(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
溶液中の物質の反応分布もしくは濃度分布を計測する物質分布計測装置であって、
絶縁体と光吸収係数の逆数である光侵入長と同等の厚さを有する半導体とを備えた物質検出プレートと、
該物質検出プレート上に溶液の流路を形成する流路形成部と、
前記溶液の電位を安定させる手段と、
前記流路の一側にフェムト秒レーザー光を照射する手段と、
前記フェムト秒レーザー光を物質検出プレートに対して２次元的に走査させる手段と、
該２次元的に走査させる手段により、前記フェムト秒レーザー光を前記物質検出プレートに照射することで発生するパルス電磁波の振幅強度を直接計測する手段と、
前記振幅強度より、被検出物質を定性的もしくは定量的、かつ、連続的に計測して前記流路内の溶液中の物質の反応分布もしくは濃度分布を二次元マッピングとして得る手段を備え、
物質感応膜が前記流路の内壁面の一部を構成したことを特徴とする物質分布計測装置。
【請求項２】
溶液中の物質の反応分布もしくは濃度分布を計測する物質分布計測装置であって、
絶縁体と光吸収係数の逆数である光侵入長と同等の厚さを有する半導体を備えるとともに、
該半導体上に作製される前記絶縁体上に物質感応膜を作製した物質検出プレートと、
該物質検出プレート上に溶液の流路を形成する流路形成部と、
前記溶液の電位を安定させる手段と、
前記半導体側から前記流路側にフェムト秒レーザー光を照射する手段と、
前記フェムト秒レーザー光を物質検出プレートに対して２次元的に走査させる手段と、
該２次元的に走査させる手段により、前記フェムト秒レーザー光を前記物質検出プレートに照射することで発生するパルス電磁波の振幅強度を直接計測する手段と、
前記振幅強度より、被検出物質を定性的もしくは定量的、かつ、連続的に計測して前記流路内の溶液中の物質の反応分布もしくは濃度分布を二次元マッピングとして得る手段を備え、
前記物質感応膜が前記流路の内壁面の一部を構成したことを特徴とする物質分布計測装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体と物質感応膜を備える物質分布計測装置において、パルスレーザー光を照射し、該半導体において発生する電磁波を検出することで、溶液中の被検出物質の有無を判別する装置に関するものである。詳しくは、溶液の化学反応を行うマイクロ流路内の物質の反応分布もしくは物質の濃度分布を検出する装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、溶液中の物質を検出する装置として電界効果トランジスタを用いたセンサがある。電界効果トランジスタを用いたセンサは、一般的に、１）電界効果トランジスタのゲート電極上に作製された感応膜と、２）ドレイン電極及びソース電極より信号を読み出すセンサ読み出し回路と、３）センサを駆動させる電源と、４）溶液の電位を安定させる参照電極とを備えている。
【０００３】
以上のように構成する電界効果トランジスタを用いたセンサにおいては、溶液に含まれる被検出物質が前記感応膜に接触すると、感応膜の触媒作用により被検出物質が分解され、溶液のｐＨが変化することになる。そして、このｐＨの変化により変化する電界効果トランジスタ内の半導体の局所電界の電流を前記ドレイン電極、及び、前記ソース電極より信号として検出することとしている。
【０００４】
このような電界効果トランジスタを用いたセンサ（センサ素子）を同一基板上にアレイ化し、複数の物質を検出する方法が提案されている（例えば、特許文献１参照。）。
【０００５】
特許文献１には、フォトレジストを用いたパターニングにより、５０ｍｍ×６０ｍｍの基板上に、１００組のセンサ素子を作製する方法について記されている。
【０００６】
特許文献２においては、酵素をＦＥＴチャンネル表面（ダイヤモンド表面）に直接固定することにより、酵素の感応性を向上させることができるｐチャンネル電界効果トランジスタ及びそれを用いたセンサについて記されている。
【０００７】
また、特許文献３においては、パルスレーザー光を用いて、チップ（半導体デバイス）にバイアス電圧を印加することなく、無バイアス下で故障診断を行うことができる半導体デバイスの故障診断方法と装置について記されている。
【０００８】
さらに、レーザー光を用いた物質検出装置として、ＬＡＰＳ（Ｌｉｇｈｔ−Ａｄｄｒｅｓｓａｂｌｅ  Ｐｏｒｔｅｎｔｉｏｍｅｔｒｉｃ  Ｓｅｎｓｏｒ）が知られている（例えば、非特許文献１参照。）。このＬＡＰＳは、半導体シリコン基板、及びその上に形成された酸化膜及び窒化膜からなるセンサ基板を備え、例えば、このセンサ基板の上に接触させた溶液のｐＨを測定するセンサとして用いられる。
【０００９】
