(57)【要約】    【課題】  装置を小型化し、測定精度を向上させることができる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１は、マイクロ化学システム用チップ２０内の流路２０４中の試料溶液に励起光及び検出光を照射する照射部１ａを有する。照射部１ａは、波長５３２ｎｍの励起光を出力する励起光用光源１０６と、波長６３５ｎｍの検出光を出力する検出光用光源１０７とを有する。励起光用光源１０６は、波長１０６４ｎｍのレーザー光を発振するファイバーレーザー５０２と、ファイバーレーザー５０２から受光したレーザー光を第２高調波に変換するポーリングファイバー５０３とから成る。ファイバーレーザー５０２は、波長８１０ｎｍのレーザー光を発振するレーザーダイオード５０１と、両端にファイバーブラッググレーティング６０２ａ，６０２ｂが作製されたダブルクラッドファイバー６０１とから成る。ダブルクラッドファイバー６０１は、集光レンズ５０５で集光されたレーザー光を種光源として、波長が１０６４ｎｍのレーザー光を発振する。【選択図】      図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
内部に試料溶液を流す流路を有する透明基板と、前記流路中の試料溶液に熱レンズを生成するための励起光を照射する光源とを備えるマイクロ化学システムにおいて、
前記光源は、レーザー光を発振するレーザーと、前記レーザー光を波長変換する第１の変換手段と、前記波長変換されたレーザー光を第２高調波に波長変換する第２の変換手段とを備えることを特徴とするマイクロ化学システム。
【請求項２】
前記レーザーはレーザーダイオードから成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】
前記レーザーダイオードは、当該レーザーダイオードの出力を変調する出力変調装置を備え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】
前記第１の変換手段はファイバーレーザーから成り、前記第２の変換手段はポーリングファイバー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】
前記ファイバーレーザー及び前記ポーリングファイバーは、互いに融着により接合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】
前記励起光の波長は４５０〜６３０ｎｍであることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載のマイクロ化学システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
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。
【背景技術】
【０００２】
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つとして微細な流路の中で試料溶液の混合、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、特許文献１参照）。これは互いに接合された２つのガラス基板から成るマイクロ化学システム用チップを備えている。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溶液が極微量であるので、高感度な検出方法が必須である。このような方法として、微細な流路内の試料溶液に励起光を照射する前後の検出光の信号強度の差（以下「ＴＬＭ（thermal lens microscope）出力」という。）を検出する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】
光熱変換分光分析法は、具体的には、励起光の照射により熱レンズが形成される前後で試料溶液に検出光を照射し、そのときの信号強度の差であるＴＬＭ出力を検出するものであり、極微量の試料溶液にある検出対象成分の濃度を検出するのに適している。
【０００７】
熱レンズは、検出対象成分が励起光を吸収することで温度が上がり、密度変化することにより形成されるので、検出されるＴＬＭ出力を大きくするには、励起光の波長としては該成分がよく吸収するものが望ましい。一方、検出光の照射によっても熱レンズが形成されたのでは正確なＴＬＭ出力が検出されなくなるため、検出光の波長としては該成分が吸収しないものが望ましい。
【０００８】
また、マイクロ化学システムを小型化するため、励起光及び検出光の光源にはレーザーダイオードが使用され、また、光軸調整用の冶具を用いずに励起光と検出光の光軸を安定的に同軸にするため、光学系には光ファイバーが使用されている。
