(57)【要約】      （修正有）【課題】試料に含まれる微量の化学物質の量を簡単で安価な装置で測定できる熱レンズ効果測定兼分析装置および測定兼分析方法を提供する。【解決手段】熱レンズ効果測定兼分析方法として、光源から光を照射し、光源からの光を化学分析チップに導いて、化学分析チップ内の試料を透過させ、化学チップ内の試料を透過した光を記録し、記録後、ディスクの記録部分に光を当ててそれからの反射された光を検出して記録に基づく光量を検出し、次に、化学分析チップ内の試料と試薬を混合し、再び、光源から光を照射し、光源からの光を化学分析チップに導いて、化学分析チップ内の試料と試薬との混合体を透過させ、化学チップ内の試料と試薬との混合体を透過した光を記録し、記録後、ディスクの記録部分に光を当ててそれからの反射された光を検出して記録に基づく光量を検出し、２つの光量を分析することによって試料に含まれる微量化学物質の量を測定する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
熱レンズ効果を検出、測定して、化学分析を行う熱レンズ効果測定兼分析装置において、複数の波長のレーザー光を用いることなく、単一光で検出、測定を可能とする熱レンズ効果測定兼分析装置。
【請求項２】
熱レンズ信号を検出する際、ノイズの影響を受けにくくする目的と微小な信号を捉えるために、ロックインアンプ等、特殊な増幅器を使うことなく一般的な増幅器で信号を検出可能とする熱レンズ効果測定兼分析装置。
【請求項３】
熱レンズ信号の検出は、熱レンズ効果によって生じた変化に対し、それを探る光（プローブ光）そのものの強度分布の変化を捉えるといったことをせず、強度変化を起こす原因となる光路内の収差発生に着目し、その収差によって変化する度合いの大きい振舞いを起こす現象を二次的に発生させ、得られる信号から熱レンズ信号を対比、変換して捉えることを特徴とする熱レンズ効果測定兼分析装置。
【請求項４】
熱レンズ信号の信号検出感度を高める手段として、熱レンズ効果を生成、検出する光を光ディスクへの書き込み用の光として用い、信号の強弱の変化をそのまま使うことなく、光ディスクへの書き込み品質を測定し、その再生信号状態から熱レンズ信号へと変換することを特徴とする熱レンズ効果測定兼分析装置。
【請求項５】
光を照射する光源と、
該光源からの光を化学分析チップに導いて、該化学分析チップ内の試料または試料と試薬との混合体を透過させるための光路手段と、
該光路手段によって前記化学チップ内の試料または試料と試薬との混合体を透過した光を記録し、再生するためのディスクと、
再生時にディスクの記録から反射された光を前記光路手段の一部を通して入射されて記録に基づく光量を検出するフォトディテクターと、
を有することを特徴とする熱レンズ効果測定兼分析装置。
【請求項６】
請求項５記載の熱レンズ効果測定兼分析装置において、前記化学分析チップの前後に配置され、前記化学分析チップ内に収容された試料または試料および試薬の混合体に向けて光を集光し、試料または試料および試薬の混合体の透過後、光を平行に戻すためのビームエキスパンダとして機能する２つのコリメートレンズをさらに有することを特徴とする熱レンズ効果測定兼分析装置。
【請求項７】
光源から光を照射し、
該光源からの光を化学分析チップに導いて、該化学分析チップ内の試料を透過させ、該化学チップ内の試料を透過した光を記録し、
記録後、ディスクの記録部分に光を当ててそれからの反射された光を検出して記録に基づく光量を検出し、
次に、該化学分析チップ内の試料と試薬を混合し、
再び、光源から光を照射し、
該光源からの光を化学分析チップに導いて、該化学分析チップ内の試料と試薬との混合体を透過させ、
該化学チップ内の試料と試薬との混合体を透過した光を記録し、
記録後、ディスクの記録部分に光を当ててそれからの反射された光を検出して記録に基づく光量を検出し、
前記２つの光量を分析することによって試料に含まれる微量化学物質の量を測定する
ことを特徴とする熱レンズ効果測定兼分析方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、微量な物質の化学分析や、微小な化学反応を測定する一つの有効な手段としての“熱レンズ効果”を利用、応用した分析機器に関し、特に、熱レンズ効果測定兼分析装置および測定兼分析方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
現在、化学工業の発達と供に、身の周りの環境は様々な化学製品で溢れ、生活の改善や便利さを享受してきたところではあるが、反面、人体への影響など負の面も目立ってきている。例えば環境ホルモンなどにしても大きな問題になってきているのが現状である。しかし、環境に影響を及ぼしている化学物質は、微量であることが多いため、検出，検査などに専門的な装置や大掛かりな設備が必要となっている。また、医療の分野においても、予防医療の観点から血液検査や、肝機能検査など、日常的な検査の継続が求められており、酵素やホルモン等微量な物質の簡便な測定手段が求められている。