そして、前記半導体シリコン基板と前記センサ基板との界面ではエネルギーバンドに曲がりが生じているが、この曲がりは、前記センサ基板に接している溶液のｐＨにも依存する。その結果、前記半導体シリコン基板と前記センサ基板との界面に存在する空乏層の幅が変化し、レーザー光を照射したときに流れる電流（光電流）も変化する。
【００１０】
以上のように、レーザー光を照射したときに流れる電流（光電流）は、光を照射した場所の空乏層の幅の変化を反映するものである。
【００１１】
また、マイクロ流路内の物質を検出する検出装置や検出手法については従来から幾つか検討されている。例えば表面プラズモンを用いた物質の検出装置として、ＳＰＲ（表面プラズモン）センサによる検出装置が知られている。このＳＰＲセンサは、光を一定角度で流路床面に照射し、全反射した光のスペクトルにより分析を行う手法を用いたものである。
【特許文献１】特開２００２−３５０３８３号公報
【特許文献２】特開２００４−２９４０８７号公報
【特許文献３】特開２００６−２４７７４号公報
【非特許文献１】Ｔ．Ｙｏｓｈｉｎｏｂｕ他、Ｅｌｅｃｔｒｏｃｈｉｍｉｃａ  Ａｃｔａ、第４７巻（２００１年）ｐｐ．２５９−２６３
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
前記特許文献１で開示されるような、センサ素子をアレイ化する方法では、センサ素子ごとに、作用電極、対電極、を備える必要があり、製作工程が煩雑になるという問題点があった。
【００１３】
しかも、センサ素子ごとに、信号を読み出すための信号線及び、センサの駆動回路を備える必要があるという問題点があった。
【００１４】
前記特許文献２で開示されるような、ｐチャンネル電界効果トランジスタ及びそれを用いたセンサでは、１つの物質ごとにＩＳＦＥＴ構造を作製する必要がある。そして、半導体に電圧を付加し、電流を流す必要がある。特に任意の位置での計測が困難であるという問題点があった。
【００１５】
前記特許文献３で開示されるような、半導体デバイスの故障診断方法は、半導体デバイスに直接パルスレーザー光を照射して半導体デバイス自身を診断するものである。そのため、半導体デバイス以外のレーザー光に弱い被検出物質、例えば生体物質等に対して類似の方法を適用することは困難である。
【００１６】
一方、前記ＬＡＰＳでは、レーザー光を照射した位置から光電流を取り出す電極までの電流経路における半導体シリコン基板の電気的特性が位置によって異なるため、あらかじめ、信号の校正をする必要があった。
【００１７】
また、前記ＳＰＲを用いる検出方法では、温度管理や、外部光遮断などを行う必要がある。さらに、光学系を精密に組立てて設定する必要があり、光走査を行うには装置コストが莫大になってしまう。
【００１８】
かかる従来の事情に鑑みて、発明者らは、溶液の化学反応を行うマイクロ流路内の物質の反応分布もしくは物質の濃度分布を検出する装置を提供すべく研究開発を行い、本発明を成すに至ったものである。
【課題を解決するための手段】
【００１９】
本発明の解決しようとする課題は以上の如くであり、次にこの課題を解決するための手段を説明する。
【００２０】
即ち、請求項１に記載のごとく、
溶液中の物質の反応分布もしくは濃度分布を計測する物質分布計測装置であって、
絶縁体と光吸収係数の逆数である光侵入長と同等の厚さを有する半導体とを備えた物質検出プレートと、
該物質検出プレート上に溶液の流路を形成する流路形成部と、
前記溶液の電位を安定させる手段と、
前記流路の一側にフェムト秒レーザー光を照射する手段と、
前記フェムト秒レーザー光を物質検出プレートに対して２次元的に走査させる手段と、
該２次元的に走査させる手段により、前記フェムト秒レーザー光を前記物質検出プレートに照射することで発生するパルス電磁波の振幅強度を直接計測する手段と、
前記振幅強度より、被検出物質を定性的もしくは定量的、かつ、連続的に計測して前記流路内の溶液中の物質の反応分布もしくは濃度分布を二次元マッピングとして得る手段を備え、
物質感応膜が前記流路の内壁面の一部を構成したものである。
【００２１】
また、請求項２に記載のごとく、
溶液中の物質の反応分布もしくは濃度分布を計測する物質分布計測装置であって、
絶縁体と光吸収係数の逆数である光侵入長と同等の厚さを有する半導体を備えるとともに、
該半導体上に作製される前記絶縁体上に物質感応膜を作製した物質検出プレートと、
該物質検出プレート上に溶液の流路を形成する流路形成部と、
前記溶液の電位を安定させる手段と、
前記半導体側から前記流路側にフェムト秒レーザー光を照射する手段と、
前記フェムト秒レーザー光を物質検出プレートに対して２次元的に走査させる手段と、
