(57)【要約】【課題】  溶媒の流速を非接触で正確に測定することができる流速測定方法及び装置を提供する。【解決手段】  流速測定装置が適用された流速測定装置１００は、励起光がオフである熱レンズ拡散期間Ｃにおける信号強度差ΔＩを検出し、検出された信号強度差ΔＩの値の平均値をもとに、位相ずれθの値を検出して、検出された信号強度差ΔＩAの値及び位相ずれθAの値のうちいずれか一方又は双方から試料溶液の流速ｖの値及び試料溶液中の溶質の濃度ｃの値を計算する。【選択図】      図５
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
流路内を流れる溶媒の流速を測定する流速測定方法において、前記流路内の溶媒に励起光を照射して該溶媒に熱レンズを形成する励起光照射ステップと、前記形成された熱レンズに検出光を照射する検出光照射ステップと、前記熱レンズを透過した前記検出光の強度を検出する光強度検出ステップと、前記検出された検出光の強度に基づいて前記溶媒の流速を算出する流速算出ステップとを備えることを特徴とする流速測定方法。
【請求項２】
前記励起光照射ステップは、前記励起光をオフすることにより光オフ時間を生成する光オフ時間生成ステップを含み、前記光強度検出ステップは、前記生成された光オフ及び光オン時間における前記検出光の最大信号強度及び前記検出光の最小信号強度の信号強度差を検出する信号強度差検出ステップを含み、前記流速算出ステップは、前記検出された信号強度差から前記測定すべき溶媒の流速を算出するステップから成ることを特徴とする請求項１記載の流速測定方法。
【請求項３】
前記励起光照射ステップは、前記励起光をオフすることにより光オフ時間を生成する光オフ時間生成ステップを含み、前記光強度検出ステップは、前記生成された光オフ及び光オン時間において前記励起光がオフ又は／及びオンになった時刻に対する検出光の位相の遅れ信号を検出する位相遅れ検出ステップを含み、前記流速算出ステップは、前記検出された位相の遅れ信号から前記測定すべき溶媒の流速を算出するステップから成ることを特徴とする請求項１記載の流速測定方法。
【請求項４】
前記励起光照射ステップは、前記励起光をオフすることにより光オフ時間を生成する光オフ時間生成ステップを含み、前記光強度検出ステップは、前記生成された光オフ及び光オン時間における前記検出光の最大信号強度及び前記検出光の最小信号強度の信号強度差を検出する信号強度差検出ステップと、前記生成された光オフ及び光オン時間において前記励起光がオフ又は／及びオンになった時刻に対する検出光の位相の遅れ信号を検出する位相遅れ検出ステップとを含み、前記流速算出ステップは、前記検出された信号強度差及び前記検出された位相の遅れ信号から前記測定すべき溶媒の流速を計算するステップから成ることを特徴とする請求項１記載の流速測定方法。
【請求項５】
前記光オフ時間生成ステップでは、前記励起光のオン／オフのスイッチング周波数又は／及び前記励起光のオン／オフのデューティー比を変更することを特徴とする請求項２乃至４のいずれか１項に記載の流速測定方法。
【請求項６】
前記熱レンズは前記励起光を前記溶媒が吸収することにより形成されることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載の流速測定方法。
【請求項７】
前記溶媒は水から成ることを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１項に記載の流速測定方法。
【請求項８】
前記励起光に用いる波長は１４５０ｎｍであることを特徴とする請求項７記載の流速測定方法。
【請求項９】
前記検出光に９００ｎｍ以下の波長を用いることを特徴とする請求項１乃至８のいずれか１項に記載の流速測定方法。
【請求項１０】
前記溶媒には溶質が溶解されていることを特徴とする請求項１乃至９のいずれか１項に記載の流速測定方法。
【請求項１１】
前記溶媒には溶質が溶解されており、前記熱レンズは前記励起光を前記溶質が吸収することにより形成されることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載の流速測定方法。
【請求項１２】
前記溶媒に前記溶質が溶解されているときは、前記溶質の濃度算出を前記溶媒の流速の算出と同時に実行することを特徴とする請求項１０又は１１記載の流速測定方法。
【請求項１３】
前記溶質の濃度を測定する濃度測定ステップと、当該濃度測定ステップ及び前記流速算出ステップをほぼ同時に実行するステップとを備えることを特徴とする請求項１０乃至１２のいずれか１項に記載の流速測定方法。
【請求項１４】
請求項１乃至１３のいずれか１項に記載の流速測定方法を実行することを特徴とする流速測定装置。
【請求項１５】
流路内を流れる溶媒に溶解されている溶質の濃度を測定する濃度測定方法において、前記流路内の溶媒に励起光を照射して該溶媒に熱レンズを形成する励起光照射ステップであって、前記励起光をオフすることにより光オフ時間を生成する光オフ時間生成ステップを含む励起光照射ステップと、前記形成された熱レンズに検出光を照射する検出光照射ステップと、前記生成された光オフ及び光オン時間における前記検出光の最大信号強度及び最小信号強度の信号強度差を検出する信号強度差検出ステップと、前記生成された光オフ及び光オン時間において前記励起光がオフ又は／及びオンになった時刻に対する検出光の位相の遅れ信号を検出する位相遅れ検出ステップと、前記検出された信号強度差及び前記検出された位相の遅れ信号から前記測定すべき溶質の濃度を計算する濃度計算ステップとを備えることを特徴とする濃度測定方法。
【請求項１６】
前記光オフ時間生成ステップでは、前記励起光のオン／オフのスイッチング周波数又は／及び前記励起光のオン／オフのデューティー比を変更することを特徴とする請求項１５記載の濃度測定方法。
【請求項１７】
前記熱レンズは前記励起光を前記溶質が吸収することにより形成されることを特徴とする請求項１５又は１６記載の濃度測定方法。
【請求項１８】
