｍ（Revolutions Per Minute）で回転駆動される。各干渉フィルタ６は、２０００〜２６００ｎｍの範囲内で、測定対象に応じた、互いに異なる所定の透過波長を有している。ここで、回転円板７が回転すると、各干渉フィルタ６が、凸レンズ５，８の光軸に順次挿入される。そして、タングステンランプ４から放射された光が、干渉フィルタ７によって分光された後、投光側光ファイバー９、凸レンズ５２３を介して、チップ１１１の所定位置に照射される。チップ１１１を通過した光は、凸レンズ５２５を通過して集光され、受光側光ファイバー１０に入り、凸レンズ１１を通過して集光され、受光素子１２に入射される。これにより、受光素子１２から、各波長の光の吸光度に応じた電気信号が出力される。
【００３７】
ところで、燃料電池で、携帯機器向けの小型のものとして、直接メタノール型燃料電池（ＤＭＦＣ：Direct Methanol Fuel Cell）が注目されている。ＤＭＦＣ型燃料電池の燃料供給には、メタノール濃度３〜５％の濃度のメタノール水溶液が用いられる。メタノール濃度が高いと、メタノールが燃料極で未反応なものが、電解質膜を透過して空気極へ到達するクロスオーバー現象が発生して、発電効率が低下するという問題が発生する。メタノール濃度が低くても、発電効率が落ちる。したがって、常に最適なメタノール濃度を供給することが望まれる。また、濃度の濃いメタノールを、水で最適な濃度に希釈して使用することができれば、ＤＭＦＣ型燃料電池内に収容しておくメタノール燃料の体積を減少することができ、ＤＭＦＣ型燃料電池をより小型にすることができる。希釈に必要な水は、空気極側で発生する水を用いてもよいし、空気中の湿度分を捕集してもよい。この実施例ではメタノール水溶液を所定の濃度に調整する場合について説明する。
【００３８】
図４は、この実施例で用いた送液機構の構成を説明するための概略図である。
濃度が３０％のメタノールの入った容器１０１と、水の入った容器１０２が設けられている。
メタノールの入った容器１０１にチューブ１０４の一端が接続されている。チューブ１０４の他端は調液部１０３に接続されている。水の入った容器１０２にチューブ１０５の一端が接続されている。チューブ１０５の他端は調液部１０３に接続されている。調液部１０３には、チューブ１０４，１０５からのメタノール及び水が混合された希釈メタノールを流すためのチューブ１０８も接続されている。チューブ１０８はポンプ１０９に接続されている。
【００３９】
図５は図４に示した装置の調液部の平面図と側面図を示す図である。
調液部１０３は、ガラスのエッチングで内部に流路が形成されたチップ１１１と、チップ１１１を支持するための金属製の枠部１１０と、チューブ１０４，１０５，１０８をチップ１１１に接続するための継ぎ手１１２，１１３，１１４を備えている。チップ１１１はマイクロ流体デバイスである。
【００４０】
チップ１１１の平面サイズは１２.５ｍｍ×３９ｍｍ、厚みは２.２ｍｍである。枠部１１０の外周平面サイズは１９ｍｍ×４６ｍｍ、内周平面サイズは１３ｍｍ×４０ｍｍ、厚みは４.２ｍｍである。枠部１１０には、ネジで継手１１２，１１３，１１４が差し込まれている。枠部１１０の内側に配置されたチップ１１１は継手１１２，１１３，１１４によって押さえ込まれることによって固定されている。チップ１１１は、側面に継手１１２，１１３，１１４に対応する位置に、チップ１１１内部の流路につながるテーパー形状の凹部を備えている。継手１１２，１１３，１１４の先端がチップ１１１側面の凹部に差し込まれることによって流路がシールされて液漏れを防止している。
【００４１】
図６は、チップ１１１の流路パターンを示す平面図である。
図５に示すチューブ１０４，１０５が接続される２つの流路１２５，１２６にそれぞれ流量制御部１１５が設けられている。流量制御部１１５は直列に接続された４つの渦巻状の流路を備えている。流量制御部１１５の流路幅、すなわち断面積は、チップ１１１の他の流路部分に比べて小さく形成されている。
