(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
液体試料を導入するための試料導入口と、導入された液体試料の流路と、液体試料を排出する試料排出口が設けられ、前記流路のうちの少なくとも一部の領域を測定室として用いる検出計セルであって、前記検出計セルは、シリコン基板とガラス板Ｂとをフッ酸接合し、前記シリコン基板に流路をエッチング形成し、さらに前記試料導入口と前記試料排出口とが設けられたガラス板Ａを前記シリコン基板上にフッ酸接合することにより、ガラス板Ａとガラス板Ｂとによって流路が形成されたシリコン基板を挟設接合したことを特徴とする検出計セル。
【請求項２】
請求項１記載の検出計セルにおいて、ドライエッチングによって前記流路を形成し、断面形状の深さ／幅の寸法比を１以上としたことを特徴とする検出計セル。
【請求項３】
請求項１または請求項２に記載された検出計セルの測定室へ検出光を照射することによって光学測定を行う光学測定装置であって、さらに前記検出計セルを位置決めする手段を備えたことを特徴とする光学測定装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、極微量の液体試料中の成分を検出する場合に利用される、紫外あるいは可視領域の光線の吸収もしくは発光を測定するための検出計セル、およびこの検出計セルを用いた光学測定装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
紫外あるいは可視領域における検体の光吸収を測定するための検出計セルは、分析化学の分野（特に、環境分析分野、臨床分野、医薬品分野など）において、極微量成分を正確かつ迅速に分析する手法（例えば、キャピラリー電気泳動（ＣＥ）、液体クロマトグラフィー（ＬＣ）またはフローインジェクション分析（ＦＩＡ）など）の検出計としてよく使用されている。この検出計セルは、通常、分析対象となる液体試料を導入するための試料導入口、液体試料の流路および液体試料を排出する試料排出口を有し、その流路中に液体試料と紫外あるいは可視領域の光線との相互作用領域となる測定室を有し、前記分析手法に用いられる分析カラムの出口に配して使用される。また測定室には測定光の入射口と出射口が設けられており、紫外あるいは可視領域の光線は、入射口を通って測定室に存在する液体試料を通過し、出射口から出て、測光光学系により検出される。
図９に移動相に液体を用いる液体クロマトグラフィー（ＬＣ）の装置構成図を示す。装置は送液部３０と試料注入部３１と分離部３２と検出部３３から構成されている。送液ポンプ３０ａは、７０〜４００ｋｇ／ｃｍ２程度の吐出圧で移動相タンク３０ｂの溶液を試料注入部３１に送液する。分析する微量の試料をマイクロシリンジにより試料注入部３１のセプタムから注入し、移動相と共に分離部３２の分析カラム３２ａに送る。多孔性微粒子が充填されたクロマト管の分析カラム３２ａを通り、分離された試料が検出計セル３３ａに入る。
図１０に検出計セル３３ａを用いた光学測定装置を示す。装置は光源２１（通常光源２１から出た光は分光器で単色光に分けられて試料に照射されるが、ここでは分光器を出た光を光源２１として説明する）と測定室３６の検出計セル３３ａと光検出器２２とデータ分析部３４とから構成されている。測定室３６は、検出計セル３３ａとこれを保持するセルホルダーからなっている。検出計セル３３ａは内容積の小さいフローセルで、通常角形のものが用いられるが、特殊な形状のものも製作されており、目的に応じて使い分けられる。材質は、石英ガラスが普通であるが、ポリスチレン樹脂やアクリル樹脂のものもある。石英ガラスは紫外、可視いずれにも使用でき、他のものは可視領域で用いられる。そして、試料が移動相と共に分析カラム３２ａを通って分離され、入口流路２５から検出計セル３３ａに入る。光源２１からの光が検出計セル３３ａ内の試料に照射され、試料で吸光または透過し光検出器２２に検出される。検出された信号は増幅処理され、吸光度または透過パーセントとしてデータ分析部３４で表示、記録される。検出計セル３３ａを通過した試料は出口流路２８からコレクタータンク３５に排出される。
近年、「Ｓｃｉｅｎｃｅ、Ｖｏｌ．２６１、ｐ．８９５〜８９７（１９９３）」に記載されているように、ガラス（例えば、パイレックスガラス）基板を材料とした電気泳動部材上に、液体試料を導入するための流路と液体試料を分離するための流路を、半導体製造技術を基盤とするマイクロマシニング技術を用いて形成した電気泳動装置が開発されており、従来のキャピラリー電気泳動装置と比較して、高速分析が可能、溶媒消費量が極めて少ない、装置の小型化が可能などの利点を有することが報告されている。これらの特徴は、上記した分析化学の分野において従来の分析装置では実現が困難であった、現場（オンサイト、ベッドサイド）分析を可能とするものとして、またＤＮＡ分析などの分野に対しては高速分析の視点からスクリーニングに有利なものとして有望視されている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
