(57)【要約】【課題】微小体積の試料に対する分光分析を高感度で行うことが可能な分析装置を提供する。【解決手段】光導波路１の第１分岐部１１と第２分岐部１２とは、プローブ光源４から光導波路１に送り込まれたプローブ光を分離させ、かつ、その後に混合させる。第１分岐部１１及び第２分岐部１２のうちの少なくとも一方は、流路２との交差部７において、流路２の内部を横断している。励起光源３は、交差部７に励起光を照射する。受光部５は、第１及び第２分岐部１１及び１２を通過後に混合されたプローブ光を受光してその光強度を測定する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
光導波路と、流路と、励起光源と、プローブ光源と、受光部を備えており、
前記光導波路は、第１分岐部と第２分岐部とを備えており、
前記第１分岐部と第２分岐部とは、前記プローブ光源から前記光導波路に送り込まれたプローブ光を分離させ、かつ、その後に混合させる構成となっており、
前記第１分岐部及び前記第２分岐部のうちの少なくとも一方は、前記流路との交差部において、前記流路の内部を横断しており、
前記励起光源は、前記交差部に励起光を照射する構成となっており、
前記受光部は、前記第１及び第２分岐部を通過後に混合された前記プローブ光を受光してその光強度を測定する構成となっている
分光分析装置。
【請求項２】
さらに基板を備えており、
前記光導波路と前記流路とは、前記基板の内部又は上面に形成されている
請求項１に記載の分光分析装置。
【請求項３】
前記交差部に照射される前記励起光の幅は、前記流路の幅とほぼ等しいものとされている
請求項１又は２に記載の分光分析装置。
【請求項４】
光導波路と、流路とを備えており、
前記光導波路は、第１分岐部と第２分岐部とを備えており、
前記第１分岐部と第２分岐部とは、前記光導波路に送り込まれたプローブ光を分離させ、かつ、その後に混合させる構成となっており、
前記第１分岐部及び前記第２分岐部のうちの少なくとも一方は、前記流路との交差部において、前記流路の内部を横断している
分光デバイス。
【請求項５】
請求項４に記載の分光デバイスを用いた分光分析方法であって、
前記流路に試料を流すステップと、
前記第１分岐部と第２分岐部とに、プローブ光を送り込むステップと、
前記交差部に励起光を照射するステップと、
前記第１及び第２分岐部を通過後に混合された前記プローブ光を受光してその光強度を測定するステップと
を備える分光分析方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、分光分析装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来から、試料の吸光スペクトルを取得するための分析装置として、吸光光度計が知られている。吸光光度計は、下記のLambert-Beerの法則に基づいている。
Ａ=εｃｌ＝ｌｏｇ（Ｉ０／Ｉ）
ここで、
Ａ：試料の吸光度
ε：モル吸光係数
ｃ：試料の濃度
ｌ：試料を通過する光の光路長
Ｉ：透過光強度
Ｉ０：入射光強度
である。
【０００３】
これによれば、試料の吸光度は、入射光強度と透過光強度との比により求められるが、光路長が短くなるほど、感度が劣化することがわかる。
【０００４】
一方、近年では、微小試料の分析のために、マイクロ空間を用いたマイクロ化学チップが利用されている。このようなマイクロ空間では、光路長が非常に短いため、従来の吸光光度計を用いると、測定感度が大幅に劣化してしまう。例えば、従来の吸光光度計における光路長が１０ｍｍとし、マイクロ化学チップにおける試料の流路幅（すなわち光路長）が０．１ｍｍとすると、マイクロ化学チップにおける測定感度は１００分の１になってしまう。これでは実用的な分析を行うことが困難である。
【０００５】
一方本発明者らは、マイクロチャネルを流れる微小流体（すなわち試料）に光を照射し、光照射による試料の発熱量をプローブ光の位相変化として検出する技術を提案した（下記特許文献１参照）。しかしながら、この技術では、試料への光照射によって発生する熱が基板に拡散してしまうため、測定感度の点において、改善の余地があった。
【０００６】
また、分光スペクトルを取得するためには、多波長を含む白色光源を用いる必要がある。しかしながら、白色光源のパワーはレーザに比べてかなり低い。したがって、下記特許文献１の技術を用いて分光スペクトルを取得する場合は、十分な測定感度を得るための何らかの対応が求められる可能性があった。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２０１６−１４６３０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本発明は、前記した状況に基づいてなされたものである。本発明の主な目的は、微小体積の試料に対する分光分析を高感度で行うことが可能な分析装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