【００４２】
流路１２５，１２６には、流量制御部１１５よりも上流側にセンサー部１３４，１３５が設けられている。センサー部１３４はメタノールの濃度監視用に用いられる小空間である。センサー部１３５は、水の濃度監視用に用いられる小空間であり、メタノール等不純物が含まれていないかどうかが監視される。
【００４３】
流路１２５と流路１２６は流量制御部１１５よりも下流側で合流されて流路１２７に接続されている。流路１２７の下流側にミキシング部１１６が設けられている。流路１２７には、ミキシング部１１６よりも下流側にセンサー部１３６が設けられている。センサー部１３６は、混合後のメタノール濃度の測定に用いられる小空間である。
【００４４】
センサー部１３４，１３５，１３６は、図１及び図２を参照して説明した測定部２により光が照射される箇所である。測定部２においてスライダー２０２，２０３を制御して、チップ１１１のセンサー部１３４，１３５，１３６のいずれかに光が照射されるように移動機構部材２０１を移動させる。また、スライダー２０２，２０３を適宜操作することにより、流量制御部１１５、ミキシング部１１６、その他の流路における流体濃度も計測可能である。
【００４５】
図７は、ミキシング部１１６内における液体の流れを矢印で示す平面図である。
ミキシング部１１６は２つの広い箇所１２３，１２４を備えている。上流側の広い箇所１２３と下流側の広い箇所１２４は２本の流路１２８，１２９で接続されている。
【００４６】
上流側の広い箇所１２３には流路１２７が接続されている。広い箇所１２３の近傍で流路１２７に流路の細い箇所１２０が設けられている。広い箇所１２３と１２４を接続する２本の流路１２８，１２９の上流側の端部は、細い箇所１２０の両隣の箇所で広い箇所１２３に接続されている。
【００４７】
下流側の広い箇所１２４には下流側の流路１３０が接続されている。広い箇所１２３と１２４を接続する２本の流路１２８，１２９の下流側の端部は、流路１３０の両隣の箇所で広い箇所１２４に接続されている。広い箇所１２４の近傍で流路１２８，１２９に流路の細い箇所１２１，１２２が設けられている。
【００４８】
流路１２７から細い箇所１２０を介して広い箇所１２３に導入された液体は、細い箇所１２０で流速が早くなるので、広い箇所１２３内で渦を発生する（矢印を参照）。広い箇所１２３から、広い箇所１２３と１２４を接続する２本の流路１２８，１２９及び流路の細い箇所１２１，１２２を介して広い箇所１２４に導入された液体は、細い箇所１２１，１２２で流速が速くなるので、広い箇所１２４内で渦を発生する（矢印を参照）。これらの渦により、液体の混合が促進される。
図６に示すように、ミキシング部１１６は２段に設けられているので、図７に示した混合パターンを２段繰り返すことにより、液体は完全に混合される。
【００４９】
図８は、チップ１１１におけるペルチェ素子及び測温体の配置を説明するための平面図と側面図を示す図である。
チップ１１１の上面に２つのペルチェ素子１１８，１１９が貼り付けられている。ペルチェ素子１１８はメタノールが流される流量制御部１１５の上に配置されている。ペルチェ素子１１９は水が流される流量制御部１１５の上に配置されている。
チップ１１１の下面に２つの測温体１３２，１３３が貼り付けられている。測温体１３２，１３３は例えば白金からなる。測温体１３２はメタノールが流される流量制御部１１５の下に配置されている。測温体１３３は水が流される流量制御部１１５の下に配置されている。
図１、図２、図５ではペルチェ素子１１８，１１９及び測温体１３２，１３３の図示は省略されている。
【００５０】
チップ１１１は、流路を形成するための貫通溝が形成された厚みの均一なガラス間仕切り板を２枚のガラス平面板で挟み込んだ３層構造になっている。
図９はガラス間仕切り板を示す平面図である。図１０はガラス板を示す平面図である。図１１は、接合前のガラス間仕切り板及び２枚のガラス板を示す側面図である。図１２は、ガラス間仕切り板及び２枚のガラス板を接合してチップを形成した状態を示す側面図である。