請求項１乃至１２のいずれか１項に記載の流速測定方法における流速算出ステップを備え、当該流速算出ステップは、前記濃度計算ステップとほぼ同時に実行されることを特徴とする請求項１５乃至１７のいずれか１項に記載の濃度測定方法。
【請求項１９】
前記溶媒は水から成り、前記検出光に９００ｎｍ以下の波長を用いることを特徴とする請求項１５乃至１８のいずれか１項に記載の濃度測定方法。
【請求項２０】
請求項１５乃至１９のいずれか１項に記載の濃度測定方法を実行することを特徴とする濃度測定装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、流速測定方法及び装置、並びに濃度測定方法及び装置に関し、特に流路内を流れる溶媒の流速を測定する流速測定方法及び装置、並びに濃度測定方法及び装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
マイクロ化学システムは、小さなガラス基板等に形成した微細な流路の中で液中試料の混合、反応、分離、抽出、検出等を行うものである。このマイクロ化学システムで行われる反応の例としては、ジアゾ化反応、ニトロ化反応、抗原抗体反応などがある。また、抽出や分離の例としては、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よく、また複合的に用いられてもよい。マイクロ化学システム用チップに設けられた流路は、分岐路や合流路、さらには蛇行路のような種々の形状のものを含み、その中を流れる試料溶液の流速が流路の位置によっては一定ではない。マイクロ化学システムによる試料の分析として、このような試料溶液の流速を試料溶液中の試料の濃度と同時にあるいは並行して同一装置で測定することはできなかった。試料溶液中の試料の濃度の測定は、光熱変換分光分析法を利用するマイクロ化学システムによって実行することができる（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
一方、流路内を流れる試料溶液の流速を測定する流速測定装置としては、以下の第１から第４の流速測定装置がある。
【０００４】
第１の流速測定装置は、流路内に収容された歯車、発熱可能な棒、渦を発生させるための障害物等の流速測定治具を備える。第１の流速測定装置は、測定治具が歯車であるときは歯車の回転数に基づいて、発熱可能な棒であるときは棒の表面における放熱の程度に基づいて、渦を発生させる障害物であるときは障害物によって発生した渦の頻度に基づいて、試料溶液の流速を測定する。
【０００５】
第２の流速測定装置は、流路の両側に配された一対の磁気コイルを備え、試料溶液中の磁性物質の流れによる電磁誘導によって磁気コイル内に発生する起電力に基づいて、試料溶液の流速を測定する。
【０００６】
第３の流速測定装置は、流路の上流側と下流側に夫々１組の超音波発生装置及び超音波検出装置を備え、上流側から下流側への超音波の伝播時間と、下流側から上流側への超音波の伝播時間との差に基づいて、試料溶液の流速を測定する。
【０００７】
第４の流速測定装置は、流路中の試料溶液に微粒子を注入する微粒子注入装置と、試料溶液に挿入された微粒子を観察すべく流路の２つの観察位置に配されたＣＣＤとを備え、２つの観察位置間における微粒子の通過時間に基づいて、試料溶液の流速を測定する。この微粒子としては、試料溶液中の溶媒に溶解せず、試料溶液中の試料の密度よりも密度が小さく、蛍光を発するものが用いられる。
【特許文献１】特開２０００−３５６６１１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、上記第１の流速測定装置では、試料溶液中に測定治具が挿入されるので、試料溶液の流れ（層流）が乱れたり、例えば、分岐路の場合は、流量の偏りが発生して微量の試料の分析が困難である。
【０００９】
上記第２の流速測定装置は、試料溶液中の試料が微量であるので、磁気コイル内に発生する起電力が小さく、試料溶液の流速を正確に測定することができない。
【００１０】
上記第３の流速測定装置では、試料溶液の流量が少なく、しかも試料溶液が微量なので、超音波の伝播時間の差がほとんどなく、溶存した溶質を含む試料溶液の流速を正確に測定することができない。
【００１１】
上記第４の流速測定装置では、試料溶液に微粒子が注入されるので、夫々、試料溶液の流れ（層流）が乱れて微量の試料の分析が困難であり、ＣＣＤの配置位置が２箇所になるので装置が大型化する。
【００１２】
また、上記第１から第４の流速測定装置は、試料溶液の流速の測定に加えて、試料溶液中の溶質の濃度を測定していない。
【００１３】
本発明の第１の目的は、試料溶液の流速すなわち溶媒の流速を非接触で正確に測定することができる流速測定方法及び装置を提供することにある。
【００１４】
本発明の第２の目的は、簡単な構成で溶媒に溶解されている溶質の濃度と溶媒の流速とを同時に測定することができる流速測定方法及び装置、並びに濃度測定方法及び装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
上記第１及び第２の目的を達成するために、請求項１記載の流速測定方法は、流路内を流れる溶媒の流速を測定する流速測定方法において、前記流路内の溶媒に励起光を照射して該溶媒に熱レンズを形成する励起光照射ステップと、前記形成された熱レンズに検出光を照射する検出光照射ステップと、前記熱レンズを透過した前記検出光の強度を検出する光強度検出ステップと、前記検出された検出光の強度に基づいて前記溶媒の流速を算出する流速算出ステップとを備えることを特徴とする。
【００１６】
請求項２記載の流速測定方法は、請求項１記載の流速測定方法において、前記励起光照射ステップは、前記励起光をオフすることにより光オフ時間を生成する光オフ時間生成ステップを含み、前記光強度検出ステップは、前記生成された光オフ及び光オン時間における前記検出光の最大信号強度及び前記検出光の最小信号強度の信号強度差を検出する信号強度差検出ステップを含み、前記流速算出ステップは、前記検出された信号強度差から前記測定すべき溶媒の流速を算出するステップから成ることを特徴とする。