該２次元的に走査させる手段により、前記フェムト秒レーザー光を前記物質検出プレートに照射することで発生するパルス電磁波の振幅強度を直接計測する手段と、
前記振幅強度より、被検出物質を定性的もしくは定量的、かつ、連続的に計測して前記流路内の溶液中の物質の反応分布もしくは濃度分布を二次元マッピングとして得る手段を備え、
前記物質感応膜が前記流路の内壁面の一部を構成したものである。
【発明の効果】
【００２７】
本発明によれば、流路の一部を構成する物質感応膜（計測部）に対応する物質検出プレートにパルスレーザー光を照射することで、照射位置に対応する流路内における被検出物質の量に依存する振幅強度を持ったパルス電磁波を効率よく発生させ、その振幅強度を計測することで、被検出物質の有無を検出する定性的な評価や、定量的な評価を行うことができる。
【００２８】
したがって、流路中の任意の位置の物質の計測を高分解能（１μｍ以下）で行うことが可能である。これにより、流路全体の連続的な計測を可能とし、溶液中の物質の反応分布もしくは物質の濃度分布を調べることが可能となる。
【００２９】
また、マイクロ流路、ＴＡＳ（Ｔｏｔａｌ  Ａｎａｌｙｓｉｓ  Ｓｙｓｔｅｍ）内の溶液反応、濃度分布を非接触、リアルタイムで検出可能となる。特にパルスレーザー光としてフェムト秒レーザー光を使用することで、物質の反応をリアルタイムで観測可能となる。
【００３０】
さらに、パルスレーザー照射位置より発生するパルス電磁波を計測するために、流路上のどの位置について計測を行う場合であっても、前記ＬＡＰＳのように校正を行うことなしに、高精度かつ定量的な計測が可能である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３１】
以下、本発明の最良の実施形態を図面を参照して説明する。なお、各図において共通する部分には、同一の符号を付し、重複した説明を省略する。
図１は本発明に係る物質分布計測装置の概略図、図２は本発明に係る物質検出プレートのエネルギーバンド分布の模式図、図３は本実施形態の物質検出プレートの概略図、図４は流路形成部及び流路を示す斜視図、図５は同じく断面図、図６は物質分布計測装置の測定エリアを示す模式図であり、（ａ）は図５のＸ矢視図、（ｂ）は（ａ）のＹ−Ｙ断面矢視図、図７はｐＨ濃度分布の測定結果を示す図であり、（ａ）は撹拌前のｐＨ濃度分布の測定結果を示す図、（ｂ）は撹拌後のｐＨ濃度分布の測定結果を示す図である。図８はｐＨ濃度分布が変化した場合の測定結果を示す図であり、（ａ）は流路内が空気のみの測定結果、（ｂ）はｐＨ２近傍の測定結果、（ｃ）はｐＨ１１近傍の測定結果である。
【００３２】
図１に、本発明の物質分布計測装置の実施例を示す。
この物質分布計測装置１では、半導体上に物質感応膜を作製した物質検出プレート５と、被検出物質を含む溶液を流す流路１２を形成する流路形成部６と、溶液の電位を安定させる手段（後述する参照電極２６）と、前記物質検出プレート５にパルスレーザー光を前記絶縁体の反対側である前記半導体側から前記流路１２に対応する位置に照射することで、照射位置における被検出物質の量に依存する振幅強度を持ったパルス電磁波を発生させる手段（パルスレーザー光源２）と、前記パルスレーザー光を２次元的に走査して照射する手段（走査台７、パルスレーザー光源２）と、前記パルス電磁波の振幅強度を計測する手段（検出・変換装置４）と、前記振幅強度より、被検出物質を定性的もしくは定量的に計測して前記流路１２内の溶液中の物質の反応分布もしくは濃度分布を得る手段（制御・解析装置８）を備える構成とするものである。特に本実施例においては、後述する物質感応膜２１が、前記流路形成部６内の流路１２の内壁面の一部（本実施例では、流路１２内壁面の底部）を構成している。以下、原理、及び、装置構成の詳細について説明する。
なお、本実施例においては前記流路１２の内壁面において、物質検出プレート５側に位置する部分を便宜上底部とする。
【００３３】
はじめにレーザーパルス照射による電磁波の発生原理を説明する。半導体中の電場Ｅが存在する場所に、バンドギャップよりも大きなエネルギーをもつレーザー光を照射すると、光励起による電子・正孔対が生成し、その電子・正孔対が電場Ｅによって加速されるために電流が発生する。レーザー光が連続光の場合は、定常的な電流が流れるが、レーザー光がパルス光の場合には、励起された電子・正孔対はある一定の時間で緩和し、電流も流れなくなるため、光パルスの幅と緩和時間に依存して、パルス状の電流が流れる。古典電磁気学のＭａｘｗｅｌｌの方程式から導出される下記（１）式によれば、半導体に流れる電流に時間変化が発生した場合、該半導体より電磁波が放射される。
【００３４】
【数１】
0004183735.tif 000002
【００３５】