【特許文献１】特開平８−１７８８９７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかしながら、検出対象成分がよく吸収する波長が、レーザーダイオードにより効率よく発振できない４５０〜６３０ｎｍの波長であるとき、ガスレーザー等、レーザーダイオードより大型の装置を用いなくてはならず、また、ガスレーザー等自体ではレーザー出力の制御をすることができないため、試料中に形成された熱レンズの分布が熱飽和によって崩れないようにするには、励起光の照射を周期的にＯＮ／ＯＦＦするチョッパーなどを外部に設ける必要があり、マイクロ化学システムが大型化するという問題がある。
【００１０】
さらには、上述のように外部にチョッパー等を設ける場合は、空中にレーザー光を放射するので、放射されたレーザー光が温度、振動等の外的変動を受け易くなって測定精度が悪化するという問題がある。また、光学系に光ファイバーを用いる場合は、空中に放射されたレーザー光をファイバー内に入射させるときにレーザー出力に大きなロスが発生する。
【００１１】
本発明の目的は、装置を小型化し、測定精度を向上させることができるマイクロ化学システムを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
請求項１記載のマイクロ化学システムは、内部に試料溶液を流す流路を有する透明基板と、前記流路中の試料溶液に熱レンズを生成するための励起光を照射する光源とを備えるマイクロ化学システムにおいて、前記光源は、レーザー光を発振するレーザーと、前記レーザー光を波長変換する第１の変換手段と、前記波長変換されたレーザー光を第２高調波に波長変換する第２の変換手段とを備えることを特徴とする。
【００１３】
請求項１記載のマイクロ化学システムによれば、励起光を照射する光源は、レーザーが発振したレーザー光を波長変換し、この波長変換されたレーザー光を第２高調波に波長変換するので、ガスレーザー等の大型の装置を用いることなく、レーザーダイオードにより効率よく発振できない波長の励起光を照射することができ、もって装置を小型化し、測定精度を向上させることができる。
【００１４】
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、前記レーザーはレーザーダイオードから成ることを特徴とする。
【００１５】
請求項２記載のマイクロ化学システムによれば、レーザーはレーザーダイオードから成るので、装置を確実に小型化することができる。
【００１６】
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、前記レーザーダイオードは、当該レーザーダイオードの出力を変調する出力変調装置を備えることを特徴とする。
【００１７】
請求項３記載のマイクロ化学システムによれば、レーザーダイオードの出力を変調する出力変調装置を備えるので、出力制御用のチョッパー等を外部に設けることなく、レーザーダイオードの出力制御をレーザーダイオードの内部で行うことができ、全ての光学系を光ファイバー内に閉じ込めることができ、装置を大型化することなく、測定精度を向上させることができる。
【００１８】
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、前記第１の変換手段はファイバーレーザーから成り、前記第２の変換手段はポーリングファイバーから成ることを特徴とする。
【００１９】
請求項４記載のマイクロ化学システムによれば、第１の変換手段はファイバーレーザーから成り、第２の変換手段はポーリングファイバーから成るので、請求項１の効果を確実に奏することができる。
【００２０】
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、前記ファイバーレーザー及び前記ポーリングファイバーは、互いに融着により接合されていることを特徴とする。
【００２１】
請求項５記載のマイクロ化学システムによれば、ファイバーレーザー及びポーリングファイバーは、互いに融着により接合されているので、レンズを介して結合する場合と比べ、ファイバーレーザーとポーリングファイバーとの光軸を合わせる冶具を不要とし且つ光利用効率を向上させることができる。
【００２２】
請求項６記載のマイクロ化学システムは、請求項１乃至５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、前記励起光の波長は４５０〜６３０ｎｍであることを特徴とする。
【発明の効果】
【００２３】
