(57)【要約】【課題】一般に化学プラントにおいては、反応生成物の吸収スペクトルを測定し、その高精度な定性、定量分析が可能な機能を微小部分に集積化させ、さらにこれをマイクロ化学システムに搭載ないし接続するのは困難であった。【解決手段】上記課題に対し、本発明のマイクロ分光計測装置では、欠陥を有するフォトニック結晶のアレイを用いたマイクロ分光用素子、サンプル導入用の流路、近赤外から赤外領域に感度を有する光検出素子、が積層された構造から構成されることを特徴とする。【選択図】  図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
光の導入部及び光の放出部を有する分光素子と、
光検出素子と、
前記光の放出部と前記光検出素子の間に形成された試料の流路とを備え、
前記分光素子と前記光検出素子と前記試料の流路とが基板上に形成されたマイクロ分光計測装置。
【請求項２】
分光素子を含む第一の層と、
光検出素子を含む第二の層と、
分析試料の流路を含む第三の層とを備え、
前記第一の層、第二の層および第三の層とが同一基板上に積層されたことを特徴とするマイクロ分光計測装置。
【請求項３】
請求項１または２に記載のマイクロ分光計測装置において、前記基板上に形成された光の導波路を備えたことを特徴とするマイクロ分光計測装置。
【請求項４】
請求項３記載のマイクロ分光計測装置において、前記光の導波路と前記分光素子とが互いに隣接して配置されたことを特徴とするマイクロ分光計測装置。
【請求項５】
請求項１乃至４のいずれかに記載のマイクロ分光計測装置において、前記分光素子は、欠陥を有するフォトニック結晶で構成されたことを特徴とするマイクロ分光計測装置。
【請求項６】
請求項５に記載のマイクロ分光計測装置において、
前記フォトニック結晶は、
第一の材料と、該第一の材料よりも屈折率の低い第二の材料とが、周期的に繰り返されて配置された周期構造を有することを特徴とするマイクロ分光計測装置。
【請求項７】
請求項６に記載のマイクロ分光計測装置において、
前記分光素子が、複数の前記フォトニック結晶から構成され、
前記複数のフォトニック結晶は、入射光に対する出射光の波長が各々異なっていることを特徴とするマイクロ分光計測装置。
【請求項８】
請求項７に記載のマイクロ分光計測装置において、前記複数のフォトニック結晶は、それぞれ前記周期構造の周期が異なることを特徴とするマイクロ分光計測装置。
【請求項９】
請求項５乃至８のいずれかに記載のマイクロ分光計測装置において、前記フォトニック結晶が二次元フォトニック結晶であることを特徴とするマイクロ分光計測装置。
【請求項１０】
請求項９に記載のマイクロ分光計測装置において、
前記二次元フォトニック結晶が、
前記第一の材料中に複数の柱状の前記第二の材料を周期的に配列した構造、
または、前記第二の材料中に複数の柱状の前記第一の材料を周期的に配列した構造を有することを特徴とする請求項９記載のマイクロ分光計測装置。
【請求項１１】
請求項５乃至８のいずれかに記載のマイクロ分光計測装置において、前記フォトニック結晶が、一次元フォトニック結晶であることを特徴とするマイクロ分光計測装置。
【請求項１２】
請求項１１記載のマイクロ分光計測装置において、
前記一次元フォトニック結晶が、
前記第一の材料中に複数のプレート状の第二の材料が互いに平行かつ周期的に配列された構造、
または、前記第二の材料中に複数のプレート状の第一の材料が互いに平行かつ周期的に配列された構造を有することを特徴とするマイクロ分光計測装置。
【請求項１３】
請求項６乃至１２のいずれかに記載のマイクロ分光計測装置において、前記第一の材料、または前記第二の材料が真空または空気であることを特徴とするマイクロ分光計測装置。
【請求項１４】
請求項５乃至１３のいずれかに記載のマイクロ分光計測装置において、前記分光素子は、前記第一の材料または前記第二の材料からなる母材層と、該母材層に隣接したクラッド層を有することを特徴とする請求項５乃至１３のいずれかに記載のマイクロ分光計測装置。
【請求項１５】
請求項１４記載のマイクロ分光計測装置において、前記第一の材料または第二の材料がシリコンであり、
前記クラッド層は、空気、真空、または酸化シリコンの少なくともいずれか一つを含有することを特徴とするマイクロ分光計測装置。
【請求項１６】
請求項１に記載のマイクロ分光計測装置において、
前記分光素子の前記光の放出部から放出される光の波長が近赤外光から赤外光の帯域にあり、
前記光検出素子が、近赤外から赤外の帯域の光に対する感度を有し、
前記試料の流路として、近赤外から赤外の帯域の光を透過する材料で形成された管を備えたことを特徴とする請求項１記載のマイクロ分光計測装置。
【請求項１７】