【００１７】
請求項３記載の流速測定方法は、請求項１記載の流速測定方法において、前記励起光照射ステップは、前記励起光をオフすることにより光オフ時間を生成する光オフ時間生成ステップを含み、前記光強度検出ステップは、前記生成された光オフ及び光オン時間において前記励起光がオフ又は／及びオンになった時刻に対する検出光の位相の遅れ信号を検出する位相遅れ検出ステップを含み、前記流速算出ステップは、前記検出された位相の遅れ信号から前記測定すべき溶媒の流速を算出するステップから成ることを特徴とする。
【００１８】
請求項４記載の流速測定方法は、請求項１記載の流速測定方法において、前記励起光照射ステップは、前記励起光をオフすることにより光オフ時間を生成する光オフ時間生成ステップを含み、前記光強度検出ステップは、前記生成された光オフ及び光オン時間における前記検出光の最大信号強度及び前記検出光の最小信号強度の信号強度差を検出する信号強度差検出ステップと、前記生成された光オフ及び光オン時間において前記励起光がオフ又は／及びオンになった時刻に対する検出光の位相の遅れ信号を検出する位相遅れ検出ステップとを含み、前記流速算出ステップは、前記検出された信号強度差及び前記検出された位相の遅れ信号から前記測定すべき溶媒の流速を計算するステップから成ることを特徴とする。
【００１９】
請求項５記載の流速測定方法は、請求項２乃至４のいずれか１項に記載の流速測定方法において、前記光オフ時間生成ステップでは、前記励起光のオン／オフのスイッチング周波数又は／及び前記励起光のオン／オフのデューティー比を変更することを特徴とする。
【００２０】
請求項６記載の流速測定方法は、請求項１乃至５のいずれか１項に記載の流速測定方法において、前記熱レンズは前記励起光を前記溶媒が吸収することにより形成されることを特徴とする。
【００２１】
請求項７記載の流速測定方法は、請求項１乃至６のいずれか１項に記載の流速測定方法において、前記溶媒は水から成ることを特徴とする。
【００２２】
請求項８記載の流速測定方法は、請求項７記載の流速測定方法において、前記励起光に用いる波長は１４５０ｎｍであることを特徴とする。
【００２３】
請求項９記載の流速測定方法は、請求項１乃至８のいずれか１項に記載の流速測定方法において、前記検出光に９００ｎｍ以下の波長を用いることを特徴とする。
【００２４】
請求項１０記載の流速測定方法は、請求項１乃至９のいずれか１項に記載の流速測定方法において、前記溶媒には溶質が溶解されていることを特徴とする。
【００２５】
請求項１１記載の流速測定方法は、請求項１乃至５のいずれか１項に記載の流速測定方法において、前記溶媒には溶質が溶解されており、前記熱レンズは前記励起光を前記溶質が吸収することにより形成されることを特徴とする。
【００２６】
請求項１２記載の流速測定方法は、請求項１０又は１１記載の流速測定方法において、前記溶媒に前記溶質が溶解されているときは、前記溶質の濃度算出を前記溶媒の流速の算出と同時に実行することを特徴とする。
【００２７】
請求項１３記載の流速測定方法は、請求項１０乃至１２のいずれか１項に記載の流速測定方法において、前記溶質の濃度を測定する濃度測定ステップと、当該濃度測定ステップ及び前記流速算出ステップをほぼ同時に実行するステップとを備えることを特徴とする。
【００２８】
上記第１及び第２の目的を達成するために、請求項１４記載の流速測定装置は、請求項１乃至１３のいずれか１項に記載の流速測定方法を実行することを特徴とする。
【００２９】
上記第２の目的を達成するために、請求項１５記載の濃度測定方法は、流路内を流れる溶媒に溶解されている溶質の濃度を測定する濃度測定方法において、前記流路内の溶媒に励起光を照射して該溶媒に熱レンズを形成する励起光照射ステップであって、前記励起光をオフすることにより光オフ時間を生成する光オフ時間生成ステップを含む励起光照射ステップと、前記形成された熱レンズに検出光を照射する検出光照射ステップと、前記生成された光オフ及び光オン時間における前記検出光の最大信号強度及び最小信号強度の信号強度差を検出する信号強度差検出ステップと、前記生成された光オフ及び光オン時間において前記励起光がオフ又は／及びオンになった時刻に対する検出光の位相の遅れ信号を検出する位相遅れ検出ステップと、前記検出された信号強度差及び前記検出された位相の遅れ信号から前記測定すべき溶質の濃度を計算する濃度計算ステップとを備えることを特徴とする。
【００３０】
請求項１６記載の濃度測定方法は、請求項１５記載の濃度測定方法において、前記光オフ時間生成ステップでは、前記励起光のオン／オフのスイッチング周波数又は／及び前記励起光のオン／オフのデューティー比を変更することを特徴とする。
【００３１】
請求項１７記載の濃度測定方法は、請求項１５又は１６記載の濃度測定方法において、前記熱レンズは前記励起光を前記溶質が吸収することにより形成されることを特徴とする。
【００３２】
請求項１８記載の濃度測定方法は、請求項１５乃至１７のいずれか１項に記載の濃度測定方法において、請求項１乃至１２のいずれか１項に記載の流速測定方法における流速算出ステップを備え、当該流速算出ステップは、前記濃度計算ステップとほぼ同時に実行されることを特徴とする。
【００３３】
請求項１９記載の濃度測定方法は、請求項１５乃至１８のいずれか１項に記載の濃度測定方法において、前記溶媒は水から成り、前記検出光に９００ｎｍ以下の波長を用いることを特徴とする。
【００３４】
上記第２の目的を達成するために、請求項２０記載の濃度測定装置は、請求項１５乃至１９のいずれか１項に記載の濃度測定方法を実行することを特徴とする。
【発明の効果】
【００３５】
請求項１記載の流速測定方法及び請求項１４記載の流速測定装置によれば、流路内の溶媒に励起光を照射して該溶媒に形成された熱レンズに検出光を照射し、熱レンズを透過した検出光の強度を検出し、検出された検出光の強度に基づいて溶媒の流速を算出するので、溶媒の流速を非接触で正確に測定することができる。
