(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
試料中の物質を検出する物質検出装置において、
所定位置に固定された試料台と、
励起光を、対物レンズを介して、前記試料台上の試料中に入射する励起光源と、
検出光を、前記対物レンズを介して、前記励起光が前記試料中に照射されることにより形成される熱レンズに入射する検出光源と、
前記熱レンズによる前記検出光の拡散を測定することにより前記物質を検出する検出手段と、
前記対物レンズを水平方向及び鉛直方向に移動させる駆動手段と、
を備え、
前記対物レンズは、光ピックアップ用対物レンズであり、前記試料中における前記励起光及び前記検出光の焦点位置が一致しないように構成された２焦点レンズであり、
前記駆動手段は、前記対物レンズを、水平方向に移動させるとともに、当該水平方向の移動速度よりも高速で鉛直方向に移動させ、
前記検出手段は、前記駆動手段による前記対物レンズの移動の間、前記検出光の拡散を測定し、当該測定結果のうちの最大値に基づいて前記試料中における物質の濃度を検出することを特徴とする物質検出装置。
【請求項２】
請求項１に記載の物質検出装置において、
前記駆動手段は、電磁コイルを用いて前記対物レンズを移動させることを特徴とする物質検出装置。
【請求項３】
請求項１又は２に記載の物質検出装置において、
前記励起光源及び前記検出光源は、半導体レーザ光源であり、
少なくとも前記試料台、前記励起光源、前記検出光源、前記対物レンズ及び前記駆動手段は、単一器体に装着一体化されていることを特徴とする物質検出装置。
【請求項４】
請求項１〜３の何れか一項に記載の物質検出装置において、
前記試料台に載置されたマイクロチップが有するマイクロチャネル内における試料中の物質を検出することを特徴とする物質検出装置。
【請求項５】
請求項１に記載の物質検出装置による物質検出方法において、
前記駆動手段によって、前記対物レンズを、水平方向に往復移動させるとともに、当該水平方向の移動速度よりも高速で鉛直方向に往復移動させる移動ステップと、
前記移動ステップの間、前記検出手段によって、前記検出光の拡散を測定する測定ステップと、
前記移動ステップの後、前記検出手段によって、前記測定結果のうちの最大値に基づいて前記試料中における物質の濃度を測定する検出ステップと、
を備えることを特徴とする物質検出方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、物質検出装置及び物質検出方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、特定の物質の存在やその定量的な濃度を検出する物質検出装置（センサ）の研究・開発が盛んに行われている。
具体的には、例えば、安全・安心で快適な社会の実現という観点から、ホルムアルデヒドやトルエンなどの住環境汚染物質、ＴＮＴ火薬などの爆発物類、コカインやヘロインなどの麻薬類を、高速・高感度に検出する物質検出装置の研究・開発が行われている。
また、近年、燃料電池の開発が盛んに行われているが、燃料電池は水素を用いるため、燃料電池を使用する装置（車両や機器など）やその装置に水素を供給する水素ステーションにおいて水素漏れを監視するのが好ましく、この監視を行う物質検出装置の研究・開発も行われている。
さらに、例えば、食物の鮮度や成分の分析、快適空間を提供・維持するための環境制御、人体を含めた生体の状態検知など、環境分野や医療分野に適用可能な物質検出装置の研究・開発も行われている。
【０００３】
ところで、近年、マイクロチップなどを利用して化学や生物実験操作を行うことが提案されており、実際に化学分析や細胞計測などの実験操作をマイクロチップ内で行うことが可能になってきている。
マイクロチップとは、平板状の基板に微細加工によってマイクロチャネル（微小流路）を集積化して形成したものである。例えば、気体中に含まれるホルムアルデヒドをマイクロチップのマイクロチャネルを使って検出試薬（シッフ試薬）に抽出させることによって、ホルムアルデヒドを抽出・濃縮が可能となっている。
このようなマイクロチップを用いることにより、試料量の大幅な低減や化学処理時間の短縮化を図ることができるという利点がある。しかしながら、その一方で、試料中の微量な分析対象物質の存在やその濃度を検出する必要があり、超高感度・超高分解能の検出法が必須となる。
【０００４】
検出法としては、吸光光度計や蛍光光度計などを用いる光検出法、電気化学法、発光法などが挙げられる。
光検出法としては、吸光法が汎用的であるため望ましいが、感度の問題からレーザ誘起蛍光（ＬＩＦ）法が多く用いられている。レーザ誘起蛍光法を用いれば、極限的分析である「液相中の単一分子分光」も可能である。しかしながら、レーザ誘起蛍光法では、レーザスポットを単一の蛍光分子が通過する間に、励起・発光を繰り返して放出する１０４個程度の多数の光子を検出するため、原理的に蛍光量子収率の高い限られた数の蛍光物質しか検出できず、汎用性に欠けるという問題がある。これに対し、ほとんどの物質では蛍光量子収率は０（ゼロ）に近く、吸収した光エネルギーは熱エネルギーとして媒質へと放出される。この過程を光熱変換過程（無輻射緩和過程）と呼ぶ。光熱変換過程を利用した分光法は、光熱変換分光法と呼ばれ、原理的に吸光法と同等の広い適用範囲を持つとともに、高感度な分光法として知られている。
【０００５】
この光熱変換分光法の一つに熱レンズ分光法がある。熱レンズ分光法は、吸光法に比べて２桁〜３桁ほど高感度な分析が可能であり、レーザ誘起蛍光法と同等の高感度検出を実現できる。さらに、非接触、非損傷での分析が可能であって、分析対象が蛍光分子に限定されることなしに、高精度で高空間分解能での検出が可能である。この熱レンズ分光法を適用した顕微鏡は、熱レンズ顕微鏡（ＴＬＭ）として知られている（例えば、特許文献１及び２参照）。
熱レンズ分光法では、微小領域をレーザ光で照射すると、レーザ光に吸収を持つ物質が存在した場合、その微小領域が温められて屈折率の変化が生じ、微小凹レンズを形成され、焦点距離が変化することを利用している。すなわち、熱レンズ分光法は、一定面積のディレクターに入射する光量が変化することを利用していることから、超微量検出が可能になる。
【０００６】
したがって、マイクロチップと、熱レンズ分光法を適用した物質検出装置と、を用いることによって、気相や液相中にサブｐｐｂレベルの極低濃度で存在する微量物質の高感度・高精度検出が可能となる（例えば、特許文献１〜４参照）。
【特許文献１】特開２０００−３５６６１１号公報
【特許文献２】特開２００５−１６４６１４号公報
【特許文献３】特開２００３−１４００２６号公報
【特許文献４】特開２００３−０４２７１３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、熱レンズ分光法を適用した物質検出装置では、励起光が試料中に入射されることによって形成される熱レンズに検出光を入射し、試料透過後の検出光の拡散から試料中の特定物質の検出を行うようになっており、試料中での励起光と検出光の焦点位置が一致しない工夫が必要である。そのため、例えば、特許文献１〜４に示すような従来の物質検出装置では、光学調整装置、励起光を試料に集光照射するための焦点位置調整装置、２次元走査のために試料台を動かす位置決めコントローラなどの大型な装置が必要となり、それら自身が大きな容積を占め、操作性に欠ける、可搬性に欠ける、高価であるなどの問題があり、熱レンズ分光法を適用した物質検出装置を用いて検出を行う際の、場所や操作を限定する要因となっている。