【００５１】
図９に示すように、ガラス間仕切り板１３７は符号１３７ａ〜１３７ｅで示す５つのガラス板によって構成されている。各ガラス板１３７ａ〜１３７ｅの厚みは０.２ｍｍで均一である。
図１０に示すように、ガラス平面板１３８，１３９は継ぎ手との接触部だけがテーパー形状になるように加工されている。ガラス平面板１３８，１３９の厚みは１ｍｍである。
【００５２】
ガラス間仕切り板１３７及びガラス平面板１３８，１３９の接合面は平坦に研磨されている。図１１に示すように、ガラス平面板１３８，１３９の間にガラス間仕切り板１３７を配置する。具体的には、ガラス平面板１３９の上にガラス間仕切り板１３７を構成するガラス板１３７ａ〜１３７ｅを配置し、その上に
ガラス平面板１３８を配置する。ガラス間仕切り板１３７及びガラス平面板１３８，１３９を重ねて配置した状態で熱をかけ、オプティカルコンタクトさせると、接着剤なしでも、ガラス間仕切り板１３７及びガラス平面板１３８，１３９は接着する。そして図１２に示すようにチップ１１１が形成される。
【００５３】
図４，図５及び図８を参照してメタノールを希釈する動作について説明する。
ポンプ１０９を作動させると、容器１０１内のメタノールがチューブ１０４内に吸引され、容器１０２内の水がチューブ１０５内に吸引される。チューブ１０４内に吸引されたメタノール及びチューブ１０５内に吸引された水は調液部１０３に導かれる。調液部１０３に導かれたメタノール及び水はそれぞれチップ１１１の流量制御部１１５を通過した後に合流し、ミキシング部１１６に導かれて混合されて希釈メタノールとなる。希釈メタノールはチップ１１１からチューブ１０８に導かれ、ポンプ１０９を介して吐出される。
【００５４】
図３において、回転円板７に保持された干渉フィルタ６は、メタノールと水の近赤外線スペクトルの差異がある２２６０ｎｍを通過させるバンドパスフィルターと、その近辺の波長、２０００ｎｍ、２１００ｎｍ、２１５０ｎｍ、２２００ｎｍ、２３００ｎｍ、２３５０ｎｍ、２４００ｎｍの８枚を取り付けている。２２６０ｎｍにメタノールのＣＨ基に関する吸収がある。メタノール濃度はランベルト・ベールの法則から求めることができる。チップ１１１のセンサー部１３４は、メタノール濃度が３０％であることを確認するための計測に用いる。センサー部１３４におけるメタノール濃度測定結果が３０％でないならば、間違った濃度のメタノールを供給したことになるため、警報信号を出す。同じように、チップ１１１のセンサー部１３５は、水であることを確認するための計測に用いる。センサー部１３５における測定結果が水でないことを示すならば、水でない液を供給したことになるため、警報信号を出す。
【００５５】
希釈されたメタノールの濃度が４％よりも濃い場合は、水側の流量を増加させ、メタノール側の流量を減少させるように制御する。具体的には、水側のペルチェ素子１１９の温度を上昇させることによって、水の粘度を低下させて流量を増加させる。さらに、メタノール側のペルチェ素子１１８の温度を下降させることによって、メタノールの粘度を上昇させ、流量を減少させる。それぞれのペルチェ素子１１８，１１９の温度は測温体１３２，１３３で計測している。
【００５６】
測定位置は、チップ１１１のセンサー部１３６に主に設定しておき、混合後のメタノール濃度の計測は、例えば１秒間に２０回計測する。そのたびに、流量制御を行ない、ほぼリアルタイムに連続的に、混合後のメタノール濃度を一定になるように制御する。また、１０分に一回程度、センサー部１３４，１３５にスライダー２０２，２０３を駆動させて測定位置を移動させ、メタノール３０％と水の確認を実行する。
この方法により得られる、メタノール温度と水温度とメタノール濃度の関係を表１に示す。
【００５７】
【表１】
2010175407.tif 000003
【００５８】