請求項１記載のマイクロ化学システムによれば、励起光を照射する光源は、レーザーが発振したレーザー光を波長変換し、この波長変換されたレーザー光を第２高調波に波長変換するので、ガスレーザー等の大型の装置を用いることなく、レーザーダイオードにより効率よく発振できない波長の励起光を照射することができ、もって装置を小型化し、測定精度を向上させることができる。
【００２４】
請求項２記載のマイクロ化学システムによれば、レーザーはレーザーダイオードから成るので、装置を確実に小型化することができる。
【００２５】
請求項３記載のマイクロ化学システムによれば、レーザーダイオードは出力を変調する出力変調装置を備えるので、出力制御用のチョッパー等を外部に設けることなく、レーザーダイオードの出力制御をレーザーダイオードの内部で行うことができ、全ての光学系を光ファイバー内に閉じ込めることができ、装置を大型化することなく、測定精度を向上させることができる。
【００２６】
請求項４記載のマイクロ化学システムによれば、第１の変換手段はファイバーレーザーから成り、第２の変換手段はポーリングファイバーから成るので、請求項１の効果を確実に奏することができる。
【００２７】
請求項５記載のマイクロ化学システムによれば、ファイバーレーザー及びポーリングファイバーは、互いに融着により接合されているので、レンズを介して結合する場合と比べ、ファイバーレーザーとポーリングファイバーとの光軸を合わせる冶具を不要とし且つ光利用効率を向上させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２８】
以下、本発明の実施の形態を図面を参照して詳細に説明する。
【００２９】
図１は、本発明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。
【００３０】
図１において、マイクロ化学システム１は、マイクロ化学システム用チップ２０の内部の試料溶液の混合、攪拌、合成、分離、抽出、検出等に用いられる流路２０４中の試料溶液に励起光及び検出光を照射する照射部１ａと、マイクロ化学システム用チップ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。
【００３１】
照射部１ａは、波長５３２ｎｍの励起光を出力する励起光用光源１０６と、波長６３５ｎｍの検出光を出力する検出光用光源１０７と、励起光用光源１０６及び検出光用光源１０７に夫々光ファイバーを介して接続され、励起光用光源１０６からの励起光と検出光用光源１０７からの検出光とを合波する２波長合波素子１０９と、合波された励起光及び検出光を受光する光ファイバー１０３、及び光ファイバー１０３の先端に取り付けられ、受光した励起光及び検出光をマイクロ化学システム用チップ２０内の流路２０４に照射するロッドレンズ１０１を有するレンズ付き光ファイバー１０と、レンズ付き光ファイバー１０の位置をマイクロ化学システム用チップ２０の流路２０４に面するように調整・保持する治具１０２とから成る。
【００３２】
受光部１ｂは、マイクロ化学システム用チップ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透過させる波長フィルタ４０２と、透過された検出光の信号強度を検出する光電変換器４０１と、光電変換器４０１から検出光の信号強度を励起光光源１０６の信号強度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ー４０４とから成る。
【００３３】
図１のマイクロ化学システム１により、励起光を流路２０４内の試料溶液に照射する前後の検出光の信号強度の差（ＴＬＭ（thermal lens microscope）出力）、即ち、試料溶液中に熱レンズが形成される前後における検出光の信号強度の差を光電変換器４０１で検出することで光熱変換分光分析が行われる。
【００３４】
図２は、図１のマイクロ化学システム１における励起光光源１０６の概略構成を示す図である。
【００３５】
図２において、励起光光源１０６は、例えば波長１０６４ｎｍのレーザー光を発振するファイバーレーザー５０２と、ファイバーレーザー５０２に接続され、ファイバーレーザー５０２から発振されたレーザー光を受光し、且つ受光したレーザー光を第２高調波に変換して、例えば波長を５３２ｎｍとするポーリングファイバー５０３とから成る。
【００３６】
ファイバーレーザー５０２は、例えば波長が８１０ｎｍのレーザー光を発振する前述のレーザーダイオード５０１と、レーザーダイオード５０１から発振されたレーザー光を集光する集光レンズ５０５と、両端にファイバーブラッググレーティング（ＦＢＧ）６０２ａ，６０２ｂが作製されたダブルクラッドファイバー６０１とから構成されている。ここで、集光レンズ５０５は省いてもよい。
【００３７】
前述のダブルクラッドファイバー６０１は、集光レンズ５０５で集光されたレーザー光を種光源として、波長が１０６４ｎｍのレーザー光を発振する。
【００３８】