前記した課題を解決する手段は、以下の項目のように記載できる。
【００１０】
（項目１）
光導波路と、流路と、励起光源と、プローブ光源と、受光部を備えており、
前記光導波路は、第１分岐部と第２分岐部とを備えており、
前記第１分岐部と第２分岐部とは、前記プローブ光源から前記光導波路に送り込まれたプローブ光を分離させ、かつ、その後に混合させる構成となっており、
前記第１分岐部及び前記第２分岐部のうちの少なくとも一方は、前記流路との交差部において、前記流路の内部を横断しており、
前記励起光源は、前記交差部に励起光を照射する構成となっており、
前記受光部は、前記第１及び第２分岐部を通過後に混合された前記プローブ光を受光してその光強度を測定する構成となっている
分光分析装置。
【００１１】
（項目２）
さらに基板を備えており、
前記光導波路と前記流路とは、前記基板の内部又は上面に形成されている
項目１に記載の分光分析装置。
【００１２】
（項目３）
前記交差部に照射される前記励起光の幅は、前記流路の幅とほぼ等しいものとされている
項目１又は２に記載の分光分析装置。
【００１３】
（項目４）
光導波路と、流路とを備えており、
前記光導波路は、第１分岐部と第２分岐部とを備えており、
前記第１分岐部と第２分岐部とは、前記光導波路に送り込まれたプローブ光を分離させ、かつ、その後に混合させる構成となっており、
前記第１分岐部及び前記第２分岐部のうちの少なくとも一方は、前記流路との交差部において、前記流路の内部を横断している
分光デバイス。
【００１４】
（項目５）
項目４に記載の分光デバイスを用いた分光分析方法であって、
前記流路に試料を流すステップと、
前記第１分岐部と第２分岐部とに、プローブ光を送り込むステップと、
前記交差部に励起光を照射するステップと、
前記第１及び第２分岐部を通過後に混合された前記プローブ光を受光してその光強度を測定するステップと
を備える分光分析方法。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、微小体積の試料（例えばマイクロチャネルを流れる試料）に対する分光分析を高感度で行うことが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明の一実施形態における分光分析装置の概略的な構成を示すための説明図である。
【図２】図１の要部を拡大して示す平面図である。
【図３】図２のＡ−Ａ線に沿う概略的な断面図である。
【図４】図２に相当する図面において、励起光のスポット径を説明するための説明図である。
【図５】図１に示す分光分析装置の製造方法の一例を説明するための説明図であって、下基板上に流路を形成する段階を示す図である。
【図６】図１に示す分光分析装置の製造方法の一例を説明するための説明図であって、下基板に導波路を形成する段階を示す図である。
【図７】図１に示す分光分析装置の製造方法の一例を説明するための説明図であって、下基板の上面に上基板を積層する段階を示す図である。
【図８】本実施形態の分光分析装置を用いた実施例の結果を示すグラフであって、横軸は時間（秒）、縦軸は光熱変換信号の大きさ（ｍＶ）を示す。
【図９】本実施形態の分光分析装置を用いた実施例の結果を示すグラフであって、横軸は試料の濃度（μＭ）、縦軸は光熱変換信号の大きさ（ｍＶ）を示す。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
以下、本発明の一実施形態に係る分光分析装置を、添付の図面を参照しながら説明する。
【００１８】
（本実施形態の構成）
本実施形態に係る分光分析装置（以下単に「分析装置」又は「装置」と略称することがある）は、光導波路１と、流路２と、励起光源３と、プローブ光源４と、受光部５とを主要な構成として備えている（図１参照）。さらに、この実施形態の装置は、基板６を備えている（図１参照）。
【００１９】
（光導波路）
光導波路１は、第１分岐部１１と第２分岐部１２とを備えている。第１分岐部１１と第２分岐部１２とは、プローブ光源４から光導波路１に送り込まれたプローブ光を分離させ、かつ、その後に混合させる構成となっている。つまり、この光導波路１は、いわゆるマッハ・ツェンダー型導波路を構成している。
【００２０】
第１分岐部１１は、流路２との交差部７において、流路２の内部を横断している（図２及び図３参照）。同様に、本実施形態の第２分岐部１２は、第１分岐部１１とは離れた位置において、流路２の内部を横断している。光導波路１は、基板６の内部において、基板６よりも高い屈折率の材料（具体的には例えば高屈折率とされたガラス）により構成されている。ただし、本実施形態における第１分岐部１１及び第２分岐部１２は、流路２と交差する部分においては流路２自体（あるいはそこを通過する試料自体）により構成されるようになっている。つまり、光導波路１を構成する材料（ガラス）は、流路２を挟んで対向するように分離されている。