メタノール温度はメタノール側ペルチェ素子１１８の測温体１３２の計測値と近く、水温度は水側ペルチェ素子１１９の測温体１３３の計測値と近いので、表３のメタノール温度と水温度は、測温体１３２，１３３の計測値で代用できる。
これにより、水側ペルチェ素子１１９と、メタノール側ペルチェ素子１１８の各温度を調整することにより、混合後のメタノール濃度を４％に制御することができる。
【００５９】
この実施例では、液温度を変化させる材料としてペルチェ素子を用いたが、ヒーターを用いてもよい。その場合は、チップ１１１の流量制御部１１５上にそれぞれに独立した温度制御可能な面ヒーターが貼り付けられる。チップ１１１の下面にはヒートシンクに設置する。ヒーターのＯＮとともに流量制御部１１５の温度が上昇して、流量制御部１１５を流れる液の温度も上昇する。面ヒーター近辺には測温体を設置しておき、測温体からの温度情報に基づいてヒーターをフィードバック制御する。ヒーターに流す電流を下げれば、放熱により、ヒートシンク温度になじむように温度が下がる。サイズがミリオーダーになると、物体の表面積と体積の比率で表面積側が圧倒的に大きくなるため、放熱スピードは日常レベルと比較して非常に早い。そのため、ヒーターによる加温素子のみでも、十分に温度制御が可能である。
【００６０】
この実施例では、ミキシング部１１６は、迷路のようなパターンを通過させることにより行なったが、ミキシング方法として、流路に障害物を配置する方法や超音波素子による超音波を液に照射して混合する方法などもある。
【００６１】
［実施例２］
図１３は、他の実施例の測定部を説明するための側面図である。図１４は測定部の平面図である。図１５は、この実施例の全体の構成を概略的に示す図である。図１〜図３と同じ機能を果たす部分には同じ符号を付す。
【００６２】
この実施例では、測定部の光照射光学系と受光部光学系について、光の逆進性を利用して投光側光ファイバーと受光側光ファイバーを１つのものとした。図１５に示すように、この実施例の基本的な構造は図１〜図３を参照して説明した実施例１と同じである。この実施例では、分光部１で干渉フィルタ６を通過した光は、凸レンズ８で集光され、ミラー６０１で反射し、凸レンズ６０２で集光され、半透明なビームスプリッタ６０３に照射される。ビームスプリッタ６０３で反射した光は、光ファイバー６０４の端面６０４ａを通じて、測定部２に行く。ビームスプリッタ６０３を透過した光は、適宜トラップして、後では使用しない。図３での受光側光ファイバー１０を投光側光ファイバーとして用いていることになる。
【００６３】
図１３に示すように、光ファイバー６０４の端面６０４ｂから射出された光は凸レンズ６０６を通ってチップ１１１の流路に照射される。チップ１１１のガラス平面板１３９の面１３９ａが鏡面になっており、照射した光が面１３９ａで反射して、逆進して、再度端面６０４ｂから光ファイバー６０４へ戻る。
【００６４】
図１５を参照して説明すると、光ファイバー６０４の端面６０４ｂから入射した光は光ファイバー６０４を通って分光部１へ導かれ、光ファイバー６０４の端面６０４ａから射出され、ビームスプリッタ６０３を透過して、凸レンズ１１で集光されて受光素子１２に入る。
【００６５】
図１３及び図１４を参照して測定部２について説明する。この実施例の測定部２における調液部１０３は、チップ１１１のガラス平面板１３９の面１３９ａが鏡面になっている点を除いて実施例１の調液部１０３と同じ構造をもっている。この実施例では、図１及び図２に示した移動機構部材２０１に換えて移動機構部材６０５を備えている。移動機構部材６０５には光ファイバー６０４の端面６０４ｂと凸レンズ６０５が取り付けられている。移動機構部材６０５はスライダー２０２，２０３によってＸ軸、Ｙ軸に任意に動き、チップ１１１への照射位置を変えることができる。
【００６６】
チップ１１１のガラス平面板１３９の面１３９ａを鏡面にする方法は、図１１も参照して説明すると、平行板１３９のガラス間仕切り板１３７側の面１３９ａに、例えば金属蒸着処理によってアルミニウム蒸着膜を形成する方法が挙げられる。また、平行板１３９そのものを金属体で作製してもよいし、測定対象液の屈折率と大きく変わる材質で平行板１３９を作製してもよい。そのようにすれば、平面板１３９の面１３９ａ、すなわち間仕切り板１３７と平面板１３９の境界面で光の反射率が向上する。