請求項１６記載のマイクロ分光計測装置において、前記管を形成する材料が、シリコン、フッ化カルシウムまたはフッ化リチウムの少なくともいずれか一つを含有することを特徴とするマイクロ分光計測装置。
【請求項１８】
請求項１６記載のマイクロ分光計測装置において、前記光検出素子の近赤外から赤外帯域の光に対する応答特性が線形応答性であることを特徴とするマイクロ分光計測装置。
【請求項１９】
請求項１記載のマイクロ分光計測装置において、
前記試料の流路として管を備え、
前記分光素子、前記管、または前記光検出素子の少なくともいずれか一つが、アライメント用マークまたは、アライメント用治具を有することを特徴とするマイクロ分光計測装置。
【請求項２０】
導入された試料を分光するマイクロ分光計測装置と、該マイクロ分光装置に対して試料を導入する手段と、前記マイクロ分光計測装置に入射する光の光源とを備えたマイクロ化学システムであって、
前記マイクロ分光計測装置は、
基板と、
光の導入部及び光の放出部を有する分光素子と、
光検出素子と、
前記光の放出部と前記光検出素子の間に形成された試料の流路とを備え、
前記分光素子と前記光検出素子と前記試料の流路とが前記マイクロ分光計測装置の前記基板上に形成されたことを特徴とするマイクロ化学システム。
【請求項２１】
請求項２０に記載のマイクロ化学システムにおいて、前記マイクロ分光計測装置と、前記試料導入手段および前記光源とが同一基板上に形成されたことを特徴とするマイクロ化学システム。
【請求項２２】
請求項２０に記載のマイクロ化学システムにおいて、
前記試料導入手段を有する、前記マイクロ分光計測装置とは別の基板を備え、該基板はさらに、試料に対して混合、反応、または分離の少なくともいずれか一つの作用を施す機能をもった素子を有し、
前記マイクロ分光計測装置は、
該基板から前記試料の流路に試料を流入させる接続部を備えたことを特徴とするマイクロ化学システム。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は化学合成反応、あるいは化学分析反応の諸操作を、マイクロ・エレクトロメカニカル・システムズ（ＭＥＭＳ）技術を用いてオンチップ化するマイクロ化学システム及び、このシステムに必要な、マイクロ分光計測装置、その製造方法、ならびに、その応用方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
現在の化学産業を支える基盤インフラとして、様々の合成物質を製造する化学プラントがある。化学プラント分野において、現在、省エネルギー、反応副生成物の抑制による環境負荷低減、さらに、プラント床面積削減等、総合的な低コスト化の観点から注目を集めている技術が、化学反応の諸操作をＭＥＭＳ技術によってオンチップ化する、マイクロ化学システムである。図１、図２に、マイクロ化学システムの概念図ならびにマイクロ化学単位操作の概念図を示す。
図１において、１はガラス、シリコン（Ｓｉ）等からなる基板、２は基板に形成された幅・深さが数１０ミクロン（μｍ）から１００μｍの試料の流路、３、４、５、６、７、８はドレイン、９、１０、１１、１２はマイクロポンプ、１３はマイクロバルブ、１４は温調機構、１５、１６、１７はコネクタ、１８、１９、２０はコネクタの接続操作、２１、２２は原料の抽入、２３は合成物質の抽出、２４はマイクロ化学プラントのシステム一式、である。
初めに、ドレイン３、４にコネクタ１５、１６を接続し、原料２１、２２を抽入する。次にバルブ１３を開け、さらにポンプ９、１０で試料原料を搬送するとともに、バルブ１３を開けて、流路２に搬送する。次に、温調機構１４で加熱、冷却等の操作を加える。この結果、図２に示したような、混合・反応、相分離・相合流、加熱、分子操作・溶媒抽出といった化学単位操作が流路中で起こる。さらに、ドレイン７にコネクタ１７を接続し、合成物質２３を取り出すことが可能となる。
マイクロ化学システムでは、図２に示すように、混合・反応、相分離・相合流、加熱、分子輸送・溶媒抽出といった単位化学反応が、マイクロ流体サイズが小さくなればなるほど、その二乗あるいは三乗に則って高効率化する。このため、化学合成物質の多品種少量生産に向くばかりではなく、単位体積あたりの収量も増大するため、高効率な大量生産も可能になる。さらに、合成の際に生じる反応副生成物の量を減ずることも可能になる。
【０００３】
なお、マイクロ化学システムを構成するマイクロ流路、マイクロバルブ、マイクロ温調装置といった部品は既存のＭＥＭＳや半導体の極微細加工技術を転用することによって行うことが可能である。また、マイクロ化学システムは、化学合成のみならず、内分泌撹乱物質やダイオキシン類等、環境汚染物質の分析、あるいは血液やＤＮＡ等、生体物質の分析への適用が期待されている。