【０００３】
微量化学物質の検査、測定および分析において、最近、研究機関の中で“熱レンズ効果”を利用した測定方法が注目されてきており、その簡便性や迅速性、低コストでの利用が期待できることから、研究が進められているところである。
【０００４】
ここで、“熱レンズ効果”とは、物質に光を入射し吸収が起きた際、励起エネルギーの大部分は熱として放出される(無輻射遷移)ので、放出された熱により周囲の媒体の屈折率が変化し、励起光の強度分布に従って屈折率勾配が生じる現象を指す。一般的には温度が高いほど屈折率は小さくなるため、あたかも凹レンズが形成されたようになり、また、生成した熱レンズの大きさは吸収した物質の存在量に比例することから、その効果を測定することにより定量分析まで可能となる。
【０００５】
現在、流路を切ったプラスチック板上で、検査試料と試薬を反応させ、それにレーザー光（励起光）を当てて熱レンズ状態を作り出し、別のレーザー（検出光）で観測、測定する試みがなされている。その溝を切ったプラスチック板は一般的に、化学分析チップと呼ばれている。図３はこの化学分析チップの斜視図を示す。図３において、化学分析チップ１０は複数の試料セル１２を有し、この試料セル中に検査試料が充填され、検査試料に対応した試薬が添加されて、検査される。
【０００６】
反応、検出の際には、図４に示すように、波長の異なったレーザーが使用され、試料に吸収されやすい波長を持った励起光１４によって熱レンズ１６の状態を試料中に発生させ（図４ａ参照）、その発生した熱レンズ１６の中に、試料とは反応しない別の波長をもった、光１８（プローブ光、すなわち、検出光）を通して行う（図４ｂ参照）。検出光１８が熱レンズ１６を形成した試料中を通過する中で、凹レンズを通ったと同じ影響を受け、光の拡散度合いなどの変化が生じる。熱レンズの形成具合が強ければ強いほど、光の拡散度合いも高いものとなることから、その変化分を検出し、熱レンズ状態、しいては化学反応の強弱の指標を得ることができる。
【０００７】
光の拡散の度合いの検出は、図５に示すように、対物レンズ２６を通して、励起光１４を試料に当て、熱レンズ１６を形成し、次に、プローブ光（検出光）を対物レンズ２６を通して、さらに形成された熱レンズ１６を通し、熱レンズ１６からの出力光をピンホール２２を持った遮蔽板２０のピンホール２２を透過させ、透過した光量を光量検出器２４で検出することによって行われる。ここで、図５ａ、図５ｂは、試料に吸収される熱の違いからプローブ光がどのように拡散するかを例示する図であり、図５ｃ、図５ｄはピンホール２２に入る光の割合、すなわち、光量の違いを例示する図である。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
これまでの熱レンズ検出装置は、図４、図５に示すように、熱レンズ効果によって乱されたレーザー強度分布の変化を、ピンホール２２を通した光量検出器２４で受け、その信号をロックインアンプ（図示せず）でノイズ除去をして検出するといった方法をとっているのが殆どである。
【０００９】
わざわざロックインアンプで増幅し、信号化することからもわかるように、実際には図４、図５のようなはっきりとしたレンズが形作られるわけではなく、また、光の強度分布の中で、その一部のみの光強度の変化だけしか捉えられないピンホール検出の制約から、光量変化は大きくはなく、検出される信号は、微弱なものとなってしまうのが現実である。したがって、感度は極めて低いものである。
【００１０】
ノイズが多いところでの信号検出には、ロックインアンプ等の高価な機材が必要となり、結果として分析システムの価格が高くなり、一般には使いにくいものとなってしまっている。（それでも早期の従来の化学分析に比べれば、小型化、迅速化、低コスト化が図られている。）
また、２つのレーザー光を同じ光路内で使うことになり、その調整が難しく、また波長依存性の少ないレンズ等の光学部品を使う必要もあり、これらも製造コストが高くなる要因になっている。
【００１１】
一方、試料を保持する化学分析チップに関しては、その試料と反応させる試薬について、励起光の波長には反応後、光の吸収を起こすような働きが求められ、さらに反応後の物質は、もう一方の波長の探査光に対しては吸収を起こさないような物性となっていなければならない。このような制約下での試薬の開発についても、簡単なことではないのが現状である。
【００１２】