【００３６】
請求項２記載の流速測定方法によれば、光オフ時間を生成して、検出された信号強度差から測定すべき溶媒の流速を算出するので、溶媒の流速を非接触で正確に測定することができる。
【００３７】
請求項３記載の流速測定方法によれば、光オフ時間を生成して、検出された位相の遅れ信号から測定すべき溶媒の流速を算出するので、溶媒の流速を非接触で正確に測定することができる。
【００３８】
請求項４記載の流速測定方法によれば、光オフ時間を生成して、検出された信号強度差及び検出された位相の遅れ信号から測定すべき溶媒の流速を計算するので、溶媒の流速を非接触でより正確に測定することができる。
【００３９】
請求項５記載の流速測定方法によれば、励起光のオン／オフのスイッチング周波数又は／及び励起光のオン／オフのデューティー比を変更するので、信号強度差の値や位相ずれの値を調整して溶媒の流速の測定感度やＳ／Ｎ比を最適化することができ、もって溶媒の流速を非接触で確実且つ正確に測定することができる。
【００４０】
請求項６記載の流速測定方法によれば、熱レンズは励起光を溶媒が吸収することにより形成されるので、溶媒に確実に熱レンズを形成することができ、もって溶媒の流速を非接触で確実且つ正確に測定することができる。
【００４１】
請求項８記載の流速測定方法によれば、励起光に水が吸収する波長１４５０ｎｍを用いるので、水の流速を非接触でより正確に測定することができる。
【００４２】
請求項９記載の流速測定方法によれば、検出光に９００ｎｍ以下の波長を用いるので、水が検出光を吸収することがなく、もって水の流速を確実に測定することができる。
【００４３】
請求項１２記載の流速測定方法によれば、溶媒に溶質が溶解されているときは、溶質の濃度算出を溶媒の流速の算出と同時に実行するので、溶媒の流速を非接触でより正確に測定することができると共に、溶質の濃度を確実に測定することができる。
【００４４】
請求項１３記載の流速測定方法によれば、溶媒に溶解されている溶質の濃度を溶媒の流速とほぼ同時に測定するので、溶質をより正確に分析することができる。
【００４５】
請求項１５記載の濃度測定方法及び請求項２０記載の濃度測定装置によれば、流路内の溶媒に励起光を照射して該溶媒に形成された熱レンズに検出光を照射し、光オフ時間を生成して、光オフ及び光オン時間における、熱レンズを透過した検出光の最大信号強度及び最小信号強度の信号強度差を検出し、光オフ及び光オン時間において励起光がオフ又は／及びオンになった時刻に対する検出光の位相の遅れ信号を検出を検出し、検出された信号強度差及び検出された位相の遅れ信号から測定すべき溶質の濃度を計算するので、簡単な構成で溶媒に溶解されている溶質の濃度を測定することができる。
【００４６】
請求項１６記載の濃度測定方法によれば、励起光のオン／オフのスイッチング周波数又は／及び励起光のオン／オフのデューティー比を変更するので、信号強度差の値や位相ずれの値を調整して溶媒に溶解されている溶質の濃度の測定感度やＳ／Ｎ比を最適化することができ、もって溶質の濃度を確実且つ正確に測定することができる。
【００４７】
請求項１８記載の濃度測定方法によれば、溶媒の流速を溶媒に溶解されている溶質の濃度計算とほぼ同時に測定するので、溶質をより正確に分析することができる。
【００４８】
請求項１９記載の濃度測定方法によれば、溶媒が水から成り、検出光に９００ｎｍ以下の波長を用いるので、水がほとんど吸収することがない波長の検出光を用いて溶質の濃度を測定することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００４９】
以下、本発明の実施の形態を図面を参照しながら詳細に説明する。
【００５０】
図１は、本発明の実施の形態に係る流速測定装置の構成を概略的に示すブロック図である。
【００５１】
図１において、本発明の実施の形態に係る流速測定装置１００は、後述する流路付き板状部材１０内に形成された流路１１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、流路付き板状部材１０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。この流速測定装置１００は、光熱変換分光分析法を利用して流路付き板状部材１０の流路１１内の試料溶液の微量な試料の濃度や試料溶液の流速ｖを測定する。なお、試料溶液とは、溶媒に試料（溶質）が溶解されているものをいい、溶質は液体であっても、固体であってもよい。
【００５２】
照射部１ａは、励起光を出力する励起光用光源１２と、検出光を出力する検出光用光源１３と、励起光用光源１２が出力する励起光を変調する変調器１４と、励起光用光源１２及び検出光用光源１３に夫々光ファイバーを介して接続され、励起光用光源１２からの励起光と検出光用光源１３からの検出光を合波する２波長合波素子１５と、合波された光を受光すると共に、流路付き板状部材１０の流路１１に合波された光を照射するレンズ付き光ファイバー１６とから成る。レンズ付き光ファイバー１６のレンズ部は、円筒形のロッドレンズ１７から成る。ロッドレンズを用いるので、組み立てやすくすることができる。上記構成では、試料溶液に励起光を導波する少なくとも１本の光ファイバーを用いるので、光軸調整を不要とすることができ、もって作業効率を向上させることができる。
【００５３】
流路付き板状部材１０は、３層に順に接着された３つの基板から成り、内部に形成される流路１１は、試料溶液の混合、攪拌、合成、分離、抽出、検出等に用いられる。
【００５４】
このように照射部１ａを構成することにより、励起光と検出光が合波された光を流路付き板状部材１０の流路１１に照射でき、且つ、励起光の焦点を流路１１中に位置させてそこに熱レンズを形成することができる。
【００５５】