【０００８】
本発明の課題は、熱レンズ分光法を適用した物質検出装置のコンパクト化を図ること、この物質検出装置を用いて単純な操作で高速検出を行うための物質検出方法を提供すること、にある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記課題を解決するために、請求項１に記載の発明は、
試料中の物質を検出する物質検出装置において、
所定位置に固定された試料台と、
励起光を、対物レンズを介して、前記試料台上の試料中に入射する励起光源と、
検出光を、前記対物レンズを介して、前記励起光が前記試料中に照射されることにより形成される熱レンズに入射する検出光源と、
前記熱レンズによる前記検出光の拡散を測定することにより前記物質を検出する検出手段と、
前記対物レンズを水平方向及び鉛直方向に移動させる駆動手段と、
を備え、
前記対物レンズは、光ピックアップ用対物レンズであり、前記試料中における前記励起光及び前記検出光の焦点位置が一致しないように構成された２焦点レンズであり、
前記駆動手段は、前記対物レンズを、水平方向に移動させるとともに、当該水平方向の移動速度よりも高速で鉛直方向に移動させ、
前記検出手段は、前記駆動手段による前記対物レンズの移動の間、前記検出光の拡散を測定し、当該測定結果のうちの最大値に基づいて前記試料中における物質の濃度を検出することを特徴とする。
【００１０】
請求項２に記載の発明は、
請求項１に記載の物質検出装置において、
前記駆動手段は、電磁コイルを用いて前記対物レンズを移動させることを特徴とする。
【００１２】
請求項３に記載の発明は、
請求項１又は２に記載の物質検出装置において、
前記励起光源及び前記検出光源は、半導体レーザ光源であり、
少なくとも前記試料台、前記励起光源、前記検出光源、前記対物レンズ、及び前記駆動手段は、単一器体に装着一体化されていることを特徴とする。
【００１３】
請求項４に記載の発明は、
請求項１〜３の何れか一項に記載の物質検出装置において、
前記試料台に載置されたマイクロチップが有するマイクロチャネル内における試料中の物質を検出することを特徴とする。
【００１５】
請求項５に記載の発明は、
請求項１に記載の物質検出装置による物質検出方法において、
前記駆動手段によって、前記対物レンズを、水平方向に往復移動させるとともに、当該水平方向の移動速度よりも高速で鉛直方向に往復移動させる移動ステップと、
前記移動ステップの間、前記検出手段によって、前記検出光の拡散を測定する測定ステップと、
前記移動ステップの後、前記検出手段によって、前記測定結果のうちの最大値に基づいて前記試料中における物質の濃度を測定する検出ステップと、
を備えることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１８】
本発明によれば、試料中の物質を検出する物質検出装置において、所定位置に固定された試料台と、励起光を、対物レンズを介して、試料台上の試料中に入射する励起光源と、検出光を、対物レンズを介して、励起光が試料中に照射されることにより形成される熱レンズに入射する検出光源と、熱レンズによる検出光の拡散を測定することにより物質を検出する検出手段と、対物レンズを、水平方向に移動させるとともに、当該水平方向の移動速度よりも高速で鉛直方向に移動させる駆動手段と、を備え、対物レンズは、光ピックアップ用対物レンズであり、試料中における励起光及び検出光の焦点位置が一致しないように構成された２焦点レンズであり、検出手段は、駆動手段による対物レンズの移動の間、検出光の拡散を測定し、当該測定結果のうちの最大値に基づいて試料中における物質の濃度を検出するようになっている。
そして、当該物質検出装置による検出方法において、駆動手段によって、対物レンズを、水平方向に往復移動させるとともに、当該水平方向の移動速度よりも高速で鉛直方向に往復移動させる移動ステップと、移動ステップの間、検出手段によって、検出光の拡散を測定する測定ステップと、移動ステップの後、検出手段によって、測定結果のうちの最大値に基づいて試料中における物質の濃度を測定する検出ステップと、を備えている。
【００１９】
すなわち、対物レンズは、光ディスクの分野で用いられる光ピックアップ用の２焦点レンズであるため、対物レンズは小型であり、さらに、従来のように、光学調整装置や、励起光を試料に集光照射するための焦点位置調整装置などの大型な装置を備えなくても、試料中における励起光及び検出光の焦点位置が一致しないようにすることができる。加えて、試料台は所定位置に固定されているとともに、対物レンズを移動させる駆動手段を備えているため、小型の対物レンズを移動させて焦点や測定点の調整を行うことができることとなって、従来のように、試料台を動かす位置決めコントローラなどの大型な装置を備える必要がないため、熱レンズ分光法を適用した物質検出装置のコンパクト化を図ることができる。
そして、対物レンズを、水平方向に往復移動させるとともに、当該水平方向の移動速度よりも高速で鉛直方向に往復移動させながら、試料中における物質の濃度を検出することができる、すなわち焦点や測定点を変化させながら物質を検出することができるため、予め焦点や測定点を調整することなく検出を行うことができることとなって、単純な操作で高速検出を行うことができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
以下、図を参照して、本発明を実施するための最良の形態を詳細に説明する。なお、発明の範囲は、図示例に限定されない。
【００２１】
［第１の実施の形態］
まず、第１の実施の形態における物質検出装置１００について説明する。
【００２２】
＜物質検出装置の構成＞
物質検出装置１００は、ＣＤやＤＶＤなどの光ディスクに対応した光ピックアップの構成を応用したセンサであり、熱レンズ分光法を適用してマイクロチップ２００が有するマイクロチャネル２００ａ内における試料Ｓ中の物質の存在や濃度を検出するためのセンサである。
具体的には、物質検出装置１００は、例えば、図１に示すように、励起光源１と、検出光源２と、チョッパ３と、ダイクロックミラー４と、対物レンズアクチュエータ５と、試料台６と、ピンホール部７と、フィルタ８と、光検出器９と、プリアンプ１０と、ロックインアンプ１１と、制御部１２と、などを備えて構成される。
【００２３】
マイクロチップ２００には、例えば、図２に示すように、試料導入側及び試料排出側がＹ字型に分岐されたマイクロチャネル２００ａが形成されている。溶液である試料Ｓは、試料導入側からマイクロチャネル２００ａ内に導入されて、試料排出側から排出されるようになっている。マイクロチャネル２００ａの形状は、例えば、断面視において深さ２０μｍ、幅５００μｍに設定されている。
なお、試料Ｓは、液体に限ることはなく、固体や気体であっても良く、ゾルやゲルなどであっても良い。また、試料Ｓは、マイクロチップ２００のマイクロチャネル２００ａ内に導入されたものに限ることはなく、試料台６に載置されたセル等の所定の容器内に収容されたものであっても良い。
【００２４】
励起光源１及び検出光源２は、例えば、制御部１２により制御されて、それぞれ励起光及び検出光を出力する。
励起光源１には、例えば、所定波長の励起光を出力する固定レーザ光源等を用いることができ、具体的には、例えば、５３２ｎｍの励起光を出力するＳＨＧ−ＹＡＧレーザ光源などを用いることができる。