このような化学プラントにおいては、一般に反応生成物の同定や定量分析等、生成物の種々の物性をリアルタイムで測定する手段が必要であるが、従来のマイクロ化学システムでは、適当な手段が無かった。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
従来のマイクロ化学プラントにおいては、上記のように、反応生成物の物性をリアルタイムで計測する適当な手段が無かった。特に、分光測定を行なう手段は存在しなかった。
本発明の目的は、微量な化学物質の物性の分光測定が可能な手段、特にマイクロ化学プラントに好適な物性分光測定手段を提供することにある。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明においては、前述した「微量な化学物質の分光測定を行なう手段」をマイクロ分光計測装置と称する。
本発明のマイクロ分光計測装置においては、分光測定に必要な、マイクロ分光用素子、試料の流路、光検出素子とを、大きさが数平方センチメートル以下のチップ上に集積化することによりマイクロ分光計測装置を実現する。これらの素子は、半導体プロセス技術により、同一基板上に集積される。
上記のマイクロ分光用素子として、フォトニック結晶を用いると素子の小型化の点で有利である。
前記のマイクロ分光計測装置は、光源と分光素子の特性により、任意の波長のスペクトルを測定可能である。なお、マイクロ化学プラントを製薬、有機化学プラント等へ応用する場合は、光検出素子としては、赤外から赤外領域に感度を有する素子が好適である。これらの分野で取り扱う物質は、生体材料や有機材料が多いからである。
【０００６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明のいくつかの実施例を図を用いて説明する。もちろん、本発明の技術的範囲は、実施例の構成に限られるわけではない。
実施例１
図３は、本実施例のマイクロ分光計測装置の一例を示した概念図である。１００はＳｉ基板、１０１は厚みが約３μｍのＳｉ酸化膜からなるクラッド層、１０２は厚みが約１μｍのＳｉからなるフォトニック結晶層、１０３はフォトニック結晶層１０２に円柱状のホールパターンを三角格子状に並べて開口させた欠陥を有するフォトニック結晶の基本ユニット、１０４は欠陥を有するフォトニック結晶の基本ユニット１０３に設けられた、単数または複数の上記三角格子の格子点に位置するホールパターンを埋めたドナー型欠陥、１０５は三角格子の格子定数またはホールパターンのホール径が少しずつ異なる、欠陥を有するフォトニック結晶の基本ユニット１０３を複数並べたアレイ、１０６は欠陥の無いフォトニック結晶の基本ユニット、１０７は欠陥の無いフォトニック結晶の基本ユニット１０６を複数並べたアレイ、１０８はフォトニック結晶層１０２内に設けられた光の導波路、１０９は光の導波路１０８内に導入された白色の赤外光、１１０は欠陥を有するフォトニック結晶の基本ユニット１０３の欠陥部分１０４から放射された分光された赤外光、１１１は赤外光に対してほとんど透明なＳｉ等の材料に形成された、幅、深さ数１０μｍから１００μｍ程度の、試料用マイクロ流路、１１２は試料用マイクロ流路１１１に抽入された液体試料の流れ、１１３は試料用マイクロ流路１１１を介して欠陥を有するフォトニック結晶の基本ユニット１０３の欠陥１０４上に設置された、焦電コンデンサーや硫化鉛（ＰｂＳ）、硫化セレン（ＰｂＳｅ）等、赤外光帯域に対して線形応答性を有する光検出素子、１１４は欠陥を有するフォトニック結晶の基本ユニット１０３のアレイ１０５上に設けられた光検出素子１１３のアレイである。
なお、本実施例では、フォトニック結晶を「内部に周期的な屈折率分布をもつ光材料」と定義する。屈折率分布は、１次元ないし２次元あるいは３次元方向に設けられる場合がある。
【０００７】
Ｓｉ基板１００、Ｓｉ酸化膜層１０１、クラッド層１０２に円形状のホールパターンからなる三角格子点を開口させたフォトニック結晶に近接した光の導波路１０８に赤外光１０９を導入すると、フォトニック結晶１０３の欠陥部分１０４から、ほとんど単色に分光された赤外光１１０が放出される。この原理を説明する。フォトニック結晶は結晶中にある周期構造を持っていて、この周期が光の波長程度であることが特徴である。２次元フォトニック結晶では、この周期構造によって、いわゆるフォトニックバンド構造に光の禁制帯が形成され、ある特定波長の光が結晶中に存在し得なくなる。そこで、さらに光の放出部としてフォトニック結晶の周期構造に欠陥を設けて、光の導入部から白色光を導入すると、結晶中に存在し得ない特定波長の光はその欠陥から放出されてくる。したがって、フォトニック結晶の欠陥部分１０４の直上に、赤外光に対して透明な材料からなる流路１１１を設けて試料１１２を抽入させるとともに、流路１１１上に光検出素子１１３を搭載することによって、流路１１１中を流れる試料１１２から透過または散乱してきた分光された赤外光１１０を光検出素子１１３で検出することができ、特定波長の分光赤外光１１０に対する吸光度を測定することが可能となる。