上記（１）式において、Ｅｅｍｉｓｓｉｏｎは、電磁波の電界ベクトル、Ｊは、光電流密度ベクトル、ｎは、光励起された電子・正孔対の密度、ｅは、素電荷量、ｖは、光が照射された位置における半導体中の電場Ｅｌｏｃａｌによって加速された電子・正孔対のドリフト速度、μは、電荷の移動度である。
【００３６】
（１）式からわかるように、発生する電磁波の振幅強度は、光が照射された位置における半導体中の電場Ｅｌｏｃａｌに比例する。
【００３７】
次に、溶液中の被検出物質が半導体上に作製される物質検出プレート５の表面に存在した場合に、パルスレーザー光の照射によって前記半導体から発生される前記パルス電磁波の振幅強度が変化する理由を説明する。
【００３８】
まず、特定の被検出物質に感応する物質感応膜に、被検出物質を含む溶液が接すると、溶液の水素イオン濃度が変化する。すなわち、物質感応膜に接する溶液のｐＨが変化する。
【００３９】
例えば、ウレアーゼ（酵素）を含む物質感応膜では、触媒作用により、尿素が加水分解され、アンモニアが発生し、ｐＨが上昇することが知られている。
【００４０】
図２は、物質検出プレートのエネルギーバンド分布の模式図であり、図中のＥＣは伝導帯であり、ＥＶは価電子帯である。絶縁体２２と半導体２３の境界には、空乏層が形成される。空乏層とは、キャリアが存在しない領域であり、該空乏層には局所電界Ｅが形成されている。したがって、外部から電圧を印加しなくても、空乏層には定常的に電界が存在していることになる。この空乏層に光を照射し、電子・正孔対を生成すると、（１）式にしたがって、電磁波が発生する。
【００４１】
ここで、局所電界Ｅの向き及び大きさは、絶縁体２２と半導体２３の境界の状態や、半導体の特性によって変わることがある。しかしながら、電磁波発生の原理において特に重要な点は、局所電界Ｅが形成されていることである。
【００４２】
そして、図２に示すごとく、溶液中の水素イオン濃度（溶液のｐＨ）が変化すると、物質感応膜２１に吸着する水素イオンと水酸基イオンの密度が変化し、物質感応膜２１の表面の電荷が変化することで、絶縁体２２と半導体２３の境界に形成される空乏層の局所電界Ｅも変化し、局所電荷Ｅに比例する前記パルス電磁波の振幅強度も変化することになる。
【００４３】
以上のように、パルスレーザー光を照射することにより発生する電磁波の振幅強度を直接計測することで、被検出物質ごとに信号を読み出す電極を作製することなく被検出物質を検出することができることになる。
【００４４】
以上の原理を用い、図１に示す装置構成によって、被検出物質の検出が行われる。
図１は、本実施例の物質分布計測装置の概略図である。この図に示すように、本実施例の物質分布計測装置１は、照射装置、検出・変換装置４、及び制御・解析装置８を備える。
【００４５】
図１において照射装置は、走査台７、パルスレーザー光源２、及び、集光装置３からなり、物質検出プレート５の特定の位置に所定の波長を有するパルスレーザー光９を照射する機能を有する。
【００４６】
さらに、照射装置は、パルスレーザー光９を照射して２次元的に走査する手段を有する。つまり、走査する手段は、前記走査台７において、図示しない駆動装置を用いて前記物質検出プレート５及び流路形成部６を走査台７（ステージ）上で往復移動させつつ、パルスレーザー光９を前記物質検出プレート５に向けて照射する機能を有している。
【００４７】
また、このパルスレーザー光９は、図４に示すごとく、流路１２の底部を構成する物質感応膜２１の位置に対応する半導体２３に対して照射されるものであり（流路形成部６の一側面部に位置する流路１２に対して照射されるもの）、前記走査台７にて物質検出プレート５、及び、該物質検出プレート５上に密着して積層された流路形成部６の全体を動かすことによって、パルスレーザー光９が照射される位置に、流路１２の底部の物質感応膜２１に対応する半導体２３を移動して、半導体２３のレーザー光照射面が走査されるようにし、パルスレーザー光９を照射すると半導体２３のレーザー光照射位置から、連続的に、パルス電磁波１０を発生させることとしている。
【００４８】
なお、走査する構成はこの実施例の構成に限定されず、図示しない揺動または回転するミラー等により、パルスレーザー光９を物質検出プレート５の上で２次元的に走査したり、パルスレーザー光源２を揺動したりして照射してもよい。
【００４９】
また、図１に示すごとく、本実施例では、パルスレーザー光９とパルス電磁波１０の経路によってなす面を略水平面、即ち、図１は上面視の構成であり、この構成を側面から見た場合に、前記パルスレーザー光９とパルス電磁波１０が略水平面をなすような配置構成としているが、各装置の形状及び固定方法によって適宜設定することが望ましく、前記略水平面を構成する必要はない。また、流路形成部６が有する流路１２の一側（本実施例では流路１２の底部側）にパルスレーザー光９を照射する構成としている。