受光部１ｂは、流路付き板状部材１０の流路１１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濾波する波長フィルター２０と、濾波された検出光を検出する光電変換器２１と、光電変換器２１と変調器１４に接続され、光電変換器２１からの信号を受信するロックインアンプ２２と、この信号を解析するコンピューター２３とから成る。コンピューター２３は、変調器１４に接続されている。
【００５６】
ロッドレンズ１７は、例えば、中心から周辺に向かって屈折率が連続的に変化する集光レンズ、屈折率分布型セルフォックマイクロレンズから成る。ロッドレンズ１７は屈折率分布型であるので、円筒形の側面のアスペクト比（直径／長さ）を小さくすることができると共に、その底面を平面とすることができ、もって光ファイバーに容易に取り付けてレンズ付き光ファイバー１６を構成することができ、もって取り付けの作業効率を向上させることができる。この構成により、レンズ付き光ファイバー１６の光軸を容易に調整することができる。
【００５７】
励起光用光源１２は、電源がオンであるときに、例えば、出力５ｍＷ、波長６５０ｎｍの励起光を出射する。
【００５８】
変調器１４は、励起光用光源１２の電源のオン／オフを周期的にスイッチングすることにより励起光を周期的にオン／オフする。該オン／オフの周波数ｆ（以下、「スイッチング周波数ｆ」という）の値は、例えば１ｋＨｚである。このスイッチング周波数ｆの値は、変調器１４により直接に、又はコンピューター２３のプログラムに基づいて変更することが可能である。
【００５９】
この励起光用光源１２のスイッチングは、具体的には、励起光用光源１２のオン／オフの各時間が、例えば０．５ｍｓｅｃで等しくなるように、即ちデューティー比（duty ratio）が５０：５０で一定となるように行われる（図２）。なお、このスイッチングにおいて、電源がオンから再度オンになるまでの時間（１ｍｓｅｃ）を１周期とする。
【００６０】
光ファイバーは、２波長合波素子１５により励起光と検出光が合波された光をシングルモードでロッドレンズ１７に導波する。これにより、導波モードの不安定さがマルチモードよりも無くなり、試料溶液の流速を非接触でさらに正確に測定することができる。ロッドレンズ１７は色収差を有する。これにより、励起光及び検出光の合焦位置のずれを調整することができ、もって試料溶液の流速を非接触でより正確に測定することができる。
【００６１】
ロックインアンプ２２は、所定のタイミングが入力され、後述する信号の強度Ｉの差（以下、単に「信号強度差ΔＩ」という）の値と後述する位相ずれθ（位相の遅れ信号）の値とをコンピューター２３に入力する。
【００６２】
コンピューター２３は、変調器１４をプログラムにより制御する。また、コンピューター２３は、信号強度差ΔＩの値と位相ずれθの値とを測定値として試料分析用にデータ化して、これら２つの値ΔＩ，θから試料溶液中の溶質の濃度と試料溶液の流速ｖを計算することにより試料溶液の分析を行う。
【００６３】
以下、図１の流速測定装置１００の作動を説明する。なお、この流速測定装置は、後述する濃度測定装置を兼ねる。
【００６４】
図１において、試料溶液はポンプにより送液されて流路１１を通過する。電源がオンであるときに励起光用光源１２から出射された励起光は、ロッドレンズ１７により集光されて流路１１を通過している試料溶液に合焦される。その合焦した励起光は、試料溶液中の試料及び／又はマイクロ化学システムにおける反応生成物である溶質に吸収されて、その熱量は試料溶液の溶媒に移動する。熱量を獲得した試料溶液の溶媒には、励起光の合焦位置（焦点）における溶質を中心にして直径が２〜数μｍの熱レンズが形成される。試料溶液に吸収されなかった励起光は波長フィルター２０により反射される。これにより、励起光が光電変換器２１に入射するのを防止することができる。なお、励起光の波長を適宜変更して試料溶液中の溶媒に励起光を吸収させることにより、合焦位置に熱レンズを形成してもよい。
【００６５】
一方、検出光用光源１３から出射された、励起光とは異なる波長の検出光は、２波長合波素子１５により励起光と同軸的に合波され、ロッドレンズ１７により集光されて流路１１を通過している試料溶液に合焦される。検出光は、励起光により形成されている熱レンズにより発散するか又は集光して波長フィルター２０を通過する。波長フィルター２０を通過した検出光は、光電変換器２１により電気的な信号として検出され、後述する信号強度差ΔＩの値及び位相ずれθの値がロックインアンプ２２によりコンピューター２３に入力される。
【００６６】
信号強度差ΔＩの値及び位相ずれθの値は、コンピューター２３により測定値として試料分析用にデータ化されて試料溶液の分析が行われる。
【００６７】
図２は、図１における励起光用光源１２のスイッチングと、ロックインアンプ２２に入力された信号の信号強度Ｉとの関係を示すタイミングチャートである。なお、図２において、スイッチング周波数ｆの値は１ｋＨｚ、デューティー比は５０：５０、試料溶液の流速ｖの値２μｍ／ｍｓｅｃである。
【００６８】
図２に示すように、ロックインアンプ２２に入力された信号の信号強度Ｉは、励起光が試料溶液中の溶質に吸収されることにより形成された熱レンズの光屈折力に応じて変化すると共に、変調器１４による励起光用光源１２に対するスイッチングの周波数ｆの値１ｋＨｚの逆数である周期１０００ｓｅｃ-1（秒-1）に同期して変化する。
【００６９】
流速測定装置１００は、図２における信号強度差ΔＩA及び位相ずれθAを測定する。
【００７０】
なお、上記信号強度差ΔＩとは、最大信号強度Ｉ0の値と最小信号強度Ｉ1の値との差の絶対値｜Ｉ0−Ｉ1｜をいう。
【００７１】
また、上記位相ずれθとは、スイッチングオフの位相に対して検出光の位相が遅れる程度を示す指標であって、信号強度Ｉの値が、例えば信号強度差ΔＩの値の平均値である信号強度Ｉ2となるまでの単位が、例えばラジアンで表される角度をいう。なお、上記位相ずれθを、スイッチングオンの位相をもとに求めてもよいし、スイッチングオン及びスイッチングオフの位相をもとに求めてもよい。
【００７２】