さらに、赤外光の分光波長は、フォトニック結晶の格子定数ないしはホール径を変化させることによって、短波長ないし長波長側に変化させることが可能である。したがって、異なる格子定数またはホール径を有する、欠陥を有するフォトニック結晶の基本ユニット１０３を複数並べてアレイ状１０５に設けることによって、異なった波長毎に対する吸光度、すなわち吸収スペクトルを測定することが可能となる。また、欠陥を有するフォトニック結晶の基本ユニット１０３のサイズは数１０μｍ程度なため、例えば、欠陥を有するフォトニック結晶の基本ユニット１０３を１００個並べ、１００チャンネルのアレイ１０５を設けても、数ｃｍ角のチップ上に充分、集積化することができる。このとき、アレイ１０５内では、欠陥を有するフォトニック結晶の基本ユニット１０３をフォトニック結晶の格子定数またはホール径の大きさの順に並べるのが望ましい。こうすると、各基本ユニット１０３に対応する吸光度のデータをその並び順のまま並べることで分光スペクトルを得ることができる。
【０００８】
なお、図３において試料用の流路１１１はＵ字型の形状を取っているが、必要に応じて直線型、Ｕ字型の折り返し、ないしはＳ字型等、任意の形状を取ることができる。また、これらの流路形状に沿って、欠陥を有するフォトニック結晶の基本ユニット１０３を配列することができる。さらに、流路の構造は欠陥を有するフォトニック結晶の基本ユニット１０３に沿った配置に加え、分光素子である欠陥を有するフォトニック結晶のアレイ１０５と光検出素子１１３の間隙全体に充満させる構造であってもよい。
本実施例のフォトニック結晶は、いわゆる二次元フォトニック結晶である。二次元フォトニック結晶は、シリコン・オン・インシュレータ（ＳＯＩ）基板のＳｉ層に、光、Ｘ線、電子線等によるリソグラフィ工程、プラズマ等によるドライエッチング工程を用いて円柱状の貫通孔が形成されており、これらの貫通孔は、Ｓｉ層の表面から見て三角格子状に配列されている。これらの貫通孔をチタン酸バリウム等の材料で穴埋めしてもよい。また、これらの貫通孔が形成された層の材料は、Ｓｉだけではなく貫通孔を形成する材料とは異なる第二の材料であってもよい。第二の材料としては、空気、真空でもよく、つまり、円柱形状に加工された材料が三角格子状に配列されているだけでも、二次元フォトニック結晶を構成することができる。
また、フォトニック結晶１０３、１０６中の格子点は三角格子状の配列に限らず、光のエネルギーバンドにおいて、ある波長の光に対して禁制帯を形成するような配列ならば、四角格子等、他の配列でもよい。さらに、光の導波路１０８は、線欠陥導波路に限らず、光の導波路として機能すればその他の形状の欠陥であってもよい。
また、フォトニック結晶１０３、１０６はＳｉ層にプレート状の貫通孔を設け、あるいは、真空中または空気中またはその他の材料層中にプレート状のＳｉ層を設け、さらにそれらのプレート状の貫通孔、またはプレート状のＳｉ層を平行に配列させた、いわゆる一次元フォトニック結晶で構成してもよい。なお、Ｓｉ層は、チタン酸バリウム等、別の材料に置き換えられてもよい。
また、欠陥を有するフォトニック結晶の基本ユニット１０３に設ける欠陥は、単数ないし複数の格子点を埋めたり、格子点の径のサイズを縮小させたドナー型欠陥に限らず、単数ないし複数の格子点の径のサイズが拡大された、アクセプター型欠陥から構成されてもよい。
また、所望のフォトニック結晶は、近赤外から赤外領域の光に対し、高屈折率な材料と低屈折率な材料とをダイヤモンド結晶構造状に配置した、いわゆる三次元フォトニック結晶から構成されてもよい。
【０００９】
【表１】
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【００１０】
また、表１に、文献１「錦田晃一、岩本令吉著、赤外法による材料分析、講談社」、文献２「技術情報協会  セミナーテキスト  フォトニック結晶の作製、微細加工技術と光物性制御」、文献３「Ｔｈｉｎ  Ｓｏｌｉｄ  Ｆｉｌｍｓ  ３００（１９９７）  ２８９頁−２９４頁、ＥＬＳＥＶＩＥＲ」に記載された、各種材料の赤外領域に対する屈折率を示す。フォトニック結晶は、表１から、高屈折材料と低屈折材料の屈折率比が２、ないしはそれ以上となる材料を組み合わせることによって構成されるのが望ましいが、それ以外の材料を用いてもよい。
また、フォトニック結晶１０３、１０６が形成されたＳｉ層１０２、流路１１１、光検出素子１１３は、接触して配置されている方が光の損失が少なく望ましい。しかし、フォトニック結晶１０３、１０６から放出され、流路１１１中を流れる試料から透過または散乱された光を、光検出素子１１３で検出できるように配置されていれば、これらは接触していなくてもよく、例えばスペ−サー等を介して適当なギャップを設けるなどの配置が考えられる。