従来の検出計セルおよび光学測定装置は以上のように構成されているが、しかし、例えばキャピラリー電気泳動装置で使用されている従来の検出計セルは、試料を分離するガラスキャピラリーに比べて一般的に測定室の容積が大きく、極微量成分を分析する場合、キャピラリー電気泳動法の有する分離能力を生かせないことが多々あった。なぜならば、測定室の体積が大きいため、分離した微量成分の再混合や媒体中への拡散が生じるからである。
また一方、分離キャピラリーカラム自体を検出セルとして利用する方式が研究されている。この場合、分析に必要な試料体積および測定室の容積は極めて小さくできるが、光路長が短い、検出に寄与しない光(迷光)が検出器に入射してしまうなどの理由で検出感度が不足することが問題となっている。
マイクロマシニング技術を用いてガラス基板上に流路を形成し、電気泳動用チップとして用いる場合、流路が微小であるため、検出法に吸光度検出を用いる場合に光路長が短く、十分な検出感度が得られないという問題がある。高分解能を保ったまま光路長を長くするためには、高アスペクト比（流路の深さ／幅の比）の流路を形成する必要があるが、通常用いられるウエットエッチングによる流路形成方法ではエッチングが等方的に進行するため、アスペクト比が１以上の流路は形成できない。ドライエッチングを用いる場合は高アスペクト比の流路を形成することが可能であるが、一般にシリコンと比較してガラスのエッチングレートは小さく、流路形成に長時間を要する。またドライエッチングのマスク材料はガラスとのエッチング選択比を大きく取れないため、厚い膜が必要であり、高精度パターニングが困難である。
本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであって、測定室の体積が上記した各種分離分析手段の分離能力を損なわない程度、すなわち流路断面積が分離キャピラリーカラムと同程度な検出計セルを実現し、しかも、検出感度を改善するため、アスペクト比の高い流路を持つセルを、生産性よく作製することのできる検出計セルおよび光学測定装置を提供することを目的とする。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するため本発明の検出計セルは、液体試料を導入するための試料導入口と、導入された液体試料の流路と、液体試料を排出する試料排出口が設けられ、前記流路のうちの少なくとも一部の領域を測定室として用いる検出計セルであって、前記検出計セルは、シリコン基板とガラス板Ｂとをフッ酸接合し、前記シリコン基板に流路をエッチング形成し、さらに前記試料導入口と前記試料排出口とが設けられたガラス板Ａを前記シリコン基板上にフッ酸接合することにより、ガラス板Ａとガラス板Ｂとによって流路が形成されたシリコン基板を挟設接合したことを特徴としている。
【０００５】
さらに、本発明の検出計セルは、前記流路の断面形状の深さ／幅の寸法比が１以上であることを特徴としている。
【０００６】
そして、本発明の光学測定装置は、測定室へ検出光を照射することによって光学測定を行う光学測定装置であって、さらに前記検出計セルを位置決めする手段を備えたことを特徴としている。
【０００７】
本発明の検出計セルおよび光学測定装置は上記のように構成されており、検出計セルが、ガラス板Ａとシリコン基板とガラス板Ｂとを３層構造に接合して構成され、試料の流路となる部分がシリコン基板をドライエッチングすることによって加工され、その上部のガラス板Ａには試料導入口と試料排出口とが設けられ、上下のガラス板を接合することによって形成される。そして、フォトファブリケーション技術を用いることにより、シリコン基板上の流路の断面形状の深さ／幅の寸法比が、１以上の高アスペクト比になる溝を形成することは、ガラスと比較して短時間で加工が可能である。また、エッチングマスクはフォトレジスト膜で行うことができる。その結果、検出感度に優れた検出計セルを生産性良く製作することができる。そして、高精度に形成された幅、深さともに微小で、流路断面積が分離キャピラリーカラムとほぼ同程度な流路を測定室として使用するため、各種分離分析手段の分離能力を損なわない程度に、微小な体積の測定室を実現できる。
【０００８】
【発明の実施の形態】
本発明の検出計セルおよび光学測定装置の一実施例を図１、図２を参照しながら説明する。図１は本発明の検出計セル２０を示す図であり、（ａ）は平面図、（ｂ）はＡ−Ａ断面の側面図、（ｃ）はＢ−Ｂ断面の正面図を示す。図２は本発明の検出計セル２０を用いた光学測定装置を示す図である。