また、レーザーダイオード５０１には、レーザーダイオード５０１の出力を変調する出力変調装置５０４が接続され、この出力変調装置５０４により、レーザーダイオード５０１の出力制御を行う。これにより、レーザーダイオード出力制御用のチョッパー等を外部に設ける必要をなくし、全ての光学系を光ファイバー内に閉じ込めることができ、もって励起光光源１０６全体の大きさを大型化することなく高精度な測定を行うことができる。
【００３９】
図３は、図２におけるダブルクラッドファイバー６０１の線III-IIIに沿う断面図である。
【００４０】
図３において、ダブルクラッドファイバー６０１は、シングルモードファイバーであり、軸中心から順に、希土類ＮｄがドープされたＳｉＯ２から成る直径７μｍφのコア７０１、シリカから成る星形のクラッド７０２、及び外径２００μｍφの低屈性率ポリマーから成る外被７０３を備える。
【００４１】
このダブルクラッドファイバー６０１の開口数（ＮＡ）は０．４５〜０．６０であり、また、ダブルクラッドファイバー６０１の出力はレーザーダイオード５０１からのレーザー光の出力のみに依存する。
【００４２】
図３のダブルクラッドファイバー６０１は、図４に示すダブルクラッドファイバー６０１’に代えてもよい。
【００４３】
図４は、図３のダブルクラッドファイバー６０１の変形例であるダブルクラッドファイバー６０１’の断面図である。
【００４４】
図４において、ダブルクラッドファイバー６０１’は、シングルモードファイバーであり、軸中心から順に、希土類ＮｄがドープされたＳｉＯ２から成る直径７μｍφのコア８０１、ＳｉＯ２から成る１００μｍ×３００μｍのクラッド８０２、直径３００μｍφの軟性ポリマー８０３、及び直径５００μｍφの硬性ポリマーから成る外被８０４を備える。
【００４５】
このダブルクラッドファイバー６０１’の開口数（ＮＡ）は０．５９である。
【００４６】
図２におけるＦＢＧ６０２ａ，６０２ｂは、上記ダブルクラッドファイバー６０１，６０１’の各両端のコア１００２（図７）（すなわち、ダブルクラッドファイバー６０１の場合のコア７０１と、ダブルクラッドファイバー６０１’の場合のコア８０１）において、その屈折率の高い部分（例えば、ｎH（当該部分の屈折率）＝ｎ（コア１００２の屈折率）＋０．００１）と低い部分（例えば、ｎＬ（当該部分の屈折率）＝ｎ）とが間隔ｄ（例えば、３６４ｎｍ）で周期的に変化したものである。
【００４７】
ファイバーレーザー５０２とポーリングファイバー５０３は、通常の石英ファイバー同士の接合と同様に互いに融着により接合されている。これにより、レンズを介して結合する場合と比べ、ファイバーレーザー５０２とポーリングファイバー５０３との光軸を合わせる冶具を不要とし且つ光利用効率を向上させることができる。
【００４８】
上記ダブルクラッドファイバー６０１，６０１’は、いずれも通常の石英ファイバーとほぼ同じく、所謂ＶＡＤ法により作製される。
【００４９】
図５は、ダブルクラッドファイバー６０１，６０１’を作製するのに用いられるＶＡＤ法を説明するための模式図であり、（ａ）はスート合成工程を示し、（ｂ）はガラス化工程を示し、（ｃ）は線引き工程を示す。
【００５０】
図５（ａ）のスート合成工程は、反応容器９０２内で回転している石英棒にその下方から、四塩化ケイ素（ＳｉＣｌ４）や四塩化ゲルマニウム（ＧｅＣｌ４）を酸素ガスや水素ガスと一緒に吹き付け、酸水素バーナで火炎加水分解反応を起こさせる工程である。ここで、四塩化ケイ素は光ファイバーの原料、四塩化ゲルマニウムは屈折率を制御するためのドーパントである。火炎加水分解反応によって、石英棒の下方からすす状の多孔質体スート９０１が軸方向に成長していく。
【００５１】
図５（ｂ）のガラス化工程は、上記石英棒を回転させながら上部に引き上げ、リング状ヒータ９０４で加熱する。これにより、スート合成工程で軸方向に成長した多孔質体スート９０１が透明ガラス化し、プリフォーム９０３が得られる（図６）。
【００５２】
図５（ｃ）の線引き工程は、ガラス化工程で得られたプリフォーム９０３を線引き炉９０５内で加熱溶融し、溶融ガラスとなったプリフォーム９０３を連続的に巻き取り、ファイバー化する。また、ファイバー化と同時に樹脂被覆器９０６内で樹脂をファイバー表面に被覆し、この被覆された樹脂をＵＶ照射器９０７内で照射しファイバー表面に接着する。これにより、傷つき易いガラスを表面を保護された光ファイバー心線が生成される。
【００５３】
上記のように作製されたダブルクラッドファイバー６０１，６０１’の両端には、ＦＢＧ６０２ａ，６０２ｂが図７に示す位相マスク法により作製される。
【００５４】
ダブルクラッドファイバー６０１，６０１’の両端には、図７に示すように、その表面からコア１００２にＫｒＦレーザーからのＵＶ波長２４８ｎｍの回折光が一定の角度θをもって照射され、これにより、コア１００２の屈折率がｄの間隔で周期的に変化したＦＢＧ６０２ａ，６０２ｂを得ることができる。