また、本発明のマイクロ分光計測装置を用いた分光測定を行う際に、試料から測定されたスペクトルの参照用の試料を測定前に流路に抽入し、予め基準となるスペクトルを測定しておいてもよい。さらに、流路、ないしはマイクロ分光計測装置自体を複数個配置し、一方に参照用試料、他方に測定用試料を抽入し、それらのスペクトルを比較してもよい。
以上説明したように、分光素子と、光検出素子と、その間に形成された試料の流路を単一基板上に形成または積層することで、反応生成物の光の吸収スペクトル測定による分子の同定や、生成量の測定が可能な機能を数平方センチメートル以下のチップ上に集積化した、いわゆるマイクロ分光計測装置を提供することができ、マイクロ化学プラントと接続または集積化することが可能となる。つまり、マイクロ化学プラントを用いたマイクロ化学システムにおいても分光計測が可能となる。
【００１１】
実施例２
以下、図４を用いて、本発明の別の実施例を説明する。図４は本発明のマイクロ分光計測装置を、マイクロ化学プラントと結合したマイクロ化学システムの例を示す。図４において、２００はＳｉ層上に欠陥を有するフォトニック結晶の基本ユニットの繰り返しパターンから構成され、さらに、隣接した基本ユニットの格子点の格子定数が徐々に大きくまたは小さくなるように配列した基本ユニットのアレイからなる分光素子、２０１は幅５０μｍ、深さ５０μｍの流路１１１を形成したＳｉ層、２０２は光検出素子１１３のアレイ１１４、ならびに光検出素子動作に必要な電力、光検出素子からの信号強度計測に必要な回路を実装した、光検出素子実装層、２０３は赤外光光源、２０４は偏光光ファイバ、２０５はＴＥモードに偏光した赤外光、２０６、２０７はドレイン、２０８、２０９、２１０はノズル、２１１、２１２、２１３はノズルのドレインへの結合、２１４は試料を流すキャピラリーチューブ、２１５はマイクロポンプ、２１６は原料、２１７は光検出素子実装層２０２に取り付けられたコネクタ、２１８は分光素子２００の四隅に設けられたＶ字型の溝、２１９はＳｉ層２０１の四隅に設けられたＶ字型の突起、２２０はＳｉ層２０１の四隅に設けられたＶ字型の溝、２２１は光検出素子実装層２０２に設けられたＶ字型の突起、２２２はマイクロ分光計測装置のシステム一式である。
初めに、マイクロ化学プラント２４のドレイン３、４、５に、それぞれノズル１５、１６、２１０を接続させた。次に、ノズル１５、１６、２１０に、それぞれ、原料２１、２２、２１６を抽入し、さらに、マイクロポンプ９、１０、１１で幅１００μｍの流路２に搬送させ、混合・反応・分離させた。さらに、温調機構１４で混合物を加熱した結果、合成物２３が生成された。さらに、合成物質２３をマイクロポンプ２１５で加圧し、チューブ２１４でノズル２０８、ドレイン２１１を介してマイクロ分光計測装置２１７内の流路１１１に導入した。本実施例では、合成物２３の例として、酢酸エチルの合成を行った。
図５に、マイクロ分光計測装置の分光素子に用いられる、ホールを一つ取り除いたドナー型の欠陥を導入したフォトニック結晶の例を示す。図５において、３００はフォトニック結晶の格子定数、３０１はフォトニック結晶のホールの直径である。また、図５に、７００ｎｍのホールの直径に対して、格子定数３００を変化させた場合の、放出波長の格子定数依存性を示す。図５より、フォトニック結晶の格子定数を１０００ｎｍ増大させることによって、分光波長を約３０００ｎｍ、長波長側にシフトさせることが可能であった。このため、格子定数を１６００ｎｍから２４５０ｎｍの間で、８ｎｍずつシフトした、欠陥を有するフォトニック結晶の基本ユニットを５０個ずつ、２本のアレイ状に配列することによって、波長５０００ｎｍから７５００ｎｍ、波数２０００ｃｍ−１から１３５０ｃｍ−１の間で、波長２５ｎｍ、波数４ｃｍ−１ずつシフトした分光赤外光を、流路１１１を介して、光検出素子回路層２０２で計測することが可能である。さらに、測定信号をコネクタ２１７を介して外部でデータ処理した結果、図６に示すように、２０００ｃｍ−１から１３５０ｃｍ−１の帯域において、１７４５ｃｍ−１付近でＣ＝Ｏ伸縮に起因する急峻な吸収が観測され、酢酸エチルの合成が確認された。
なお、本実施例では、隣接した欠陥を有するフォトニック結晶の基本ユニットの格子定数を変えることで放出波長を変化させたが、隣接した欠陥を有するフォトニック結晶の基本ユニットのホール径、さらには、ホール径と格子定数の両方を変えても、波長を変化させることが可能である。フォトニック結晶を半導体加工技術を用いて形成する場合は、格子定数を変える方が簡便に加工することができる。また、ホール径を変えると所望の波長以外の波長成分の強度が増す可能性がある。ただし、フォトニック結晶の屈折率に波長分散が存在する場合は、格子定数とともにホール径を変えることによってその波長分散に応じた放出波長の補正をすることができる。