検出光源２は、例えば、励起光とは異なる波長を有する検出光を出力するガスレーザ光源等を用いることができ、具体的には、例えば、６３３ｎｍの検出光を出力するヘリウムネオンレーザ光源などを用いることができる。
【００２５】
励起光源１から出力された励起光及び検出光源２から出力された検出光は、対物レンズアクチュエータ５を構成する対物レンズ５ａを介して、試料台６に載置されたマイクロチップ２００のマイクロチャネル２００ａ内にある試料Ｓ中に入射される。
【００２６】
具体的には、励起光源１から出力された励起光は、チョッパ３によって変調されて、ダイクロックミラー４を透過する。一方、検出光源２から出力された検出光は、ダイクロックミラー４によって、変調後の励起光と同軸にて合成される。そして、励起光と検出光とからなる合成光は、対物レンズ５ａを透過することによって集光されて、試料台６上の試料Ｓ中に入射される。
【００２７】
溶液である試料Ｓ中に励起光を吸収する物質が存在する場合、その物質が励起光を吸収し、その吸収されたエネルギーは熱エネルギーとして溶媒中に放出されるため、溶媒の温度上昇が起こる。
励起光が試料Ｓ中に集光照射されると、励起光の強度分布と熱拡散によって、励起光の光軸周りには高い温度勾配が形成される。多くの媒体では、温度上昇に伴って屈折率が小さくなるため、励起光の光軸中心に近づくほど屈折率が小さくなり、励起光の光軸中心から遠ざかるほど屈折率が大きくなる。この屈折率分布は光学的には凹レンズと同等の効果を持つため、このような光学的効果は熱レンズ効果と呼ばれている。この効果の大きさ（熱レンズＬの度数）は、発生した熱量、すなわち励起光を吸収する物質の量や濃度によって決まるため、熱レンズＬの度数を測定することによって、試料Ｓ中における物質の定量を行うことができる。
【００２８】
具体的には、物質検出装置１００では、例えば、図３に示すように、検出光を、励起光が試料Ｓ中に照射されることにより形成される熱レンズＬに入射し、そして、ピンホール部７のピンホールを通過した検出光の光量変化をフォトダイオード等である光検出器９で検出することによって、試料Ｓ中における物質の存在や濃度を検出する。
【００２９】
より具体的には、合成光を構成する励起光の一部は、光熱変換現象に基づいて試料Ｓの内部に熱レンズＬを形成し、合成光を構成する検出光は、その熱レンズＬを通過して拡散し、光熱変換に関わらなかった励起光とともに試料Ｓを通過する。原理的には、光熱変換に関わらなかった励起光も熱レンズＬの影響を受けるが、検出光に比べてわずかである。試料Ｓを通過した合成光は、ピンホール部７が有する、例えば、直径１ｍｍのピンホールを通過して、フィルタ８へ入力される。合成光を構成する励起光はフィルタ８によって遮断され、合成光を構成する検出光のみが光検出器９に入力される。そして、この入力された検出光の強度変化を光検出器９で検出することによって、試料Ｓ中における物質の存在や濃度が検出される。
【００３０】
なお、フィルタ８の代わりに、回折格子を用いて検出光と励起光の分離を行い、検出光のみを光検出器９へ入力することも可能である。回折格子を用いることにより、低ノイズで検出感度（Ｓ／Ｎ比）を高くすることができるため、物質検出装置１００による検出精度を向上することができる。
【００３１】
ここで、物質検出装置１００では、励起光の照射によって形成された試料Ｓ中の熱レンズＬによる検出光の偏向に伴う強度の変化を測定するため、もともとの光量が大きく、ピンホール部７のピンホールによって光束を絞った後であっても、フォトダイオードによる検出が可能である。したがって、光検出器９としては、フォトダイオードに限ることはなく、光センサであれば任意であり、例えば、フォトマルなども用いることはできるが、物質検出装置１００のコンパクト化の観点から、フォトダイオードが好ましい。
【００３２】
チョッパ３は、例えば、制御部１２により制御されて、所定の周期で回転する。
チョッパ３は、熱レンズＬの形状が悪化するのを防ぐために備えられているとともに、ロックインアンプ１１により信号処理を行うために備えられている。試料Ｓへの励起光の照射を続けていると、試料Ｓの温度分布の飽和によって熱レンズＬの形状が悪くなってくる。そこで、励起光の照射を規則的に止めて、試料Ｓの温度分布の飽和を防止するために、チョッパ３によって、周期的に励起光の照射をＯＮ／ＯＦＦ（すなわち、周期的に励起光を変調）している。
なお、チョッパ３は、周期的に励起光を変調することができる素子であれば任意であり、例えば、音響光学素子などであっても良い。
ここで、励起光の変調周波数が小さいほど検出光の強度（検出光信号の強度）は大きくなるが、測定条件や測定対象に依存して雑音特性は変化するため、励起光の変調周波数は、検出光信号対雑音比（Ｓ／Ｎ比）が最適となるよう設定される。
【００３３】
試料台６は、物質検出装置１００をコンパクトにするために、例えば、対物レンズアクチュエータ５と隣接するよう配置されているとともに、所定位置に固定されている。
【００３４】
対物レンズアクチュエータ５は、光ディスク分野で用いられるものであり、例えば、対物レンズ５ａと、対物レンズ５ａを移動させるための駆動部５ｂと、などを備えて構成される。
【００３５】
対物レンズ５ａは、例えば、光ピックアップ用対物レンズであり、試料Ｓ中における励起光及び検出光の焦点位置が一致しないように構成された２焦点レンズである。合成光が対物レンズ５ａを通過することによって、試料Ｓ中における励起光及び検出光の焦点位置が一致しないようになるため、物質検出装置１００には、従来のような励起光及び検出光の焦点位置が一致しないようにするための光学調整装置などを備える必要がない。
【００３６】
対物レンズ５ａは、例えば、中心部が、励起光の波長（例えば、６５８ｎｍ）を有する光及び検出光の波長（例えば、７８５ｎｍ）を有する光を透過させる第１波長選択部となっており、端部が、励起光の波長（６５８ｎｍ）を有する光は透過させて、検出光の波長（７８５ｎｍ）を有する光は反射させる第２波長選択部となっている。第１波長選択部の開口数（第１開口数）は、例えば、０．４５に設定されているとともに、第１波長選択部及び第２波長選択部の開口数（第２開口数）は、第１開口数よりも大きくなるよう設定されており、例えば、０．６に設定されている。その結果、対物レンズ５ａにおいては、励起光の波長（６５８ｎｍ）を有する光に対する開口数は第２開口数（０．６）に制限され、検出光の波長（７８５ｎｍ）を有する光に対する開口数は第１開口数（０．４５）に制限されるようになっている。また、対物レンズ５ａにおいては、第１波長選択部及び第２波長選択部を透過する励起光の波長（６５８ｎｍ）を有する光に対する干渉フィルタパターンの位相差は０（ゼロ）になるよう設定されている。これにより、対物レンズ５ａは、励起光と検出光の焦点位置を所定距離（約２０μｍ）ずらすことができる２焦点レンズとして機能する。
なお、２焦点レンズは、波長により開口数が異なるレンズに限ることはなく、波長が異なる２種類の光の焦点位置を一致させないレンズであれば任意である。
また、対物レンズ５ａは、２焦点レンズに限ることはなく、試料Ｓ中における励起光及び検出光の焦点位置を一致させないようにすることができるのであれば、３焦点以上の焦点を有する多焦点レンズであっても良い。
【００３７】