信号強度Ｉに対応する熱レンズの光屈折力は、励起光用光源１２の電源がオンとなると、熱レンズが形成されて徐々に増大する（熱レンズ形成期間Ａ）。やがて、熱レンズの光屈折力は一定となる。実際には、試料溶液は所定の流速で送液されているので、熱レンズは形成と拡散とがバランス状態である定常状態となっている（熱レンズ形成−拡散バランス期間Ｂ）。その後、励起光用光源１２の電源がオフとなると、試料溶液中の溶質が励起光を吸収して熱量を獲得することがないので、熱レンズは拡散して熱レンズの光屈折力は徐々に減退し、やがて熱レンズは消滅する（熱レンズ拡散期間Ｃ）。
【００７３】
ここで、熱レンズの拡散、即ち信号強度Ｉの減少には次の流速パラメーターが寄与する。
【００７４】
この流速パラメーターは、熱レンズが試料溶液の流れに伴ってロッドレンズ１７の焦点位置から移動する際の試料溶液の流速ｖに由来する。流速パラメーターは、試料溶液の流速ｖの値が大きいほど、熱レンズの移動、即ち信号強度Ｉの値の減少に寄与し、且つ位相ずれθの値も後述するように小さくなる。この流速パラメーターの寄与が大きいほど、熱レンズの拡散の程度が大きく、信号強度Ｉ0の値が小さくなる。
【００７５】
上述したように、流速パラメーターは、信号強度差ΔＩにも位相ずれθにも寄与することから、図２の信号強度差ΔＩAの値及び位相ずれθAの値の一方から試料溶液の流速ｖの値を算出できることになる。
【００７６】
図３は、信号強度差ΔＩと試料溶液の流速ｖとの関係を示す図である。
【００７７】
図３に示すように、信号強度差ΔＩの値は、試料溶液の流速ｖの値が増大するにしたがって低下する。なお、このような信号強度差ΔＩと試料溶液の流速ｖとの関係を検量線として格納しておくことが好ましい。これにより、流速測定装置１００は、図３の関係に基づいて、検出された信号強度差ΔＩから流速ｖの値を算出することができる。
【００７８】
なお、上記検量線は、例えば下記式１のように表される。
【００７９】
ΔＩ＝ｍ・ｖ＋Ｐ                      …（１）
ここで、ｍは図３における傾きを表す定数であり、Ｐは所定の定数であって、後述する試料溶液中の溶質の濃度ｃの値に基づいて決定されることが好ましい。
【００８０】
図４は、位相ずれθと試料溶液の流速ｖとの関係を示す図である。
【００８１】
図４に示すように、位相ずれθの値は、試料溶液の流速ｖの値が増大するにしたがって減少する。なお、このような位相ずれθと試料溶液の流速ｖとの関係を検量線として格納しておくことが好ましい。これにより、流速測定装置１００は、図４の関係に基づいて、検出された位相ずれθから流速ｖの値を算出することができる。
【００８２】
なお、上記検量線は、例えば下記式２のように表される。
【００８３】
θ＝ｍ’・ｖ＋Ｐ’                    …（２）
ここで、ｍ’は図４における傾きを表す定数であり、Ｐ’は所定の定数であって、後述する試料溶液中の溶質の濃度ｃの値に基づいて決定されることが好ましい。
【００８４】
また、実際に流速を測定したときの図３及び図４に対応する結果を図９及び図１０に示す。
【００８５】
図９及び図１０において、試料溶液は、溶媒としての水と、水に溶解されている溶質としてのニッケル（II）フタロシアニンスルホン酸四ナトリウム塩とから成り、溶質の濃度は１０-5ｍｏｌ／ｄｍ3（１０-5ｍｏｌ／ｌ）である。また、励起光の波長は６５８ｎｍであり、検出光の波長は７８５ｎｍである。流路１１として、幅２００μｍ、深さ１５０μｍのものを用いた。図９の信号強度差−流速、及び図１０の位相−流速の測定結果は、夫々１周期１ｍｓｅｃ、デューティー比５０：５０で得られたものである。
【００８６】
図９及び図１０から、信号強度差ΔＩ（ｍＶ）と流速（ｍｍ／ｓｅｃ）、位相ずれθ（度）と流速（ｍｍ／ｓｅｃ）は、夫々所定の関係にあることが分かる。したがって、信号強度差ΔＩや位相のずれθから試料溶液の流速を測定することができることになる。
【００８７】
また、流速パラメーターは、信号強度差ΔＩにも位相ずれθにも寄与することから、信号強度差ΔＩAの値及び位相ずれθAの値の双方から試料溶液の流速ｖの値を計算できることになる。以下、この計算方法を説明する。
【００８８】
図５は、図１の流速測定装置１００によって実行される流速測定処理のフローチャートである。本処理は、図１のマイクロ化学システムのコンピューター２３によって実行される。なお、本処理を繰り返し実行されてもよいし、複数の周期に亘って本処理を実行してその結果を平均化してもよい。
【００８９】
図５において、まず、変調器１４を介して励起光用光源１２の電源をオフすることにより、励起光をオフする（ステップＳ１）。次に、図２の熱レンズ拡散期間Ｃにおける信号強度差ΔＩAを検出し（ステップＳ２）、検出された信号強度差ΔＩAの値の平均値Ｉ2をもとに、位相ずれθAの値を検出する（ステップＳ３）。そして、検出された信号強度差ΔＩAの値及び位相ずれθAの値から試料溶液の流速ｖの値を計算する（ステップＳ４）。この計算は、例えば後述する所定の式に信号強度差ΔＩAの値及び位相ずれθAの値を代入することによって行われる。続くステップＳ５では、後述する濃度測定処理を実行する。そして、本処理を終了する。
【００９０】
上記ステップＳ３では、位相ずれθAの値を、励起光のスイッチングオン又はスイッチングオフの位相をもとに求めてもよいし、スイッチングオン及びスイッチングオンの位相をもとに求めてもよい。
【００９１】
なお、図５において、ステップＳ１〜Ｓ３の検出処理やステップＳ１〜Ｓ４の計算までの処理を繰り返し、その平均値を算出する処理を行ってもよい。
【００９２】
なお、上記所定の式では、流速ｖが、信号強度差ΔＩ及び位相ずれθの関数で表される（例えば式３）。
【００９３】
ｖ＝ａ・ΔＩ＋ｂ・θ＋ｄ              …（３）
ここで、ａ，ｂ，ｄは、それぞれ所定の定数である。
【００９４】
それぞれの定数は、実験データに基づいて決定される。図３と図４とを比較すると分かるように、試料溶液の流速ｖの値が小さいときは、信号強度差ΔＩの値は大きく且つ位相ずれθの値は大きく、一方、流速ｖの値が大きいときは、信号強度差ΔＩの値は小さく且つ位相ずれθの値は小さい。このような関係を満たすように、信号強度差ΔＩの係数ａ及び位相ずれθの係数ｂが決定される。