また、欠陥を有するフォトニック結晶の基本ユニットの格子定数、ホール径、さらには、ホール径と格子定数は、これらを少しずつ変えた複数の基本ユニットをホール径または格子定数の大きさの順に配列するのが望ましいが、これに限らず、これらの順番をランダムに配列してもよい。
また、本実施例ではマイクロ分光器の分光波長が５０００ｎｍから７５００ｎｍつまり赤外光帯域になるように設計したが、使用波長は赤外光帯域に限定されるものではない。例えば、フォトニック結晶のアレイからなる分光素子２００のサイズを相似的に変えたり、フォトニック結晶の材質を変えることによって、いわゆるフォトニックバンド構造を変え、これにより分光波長帯域を所望の帯域に変えることができる。また分光波長帯域の変更に対応して試料用流路の材質、光検出素子の種類を変更することで近赤外光、可視光、紫外線帯域などでも、本発明のマイクロ分光計測装置を使用することが可能である。
また、本実施例では、分光素子２００の四隅にＶ字型の溝２１８、Ｓｉ層２０１の四隅にＶ字型の突起２１９およびＶ字型の溝２２０、光検出素子実装層２０２にＶ字型の突起２２１を設け、これらの溝を各構造の位置合わせ用のアライメント用機構、ないしはアライメント用マークとして用いることによって、例えば流路が劣化し、交換の必要性が生じた場合に、これらの位置を合わせ、容易に再組み立てを行うことが可能である。なお、アライメント用機構、ないしはアライメント用マークはＶ字型の溝形状に限定されるものではなく、他の構造でも他の形状でも可能であることはいうまでもない。
また、本実施例では赤外光源２０３、光ファイバ２０４が基板１００と独立して設置されていたが、これらの部品、ないしは他の偏光素子等の部品を基板１００上に併せて搭載することも可能である。
また、光検出素子１１３にチタン酸バリウム、硫酸グリシン（ＴＧＳ）、ゲルマニウム酸鉛などの焦電コンデンサーを用いる場合、赤外光２０５をチョッパーで断続的に遮断することによって、高い検出感度を得ることが可能である。
また、試料は液体に加え、微粒子が溶解した液体、さらに、気体についても測定することが可能である。加えるに、分光素子２００と光検出素子実装層２０２の間に、流路１１１を形成したＳｉ層２０１の代わりに薄膜試料を実装することによって、固体試料についても測定を行うことが可能である。
また、マイクロ分光計測装置ユニットに、電池ないしは発電装置等の電力供給源、ならびにメモリー、通信機能等を追加させることも可能であり、単数ないしは複数のこのようなユニットを環境中の複数の定点上に設置することによって、湖沼や海洋、土壌中の内分泌撹乱物質やダイオキシン類の赤外吸収データを測定し、環境汚染物質の定性化、定量化、ならびにそれらの分布状況を測定することが可能である。
また、同様に、電池ないしは発電装置等の電力供給源、ならびにメモリー、通信機能等を追加したマイクロ分光計測装置ユニットをヘルスケア機器に組み込むことによって、血液、尿等に含まれる血漿濃度、タンパク質、糖分といった化学物質の赤外吸収データを測定し、それらを定性化、定量化することが可能である。
【００１２】
実施例３
本実施例では、マイクロ分光計測装置に用いられるフォトニック結晶、ならびに赤外光の入射方法を変更した場合の例を示す。図７はフォトニック結晶のアレイからなる分光素子２００の上面図を示し、４００は赤外光の直線導波路である。直線導波路４００は線欠陥導波路であってもよいし、これに限らず光の導波路として機能すればよい。４０１はフォトニック結晶、４０２はフォトニック結晶中の線欠陥導波路である。
本実施例では図７に示すように、フォトニック結晶４０１中に線欠陥導波路４０２の折り返し部分を設けることによって、折り返しによる損失の無い赤外光伝播が可能である。このため、実施例１とは異なり、一方向からの赤外光の入射２０５のみで、分光素子を構成することが可能である。
【００１３】
実施例４
本実施例では、マイクロ分光計測装置に用いられるフォトニック結晶、ならびに赤外光の入射方法を変更した場合の例を示す。図８は欠陥を有するフォトニック結晶のアレイからなる分光素子２００の上面図を示し、図８において、５００は赤外光源、５０１は表１に示した材料のうち、Ｓｉ等、赤外光に対して屈折率が大きく、透過率の高い材料からなるシリンドリカル・レンズである。本実施例では、図８に示すように、赤外光源５００から放射された赤外光を、シリンドリカル・レンズ５０１で平行光化し、欠陥を有するフォトニック結晶１０３、ならびに、そのアレイ１０７の側面から赤外光を照射すると、分光された赤外光が欠陥部分１０４から放出されることとなる。この場合、赤外光を側壁から照射させたため、Ｓｉ母材中の赤外光通過による吸収損失の少ない光伝播が可能である。また、赤外光源５００、シリンドリカル・レンズ５０１を基板２００上に併せて形成することも可能である。シリンドリカル・レンズ５０１を基板２００上に形成する場合には、フォトニック結晶を用いた分光素子等とともにエッチング等の半導体製造工程の処理を行うことが可能である。