駆動部５ｂは、例えば、光ピックアップ用レンズ駆動装置であり、電磁コイルなどを用いて対物レンズ５ａを移動させる。具体的には、駆動部５ｂは、例えば、制御部１２により制御されて、駆動手段として、対物レンズ５ａを水平方向及び鉛直方向に高速移動させる。
なお、駆動部５ｂの駆動源としては、電磁コイルに限ることはなく、駆動部５ｂが対物レンズ５ａを水平方向及び鉛直方向に移動させることができるのであれば任意であり、例えば、モータなども用いることはできるが、物質検出装置１００のコンパクト化の観点から、電磁コイルが好ましい。
物質検出装置１００では対物レンズ５ａを移動させることによって、焦点や測定点の調整を行うため、物質検出装置１００には、従来のような試料台６を水平方向及び鉛直方向に移動するための位置決めコントローラなどの大型で高価な装置を備える必要がない。
【００３８】
制御部１２は、例えば、図示しないＣＰＵ（Central Processing Unit）、ＲＡＭ（Random Access Memory）、ＲＯＭ（Read Only Memory）などを備えて構成されており、物質検出装置１００の各部を制御する。
【００３９】
検出光は、光検出器９に入力されると、電気信号に変換される。光検出器９により検出された検出光の強度は、試料Ｓ中に形成された熱レンズＬの度数に応じたものであり、チョッパ３による励起光変調周期に同期して変化するものである。
この電気信号は、プリアンプ１０によって増幅されてロックインアンプ１１に入力され、チョッパ３を制御（ＰＬＬ制御）する制御部１２からのリファレンス信号と併せて同期検波されて計測される。そして、制御部１２は、ロックインアンプ１１による計測結果をデータ処理することによって、試料Ｓの分析を行い、試料Ｓ中における物質の存在や濃度を検出する。なお、ロックインアンプ１１による処理は、制御部１２からのリファレンス信号を、サンプリングエッジとしたサンプル＆ホールド回路を使った処理に置き換えることができる。
ここで、熱レンズＬによる検出光の拡散を測定することにより試料Ｓ中の物質を検出する検出手段は、光検出器９と、プリアンプ１０と、ロックインアンプ１１と、制御部１２と、などにより構成される。
【００４０】
＜検出処理＞
物質検出装置１００による、試料Ｓ中の物質の検出に関する処理について説明する。
まず、制御部１２は、例えば、励起光源１及び検出光源２に制御信号を入力して、励起光及び検出光を出力させるとともに、チョッパ３に制御信号を入力して、励起光を変調させる。そして、制御部１２は、駆動部５ｂに制御信号を入力して、例えば、ユーザによる物質検出装置１００に備えられた操作部（図示省略）の操作等に従って、対物レンズ５ａを水平方向及び鉛直方向に移動させる。これにより、焦点や測定点の調整が行われる。
【００４１】
次いで、例えば、ユーザによる物質検出装置１００に備えられた操作部（図示省略）の操作等によって、検出を開始するよう指示されると、制御部１２は、励起光源１及び検出光源２に制御信号を入力して、励起光及び検出光の出力を開始させるとともに、チョッパ３に制御信号を入力して、励起光の変調を開始させる。そして、制御部１２は、ロックインアンプ１１から入力された計測結果にデータ処理を施して、試料Ｓ中における物質の存在や濃度を検出し、当該検出結果を物質検出装置１００に備えられた表示部（図示省略）に表示等することによってユーザに提示して、本処理を終了する。
【００４２】
以上説明した第１の実施の形態における物質検出装置１００によれば、所定位置に固定された試料台６と、励起光を、対物レンズ５ａを介して、試料台６上の試料Ｓ中に入射する励起光源１と、検出光を、対物レンズ５ａを介して、励起光が試料Ｓ中に照射されることにより形成される熱レンズＬに入射する検出光源２と、熱レンズＬによる検出光の拡散を測定することにより物質を検出する光検出器９、プリアンプ１０、ロックインアンプ１１及び制御部１２と、対物レンズ５ａを水平方向及び鉛直方向に移動させる駆動部５ｂと、を備え、対物レンズ５ａは、光ピックアップ用対物レンズであり、試料Ｓ中における励起光及び検出光の焦点位置が一致しないように構成された２焦点レンズであるとともに、駆動部５ｂは、光ピックアップ用レンズ駆動装置であり、電磁コイルを用いて対物レンズ５ａを移動させる。
すなわち、対物レンズ５ａは、光ディスクの分野で用いられる光ピックアップ用の２焦点レンズであるため、小型であり、さらに、従来のように、光学調整装置や焦点位置調整装置などの大型な装置を備えなくても、試料Ｓ中における励起光及び検出光の焦点位置が一致しないようにすることができる。加えて、試料台６は所定位置に固定されているとともに、対物レンズ５ａを移動させるための駆動部５ｂを備えているため、小型の対物レンズ５ａを移動させて焦点や測定点の調整を行うことができることとなって、従来のように、試料台を動かす位置決めコントローラなどの大型な装置を備える必要がないため、熱レンズ分光法を適用した物質検出装置のコンパクト化を図ることができることとなって、操作性に欠ける、可搬性に欠ける、高価であるなどの従来の問題を解消することができる。
【００４３】
また、第１の実施の形態における物質検出装置１００によれば、試料台６に載置されたマイクロチップ２００が有するマイクロチャネル２００ａ内における試料Ｓ中の物質を検出することができるため、試料Ｓもコンパクトにすることができることとなって、全体的にコンパクトに試料Ｓ中の物質を検出することができる。
【００４４】
［第２の実施の形態］
次に、第２の実施の形態における物質検出装置１００Ａについて説明する。
なお、第２の実施の形態の物質検出装置１００Ａは、フォトダイオード１４Ａを追加した点と、検出中に対物レンズ５ａが水平方向に移動可能である点と、励起光の光路と、が第１の実施の形態の物質検出装置１００と異なる。具体的には、励起光源１、制御部１２及び光学系の構成の一部が第１の実施の形態の物質検出装置１００と異なる。したがって、異なる箇所のみ説明し、その他の共通する部分は同一符号を付して説明する。
【００４５】
＜物質検出装置の構成＞
物質検出装置１００Ａは、例えば、図４に示すように、励起光源１と、検出光源２と、チョッパ３と、ダイクロックミラー４と、対物レンズアクチュエータ５と、試料台６と、ピンホール部７と、フィルタ８と、光検出器９と、プリアンプ１０と、ロックインアンプ１１と、制御部１２Ａと、ミラー１３Ａと、フォトダイオード１４Ａと、などを備えて構成される。
【００４６】
励起光源１から出力された励起光は、チョッパ３によって変調されて、ミラー１３Ａで反射されて、ダイクロックミラー４を透過する。一方、検出光源２から出力された検出光は、ダイクロックミラー４によって、励起光と同軸にて合成される。そして、励起光と検出光とからなる合成光は、対物レンズ５ａを透過することによって集光されて、試料台６上の試料Ｓ中に入射される。
【００４７】
制御部１２Ａは、例えば、図示しないＣＰＵ（Central Processing Unit）、ＲＡＭ（Random Access Memory）、ＲＯＭ（Read Only Memory）などを備えて構成されており、物質検出装置１００Ａの各部を制御する。
【００４８】
フォトダイオード１４Ａは、マイクロチップ２００（試料Ｓ）からの反射光を検出して、当該検出信号を制御部１２に出力する。
そして、制御部１２Ａは、フォトダイオード１４Ａから入力される検出信号に基づいて、焦点位置を判別し、フォトダイオード１４Ａから入力される検出信号又は光検出器９からプリアンプ１０及びロックインアンプ１１を介して入力される電気信号に基づいて、マイクロチャネル２００ａの幅を判別するようになっている。