【００５０】
前記パルスレーザー光９の物質検出プレート５への入射角は、パルスレーザー光９の有する波長が、物質検出プレート５の半導体へ最も吸収される角度とすることが好ましい。ただし、各装置の形状及び固定方法によっては、この角度に限定する必要はなく、特に限定されるものではない。
【００５１】
前記パルスレーザー光源２は、パルスレーザー光９を発生可能なモード同期チタンサファイアレーザ、又はフェムト秒ファイバーレーザであるのがよい。
また、このパルスレーザー光９の波長は、３００ナノメートル（３００ｎｍ＝０．３μｍ）以上、２ミクロン（２μｍ）以下の範囲に含まれるものであり、時間平均のエネルギーが０．１ｍＷ以上、１０Ｗ以下であり、パルス幅が１フェムト秒（１ｆｓ＝０．００１ｐｓ）以上、１０ピコ秒（１０ｐｓ）以下であるのがよい。
すなわち、電磁波の励起に際しては、光源として時間の幅の小さなパルスレーザー光を用いることにより、半導体及び溶液に大きな影響を及ぼさない状態で、電磁波の励起ができる。また、特にパルスレーザー光としてフェムト秒レーザー光を使用することで、高い時間分解能による時間分解計測が可能となり、物質の反応をリアルタイムで観測可能となる。なお、半導体及び溶液に熱的影響を及ぼさない最大光パルス幅は、約１０ピコ秒と見積ることができる。また、フェムト秒レーザーを使用することで、微小量の溶液であっても、レーザーによる加熱の影響を最小限に抑えることができ、試料の熱破壊を抑制できるという効果がある。
【００５２】
図１において検出・変換装置４は、例えば、電磁波検出ボローメーター、又は、半導体光スイッチであり、パルスレーザー光９の照射位置から放射されるパルス電磁波１０を検出して、電磁波の電場振幅の時間波形に対応した時間的に変化する電圧信号に変換するものである。また、前記パルス電磁波１０に含まれる周波数の成分は、１０ギガヘルツから１００テラヘルツまでの範囲に含まれることとし、これにより、一般的な構成の検出・変換装置４の利用が可能となる。また、本発明に係る物質分布計測装置１を構成する上で、利用するパルス電磁波１０としては、ギガヘルツ領域よりもテラヘルツ領域が好ましい。テラヘルツ領域を利用する場合は、ギガヘルツ領域を利用する場合とは異なり、ミラーやレンズ等を使用した光学的な手法により、電磁波を検出器に容易に導くことが可能となる。一方、テラヘルツ領域よりも高周波領域は、いわゆる光になるが、光を利用する場合は、周囲の光と信号の光を区別する手段を備える必要があり、装置が複雑になるため光のようなテラヘルツ領域よりも高周波の電磁波よりもテラヘルツ領域の電磁波を利用することが好ましい。
【００５３】
制御・解析装置８は、前記検出・変換装置４で変換した電圧信号から、被検出物質の有無の検出（定性的な測定）、被検出物質の定量的な測定、並びに、被検出物質の反応分布及び濃度分布といった解析を行うものである。また、本実施例では、制御・解析装置８は、本明細書中に説明する制御や解析の実行を可能とするコンピュータであり、走査台７、検出・変換装置４、及び、パルスレーザー光源２の制御も併せて行うものである。
【００５４】
図３は、前記物質検出プレート５の概要図である。物質検出プレート５は、流路１２の底部を形成する物質感応膜２１と絶縁体２２と半導体２３と透明基板２４とが備えられる。また、物質検出プレート５及び流路形成部６で測定プレート２０を構成している。
【００５５】
尚、物質感応膜２１は、溶液のｐＨのみを計測する場合は、必要としない。
【００５６】
また、前記物質感応膜２１として、酵素を固定化した膜を備えることにより、この酵素と反応する被検出物質が溶液中に存在する場合には、酵素と被検出物質の反応によりｐＨが変化し、当該物質感応膜２１の存在する位置から発生するパルス電磁波１０の振幅強度が変化する。この振幅強度の変化を捉えることによって、被検出物質を検出できることになる。このように、物質感応膜２１を酵素にて構成することにより、物質検出プレート５にて酵素反応による分布の検出を行うことが可能となる。具体的には、物質感応膜２１は光架橋剤に酵素を添加して、流路１２の底部に塗布することにより構成する。または、酵素を含有したシートを流路１２の底部に貼り付ける。
【００５７】
また、前記物質感応膜２１として、抗原を固定化した膜を備えることにより、この抗原と反応する被検出物質（抗体）が溶液中に存在する場合には、抗原と被検出物質（抗体）の反応により感応膜表面の電荷が変化し、当該物質感応膜２１の存在する位置から発生するパルス電磁波１０の振幅強度が変化する。この変化した振幅強度の（周波数に対する）値によって、被検出物質（抗体）を検出できることになる。このように、物質感応膜２１を抗原にて構成することにより、これに対応する抗体の検出を行うことが可能となり、物質分布計測装置１を、いわゆる生物センサとして利用可能となる。