【００５５】
以上説明したファイバーレーザーは、種光や発振光がファイバー中の狭いコア中に閉じこめられて伝播するので、非常に効率的なレーザー発振が可能であり、高出力でも水冷が不要という利点を有している。
【００５６】
次に、図２におけるポーリングファイバー５０３について説明する。
【００５７】
図８は、図２におけるポーリングファイバー５０３の概略構成を示す斜視図である。
【００５８】
図８において、ポーリングファイバー５０３は、中心にコア１１０２と、周側部の一部がコア１１０２から１μｍ以下の位置まで研磨された研磨面１１０１とを有するカマボコ形の石英ファイバーから成る。コア１１０２は、対象とするレーザー光の波長と石英ファイバーの特性に応じて決定されたピッチ、例えば２０μｍで分極（ポーリング）され、非線形性が与えられている。
【００５９】
図９は、図８のポーリングファイバー５０３の作製方法を説明する図である。
【００６０】
図９において、まず、ポーリングファイバー５０３は、石英ファイバーをカマボコ形に削り、その平面部を研磨して研磨面１１０１とする。このとき研磨面１１０１からコア１１０２までの距離は１μｍ以下とする。
【００６１】
次に、研磨面１１０１に櫛電極１１０３を、また、そのほぼ反対側の面に膜状の電極１１０４をつけて両者間に高電圧をかけることにより、コア１１０２に周期的に電圧をかける。この櫛電極１１０３をつけるピッチは対象とする波長とファイバーの特性で決まり、約２０μｍとなる。
【００６２】
その後、電極間に高電圧をかけた状態で温度を２７０〜２８０℃とする。これにより、研磨面１１０１近くのガラスが分極（ポーリング）し、コア１１０２に非線形性が与えられる。
【００６３】
コア１１０２に非線形性が与えられた後、電極間に高電圧をかけるのを止めて室温まで冷却する。この処理の後は、再度高電圧をかけなくてもコアの非線形性は維持される。
【００６４】
本実施の形態に係るマイクロ化学システムによれば、励起光光源１０６においてレーザーダイオード５０１で８１０ｎｍの波長のレーザー光を発振し、レーザーダイオード５０１を種光としたファイバーレーザー５０２でレーザーダイオード５０１が発振したレーザー光を１０６４ｎｍの波長に波長変換し、ポーリングファイバー５０３でファイバーレーザー５０２が波長変換したレーザー光をその第２高調波である５３２ｎｍの波長に変換することができる。これにより、レーザーダイオード５０１単体では通常効率よく発振できない４５０〜６３０ｎｍの波長のレーザー光を効率良く得ることができる。
【００６５】
尚、本実施の形態では、レーザーダイオード５０１が発振するレーザー光の波長は８１０ｎｍであるが、レーザーダイオードが通常効率よく発振できるレーザー光の波長であればこれに限定されない。同様に、ファイバーレーザー５０２は波長１０６４ｎｍのレーザーを出力するが、ポーリングファイバー５０３がファイバーレーザー５０２で出力されたレーザー光を第２高調波に変換したときに、その波長が励起光の波長として適しているものであればこれに限定されない。
【図面の簡単な説明】
【００６６】
【図１】本発明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】図１のマイクロ化学システム１における励起光光源１０６の概略構成を示す図である。
【図３】図２におけるダブルクラッドファイバー６０１の線III-IIIに沿う断面図である。
【図４】図３のダブルクラッドファイバー６０１の変形例であるダブルクラッドファイバー６０１’の断面図である。
【図５】ダブルクラッドファイバー６０１，６０１’を作製するのに用いられるＶＡＤ法を説明するための模式図であり、（ａ）はスート合成工程を示し、（ｂ）はガラス化工程を示し、（ｃ）は線引き工程を示す。
【図６】図５（ｂ）のスート合成工程で成長するプリフォーム９０３を説明する図である。
【図７】図２におけるＦＢＧ６０２ａ，６０２ｂの位相マスク法による作製方法を説明する図である。
【図８】図２におけるポーリングファイバー５０３の概略構成を示す斜視図である。
【図９】図８のポーリングファイバー５０３の作製方法を説明する図である。
【符号の説明】
【００６７】
１  マイクロ化学システム
１０６  励起光用光源
５０１  レーザーダイオード
５０２  ファイバーレーザー
５０３  ポーリングファイバー
６０１  ダブルクラッドファイバー
６０２  ＦＢＧ
【図１】
2004271509.tif 000003
【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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