【００１４】
実施例５
本実施例では、赤外光源５００とシリンドリカル・レンズ５０１を実施例４と同様に配置し、フォトニック結晶を二次元型から一次元型に変更した場合の例を示す。図９はフォトニック結晶のアレイからなる分光素子２００の上面図である。図９において、６００はいわゆる欠陥を有する一次元フォトニック結晶の基本ユニットである。ここで、一次元フォトニック結晶とは、母材となるＳｉ層にプレート型の貫通孔を設け、この貫通孔を複数平行に配列させ、さらに、欠陥として部分的に貫通孔の周期を変更させたものである。貫通孔は、チタン酸バリウム等の材料で穴埋めしてもよい。６０１は、欠陥を有する一次元フォトニック結晶の基本ユニット６００から放出された分光赤外光である。６０２は、欠陥を有する一次元フォトニック結晶の基本ユニット６００を複数並べたアレイであり、これら複数の基本ユニット６００はそれぞれ貫通孔の配列周期が異なり、このためそれぞれ異なる波長の光を放出することができるように設計されている。６０３は分光赤外光６０１を流路に向かう方向に変更させるミラー、６０４はミラー６０３のアレイである。本実施例のように一次元フォトニック結晶を用いた場合には、フォトニック結晶に入射した光が結晶中で反射を繰り返し、結晶のもつ周期構造の周期に対応した特定の波長の光が放出される。ここで、この周期構造に欠陥を導入すると、放出される光のうち、上記特定波長に対する高調波成分の強度を弱めることができ、放出される光の単色性を向上させることができる。本実施例では、欠陥を有するフォトニック結晶６００によって、基板２００の平面内に分光赤外光６０１を放出させるとともに、例えば、分光赤外光６０１に対し、表面をアルミニウム等の金属でコートしたミラーを４５°の角度で設置することによって、分光赤外光６０１を垂直方向に反射させ、フォトニック結晶の直上に設置された流路に照射させることが可能である。また、赤外光源５００、シリンドリカル・レンズ５０１を基板２００上に併せて形成することも可能である。また、ミラー６０３はアレイ６０４のように一つ一つの一次元フォトニック結晶の基本ユニット６００ごとに並べるのではなく、複数の一次元フォトニック結晶の基本ユニット６００からの出射光を反射するくらいの長いものを用いてもよい。
【００１５】
実施例６
本実施例では、実施例５と同様に赤外光源５００とシリンドリカル・レンズ５０１を実施例４と同様に配置し、フォトニック結晶を二次元型から一次元型に変更するとともに、試料用マイクロ流路１１１の配置を変更した場合の構成を示す。図１０は試料用マイクロ流路１１１を内蔵したフォトニック結晶のアレイからなる分光素子２００の上面図である。７００は近赤外から赤外帯域の波長に対して感度を有する光検出素子である。本実施例では、欠陥を有する一次元フォトニック結晶６００によって、基板２００の平面内に分光赤外光６０１を放出させるとともに、試料用マイクロ流路１１１を介して、試料の流れ１１２による分光赤外光６０１の吸収を、光検出素子７００を用いて測定する。この結果、実施例５に示したようなミラー６０３を用いずに、分光赤外光６０１の吸収スペクトルを測定することが可能である。また、赤外光源５００、シリンドリカル・レンズ５０１を基板２００上に併せて形成することも可能である。
【００１６】
実施例７
本実施例では、実施例２のようにマイクロ化学プラントとマイクロ分光計測装置とを別ユニットとする構成とは異なり、マイクロ化学プラントとマイクロ分光計測装置とを、同一のウェハ上に集積化させた例を示す。図１１において、８００はウェハ、８０１、８０２は原料、８０３はマイクロポンプ、マイクロバルブを内蔵した試料用マイクロ流路、８０４はマイクロリアクタ、８０５はマイクロ分光計測装置ユニット、８０６は合成物質、８０７はコネクタ、８０８はケーブル、８０９は制御用コンピュータ、８１０はウェハ８００の積層である。本実施例では、原料８０１、８０２を投入するとともに、試料用マイクロ流路８０３を介してマイクロリアクタ８０４で反応させ、それらの赤外吸収スペクトルをマイクロ分光計測装置ユニット８０５で測定し、合成物質を同定したのち、合成物質８０６としてウェハ８００から抽出させる。この結果、一枚のウェハ８００上で化学物質の合成、同定が可能となる。なお、一連の合成動作、ならびに合成物の計測動作は、コネクタ８０７、ケーブル８０８を介して、コンピュータ８０９でシーケンシャルに制御することが可能である。また、複数のウェハ８００を積み重ねて、ウェハ８００の積層８１０を形成することによって、単位体積あたりの合成物質の収量を増大させることが可能である。このためさらに、化学プラントや、それを含む化学システム全体の省スペース化を実現できる。