【００５８】
また、流路１２の底部にある物質感応膜２１の大きさ（前記半導体２３に対する投影面積）は、前記パルスレーザー光９の照射範囲に対応して設計される。即ち、パルスレーザー光９の照射範囲よりも広くなるように、物質感応膜２１の大きさが設計される（本実施形態においては、物質感応膜２１の大きさは１５ｍｍ×１５ｍｍ程度。図６で示す物質感応膜２１の大きさが測定エリアとなる）。また、本実施形態の物質感応膜２１上に設ける流路１２の大きさとしては、流路幅３ｍｍ程度、流路高さ２ｍｍ程度であり、流路長は１８ｍｍ程度（物質感応膜２１上の流路長）である。具体的には、前記流路１２の内壁面を構成する物質感応膜２１の面積が、前記流路１２の内壁面の表面積の４分の１以上であることが好ましく、表面積の４分の１未満となる場合、反応分布を検出する面積が不足してしまう場合があるからである。また、前記流路１２の流路幅が流路長の５分の１以下であることが好ましく、流路長の５分の１より大きい場合、熱容量が大きくなり、急激な加熱・冷却が困難になり、マイクロ流路を用いて反応を行う有用性がなくなるからである。
【００５９】
また、図３に示すごとく、前記半導体２３には絶縁体２２の膜が形成され、該絶縁体２２上に、かつ、流路１２の底部にあたる部分に前記物質感応膜２１が配置される。本実施例では、絶縁体２２としては酸化シリコン，窒化シリコン等が用いられる。前記絶縁体２２の厚さを約２７０ナノメートル、半導体２３の厚さを約１５０ナノメートルとしたが、半導体２３の厚さは、パルスレーザー光９の波長と半導体２３の種類によって決定される光侵入長と同等の大きさとするのが望ましい。尚、光侵入長は、半導体２３についての光吸収係数の逆数である。例えば、パルスレーザー光９の波長が７９０ナノメートルであり、半導体２３の種類が高抵抗のシリコンである場合、半導体２３の厚さは約２ミクロン程度とすることで、効率よくパルス電磁波１０を発生させることができる。
【００６０】
また、図３に示すごとく、前記透明基板２４は、半導体２３と絶縁体２２と物質感応膜２１を作製するときに必要である。さらに、物質検出プレート５の機械強度を保つためにも必要である。実施例では、透明基板２４としてサファイアが用いられている。また、図３及び図４に示すように、前記透明基板２４上に半導体２３が配置され、その半導体２３上に前記絶縁体２２が配置され、その絶縁体２２上に前記物質感応膜２１が配置される。
【００６１】
また、図３に示すごとく、前記パルスレーザー光９は、前記物質検出プレート５の前記物質感応膜２１が作製される面の反対側から照射されるものである。このために、物質検出プレート５に設けられる半導体として、前記パルスレーザー光９を透過する絶縁体基板（透明基板２４）上に、半導体膜（半導体２３）を作製したものが使用される。
【００６２】
また、図３に示すごとく、リード線２５が半導体２３と電気的に接触されており、必要に応じて半導体２３に電圧を印加することができるようになっている。これにより、半導体２３内の空乏層の幅を制御することができる。
【００６３】
また、前記絶縁体２２の上に窒化シリコンなどの保護膜を作製することによれば、溶液中のイオンが絶縁体２２の中へ浸透し、検出信号が不安定になることを防ぐことができる。
【００６４】
また、図４及び図５に示すごとく、前記物質検出プレート５には、前記物質感応膜２１上に、プレート状の流路形成部６が一体的に積層される。この流路形成部６には、内部に側面視クランク状の流路１２を有しており、該流路１２は断面視四角状である（図５参照）。流路１２の内壁面の一部である底部は物質感応膜２１の表面により形成されている。また、物質感応膜２１と流路形成部６との界面Ｓは、流路１２の底部を形成している物質感応膜２１部分を除き、密着してシールされており、また、流路形成部６と絶縁体２２との界面も同様にシールされており、流路１２内から界面Ｓに溶液が侵入しないように処理されている。すなわち、溶液が流路１２を流れる、もしくは流路１２内に貯留される場合に、溶液は、流路１２の底部である物質感応膜２１の表面に接触するように構成している。
なお、流路１２の形状としては特にクランク状に限定するものではなく、溶液反応の種類等により適宜変更してもかまわない。例えば、流路形状としては直線状、蛇行状、Ｙ字状等などがあげられる。
また、流路１２の近傍に加熱もしくは冷却手段を設けて流路形成部６を構成することも可能である。
【００６５】
また、図４に示すごとく、被検出物質の含まれた溶液は、溶液流入口３２より注入され、検査後に不要となった溶液は、溶液排出口３３より排出される。
【００６６】