以上のように、これまでの熱レンズ測定、分析装置においては、信号レベルの微小さからくる検出、増幅に高度な機材が必要な問題点、2つのレーザーの光軸合わせに関する調整の煩わしさ、また化学分析チップ内で試料と反応させる試薬の開発の困難性が大きな欠点として残っている。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本発明は、上記の問題点，欠点を解消することができるものであり、本発明の目的を達成するために、従来の励起光、探査（プローブ）光の2つの波長を使用することを避け、励起光のみで、熱レンズの生成、そしてその度合いを検出する手段を構成する。
【００１４】
一般的に、“光ピックアップ−光ディスク”の光ディスク記録再生システムにおいて、光ディスクへ信号を書き込む際は、ディスク上にレーザービームを集光し、その光エネルギーで記録膜に物理的な変化を与えて記録を行う。レーザー光の操作を行う光ピックアップ中で、そのレーザービーム中の収差をできるだけ0に近い極限まで押さえ込んでおくことで、記録後の再生時に良好な再生信号を得ることができる。逆に、途中の光路中に、収差を発生させてしまうような部分や部品があったとすると、その影響が顕著に記録特性に現れ、再生信号の振幅レベル減少が起こってしまう。収差の大きさと再生信号の減少量には相関があり、振幅レベルの減少から収差の大きさを類推することも可能である。
【００１５】
本発明では、この特性を利用し、光ピックアップと同様な構成の中に、化学分析チップを挿入し、試薬と分析物の反応によって生じた熱レンズ効果により、励起光（書き込み光）に収差が発生し、ディスクへの書き込み特性の劣化具合を測定しようとするものである。
【発明の効果】
【００１６】
本発明においては、熱レンズ効果測定、分析装置を構成するに当たり、2種類のレーザー光を必要とせず、またディスクへの記録品質で熱レンズ形成度合いを検出、把握できることから、信号レベルを測定するのに高価な測定器は必要なく、簡単な電圧計程度でも測定が可能なものとなる。よって、システム内にその計測部、表示部を組み込み一体化が簡単であり、本測定兼分析装置は手軽に持ち運びが可能な形態として利用できるようになる。
【００１７】
また、試薬についても、一波長の吸収のみを考慮すればよく、開発が容易になると考えられる。
【００１８】
本発明は、既存の光ディスクシステムの大部分の部品、回路など流用が可能である。従って、本システム（測定兼分析装置および測定兼分析方法）を構成するコストは著しく低く抑えることができ、その結果、専門機関だけでなく、一般的な施設やさらには一般家庭においても利用が可能になることが考えられ、高価な機材や専門知識なくとも、微量物質の検査ができるようになる。将来では、日常の健康管理など、いままで病院まで足を運ばなければいけなかったことが、家庭でも扱えるようになり、負担を減らす効果も期待できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
本発明の熱レンズ効果測定兼分析装置は、光を照射する光源と、該光源からの光を化学分析チップに導いて、該化学分析チップ内の試料または試料と試薬との混合体を透過させるための光路手段と、該光路手段によって前記化学チップ内の試料を透過した光を記録し、再生するためのディスクと、再生時にディスクの記録から反射された光を前記光路手段の一部を通して入射されて記録に基づく光量を検出するフォトディテクターと、を有することを特徴とする。
【００２０】
本発明の熱レンズ効果測定兼分析方法は、光源から光を照射し、該光源からの光を化学分析チップに導いて、該化学分析チップ内の試料を透過させ、該記化学チップ内の試料を透過した光を記録し、記録後、ディスクの記録部分に光を当ててそれからの反射された光を検出して記録に基づく光量を検出し、次に、該化学分析チップ内の試料と試薬を混合し、再び、光源から光を照射し、該光源からの光を化学分析チップに導いて、該化学分析チップ内の試料と試薬との混合体を透過させ、該記化学チップ内の試料と試薬との混合体を透過した光を記録し、記録後、ディスクの記録部分に光を当ててそれからの反射された光を検出して記録に基づく光量を検出し、前記２つの光量を分析することによって試料に含まれる微量化学物質の量を測定することを特徴とする。
【実施例１】
【００２１】
図面を参照して本発明の好ましい実施例を説明する。図1は本発明で用いる熱レンズ生成光ピックアップの斜視図である。熱レンズ生成光ピックアップにおいて、対物レンズ１１４で光が集光される手前の位置に、一度ビームを集光−拡散し、再度平行光に戻すために対となるコリメートレンズ１１２、１１２で構成した、等倍構成のビームエキスパンダ様の構造を設ける。その間の光が集光される位置に化学分析チップ１０を配置し、分析用試料と試薬を反応させる領域と、集光位置が同じくなるよう位置調整を行っておく。
【００２２】