【００６７】
［実施例３］
図１６は、さらに他の実施例の測定部を説明するための平面図と側面図を示す図である。図１７は、図１６のセンサー部１３５近傍の拡大図である。図１８は、この実施例の全体の構成を概略的に示す図である。図１〜図３と同じ機能を果たす部分には同じ符号を付す。
【００６８】
図１８に示すように、この実施例の流体物性測定計は、実質的に分光部１と、測定部２と、データ処理部３とで構成されている。
まず、分光部１の具体的な構成を説明する。
【００６９】
分光部１には、光源であるタングステンランプ４と、凸レンズ５と、４個の干渉フィルタ６を備えた回転円板７と、凸レンズ８１０とが設けられている。タングステンランプ４から放射された光は、凸レンズ５によって集光され、干渉フィルタ６を通過する。ここで、回転円板７に保持された４枚の干渉フィルタ６は、６２０ｎｍの光を通過させるバンドパスフィルターと、８００ｎｍの光を通過させるバンドパスフィルターと、１３００ｎｍの光を通過させるバンドパスフィルターと、１４５０ｎｍの光を通過させるバンドパスフィルターである。
干渉フィルタ６によって分光された光は、凸レンズ８１０によって平行光８１４にされ、測定部２に照射される。
【００７０】
図１６及び図１７を参照して測定部について説明する。
測定部２のチップ１１１は、図８を参照して説明したチップと基本的に同じである。この実施例のチップ１１１には、センサー部１３４，１３５，１３６の箇所に、マスク８０１，８０２，８０３と、集光レンズ８０４，８０５，８０６と、受光素子８０７，８０８，８０９が付加されている。その他は、図８のチップと同じである。マスク８０１，８０２，８０３の設置の目的は、受光素子８０７，８０８，８０９への迷光の進入を防ぐためである。
【００７１】
図１８の分光部から照射された平行光８１４は、測定部２内に設置された、図１６に示すチップ１１１の全面に均質に照射される。平行光８１４は、図１６，１７のマスク８０１，８０２，８０３にも照射され、マスク８０１，８０２，８０３の貫通穴８１１，８１２，８１３を通過する。貫通穴８１１，８１２，８１３を通過した光は、チップ１１１の平面板１３８、間仕切り板１３７、平面板１３９を通過する。間仕切り板１３７の空隙には、測定対象の流体が存在する。チップ１１１を通過した光は集光レンズ８０４，８０５，８０６により集光されて、受光素子８０７，８０８，８０９に入り、光の強度を電気信号に変換する。受光素子８０７，８０８，８０９の電気信号は、データ処理部３に向かう。
【００７２】
分光部１から照射される平行光８１４は、回転円板７の回転により、バンドパスフィルターである干渉フィルタ６の中心波長が、それぞれ６２０ｎｍ、８００ｎｍ、１３００ｎｍ、１４５０ｎｍの光を、時分割で照射することになる。どこの波長光が照射されているかは、回転円板７に設置されたフォトインタラプタの信号により、データ処理部３内のマイクロコンピューターにより判断できる。データ処理部３は、受光素子８０７，８０８，８０９の３つの電気信号と、回転円板７からのフォトインタラプタの信号を基に、それぞれの受光素子８０７，８０８，８０９に相当するセンサー部１３４，１３５，１３６の小空間内の各波長の吸光度データを算出することができる。
【００７３】
回転円板７は、４枚の干渉フィルタ６を、円周方向に等角度間隔で保持し、駆動モータ１３により所定の回転数、例えば１２００ｒｐｍで回転駆動される。各干渉フィルタ６は、それぞれ６２０ｎｍ、８００ｎｍ、１３００ｎｍ、１４５０ｎｍの光を通過させるバンドパスフィルターである。ここで、回転円板７が回転すると、各干渉フィルタ６が、凸レンズ５，８１０の光軸に順次挿入される。そして、タングステンランプ４から放射された光が、干渉フィルタ６によって分光された後、凸レンズ８１０で平行光８１４とされ、測定部２のチップ全面に均質に照射される。