また、溶液の電位を安定させる手段である参照電極２６は、図６に示すように、溶液流入口３２に接続される溶液供給管の中途部の所定位置に介装される。この参照電極２６は、塩化カリウム飽和溶液の封入されたガラス管に銀・塩化銀電極が入っている構造であり、飽和塩化カリウム溶液に浸された銀・塩化銀電極である。そして、参照電極２６と前述したリード線２５の間には電圧源が設置されており、電圧を印加することが可能であり、前記被検出物質を含む溶液の電位を安定させる手段として機能するものである。
【００６７】
以上のように物質分布計測装置１を構成し、溶液に含まれる被検出物質の測定を次のようにして行う。
図１に示すごとく、測定プレート２０を、走査台７上の規定の位置に設置し、前記制御・解析装置８の制御によって、パルスレーザー光９の照射位置と、流路１２の底部である前記物質感応膜２１の所定位置（スタート位置）が一致するように、走査台７上において、測定プレート２０を移動する。
【００６８】
そして、制御・解析装置８は、前記パルスレーザー光源２により、前記物質検出プレート５の半導体２３における、前記絶縁体２２とは反対側であって、かつ、前記物質感応膜２１に対応する位置に、パルスレーザー光９を照射させる。このパルスレーザー光９の照射によって生じるパルス電磁波１０が検出・変換装置４によって検出され、制御・解析装置８では、その検出結果を取り込んで、パルス電磁波１０の振幅強度から、物質感応膜２１での反応の有無や、反応の度合いが検出される。
【００６９】
そして、制御・解析装置８は、物質感応膜２１についてのパルス電磁波１０の検出を継続しつつ、前記走査台７を制御して、測定プレート２０を移動させ、流路１２内の物質感応膜２１に対応する半導体２３にパルスレーザー光９の照射を行う。このように、物質分布計測装置１においては、前記パルスレーザー光９を２次元的に走査して照射する手段（走査台７、パルスレーザー光源２）を備え、前記パルスレーザー光を２次元的に走査して照射する手段（走査台７、パルスレーザー光源２）によって、前記パルスレーザー光を連続的に前記物質感応膜２１（半導体２３）に対して照射し、前記照射によって発生されるパルス電磁波の振幅強度を、連続して、計測するものである。
【００７０】
そして、制御・解析装置８は、前記パルス電磁波１０の振幅強度より、被検出物質を定性的もしくは定量的に計測して前記流路１２内の溶液中の物質の反応分布もしくは濃度分布を得る手段として機能するものであり、各物質感応膜２１での反応の有無（電磁波振幅強度の変化の有無）や、反応の度合い（電磁波振幅強度の変化の量）を検出し、これらに基づいて溶液中の反応分布もしくは濃度分布を検出して被検出物質の解析を行うものである。
【００７１】
こうして、本実施例に係る物質分布計測装置１を用いて被検出物質を測定した例を図７に示す。図７は、クランク状の流路１２に溶液を貯留し、溶液中のｐＨの濃度分布を２次元マッピングしたものである。図７（ａ）に示すクランク形状の濃度マップの左側はｐＨが２で在る領域であり、右側はｐＨが１２である領域となっている。この状態からしばらく放置し、溶液の撹拌を進める（撹拌後）と、図７（ｂ）に示すように高濃度（高ｐＨ）の領域が左右に拡がっていくことが観測できる。
また、流路１２に（ａ）空気のみ、（ｂ）ｐＨ２近傍の溶液、（ｃ）ｐＨ１１近傍の溶液、をそれぞれ供給して、本発明である物質分布計測装置１を用いて濃度分布の計測を行ったところ、図８に示すように、各水素イオン濃度に応じて変化し、定量的に測定可能であることが確認できた。このように、本発明である物質分布計測装置１を用いて、流路１２内の溶液の反応分布、濃度分布を定量的もしくは定性的に、かつ、連続的に計測することが可能となる。
【００７２】
そして、このようにして行われる被検出物質の解析については、前述のように、物質感応膜２１での反応の有無により、パルス電磁波１０の振幅強度が変化することから、このパルス電磁波１０の強度変化の有無から、被検出物質の存在の有無を検出し、流路１２周辺部における二次元のマッピングを行なうことで、溶液反応分布の解析が行えることになる。
【００７３】
また、前述のように、前記物質感応膜２１による被検出物質の分解によって溶液のｐＨが変化し、これによって、発生するパルス電磁波１０の振幅強度が変化することから、このパルス電磁波１０の強度変化の大小から、被検出物質の濃度を測定し、流路１２周辺部における二次元のマッピングを行なうことで、溶液濃度分布の解析が行えることになる。
【００７４】
また、この溶液濃度分布の解析につき、パルスレーザー光９の照射時間と被検出物質の濃度変化との相関を解析することによれば、物質感応膜２１における被検出物質の分解の速度や、その速度変化の挙動についての解析を行うことも可能となる。例えば、反応開始時の分解速度が非常に遅いが、一定の分解が進んだ後は、分解速度が急激に上昇するといった挙動を把握するといった反応過程を分析することも可能となり、また、その反応過程をパルス電磁波１０の波長強度からリアルタイムに分析することが可能となる。