具体的には、制御部１２Ａは、例えば、フォトダイオード１４Ａを用いて反射光のＳカーブから（例えば、シリンドリカルレンズを挟んで非点収差法を用いても良い）焦点位置を判別する。また、制御部１２Ａは、例えば、フォトダイオード１４Ａを用いてマイクロチャネル２００ａの端点で生じたＳカーブのごとき曲線からマイクロチャネル２００ａの幅を判別したり、光検出器９を用いて励起光の透過光からマイクロチャネル２００ａの幅を判別したりする。
【００４９】
＜検出処理＞
物質検出装置１００Ａによる、試料Ｓ中の物質の検出に関する処理について説明する。
まず、ユーザによる物質検出装置１００Ａに備えられた操作部（図示省略）の操作等によって、検出を開始するよう指示されると、制御部１２Ａは、焦点の調整を行うとともに、対物レンズ５ａの水平方向移動範囲を決定する。
【００５０】
具体的には、制御部１２Ａは、例えば、励起光源１に制御信号を入力して、励起光を出力させる。そして、制御部１２Ａは、焦点位置を判別しながら駆動部５ｂに制御信号を入力して、対物レンズ５ａを鉛直方向に移動させ、焦点の調整を行う。また、制御部１２Ａは、マイクロチャネル２００ａの幅を判別しながら駆動部５ｂに制御信号を入力して、対物レンズ５ａを水平方向に往復移動させ、当該判別結果に基づいて、水平方向の移動範囲限界位置を決定し、対物レンズ５ａが当該水平方向の移動範囲内で往復移動するよう、駆動部５ｂへの印加電圧を設定する。
ここで、対物レンズ５ａの水平方向に移動範囲としては、マイクロチャネル２００ａの幅よりも大きい範囲が設定される。
【００５１】
次いで、制御部１２Ａは、励起光源１及び検出光源２に制御信号を入力して、励起光及び検出光の出力を開始させるとともに、チョッパ３に制御信号を入力して、励起光の変調を開始させる。そして、制御部１２Ａは、駆動部５ｂに制御信号を入力して、対物レンズ５ａを水平方向に往復移動させ、ロックインアンプ１１から随時入力される計測結果にデータ処理を施して、試料Ｓ中における物質の存在や濃度を検出し、当該検出結果を物質検出装置１００Ｂに備えられた表示部（図示省略）に表示等することによってユーザに提示して、本処理を終了する。
【００５２】
以上説明した第２の実施の形態における物質検出装置１００Ａによれば、焦点位置を判別することによって焦点の調整を行うことができるため、ユーザが手動で焦点を調整することなく検出を行うことができる。さらに、マイクロチャネル２００ａの幅を判別することによって当該幅方向を走査することができるため、走査する位置が決まればユーザが手動で測定点を調整することなく検出を行うことができるとともに、マイクロチャネル２００ａの幅方向における物質の分布なども検出することができる。
【００５３】
［第３の実施の形態］
次に、第３の実施の形態における物質検出装置１００Ｂについて説明する。
なお、第３の実施の形態の物質検出装置１００Ｂは、検出中に対物レンズ５ａが水平方向に移動可能であるとともに当該水平方向の移動速度よりも高速で鉛直方向に移動可能である点が、第２の実施の形態の物質検出装置１００Ａと異なる。具体的には、制御部１２Ａの構成の一部が第２の実施の形態の物質検出装置１００Ａと異なる。したがって、異なる箇所のみ説明し、その他の共通する部分は同一符号を付して説明する。
【００５４】
＜物質検出装置の構成＞
物質検出装置１００Ｂは、例えば、図５に示すように、励起光源１と、検出光源２と、チョッパ３と、ダイクロックミラー４と、対物レンズアクチュエータ５と、試料台６と、ピンホール部７と、フィルタ８と、光検出器９と、プリアンプ１０と、ロックインアンプ１１と、制御部１２Ｂと、ミラー１３Ａと、フォトダイオード１４Ａと、などを備えて構成される。
【００５５】
制御部１２Ｂは、例えば、図示しないＣＰＵ（Central Processing Unit）、ＲＡＭ（Random Access Memory）、ＲＯＭ（Read Only Memory）などを備えて構成されており、物質検出装置１００Ｂの各部を制御する。
具体的には、制御部１２Ｂは、例えば、対物レンズ５ａが、水平方向に移動するとともに、当該水平方向の移動速度よりも高速で鉛直方向に移動するよう、駆動部５ｂを制御する。そして、制御部１２Ｂは、駆動部５ｂによる対物レンズ５ａの移動の間、ロックインアンプ１１から随時入力される計測結果に基づいて、測定結果としての分析用測定データ（後述）を作成し、分析用測定データのうちの最大値に基づいて試料Ｓ中における物質の濃度を検出する。
【００５６】
＜検出処理＞
物質検出装置１００Ｂによる試料Ｓ中の物質の検出に関する処理について、図６のフローチャートを参照して説明する。
【００５７】
まず、ユーザによる物質検出装置１００Ｂに備えられた操作部（図示省略）の操作等によって、検出を開始するよう指示されたか否かを判断する（ステップＳ１）。
【００５８】
ステップＳ１で、検出を開始するよう指示されていないと判断すると（ステップＳ１；Ｎｏ）、制御部１２Ｂは、ステップＳ１の処理を繰り返して行う。
【００５９】
一方、ステップＳ１で、検出を開始するよう指示されたと判断すると（ステップＳ１；Ｙｅｓ）、制御部１２Ｂは、対物レンズ５ａの移動範囲を決定する（ステップＳ２）。
【００６０】
具体的には、制御部１２Ｂは、励起光源１に制御信号を入力して、励起光を出力させる。そして、制御部１２Ｂは、焦点位置及びマイクロチャネル２００ａの幅を判別しながら駆動部５ｂに制御信号を入力して、対物レンズ５ａを水平方向及び鉛直方向に移動させる。そして、制御部１２Ｂは、当該判別結果に基づいて水平方向及び鉛直方向の移動範囲限界位置を決定し、対物レンズ５ａが当該移動範囲内で往復移動するよう、駆動部５ｂへの印加電圧を設定する。
【００６１】
ここで、対物レンズ５ａの水平方向の移動範囲としては、マイクロチャネル２００ａの幅よりも大きい範囲が設定される。具体的には、マイクロチャネル２００ａの幅が５００μｍである場合は、水平方向の移動範囲は、例えば、５１０μｍに設定される。
また、対物レンズ５ａの鉛直方向の移動範囲は、励起光の焦点位置に依存し、通常時の励起光の焦点の位置を含む範囲が設定される。具体的には、鉛直方向の移動範囲としては、例えば、通常時の励起光の焦点の位置に対して±１０μｍの範囲が設定される。
ここで、通常の励起光の焦点の位置とは、励起光の波長と、対物レンズ５ａの屈折率及び曲率と、で決まる焦点位置（焦点距離）のことである。
【００６２】
次いで、制御部１２Ｂは、制御部１２Ｂ内の「往復移動回数（ｎ）」記憶領域に「１」を設定して（ステップＳ３）、励起光源１及び検出光源２に制御信号を入力して、励起光及び検出光の出力を開始させるとともに、チョッパ３に制御信号を入力して、励起光の変調を開始させる（ステップＳ４）。
【００６３】
次いで、制御部１２Ｂは、駆動部５ｂに制御信号を入力して、対物レンズ５ａを水平方向に一回往復移動させるとともに、当該水平方向の移動速度よりも高速で鉛直方向に複数回往復移動させ（ステップＳ５（移動ステップ））、ロックインアンプ１１から随時入力される計測結果に基づいて、分析用測定データを作成する（ステップＳ６（作成ステップ））。
具体的には、鉛直方向の移動速度は、水平方向の移動速度よりも高速であれば任意であるが、鉛直方向の移動速度をより高速にすることによって、水平方向に一往復する間に、焦点位置をより多く変化させることができるため、検出精度を向上させることができる。