【００９５】
上記実施の形態において、式１〜３は一次式で表されているが、多次の式で表されていてもよい。これにより、測定精度を向上させることができる。
【００９６】
本実施の形態に係る流速測定装置１００では、１〜１００ｍｍ／ｓｅｃ、特に１〜２５ｍｍ／ｓｅｃという小さい値の流速ｖであっても、励起光のオン／オフのスイッチング周波数及びデューティー比を調整することにより、正確に測定することができる（図３及び図４，図８及び図９参照）。さらに、数十μｍ角という微細な断面積の流路１１、即ち試料溶液が少ない流量であっても試料溶液の流速ｖを、非常に感度が高く、且つ正確に測定することができる。また、流速測定装置１００が熱レンズを利用するので、試料溶液の流速ｖを非接触で正確に測定することができる。
【００９７】
そのうえ、流速の測定に用いられる熱レンズの大きさが小さいので、測定位置を変更することによって、流路内断面方向及び流れ方向の速度分布を測定することができる。
【００９８】
以下、本発明の変形例を説明する。
【００９９】
本変形例においても流速測定装置１００を使用する。本変形例では、流速パラメーターを考慮すると、図１における変調器１４のスイッチングの形態を変化、即ち励起光がオフである時間を変化させることにより、信号強度差ΔＩの値及び位相ずれθの値を調整し、流速ｖの測定感度やＳ／Ｎ比を最適化することができる。したがって、本変形例は、信号強度差ΔＩの値及び位相ずれθの値のうち少なくとも一方がノイズ等の影響により最適の値を検出することができなかった場合に有効である。
【０１００】
本発明の第１の変形例に係る変調器１４は、スイッチング周波数ｆの値を変化させることができるように構成されている。
【０１０１】
図６は、本発明の第１の変形例に係る変調器１４によって、スイッチング周波数ｆの値を増大させたときの信号強度Ｉを示すタイミングチャートである。なお、図６において、デューティー比及び試料溶液の流速ｖの値は、図２のものと同じであり、スイッチング周波数ｆの値は２ｋＨｚで図２のものよりも大きい。
【０１０２】
図６に示すように、スイッチング周波数ｆの値が図２におけるスイッチング周波数ｆの値よりも大きいので、熱レンズ拡散期間Ｃに熱レンズ形成期間Ａが重畳する。これは、流速パラメーターの寄与により熱レンズが完全に消滅又は移動しないうちに、試料溶液中（熱レンズ内）の溶質が励起光を吸収して熱レンズの熱量が増大するからである。
【０１０３】
また、図６に示したように熱レンズ拡散期間Ｃに熱レンズ形成期間Ａが重畳しているときは、信号強度差ΔＩBの値は重畳していないときの信号強度差ΔＩAの値よりも小さく、且つ位相ずれθBの値は重畳していないときの位相ずれθAの値よりも大きい。
【０１０４】
図６によれば、スイッチング周波数ｆの値を増大させることにより、位相ずれθの値がθAからθBに増大するので、位相ずれθの値を調整し、流速ｖの測定感度やＳ／Ｎ比を最適化することができる。なお、スイッチング周波数ｆの値を減少させることにより、信号強度差ΔＩの値をΔＩAからΔＩBに増大させて、信号強度差ΔＩの値を調整し、流速ｖの測定感度やＳ／Ｎ比を最適化してもよい。
【０１０５】
次に、第２の変形例に係る変調器１４を説明する。
【０１０６】
図７は、第２の変形例に係る変調器１４のスイッチングの形態を示す図である。
【０１０７】
図７に示すように、本変形例に係る変調器１４は、スイッチング周波数ｆの値を、例えば１ｋＨｚで一定として、１周期（１ｍｓｅｃ）における、励起光用光源１２の電源がオンである時間及び同電源がオフである時間、即ちデューティー比を、例えば５０：５０から２５：７５へというように複数の周期に亘って徐々に変化させる。
【０１０８】
本変形例によれば、連続的に励起光がオフである時間を変更することができる。
【０１０９】
さらに、第３の変形例に係る変調器１４を説明する。
【０１１０】
図８は、第３の変形例に係る変調器１４のスイッチングの形態を示す図である。
【０１１１】
図８に示すように、本変形例に係る変調器１４は、励起光用光源１２の電源がオンである時間が複数の周期に亘って等しいまま、スイッチング周波数ｆの値及びデューティー比を複数の周期に亘って徐々に変化させることにより、同電源がオフである時間を、例えば０．７５ｍｓｅｃから１．０ｍｓｅｃへというように複数の周期に亘って徐々に変化させる。
【０１１２】
本変形例によれば、連続的に励起光がオフである時間を変更することができる。
【０１１３】
上記第２又は第３の変形例では、デューティー比を徐々に変化させるとしたが、この変化は連続的でなくてもよく、また一度に行ってもよい。
【０１１４】
上記実施の形態に係る流速測定装置１００は、信号強度差ΔＩの値及び位相ずれθの値の一方又は双方から、光熱変換分光分析法を用いて試料溶液中の溶質の濃度ｃを後述するように測定してもよい。
【０１１５】
測定される試料溶液中の溶質の濃度ｃの値は、式１における定数Ｐの値、及び式２における定数Ｐ’の値と、それぞれ、以下に示す式４，５のような関係がある。
【０１１６】
Ｐ＝ｎ・ｃ＋ｋ                        …（４）
Ｐ’＝ｎ’・ｃ＋ｋ’                  …（５）
この式４，５の関係を式１，２に代入すると、以下の式６，７の関係を得ることができる。
【０１１７】
ΔＩ＝ｍ・ｖ＋ｎ・ｃ＋ｋ              …（６）
θ＝ｍ’・ｖ＋ｎ’・ｃ＋ｋ’          …（７）
したがって、流速測定装置１００が信号強度差ΔＩの値及び位相ずれθの値の双方から試料溶液の流速ｖを測定する場合には、試料溶液中の溶質の濃度ｃも上記式６、７からほぼ同時に計算することができることになる。
【０１１８】
また、式６，７のように、試料溶液の流速ｖ及び試料溶液中の溶質の濃度ｃを関連付けたので、試料溶液の流速ｖの値及び試料溶液中の溶質の濃度ｃの値をより正確に計算することができる。
【０１１９】