【００７４】
ところで、環境保全を目的とした、工場排水試験方法で、排水中のフッ化物イオンの計測の要求がある。この測定には、ＪＩＳ  Ｋ０１０２  ３４．１記載のランタン−アリザリンコンプレキソン吸光光度法が用いられる。この測定方法では、試薬を測定対象液に混ぜ合わせて、その後、分光測定を行ない、定量する操作は繁雑であることが知られている。この方法を、本発明により効率よく行なった例を示す。
【００７５】
本発明によりこの測定を行なう際、図４を参照して説明した送液機構を用いることができる。また、図１６に示したチップ１１１を、図５に示した調液部１０３と同様にして測定部に配置する。
【００７６】
ランタン−アリザリンコンプレキソン溶液（ＪＩＳ  Ｋ０１０２  ３４．１  ａ）６）記載）が容器１０１と、測定対象液の入った容器１０２が設けられている。測定対象液は、ＪＩＳＫ０１０２記載の蒸留操作後の液である。
【００７７】
容器１０１にチューブ１０４の一端が接続されている。チューブ１０４の他端は調液部１０３に接続されている。容器１０２にチューブ１０５の一端が接続されている。チューブ１０５の他端は調液部１０３に接続されている。調液部１０３には、チューブ１０４，１０５からのランタン−アリザリンコンプレキソン溶液と測定対象液が混合された液を流すためのチューブ１０８も接続されている。チューブ１０８はポンプ１０９に接続されている。ポンプ１０９は、データ処理部３から、その動作を制御されている。ポンプ１０９を動かして、容器１０１，１０２から液を吸引する。液は、チップ１１１内の小空間からなるセンサー部１３４，１３５に入る。その後、センサー部１３６の小空間にも液が満たされる。センサー部１３４，１３５，１３６の小空間が所定の液で満たされたかどうかは、それぞれの受光素子８０７，８０８，８０９からのデータにより判断できる。センサー部１３６が液で満たされた後、５秒程度余分にポンプ１０９で吸引し続け、その後、ポンプ１０９を停止させ、液の流れを停止させる。
【００７８】
センサー部１３４はランタン−アリザリンコンプレキソン溶液監視用に用いられる小空間である。センサー部１３５は、測定対象液監視用に用いられる小空間であり、それぞれの小空間に液が所定通り存在するかどうかを監視する。その方法は、どちらも水溶液であるため、水のＯＨ基の近赤外線吸収が存在するかどうかを確認することと、濁り、泡、不純物の存在がないかも確認する。具体的には、１４５０ｎｍのＯＨ基の特性吸収の吸光度と、その近傍でＯＨ基の吸収の少ない１３００ｎｍの吸光度を求めることにより確認できる。測定対象液がセンサー部１３４，１３５内に存在しない場合は、センサー部１３４，１３５内の流体が空気になっているため、１４５０ｎｍの光強度が高くなる。また、ミクロな泡や、濁り、不純物がある場合は、光の散乱、吸収が大きくなり、１４５０ｎｍと、１３００ｎｍの両方で、光強度が減少し、それの検知ができる。正常に測定対象液がある場合は、１３００ｎｍと１４５０ｎｍが所定の吸光度を示し、あらかじめ正常な状態のときの吸光度値をデータ処理部３内のマイクロコンピューターのメモリに記憶させておいて、それと比較することにより確認できる。
【００７９】
ランタン−アリザリンコンプレキソン溶液と測定対象液は、所定体積で混合される。混合比を制御する方法は、実施例１と同じである。
【００８０】
混合された液をセンサー部１３６で停止させる。その後、すぐに測定を開始する。６２０ｎｍの吸光度から、フッ化物イオン濃度を求めることができる。吸光度データを安定させるため、フッ化物イオン濃度にあまり関係しない波長である８００ｎｍの吸光度との差吸光度を用いると、光源ふらつき、受光素子の感度変動などの誤差を除去できる。