【００１７】
【発明の効果】
以上述べたように、本発明によれば、反応生成物の光の吸収スペクトル測定による分子の同定や生成量の測定が可能な機能を数平方センチメートル以下のチップ上に集積化した、いわゆるマイクロ分光計測装置を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】マイクロ化学システムの概念図を示す。
【図２】マイクロ化学単位操作の概念図を示す。
【図３】本発明のマイクロ分光計測装置の概念図を示す。
【図４】本発明のマイクロ分光計測装置を、マイクロ化学プラントと結合したマイクロ化学システムの例を示す。
【図５】本発明のマイクロ化学計測装置の分光素子に用いられる、ドナー型の欠陥を導入したフォトニック結晶の、格子定数と放出波長との相関を示す。
【図６】本発明のマイクロ化学計測装置で測定した、酢酸エチルの赤外光吸収スペクトルの測定結果を示す。
【図７】本発明のマイクロ分光計測装置に用いられる、フォトニック結晶のアレイからなる分光素子の上面図を示す。
【図８】本発明のマイクロ分光計測装置に用いられる、フォトニック結晶のアレイからなる分光素子の上面図を示す。
【図９】本発明のマイクロ分光計測装置に用いられる、フォトニック結晶のアレイからなる分光素子の上面図を示す。
【図１０】本発明のマイクロ分光計測装置に用いられる、フォトニック結晶のアレイからなる分光素子の上面図を示す。
【図１１】本発明のマイクロ分光計測装置とマイクロ化学プラントとを、同一のウェハ上に集積化させた例を示す。
【符号の説明】
１…基板、２…試料の流路、３、４、５、６、７、８…ドレイン、９、１０、１１、１２…マイクロポンプ、１３…マイクロバルブ、１４…温調機構、１５、１６、１７…コネクタ、１８、１９、２０…コネクタの接続操作、２１、２２…原料の抽入、２３…合成物質の抽出、２４…マイクロ化学プラント、
１００…Ｓｉ基板、１０１…クラッド層、１０２…フォトニック結晶層、１０３…欠陥を有するフォトニック結晶の基本ユニット、１０４…フォトニック結晶の欠陥、１０５…欠陥を有するフォトニック結晶の基本ユニットのアレイ、１０６…欠陥の無いフォトニック結晶の基本ユニット、１０７…欠陥の無いフォトニック結晶の基本ユニットのアレイ、１０８…光の導波路、１０９…白色の赤外光、１１０…フォトニック結晶の欠陥部分から放射された分光された赤外光、１１１…試料用マイクロ流路、１１２…液体試料の流れ、１１３…光検出素子、１１４…光検出素子１１３のアレイ、
２００…分光素子、２０１…流路を形成したＳｉ層、２０２…光検出素子実装層、２０３…赤外光光源、２０４…偏光光ファイバ、２０５…ＴＥモードに偏光した赤外光、２０６、２０７…ドレイン、２０８、２０９、２１０…ノズル、２１１、２１２、２１３…ノズルのドレインへの結合、２１４…キャピラリーチューブ、２１５…マイクロポンプ、２１６…原料、２１７…コネクタ、２１８…分光素子２００の四隅に設けられたＶ字型の溝、２１９…Ｓｉ層２０１の四隅に設けられたＶ字型の突起、２２０…Ｓｉ層２０１の四隅に設けられたＶ字型の溝、２２１…光検出素子実装層２０２に設けられたＶ字型の突起、
２２２…マイクロ分光計測装置のシステム一式、
３００…フォトニック結晶の格子定数、３０１…フォトニック結晶のホールの直径、
４００…赤外光の直線導波路、４０１…フォトニック結晶、４０２…赤外光の線欠陥導波路、
５００…赤外光源、５０１…シリンドリカル・レンズ、
６００…欠陥を有する一次元フォトニック結晶の基本ユニット、６０１…分光赤外光、６０２…欠陥を有する一次元フォトニック結晶の基本ユニットのアレイ、６０３…ミラー、６０４…ミラーのアレイ、
７００…光検出素子、
８００…ウェハ、８０１、８０２…原料、８０３…マイクロポンプ、マイクロバルブを内蔵した試料用マイクロ流路、８０４…マイクロリアクタ、８０５…マイクロ分光計測装置ユニット、８０６…合成物質、８０７…コネクタ、８０８…ケーブル、８０９…制御用コンピュータ、８１０…ウェハ８００の積層。
【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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【図１０】
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【図１１】
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