また、本実施の形態に係る流速測定装置１００が信号強度差ΔＩの値及び位相ずれθの値の双方から試料溶液中の溶質の濃度ｃの値を計算する場合には、例えば下記式８に、信号強度差ΔＩAの値及び位相ずれθAの値を代入してもよい。
【０１２０】
ｃ＝ａ’・ΔＩ＋ｂ’・θ＋ｄ’              …（８）
ここで、ａ’，ｂ’，ｄ’は、それぞれ所定の定数である。
【０１２１】
なお、式３と式８が互いに類型であることから、試料溶液の流速ｖ及び試料溶液中の溶質の濃度ｃを、上記式６，７のように関連付けることができるのはいうまでもない。また、式８は一次式で表されているが、測定精度を向上させるために多次の式で表されていてもよい。
【０１２２】
試料溶液の流速ｖの測定には、光熱変換分光分析法が用いられているので、試料溶液の流速ｖと試料溶液中の溶質の濃度とをほぼ同時に且つ正確に測定することができると共に、流速測定装置１００の構成を簡単にすることができる。また、試料溶液に不純物を挿入することがないので、試料溶液の流速ｖ及び試料溶液中の溶質の濃度を非接触で正確に測定することができる。
【０１２３】
なお、上記実施の形態では、信号強度差を、絶対値｜Ｉ0−Ｉ1｜で表される信号強度差ΔＩとしたが、信号強度Ｉ0と熱レンズ拡散期間Ｃにおける所定時刻t（励起光用光源１４の電源をオフとしてから、例えば０．２５ｍｓｅｃ経過後）の信号強度Ｉtとの差の絶対値｜Ｉ0−Ｉt｜で表される信号強度差としてもよい。また、位相ずれθの値は、熱レンズ形成期間Ａと熱レンズ形成期間Ｃの平均値であってもよい。
【０１２４】
なお、上記実施の形態において、変調器１４は、励起光のオン／オフを周期的にスイッチングすればよく、例えばチョッパーで構成されてもよい。
【０１２５】
上記実施の形態では、溶媒と溶質とから成る試料溶液を分析したが、本分析においては、溶媒及び／又は溶質が吸収する励起光の波長を適宜選択することによって流速測定することができ、溶質が吸収する励起光の波長を適宜選択することによって濃度測定することができる。
【０１２６】
即ち、本分析において、溶媒及び溶質の組み合わせは以下の通りである。
【０１２７】
１．所定波長の励起光を吸収する溶媒及び吸収しない溶質
２．所定波長の励起光を吸収する溶媒及び吸収する溶質
３．所定波長の励起光を吸収しない溶媒及び吸収する溶質
４．所定波長の励起光を吸収する溶媒のみ
上記組み合わせ１〜４は、流速測定に適用され、上記組み合わせ２，３は、濃度測定に適用される。
【０１２８】
なお、上記組み合わせのうち、組み合わせ２では、得られた信号強度から、溶媒からの信号強度を差し引くことによって、溶質の濃度を測定することができる。
【０１２９】
以下、具体例として、溶媒が水である場合を説明する。
【０１３０】
図１１（ａ），（ｂ）は、水の信号強度と、励起光又は検出光の波長との関係を示す図である。なお、この図は、参考文献「Refractive indices of water and ice in the 0.65 μｍ 2.5 μｍ spectral range（L. Kou、D. Labrie、及びP. Chylek，Appl. Opt.，３２，第３５３１頁〜第３５４０頁，１９９３年）」に基づくものである。
【０１３１】
図１１（ａ）に示すように、水は、励起光の波長が１４５０ｎｍ付近にあるときに励起光を吸収し、また、図１１（ｂ）に示すように、検出光の波長が９００ｎｍ以下では検出光をほとんど吸収することがない。
【０１３２】
したがって、励起光に用いる波長を１４５０ｎｍとすることにより、水又は水溶液の流速を測定することができることになる。また、同時に、検出光に用いる波長を９００ｎｍ以下とすることにより、水又は水溶液の流速を確実に測定することができる。
【０１３３】
なお、溶媒は、水に限られず、アルコール、アセトン等の有機溶媒であってもよい。
【産業上の利用可能性】
【０１３４】
本発明の実施の形態に係る流速測定装置及び濃度測定装置は、例えばマイクロ化学システムに適用することができる。
【図面の簡単な説明】
【０１３５】
【図１】本発明の実施の形態に係る流速測定装置の構成を概略的に示すブロック図である。
【図２】図１における励起光用光源１２のスイッチングと、ロックインアンプ２２に入力された信号強度との関係を示すタイミングチャートである。
【図３】信号強度差ΔＩと試料溶液の流速ｖとの関係を示す図である。
【図４】位相ずれθと試料溶液の流速ｖとの関係を示す図である。
【図５】図１の流速測定装置１００によって実行される流速測定処理のフローチャートである。
【図６】本発明の第１の変形例に係る変調器１４によって、スイッチング周波数ｆの値を増大させたときの信号強度Ｉを示すタイミングチャートである。
【図７】第２の変形例に係る変調器１４のスイッチングの形態を示す図である。
【図８】第３の変形例に係る変調器１４のスイッチングの形態を示す図である。
【図９】図３に対応する流速測定結果を示す図である。
【図１０】図４に対応する流速測定結果を示す図である。
【図１１】水の信号強度と、励起光又は検出光の波長との関係を示す図であって、（ａ）は、励起光の波長の範囲が１２００ｎｍ〜１６００ｎｍにあるときの水の吸光度を、（ｂ）は、検出光の波長の範囲が範囲が６００ｎｍ〜１２００ｎｍにあるときの水の吸光度を示す。
【符号の説明】
【０１３６】
１１  流路
１２  励起光用光源
１３  検出光用光源
１４  変調器
１７  ロッドレンズ
２２  ロックインアンプ
２３  コンピューター
１００  流速測定装置
【図１】
2004361379.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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【図１０】
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【図１１】
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