フッ化物イオン濃度の定量は、ＪＩＳ  Ｋ０１０２  ３４．１  ａ）７）８）記載の複数のフッ化物イオン濃度既知の標準液を同一手順で測定しておき、その濃度と６２０ｎｍと８００ｎｍの差吸光度データ間で検量線を作成しておく。そのデータは、データ処理部３のマイクロコンピューターメモリ内に格納しておく。その検量線に濃度未知の測定対象液の６２０ｎｍと８００ｎｍの差吸光度データを照らし合わせることにより、フッ化物イオン濃度を算出する。
【００８１】
以上、本発明の実施例を説明したが、材料、形状、配置等は一例であり、本発明はこれらに限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の範囲内で種々の変更が可能である。
【００８２】
例えば、上記実施例では、チップ１１１を形成するための間仕切り板１３７及びガラス平面板１３８，１３９としてガラス材を用いているが、チップを形成するための間仕切り板及びガラス平面板は他の材料、例えば石英、サファイア、ポリメチルメタクリレート（ＰＭＭＡ）、ポリジメチルシロキサン（ＰＤＭＳ）によって形成されていてもよい。
【００８３】
また、上記実施例では、チップ１１１に対して光照射部及び受光部を移動させる移動機構部材２０１及びスライダー２０２，２０３からなる移動機構を備えているが、位置固定された光照射部及び受光部に対してチップを移動させる移動機構を備えているようにしてもよい。
【００８４】
また、上記実施例では、流路の温度を変化させる熱源として、ペルチェ素子やヒーターを用いているが、流路に光を照射することによって流路の温度を変化させてもよい。流路に光を照射するための光源として、例えばＬＥＤや半導体レーザーを挙げることができる。また、光源と光ファイバーを用い、光源から光ファイバーの入射端に入れた光を光ファイバーの出射端から出射させて流路に光を照射して流路の温度を変化させるようにしてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００８５】
【図１】一実施例の測定部を説明するための平面図である。
【図２】同実施例の測定部の側面図である。
【図３】同実施例の全体の構成を概略的に示す図である。
【図４】同実施例で用いた送液機構の構成を説明するための概略図である。
【図５】調液部の平面図と側面図を示す図である。
【図６】調液部のチップの流路パターンを示す平面図である。
【図７】チップのミキシング部内における液体の流れを矢印で示す平面図である。
【図８】チップにおけるペルチェ素子及び測温体の配置を説明するための平面図と側面図を示す図である。
【図９】チップの一部分を構成するガラス間仕切り板を示す平面図である。
【図１０】チップの一部分を構成するガラス板を示す平面図である。
【図１１】接合前のガラス間仕切り板及び２枚のガラス板を示す側面図である。
【図１２】ガラス間仕切り板及び２枚のガラス板を接合してチップを形成した状態を示す側面図である。
【図１３】他の実施例の測定部を説明するための側面図である。
【図１４】同実施例の測定部の平面図である。
【図１５】同実施例の全体の構成を概略的に示す図である。
【図１６】さらに他の実施例の測定部を説明するための平面図と側面図を示す図である。
【図１７】図１６のセンサー部１３５近傍の拡大図である。
【図１８】同実施例の全体の構成を概略的に示す図である。
【符号の説明】
【００８６】
１  分光部
２  測定部
３  データ処理部
９，１０，６０４  光ファイバー
１０３  調液部
１１１  チップ
１３４，１３５，１３６  センサー部（流路）
１３７  間仕切り板
１３８，１３９  平面板
【図１】
2010175407.tif 000004
【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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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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