【００６４】
次いで、制御部１２Ｂは、当該作成した分析用作成データの中から最大値を決定して、制御部１２Ｂ内の「最大値」記憶領域に記憶し（ステップＳ７）、「往復移動回数（ｎ）」記憶領域に設定された値が、予め設定された水平方向の往復移動回数に達したか否かを判断する（ステップＳ８）。
【００６５】
具体的には、制御部１２Ｂは、例えば、図７に示すような分析用測定データを作成して、分析用測定データの中から、往路での最大値及び／又は復路での最大値を決定する。ここで、図７における分析用測定データの横軸は水平方向走査時間、縦軸は測定値である。例えば、図７の分析用測定データは、水平方向の往復移動回数を２回とした場合のデータである。対物レンズ５ａは、水平方向に一往復する間に、鉛直方向に複数回往復移動しながら試料Ｓ中における焦点位置を変えていく。そして、測定値が最大となった時が、励起光の焦点が合ったときであるため、分析用測定データの中から最大値を決定する。
【００６６】
ステップＳ８で、「往復移動回数（ｎ）」記憶領域に設定された値が、予め設定された水平方向の往復移動回数に達していないと判断すると（ステップＳ８；Ｎｏ）、制御部１２Ｂは、「往復移動回数（ｎ）」記憶領域に「ｎ＋１」を設定して（ステップＳ９）、ステップＳ５以降の処理を繰り返して行う。
【００６７】
一方、ステップＳ８で、「往復移動回数（ｎ）」記憶領域に設定された値が、予め設定された水平方向の往復移動回数に達したと判断すると（ステップＳ８；Ｙｅｓ）、制御部１２Ｂは、励起光源１及び検出光源２に制御信号を入力して、励起光及び検出光の出力を停止させるとともに、チョッパ３に制御信号を入力して、励起光の変調を停止させる（ステップＳ１０）。
【００６８】
次いで、制御部１２Ｂは、「最大値」記憶領域に記憶された最大値に基づいて、試料Ｓ中における物質の濃度を検出して（ステップＳ１１（検出ステップ））、当該検出結果を物質検出装置１００Ｂに備えられた表示部（図示省略）に表示等することによってユーザに提示し（ステップＳ１２）、本処理を終了する。
【００６９】
具体的には、制御部１２Ｂは、例えば、「最大値」記憶領域に記憶された最大値の平均値を算出して、当該平均値に対応する物質の濃度を、検出された試料Ｓ中における物質の濃度とする。この場合、例えば、物質の濃度と測定値との関係を示す検量線を予め作成する等して、物質の濃度と測定値とを予め対応付けておく必要がある。
なお、最大値に基づく検出結果のみをユーザに提示するのではなく、当該検出結果とともに、図７に示すような分析用測定データ（例えば、縦軸を濃度に変換した分析用測定データであっても良い）等もユーザに提示するようにしても良い。
さらに、試料Ｓ中の物質の濃度が励起光や検出光の影響によって変化してしまう場合を除き、水平方向の往復移動回数を多くすると、検出精度を向上させることができる。
【００７０】
以上説明した第３の実施の形態における物質検出装置１００Ｂ及び物質検出装置１００Ｂによる検出方法によれば、駆動部５ｂは、対物レンズ５ａを、水平方向に移動させるとともに、当該水平方向の移動速度よりも高速で鉛直方向に移動させるよう構成されており、そして、駆動部５ｂによる対物レンズ５ａの移動の間、検出光の拡散を測定し、当該測定結果のうちの最大値に基づいて試料Ｓ中における物質の濃度を検出するようになっている。
したがって、対物レンズ５ａを、水平方向に往復移動させるとともに、当該水平方向の移動速度よりも高速で鉛直方向に往復移動させながら、試料Ｓ中における物質の濃度を検出することができる、すなわち、焦点や測定点を変化させながら物質を検出することができるため、予めユーザが手動で焦点や測定点を調整することなく検出を行うことができることとなって、単純な操作で高速検出を行うことができる。
【００７１】
なお、第３の実施の形態における検出方法は、熱レンズ分光法を適用した物質検出装置１００Ｂに限ることはなく、対物レンズ５ａを検出に用いる物質検出装置であれば、蛍光等によって物質を検出する物質検出装置等にも利用可能である。
【００７２】
［第４の実施の形態］
次に、第４の実施の形態における物質検出装置１００Ｃについて説明する。
なお、第４の実施の形態の物質検出装置１００Ｃは、ＣＤ／ＤＶＤ互換光ピックアップの構成を応用したセンサである点が第１の実施の形態の物質検出装置１００と異なる。具体的には、励起光源１、検出光源２、対物レンズアクチュエータ５及び光学系の構成の一部が第１の実施の形態の物質検出装置１００と異なる。したがって、異なる箇所のみ説明し、その他の共通する部分は同一符号を付して説明する。
【００７３】
＜物質検出装置の構成＞
物質検出装置１００Ｃは、例えば、図８に示すように、励起光源１Ｃと、検出光源２Ｃと、対物レンズアクチュエータ５Ｃと、試料台６と、ピンホール部７と、フィルタ８と、光検出器９と、プリアンプ１０と、ロックインアンプ１１と、制御部１２と、フォトダイオード１４Ｃと、ミラー１５Ｃと、ダイクロックプリズム１６Ｃと、コリメータレンズ１７Ｃと、立ち上げミラー１８Ｃと、などを備えて構成される。
【００７４】
物質検出装置１００Ｃは、少なくとも、励起光源１Ｃと、検出光源２Ｃと、試料台６と、光学系（対物レンズアクチュエータ５Ｃ、ピンホール部７、フィルタ８、フォトダイオード１４Ｃ、ミラー１５Ｃ、ダイクロックプリズム１６Ｃ、コリメータレンズ１７Ｃ、立ち上げミラー１８Ｃ等）と、を単一器体に装着一体化していることとする。ここで、単一器体とは、単一の素材で形成された器体に限ることはなく、一体不可分な器体であれば任意であり、例えば、異なる素材で形成された複数個のパーツが離間することなく一体的に配置された器体なども含む。無論、例えば、図９に示すように、光検出器９、プリアンプ１０、ロックインアンプ１１、制御部１２なども、励起光源１Ｃ、検出光源２Ｃ、試料台６及び光学系とともに、単一器体に装着一体化されていても良い。
なお、光学系は、例えば、光検出器９を含んでも良い。
【００７５】
励起光源１Ｃ及び検出光源２Ｃは、例えば、制御部１２により制御されて、それぞれ励起光及び検出光を出力する。
励起光源１Ｃ及び検出光源２Ｃには、例えば、半導体レーザ光源等を用いることができる。具体的には、例えば、励起光源１Ｃとして波長６５８ｎｍの半導体レーザ光源を用いることができるとともに、検出光源２Ｃとして波長７８５ｎｍの半導体レーザ光源を用いることができる。励起光源１Ｃ及び検出光源２Ｃのレーザ出力は、例えば、ともに５ｍＷとする。
なお、励起光源１Ｃ、検出光源２Ｃには、半導体レーザ光源等に加えて、例えば、回折格子やホログラム、収束用のコリメートレンズなどを含んでいても良い。
また、熱レンズ分光法においては、原理的に測定するもともとの光量が大きいため、励起光源１Ｃ及び検出光源２Ｃは、半導体レーザ光源の代わりに、ＬＥＤ、励起フィルタ及びコリメータで構成することも可能である。
【００７６】
励起光源１Ｃから出力された励起光は、ミラー１５Ｃで反射されて、立ち上げミラー１８Ｃへと向かう。半導体レーザ光源は、レーザ発振に必要な電気の供給を制御することで、励起光の周期的なＯＮ／ＯＦＦ（励起光の変調）を制御することができるため、ガスレーザ光源等のように、変調の手段として光路上にチョッパ３等を配置する必要がなくなり、光学系をさらにシンプルにコンパクトにできる。一方、検出光源２Ｃから出力された検出光は、ダイクロックプリズム１６Ｃにより励起光と同軸にて合成される。そして、励起光と検出光とからなる合成光は、コリメータレンズ１７Ｃにより平行光へと変換され、立ち上げミラー１８Ｃで反射されて、対物レンズアクチュエータ５Ｃへと向かい、対物レンズ５ａＣを透過することによって集光されて、試料Ｓ中に入射される。