【００２１】
本実施形態では、第１分岐部１１は、流路２の流れ方向において、第２分岐部１２の下流側に配置されている。つまり、本実施形態における試料の流れ方向は、図３において右から左の方向となっている。
【００２２】
（流路）
本実施形態の流路２は、試料を流すためのものである。本実施形態の流路２の幅は、例えば１００μｍとされている。ただし、流路２の幅としては、これに限るものではなく、例えば、１μｍ〜１ｍｍ程度とすることができる。流路２の深さも特に制約されないが、例えば１μｍ〜１ｍｍ程度とすることができる。
【００２３】
（励起光源）
励起光源３は、交差部７に励起光３１（図１参照）を照射する構成となっている。励起光源３としては、例えばハロゲンランプ、キセノンランプ、ＬＥＤなど、各種の白色光源を用いることができる。ただし、複数波長についての分析が不要であれば、励起光源３として単色の光源を用いることも可能である。なお、ここで白色とは、分光スペクトルの取得に必要な複数の波長を含むことを意味する。
【００２４】
交差部７に照射される励起光の幅（いわゆるスポット径）は、流路２の幅とほぼ等しいものとされている（図３及び図４参照）。具体的には、図４に示すスポット径ｄは、本例では、約１０７μｍとされている。
【００２５】
（プローブ光源）
プローブ光源４は、プローブ光を光導波路１に入力するためのものである。プローブ光源としては、例えばＨｅ−Ｎｅレーザと、レーザ光を光導波路１の端部に伝送するための光ファイバとにより構成することができる。プローブ光源４としては、後述するプローブ光の位相変化を検出できる程度に位相の揃った波を発生できるものであることが望ましい。
【００２６】
（受光部）
受光部５は、第１及び第２分岐部１１及び１２を通過後に混合されたプローブ光を受光してその光強度を測定する構成となっている。本実施形態における受光部５の動作については、本実施形態の動作方法として後述する。
【００２７】
（基板）
本実施形態の光導波路１と流路２とは、基板６の内部に形成されたものとなっている。基板６は、本実施形態においては、下基板６１と、その上面に積層された上基板６２とから構成されている。本実施形態では、上基板６１及び下基板６２は、いずれも、励起光に対して透明なガラスにより構成されている。また、本実施形態では、下基板６１及び上基板６２は、光導波路１よりも屈折率の低いガラスにより構成されている。
【００２８】
なお、前記した本実施形態の構成により、光導波路１と流路２とを備えた分光デバイスが構成されたものとなっている。
【００２９】
（本実施形態の動作方法）
ついで、本実施形態に係る分光分析装置の動作について説明する。
【００３０】
（試料の移送）
まず、流路２の端部（図１の例では、下端部側）から、流路２の内部に向けて、分析対象となる試料を送り込む。送り込まれた試料は、流路２を一方向に流れる。流路２内において試料を移動させる手段としては、例えばポンプを用いることができる。試料の移送については、従来と同様の手法を用いることができるので、これについてのこれ以上詳しい説明は省略する。
【００３１】
（プローブ光入力）
一方、プローブ光源４から、プローブ光を光導波路１に送り込む。プローブ光は、第１分岐部１１と第２分岐部１２とに分岐して進行した後、再び合流して、受光部５に受光される。ここで、本実施形態では、第１分岐部１１及び第２分岐部１２を構成するガラスが、いずれも、流路２と交差する部分において存在しないものとされている。しかしながら、流路２の幅は狭いので、流路２を通過する光は、実用上十分な強度を保ちつつ、受光部５に向けて伝送される。
【００３２】
（励起光照射）
また、励起光源３から、第１分岐部１１と流路２との交差部７に向けて、励起光を照射する。すると、試料は、その吸光特性に応じて発熱し、その発熱量に応じて、第１分岐部１１を通過するプローブ光の位相が変化する。
【００３３】
第１分岐部１１を通過するプローブ光と第２分岐部１２を通過するプローブ光との干渉光の強度は、第１分岐部１１を通過した光の位相変化量に応じて変化することになる。
【００３４】
（位相変化の検出）
その後、受光部５が、干渉光の強度を検出する。受光部５では、検出された干渉光の強度値（あるいはそれに対応する位相変化量ないし発熱量）に基づいて試料の吸光特性を検出することができる。
【００３５】
ここで本実施形態の装置によれば、励起光源３から交差部７に照射させる光の波長を、例えばフィルタやモノクロメーターやプリズムなどの機器を用いて変化させることにより、波長ごとの試料特性（すなわち分光スペクトル）を取得することができる。
【００３６】