検出計セル２０は、ガラス板２とシリコン基板３とガラス板１との３層で形成されている。ガラス板２は、可視領域から紫外領域にいたる広い範囲で透過性の良い材質、例えば石英ガラス基板が用いられ、試料を導入する導入口２ａと試料を排出する排出口２ｂを備えている。シリコン基板３は、２０μｍ幅、１００μｍ深さを有する液体試料用流路として用いる微小な流路溝８が形成されている。この流路溝８の断面形状は、深さ／幅の寸法比が１以上になるように高アスペクト比で形成されている。ガラス板１は、ガラス板２と同様に石英ガラス基板が用いられる。そしてガラス板２とシリコン基板３とガラス板１とが接合すべき面を合わせて、フッ酸溶液で密着接合されている。分析カラムから出た液体試料がガラス板２の導入口２ａから導入され、シリコン基板３の流路溝８に流れ、ガラス板２の排出口２ｂから排出される。
【０００９】
検出計セル２０を用いて光学測定をする光学測定装置は、光源２１と、検出計セル２０と、その検出計セルをセットするステージ２３と、測定室８ａを透過した光を検出する光検出器２２とから構成されている。
光源２１は、重水素ランプ、タングステンランプ等が用いられ、分光器により所定の単波長に分光されて、測定室８ａに照射するもので、紫外領域から可視領域までの所定の波長の光を出すことができる。
ステージ２３は、検出計セル２０を正確に位置決めできる凹部２４を有し、検出計セル２０を凹部２４に挿入することにより、ステージ２３に形成された入口流路２５と検出計セル２０の導入口２ａとが密着でき、同時にステージ２３に形成された出口流路２８と排出口２ｂとが密着できる。そして、光源２１からの光が検出計セル２０の測定室８ａを照射する位置になり、また、測定室８ａを透過した検出光１１が光検出器２２に入射する位置になる。これにより、ステージ２３の凹部２４に検出計セル２０をセットするだけで、光学測定が可能になる。
光検出器２２は、光電管、光電子増倍管、光電池、光伝導セル、フォトダイオードアレイ検出器等を使用し、測定室８ａの液体試料を透過して透過光を検出する。その信号は増幅処理され、データ分析部で吸光度又は透過パーセントとして表示される。
【００１０】
次に、検出計セルおよび光学測定装置の操作について説明する。まず、検出計セル２０をステージ２３にセットし、分析装置を動作させる。分析カラムから分離されて出てきた液体試料は、入口流路２５から検出計セル２０の導入口２ａに導入され、検出計セル２０の流路溝８に流れる。この流路溝８の一部を測定室８ａとしているので、この十分に微小な体積の測定室８ａを液体試料は流れる。この流路溝８の断面形状は、深さ／幅の寸法比が１以上になるように高アスペクト比で形成されているので、光路長が深さの方向に長くなる。そして、光源２１からの光が検出計セル２０に入射し、液体試料用流路溝８の一部である測定室８ａのみを光が通過し、それ以外の光はスリットとして機能するシリコン基板３によって遮られ、検出光１１は光検出器２２に入る。このために、従来に比べて迷光を減少させることができ、検出感度が向上する。検出が終わった液体試料は検出計セル２０の排出口２ｂから出口流路２８を通過して、外部のコレクタータンクに排出される。
【００１１】
次に、検出計セル２０の製作プロセスについて説明する。製作プロセスはシリコンーガラス接合工程（ａ）、製作前工程（ｂ）、流路製作工程（ｃ）、ガラス板加工工程（ｄ）、アッセンブリ工程（ｅ）で行われる。図３に示すシリコンーガラス接合工程では、手順ａ−１としてシリコン基板３とガラス板１を洗浄し、シリコン基板３の表面に熱酸化により酸化膜３７を形成する。そして、手順ａ−２としてシリコン基板３とガラス板１を接合面に１％フッ酸水溶液を塗布し、両者を合わせて上部から１ＭＰ程度の荷重を印加しつつ、室温で２４時間放置する。手順ａ−３としてシリコン基板３の表面の酸化膜３７をフッ酸溶液で除去する。図４に示す製作前工程（ｂ）では、手順ｂ−１としてシリコン基板３とガラス基板１を接合したものを回転台にセットして、表面にフォトレジスト６、例えばＡＺ４６２０を、３０００ｒｐｍの回転スピードで４０秒間、スピンコーティングを行う。このとき、フォトレジスト６の厚みは約７μｍとなる。使用するフォトレジスト６の材質及び厚みは、特に限定されるものではなく、後のエッチング工程に耐える材質および厚みであればよい。手順ｂ−２としてフォトレジスト６は、フォトマスク７を用いてＵＶ光で露光され、その後現像される。ここで、フォトレジスト６の露光は、一般に半導体製造に用いられているアライナーを使用することができる。さらに、フォトレジスト６を現像する現像液は、用いるフォトレジスト６を現像するために使用されているものであれば、特に限定されるものではない。図５に示す流路製作工程（ｃ）では、手順Ｃ−１としてＳＦ６とＣＨＦ３とＡｒの混合ガス中で高周波プラズマを用いたドライエッチングによりシリコン基板３をエッチングする。