ここで、励起光の変調周波数が小さいほど検出光の強度（検出光信号の強度）は大きくなるが、測定条件や測定対象に依存して雑音特性は変化するため、励起光の変調周波数は、検出光信号対雑音比（Ｓ／Ｎ比）が最適となるよう設定される。
【００７７】
対物レンズアクチュエータ５Ｃは、光ディスク分野で用いられるものであり、例えば、対物レンズ５ａＣと、対物レンズ５ａＣを移動させるための駆動部５ｂと、などを備えて構成される。
【００７８】
対物レンズ５ａＣは、例えば、ＣＤ／ＤＶＤ互換光ピックアップ用対物レンズであり、試料Ｓ中における励起光及び検出光の焦点位置が一致しないように構成された２焦点レンズである。
具体的には、例えば、対物レンズ５ａＣは、光検出器９側に配置されたレンズ５１ａＣと、励起光源１Ｃ及び検出光源２Ｃ側に配置された互換素子５２ａＣと、により構成されており、単焦点レンズであるレンズ５１ａＣと、波長選択機能を有する互換素子５２ａＣと、が組になって、２焦点レンズを構成している。互換素子５２ａＣは、レンズ５１ａＣと共に駆動部５ｂによって水平方向及び鉛直方向に移動する。
なお、図８〜図１０では、レンズ５１ａＣを凸レンズで表しているが、レンズ５１ａＣは、凸レンズに限ることはなく、球面収差の補正を行うレンズであれば任意であり、例えば、球面ガラス組み合わせレンズ、非球面プラスチック単レンズ、非球面ガラス単レンズ、非球面複合レンズ、屈折率分布型単レンズ、非球面プラスチック単レンズ、その他特殊レンズなどが挙げられる。
また、互換素子５２ａＣは、例えば、波長選択機能を有する素子であれば任意であり、例えば、レンズ５１ａＣの開口数の制御を行う素子などが挙げられる。
【００７９】
具体的には、互換素子５２ａＣは、例えば、図１０に示すように、略矩形に形成された支持板の一方の面に設けられた円形状の第１波長選択フィルタ５２ａＣ１と、当該一方の面における第１波長選択フィルタ５２ａＣ１が設けられた領域以外の領域に設けられた第２波長選択フィルタ５２ａＣ２と、を備えている。互換素子５２ａＣにおける第１波長選択フィルタ５２ａＣ１が設けられた領域と第２波長選択フィルタ５２ａＣ２が設けられた領域との境界は、第１開口数（例えば、開口数０．４５）に相当する円であり、互換素子５２ａＣにおけるレンズ５１ａＣの大きさで制限される境界は、第２開口数（例えば、開口数０．６）に相当する円となっている。なお、互換素子５２ａＣにおける第１波長選択フィルタ５２ａＣ１が設けられた領域と第２波長選択フィルタ５２ａＣ２が設けられた領域との境界と、互換素子５２ａＣにおけるレンズ５１ａＣの大きさで制限される境界と、は同心円となっている。
第１波長選択フィルタ５２ａＣ１及び第２波長選択フィルタ５２ａＣ２は、例えば、波長選択性の干渉フィルタパターンであっても良いし、回折格子であっても良い。
【００８０】
第１波長選択フィルタ５２ａＣ１は、励起光の波長（６５８ｎｍ）を有する光と、検出光の波長（７８５ｎｍ）を有する光と、の何れの光も透過させるようになっている。一方、第２波長選択フィルタ５２ａＣ２は、励起光の波長（６５８ｎｍ）を有する光は透過させて、検出光の波長（７８５ｎｍ）を有する光は反射させるようになっている。その結果、互換素子５２ａＣにおいては、励起光の波長（６５８ｎｍ）を有する光に対する開口数は第２開口数（０．６）に制限され、検出光の波長（７８５ｎｍ）を有する光に対する開口数は第１開口数（０．４５）に制限されるようになっている。また、互換素子５２ａＣにおいては、第１波長選択フィルタ５２ａＣ１及び第２波長選択フィルタ５２ａＣ２を透過する励起光の波長（６５８ｎｍ）を有する光に対する干渉フィルタパターンの位相差は０（ゼロ）になるよう設定されている。これにより、対物レンズ５ａＣは、励起光と検出光の焦点位置を所定距離（約２０μｍ）ずらすことができる２焦点レンズとして機能する。
なお、対物レンズ５ａＣは、レンズ５１ａＣと互換素子５２ａＣとから構成されて、波長により開口数が異なる２焦点レンズとして機能する限りではなく、波長が異なる２種類の光の焦点位置を一致させない２焦点レンズとして機能するのであれば、その構成は任意である。
また、対物レンズ５ａＣは、２焦点レンズとして機能することに限ることはなく、試料Ｓ中における励起光及び検出光の焦点位置を一致させないようにすることができるのであれば、３焦点以上の焦点を有する多焦点レンズとして機能しても良い。
【００８１】
＜検出処理＞
物質検出装置１００Ｃによる、試料Ｓ中の物質の検出に関する処理については、第１の実施の形態の物質検出装置１００と同様であっても良いし、第２の実施の形態の物質検出装置１００Ａと同様であっても良いし、第３の実施の形態の物質検出装置１００Ｂと同様であっても良いため、詳細な説明は省略する。
すなわち、物質検出装置１００Ｃは、物質検出装置１００と同様、ユーザの指示に従って対物レンズ５ａＣを水平方向及び鉛直方向に移動させることによって、焦点や測定点を調整した後、対物レンズ５ａＣの位置を固定して検出を行って良いし、物質検出装置１００Ａと同様、焦点位置を判別しながら対物レンズ５ａを鉛直方向に移動させることによって、焦点を調整した後、対物レンズ５ａＣを水平方向に往復移動させることによって、マイクロチャネル２００ａの幅方向を高速に走査して、検出を行っても良いし、物質検出装置１００Ｂと同様、焦点や測定点の調整を行わず、対物レンズ５ａＣを水平方向に往復移動させるとともに、当該水平方向の移動速度よりも高速で鉛直方向に往復移動させることによって、マイクロチャネル２００ａの幅方向を高速に走査しながら焦点位置を走査速度よりも高速に変化させて、検出を行っても良い。
【００８２】
以上説明した第４の実施の形態における物質検出装置１００Ｃによれば、励起光源１Ｃ及び検出光源２Ｃは、例えば、半導体レーザ光源であり、ガスレーザ光源や固定レーザ光源と比較して小型であるため、熱レンズ分光法を適用した物質検出装置をより一層コンパクト化することができる。さらに、少なくとも、励起光源１Ｃと、検出光源２Ｃと、試料台６と、光学系（対物レンズ５ａＣと駆動部５ｂにより構成される対物レンズアクチュエータ５ａＣ、ピンホール部７、フィルタ８、ミラー１５Ｃ、ダイクロックプリズム１６Ｃ、コリメータレンズ１７Ｃ、立ち上げミラー１８Ｃ等）は、単一器体に装着一体化されているため、振動ノイズを減少できるとともに、その光学系の構成によって励起光出力の効率的利用が可能となり、ストレー光を削減させることができる。
【００８３】
さらに、検出装置１００Ｃによれば、励起光源１Ｃ、検出光源２Ｃ、試料台６及び光学系（対物レンズアクチュエータ５Ｃ、ピンホール部７、フィルタ８、ミラー１５Ｃ、ダイクロックプリズム１６Ｃ、コリメータレンズ１７Ｃ、立ち上げミラー１８Ｃ等）だけでなく、光検出器９、プリアンプ１０、ロックインアンプ１１、制御部１２、フォトダイオード１４Ｃなども単一器体に装着一体化できるため、例えば、検出装置１００Ｃ全体を、ポータブルＣＤ／ＤＶＤプレーヤ程度の大きさに構成することができ、そして、例えば、ポータブルＣＤ／ＤＶＤプレーヤにＣＤやＤＶＤをセットするように、マイクロチップ２００を検出装置１００Ｃにセットすることによって、試料Ｓ中の物質を検出することができるため、小型で可搬性があり、操作性が高く、安価な検出装置とすることができる。
【００８４】