また、本実施形態の装置では、第１分岐部１１が、流路２の内部を通過しているので、励起光の照射による試料の発熱を、効率よく、プローブ光の波長変化として取り出すことができるという利点がある。もし、第１分岐部１１が流路２の外側に配置されている場合には、流路２での発熱が３次元方向に拡散するために、その一部のみがプローブ光の波長変化に影響を与えることになる。つまり、このような技術では、試料の測定感度が低くなる傾向にある。これに対して、本実施形態の装置では、試料の発熱が３次元方向に拡散しても、その発熱する試料の中をプローブ光が通過することになるため、試料の測定感度を向上させることができる。すると、本実施形態では、白色光源のように低パワーの励起光源を用いた場合でも、高い測定感度を得ることができるために、高精度な分光スペクトルを簡便に取得できるという利点もある。
【００３７】
また、本実施形態では、励起光源３から交差部７への励起光の幅（いわゆるスポット径）を、流路２の幅とほぼ等しいものとした（図３及び図４参照）。仮に、励起光の幅が、流路２の幅よりも広い場合、励起光が、流路２の外側における光導波路１を加熱することになる。一般にガラスは、加熱により屈折率が上がり、試料は加熱により屈折率が下がる。このため、流路２と試料との両方を加熱すると、両者の屈折率の変化が相殺してしまい、測定精度が下がる恐れがある。これに対して、本実施形態の装置によれば、このような相殺の影響を低く抑えることができ、測定精度の向上を期待することができる。
【００３８】
さらに、前記した実施形態では、第１分岐部１１を、第２分岐部１２に対して、流路２の下流側に配置したので、試料の温度変化による影響を、第２分岐部１２を通過する光に対しては低く抑えることができ、その点からも測定精度の向上を期待することができる。
【００３９】
（製造方法）
ついで、図５〜図７をさらに参照しながら、本発明に係る分光分析装置に用いられる分光デバイスの製造方法の一例を説明する。
【００４０】
まず、下基板６１の上面の一部を、例えばフッ酸を用いたウエットエッチングを用いて除去することにより、流路２を形成する（図５参照）。
【００４１】
ついで、下基板６１の上面に、例えばフェムト秒パルスレーザ８を照射することにより、光導波路１を形成することができる。これは、レーザ照射によってガラス内部に局所的に屈折率が高い部分を形成できるためである（図６）。
【００４２】
ついで、下基板６１の上面に上基板６２を貼り合わせて接合する。この接合の手法としては、例えば低温接合法を用いることができる（図７）。
【００４３】
（実施例）
つぎに、前記した実施形態の装置の特性を検証した。その結果を実施例として図８及び図９に示す。なお、この実施例においては、試料としてサンセットイエロー（非蛍光色素）の水溶液を用いた。流路幅は１００μｍとした。
【００４４】
図８は、励起光とプローブ光とをそれぞれオン／オフさせたときの、光熱変換信号（すなわち受光部５で測定された受光強度）を示すものである。これによれば、励起光のオン／オフにより、プローブ光の受光強度が変化していることがわかる。
【００４５】
図９は、試料濃度と光熱変換信号との関係を示す。これによれば、光熱変換信号の測定値を用いて、試料濃度を定量的に測定可能なことがわかる。
【００４６】
なお、本発明の内容は、前記実施形態に限定されるものではない。本発明は、特許請求の範囲に記載された範囲内において、具体的な構成に対して種々の変更を加えうるものである。
【００４７】
例えば、前記した実施形態の装置においては、第２分岐部１２を流路２と交差する構成としたが、第２分岐部１２は流路２と交差せず、流路２の上または下を通過する構成とすることもできる。
【００４８】
さらに、前記した実施形態では、第１分岐部１１を、第２分岐部１２に対して、流路２の下流側に配置したが、それに代えて、流路２の上流側に配置することも可能である。
【００４９】
また、前記した実施形態における、第１分岐部１１と第２分岐部１２とは、相対的に両者を区別するための用語に過ぎず、それ以上の制約を意味するものではない。要するに、第１分岐部１１と第２分岐部１２とは、マッハ・ツェンダー型導波路を構成できるものであればよい。
【符号の説明】
【００５０】
１  光導波路
１１  第１分岐部
１２  第２分岐部
２  流路
３  励起光源
４  プローブ光源
５  受光部
６  基板
６１  下基板
６２  上基板
７  交差部
【図１】
2018066664.tif 000003
【図２】
2018066664.tif 000004
【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】
2018066664.tif 000009
【図８】
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【図９】
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