このときに流路溝８が形成される。ここで使用されるエッチングガスは、特に限定されるものではなく、シリコン基板３の高アスペクト比の流路溝８の加工が可能なガスであれば何れでも良い。手順Ｃ−２としてフォトレジスト６を除去する。そして、手順Ｃ−３としてシリコン基板３を加熱し、表面に酸化膜３７を形成する。図６に示すガラス板加工工程（ｄ）では、ガラス板２を例えばサンドブラストなどの加工により、液体試料の導入口２ａと排出口２ｂを加工し、貫通穴を形成する。図７に示すアッセンブリ工程（ｅ）では、（ａ）〜（ｃ）の工程により試料用の流路溝８を形成したシリコン基板３、ガラス板１と、（ｄ）の工程により貫通穴を形成したガラス板２を重ね合わせ、シリコンーガラス接合工程（ａ）と同様の接合方法によって接合し、ガラス板２とシリコン基板３とを接着させて検出計セル２０を完成させる。
【００１２】
上記の実施例では、シリコン基板３に流路溝８として一流路を形成した場合を説明したが、図８に示すように、シリコン基板３に複数の流路溝８を形成することもできる。シリコン基板３に対する深いドライエッチング技術は確立されており、例えば幅１０μｍ、深さ１００μｍの溝を２０μｍ間隔で並べて形成することもできる。この場合、複数の分析を同時に行うことが可能であり、分析のスループットを向上させることができる。
【００１３】
また、シリコン基板３上に２本の交わった流路溝８を形成することもできる。この場合、一方の流路をサンプル導入用とし、他方を分離用として用いることにより、高精度なサンプル注入が可能である。
【００１４】
【発明の効果】
本発明の検出計セルおよび光学測定装置は上記のように構成されており、検出計セルにおける試料流路となる溝は、フォトファブリケーション技術を用いて、シリコン基板上に形成されているため、その溝幅と深さは微小に高精度に加工され、流路断面積が分離キャピラリーカラムとほぼ同程度で測定室に使用でき、各種分離分析手段の分離能力を損なわない程度に、微小な体積の測定室を実現できる。そしてシリコン基板を加工して、高アスペクト比の試料の流路を形成しているため、吸光度分析における光路長を長くとることができる。さらに流路部を通過する以外の入射光は、シリコンで遮られる構成であるため、検出器に入射する迷光が低減でき、従来に比べて検出感度が向上する。また、本発明の検出計セルは半導体製造技術を用いて製造されるため、検出計セル全体が小型・高精度に加工されており、さらに複数の検出計セルを一括して生産することができるため、コストの低減になる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明の検出計セルの一実施例を示す図である。
【図２】  本発明の光学測定装置の一実施例を示す図である。
【図３】  本発明の検出計セルのシリコンーガラス接合工程を示す図である。
【図４】  本発明の検出計セルの製作前工程を示す図である。
【図５】  本発明の検出計セルの流路製作工程を示す図である。
【図６】  本発明の検出計セルのガラス板加工工程を示す図である。
【図７】  本発明の検出計セルのアッセンブリ工程を示す図である。
【図８】  本発明の検出計セルの他の実施例を示す図である。
【図９】  従来の液体クロマトグラフィの分析装置を示す。
【図１０】  従来の光学測定装置を示す図である。
【符号の説明】
１…ガラス板                        ２…ガラス板
２ａ…導入口                        ２ｂ…排出口
３…シリコン基板                    ６…フォトレジスト
７…フォトマスク                    ８…流路溝
１１…検出口                        ２０…検出計セル
２０ａ…検出計セル                  ２１…光源
２２…光検出器                      ２３…ステージ
２４…凹部                          ２５…入口流路
２８…出口流路                      ３０…送液部
３０ａ…送液ポンプ                  ３０ｂ…移動相タンク
３１…試料注入部                    ３２…分離部
３２ａ…分析カラム                  ３３…検出部
３３ａ…検出計セル                  ３４…データ分析部
３５…コレクタータンク              ３６…測定室
３７…酸化膜
【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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