【００７５】
さらに、以上の一連の解析においては、測定プレート２０を一度セットした後は、走査台７にて測定プレート２０を移動させて、連続的にパルスレーザー光９を照射することで、流路１２内の底部全域の被検出物質についての解析を実施することができ、作業性がよく、短時間で、効率よく多くの解析データを得ることが可能となる。また、被検出物質と物質感応膜２１との反応を直接検出することができるので、ラベルフリーの物質検出が可能となる。
【００７６】
こうして、溶液中の物質の反応分布もしくは濃度分布を計測する物質分布計測装置１であって、半導体２３上に作製される絶縁体２２上に物質感応膜２１を作製した物質検出プレート５と、該物質検出プレート５上に溶液の流路１２を形成する流路形成部６と、前記溶液の電位を安定させる手段と、前記半導体２３側から前記流路１２側にパルスレーザー光９を照射する手段と、前記パルスレーザー光９を物質検出プレート５に対して２次元的に走査させる手段と、前記パルスレーザー光９を前記物質検出プレート５に照射することで発生するパルス電磁波の振幅強度を計測する手段と、前記振幅強度より、被検出物質を定性的もしくは定量的に計測して前記流路１２内の溶液中の物質の反応分布もしくは濃度分布を得る手段を備え、前記物質感応膜２１が前記流路１２の内壁面の一部を構成したことにより、流路１２中の任意の位置の物質の計測を高分解能（１μｍ以下）で行うことが可能である。これにより、流路１２全体の連続的な計測（計測値の二次元のマッピング）を可能とし、物質の反応分布もしくは物質の濃度分布の解析データを短時間で効率よく得ることが可能となる。また、マイクロ流路、ＴＡＳ（Ｔｏｔａｌ  Ａｎａｌｙｓｉｓ  Ｓｙｓｔｅｍ）内の溶液反応、濃度分布を非破壊、非接触、リアルタイムで検出可能となる。
【００７７】
なお、本発明は、上記実施例に限定されるものではなく、本発明の趣旨に基づいて種々の変形が可能であり、これらを本発明の範囲から排除するものではない。
【産業上の利用可能性】
【００７８】
本発明によれば、生体物質間の相互作用反応（抗原−抗体、酵素反応、アレルギー反応等）を高スループットで検出する装置を実現することができる。また、利用分野として、臨床検査、テーラーメイド医療、医学研究、医薬品開発、環境汚染物質評価、食品安全管理、農薬検査などの分野において、幅広く利用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００７９】
【図１】本発明に係る物質分布計測装置の概略図である。
【図２】本発明に係る物質検出プレートのエネルギーバンド分布の模式図である。
【図３】本実施形態の物質検出プレートの概略図である。
【図４】流路形成部及び流路を示す斜視図である。
【図５】同じく断面図である。
【図６】物質分布計測装置の測定エリアを示す模式図である。
【図７】ｐＨ濃度分布の測定結果を示す図である。
【図８】ｐＨ濃度分布が変化した場合の測定結果を示す図である。
【符号の説明】
【００８０】
１  物質分布計測装置
２  パルスレーザー光源
３  集光装置
４  検出・変換装置
５  物質検出プレート
６  流路形成部
７  走査台
８  制御・解析装置
９  パルスレーザー光
１０  パルス電磁波
１１  制御信号線
１２  流路
２１  物質感応膜
２２  絶縁体
２３  半導体
２４  透明基板
２５  リード線
２６  参照電極
３２  溶液流入口
３３  溶液排出口
【要約】
【課題】溶液の化学反応を行うマイクロ流路内の物質の反応分布もしくは物質の濃度分布を検出する装置を提供する。
【解決手段】溶液中の物質の反応分布もしくは濃度分布を計測する物質分布計測装置１であって、半導体２３上に作製される絶縁体２２上に物質感応膜２１を作製した物質検出プレート５と、該物質検出プレート５上に溶液の流路１２を形成する流路形成部６と、前記溶液の電位を安定させる手段と、前記半導体２３側から流路１２側にパルスレーザー光９を照射する手段と、前記パルスレーザー光９を物質検出プレート５に対して２次元的に走査させる手段と、パルスレーザー光９を物質検出プレート５に照射することで発生するパルス電磁波の振幅強度を計測する手段と、前記振幅強度より、被検出物質を定性的もしくは定量的に計測して流路内の溶液中の物質の反応分布もしくは濃度分布を得る手段を備え、物質感応膜２１が流路１２の内壁面の一部を構成した。
【選択図】図４【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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