試料分析のために、熱レンズ生成光ピックアップ（単に、光ピックアップという）で記録と再生が行われる。最初は、試料に試薬を混合させない状態で記録と再生が行われる。記録時の光ピックアップ１００の動作では、ビーム光はレーザー１０２から出され、グレーティング１０４を通されて、コリメートレンズ１０６に入射されて平行光として出力され、ビームスプリッター１０８を通され、ミラー１１０により反射されて、２つのコリメートレンズ１１２の間に配置した化学分析チップ１０に向けられる。最初のコリメートレンズで化学分析チップ内の試料に集光され、試料を透過後、次のコリメートレンズ１１２でビーム光は平行光に戻される。次に、対物レンズ１１４を通されて、ディスク２０２に記録される。記録は化学分析チップに収納された試料に含まれる測定対象物の量に応じて感度よく検出できるものである。
【００２３】
再生時の動作では、記録時と同一のビーム光がレーザー１０２から出され、記録時と同様に、ビーム光はディスク２０２に至り、ディスクの記録から反射され、反射された光は２つのコリメートレンズ１１２、１１２、ミラー１１０を通り、ビームスプリッター108から集光レンズ１１６に向けられ、フォトディテクター１１８に入射されて、その光量が検出される。
【００２４】
次に、試料に試薬を混合して、同様に、記録と再生を行う。この時得られた光量と前述の光量とを比較することにより試料に含まれる微量の化学物質の量を検出する。
【００２５】
また、図2はシステム全体を示すブロック図である。図２において、全体のシステムとしての構成は、ビームエキスパンダ様部分（２つのコリメーターレンズ）１１２、１１２、化学分析チップ１０を除けば、書き込み可能な光ディスクシステムと同様なものであり、通常の光ディスクシステムとしての、記録再生の機能を有したものとなっている。
【００２６】
システムの構成を、図2をもとに説明する。機構的な部分は、ディスクを保持し正確な線速度または角速度で回転を行うスピンドルモーター２０４、化学分析チップ１０を保持する機構を設けた光ピックアップ１００からなる。
【００２７】
ディスク２０２の任意の位置へのアクセスは、モーター２０４ごとスライドテーブルに載せ、その送り調整をして位置合わせを行ってもよいし、通常の光ディスクドライブのように、光ピックアップを移動させるステージを組み込んでもよい。
【００２８】
次に回路構成として、ピックアップ特有の制御ブロックとして、フォーカス，トラッキング制御部２０８があり、また位置制御のためのアクセス制御部２１０をもつ。それらの各制御部と、スピンドルモーター２０４のコントロールを含め統合的に制御を行う、ドライブコントローラー２０６が全体の動作の調和をとる働きを行う。
【００２９】
書き込み（記録）、読み出し（再生）信号の扱いは、信号発生，復調ブロックが受け持ち、コントローラーユニットの操作に従いディスクへの書き込み信号の生成や、表示部２１６に再生信号振幅等必要な情報の表示を行う。
【００３０】
分析に当っては、ディスクへの書き込みができる状態に、システムのセッティングを行い、ピックアップ部の位置も決めておく。ここで使用するディスクは一般に市販されている書き換え可能な、CD-RW または DVD-RW などでよく、特殊なディスクを必要とはしない。
【００３１】
先に分析用の溶液のみをチップの流路に流し、ピックアップ内の化学チップ装着部に挿入する。その位置でまず、ディスクの記録、再生を行い、再生レベルをメモリー内に記録しておく。例えば図2中のメモリーブッロックに情報を保持する。次に、チップに反応試薬を流し込み、溶液と混ざり合った時点で、以前と同様にディスクの記録、再生を行う。前後の再生レベルの表示を行い、両者の再生信号レベルの比較から熱レンズ生成に関する評価を行う。
【００３２】
再生信号レベルの振幅の減少割合が、熱レンズ形成度合いに相関した収差発生量と強く結びついているため、結果、再生信号レベルの測定によって、熱レンズ効果を利用した微量化学測定、分析がなされることになる。
【図面の簡単な説明】
【００３３】
【図１】本発明で用いる熱レンズ生成光ピックアップの斜視図である。
【図２】システム全体を示すブロック図である。
【図３】化学分析チップの斜視図を示す。
【図４】化学分析チップに対する励起光とプローブ光の動作を説明するための斜視図である。
【図５】化学分析チップに対する励起光とプローブ光の動作を説明するための側面図である。
【符号の説明】
【００３４】
１０  化学分析チップ
１００  光ピックアップ
１０２  レーザーダイオード
１０４  グレーティング
１０６  コリメートレンズ
１０８  ビームスプリッター
１１０  ミラー
１１２  コリメートレンズ
１１４  対物レンズ
２０２  ディスク
【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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