［実施例１］
次に、第１の実施の形態の物質検出装置１００、第２の実施の形態の物質検出装置１００Ａ、第３の実施の形態の物質検出装置１００Ｂ又は第４の実施の形態の物質検出装置１００Ｃによる、マイクロチップ２００が有するマイクロチャネル２００ａ内における試料Ｓ中の物質の検出について、ニッケル錯体の定量を例示して説明する。
【００８５】
図１１（ａ）は、マイクロチップ２００が有するマイクロチャネル２００ａ内での試料Ｓの流れの様子を模式的に示す図であり、図１１（ｂ）は、図１１（ａ）の一点鎖線で囲った領域におけるニッケル錯体の輸送の様子を模式的に示す図である。
例えば、シリンジポンプによって、試料導入側におけるＹ字型のマイクロチャネル２００ａの一方（Ｐ１）に設けられたキャピラリからニッケル錯体水溶液を導入するとともに、他方（Ｐ２）に設けられたキャピラリからトルエンを導入する。ニッケル錯体（Nickel(II) phtalocyanine tetrasulfonic acid, tetrasoldium salt）は、波長６５８ｎｍに吸収を持ち、且つ、波長７８５ｎｍに吸収を持たないことが知られている。具体的には、ニッケル錯体は波長６５８ｎｍで大きなモル吸光係数（約５００００）を持つことが知られている。したがって、励起光の波長として６５８ｎｍを選択し、検出光の波長として７８５ｎｍを選択することとする。
【００８６】
マイクロチャネル２００ａのような微細管では、流体は高粘性流体として振る舞い、送液中は互いに混合することなく層流を形成する。したがって、送液中、２つの試料Ｓ（ニッケル錯体水溶液とトルエン）は２相流を形成するため、流れを横切るような拡散（分子移動）はほとんど起こらない。
【００８７】
すなわち、送液中は、ニッケル錯体はトルエン相へ抽出されない。したがって、送液中に、マイクロチャネル２００ａの下流においてマイクロチャネル２００ａの幅方向を走査すると、例えば、図１２（ａ）に示すような分析用測定データが得られる。図１２（ａ）によれば、ニッケル錯体水溶液相とトルエン相との境界位置がＤとして認識される。
一方、送液を停止すると、ニッケル錯体水溶液の溶媒とトルエンとは混合せず、ニッケル錯体はトルエン相へ抽出される。したがって、送液停止中に、マイクロチャネル２００ａの下流においてマイクロチャネル２００ａの幅方向を走査すると、例えば、図１２（ｂ）に示すような分析用測定データが得られる。図１２（ｂ）によれば、ニッケル錯体水溶液相とトルエン相との境界はもはや認識できず、抽出平衡に達したことを示している。
なお、図１２は、マイクロチャネル２００ａの幅方向を往復走査した際の往路にかかる分析用測定データであり、物質検出装置１００Ａ〜１００Ｃにより得ることができるデータである。また、図１２の分析用測定データの縦軸は測定値となっているが、当該データをユーザに提示する場合は、縦軸を濃度に変換して提示しても良い。この場合、検量線を作成する等して、物質（トルエン錯体）の濃度と測定値とを予め対応付けておく必要がある。
【００８８】
また、物質検出装置１００では、例えば、トルエン相側に測定点を合わせて固定し、送液停止前後で、トルエン相における物質（ニッケル錯体）を検出することによって、抽出平衡に達する様子を観察することができる。具体的には、マイクロチャネル２００ａの下流におけるトルエン相側に測定点を調整して固定する。そして、送液開始から送液停止後一定時間が経過するまでの間、制御部１２によって、ロックインアンプ１１から随時入力される計測結果に基づいて、例えば、図１３に示すような分析用測定データを作成する。ここで、物質検出装置１００により得られる分析用測定データの横軸は時間（例えば、送液開始からの時間）、縦軸は測定値である。図１３によれば、送液停止後（時間Ｓ後）、速やかに抽出平衡に達していることが分かる。
なお、図１２の分析用測定データの縦軸は測定値となっているが、当該データをユーザに提示する場合、縦軸を濃度に変換して提示しても良い。この場合、検量線を作成する等して、物質（トルエン錯体）の濃度と測定値とを予め対応付けておく必要がある。
また、物質検出装置１００により得られる分析用測定データ（例えば、図１３）は、物質検出装置１００Ｃの検出処理を物質検出装置１００の検出処理と同様にした場合には、物質検出装置１００Ｃでも得ることができる。
【００８９】
［実施例２］
次に、第１の実施の形態の物質検出装置１００、第２の実施の形態の物質検出装置１００Ａ、第３の実施の形態の物質検出装置１００Ｂ又は第４の実施の形態の物質検出装置１００Ｃによる、マイクロチップ２００が有するマイクロチャネル２００ａ内における試料Ｓ中の物質の検出について、シックハウス症候群の原因物質であるホルムアルデヒドの定量を例示して説明する。
【００９０】
図１４（ａ）は、マイクロチップ３００が有するマイクロチャネル３００ａ内での試料Ｓの流れの様子を模式的に示す図であり、図１４（ｂ）は、図１４（ａ）の一点鎖線で囲った領域におけるホルムアルデヒドの輸送の様子を模式的に示す図である。
実施例２で用いるマイクロチップ３００には、試料導入側及び試料排出側がＹ字型に分岐されたマイクロチャネル３００ａが形成されており、試料排出側におけるＹ字型のマイクロチャネル３００ａの一方の流路長が他方の流路長よりも長くなっている。
例えば、シリンジポンプによって、試料導入側におけるＹ字型のマイクロチャネル３００ａの一方（Ｐ１）に設けられたキャピラリから大気中ホルムアルデヒド（ホルムアルデヒド含有気体）を導入するとともに、他方（Ｐ２）に設けられたキャピラリから検出試薬（４−アミノ−４−フェニル−３−ブテン−２−オン試薬）水溶液を導入する。ここで、検出試薬水溶液は、試料排出側における流路長が長い方のマイクロチャネル３００ａから排出されるよう導入する。４−アミノ−４−フェニル−３−ブテン−２−オン試薬は、ホルムアルデヒド吸収後に波長４０５ｎｍ付近に吸収ピークを持ち、且つ、波長６５８ｎｍに吸収を持たないことが知られている。したがって、励起光の波長として４０５ｎｍを選択し、検出光の波長として６５８ｎｍを選択することとする。
【００９１】
マイクロチャネル３００ａのような微細管に、大流量の気体と小流量の溶液を導入すると、互いに混合することなく安定な２相流を形成する。具体的には、例えば、ホルムアルデヒド含有気体の流量を７００μＬ／ｍｉｎ、検出試薬水溶液の流量を０．０１μＬ／ｍｉｎとして導入すると、ホルムアルデヒド含有気体と検出試薬水溶液は安定な２相流を形成する。そして、２つの試料Ｓ（ホルムアルデヒド含有気体と検出試薬水溶液）の導入中、ホルムアルデヒドは流れを横切って検出試薬水溶液側へ移動し、検出試薬水溶液相に抽出される。
【００９２】
すなわち、導入中、ホルムアルデヒド含有気体のホルムアルデヒド以外の気体と検出試薬水溶液とは混合せず、ホルムアルデヒドは検出試薬水溶液相へ抽出される。
そして、導入中に、マイクロチャネル３００ａの下流においてマイクロチャネル３００ａの幅方向を走査して、分析用測定データを得ると、又は、検出試薬水溶液相側に測定点を合わせて固定して、分析用測定データを得ると、ホルムアルデヒド含有気体におけるホルムアルデヒドの濃度が増加するにつれて、測定値、すなわち熱レンズＬの度数が、線形的に増加することが分かった。これにより、検出装置１００，１００Ａ，１００Ｂ，１００Ｃによって、ホルムアルデヒドの存在や濃度を検出できることが分かった。また、抽出操作によってホルムアルデヒドが効率よく濃縮されるため、大気中の極低濃度のホルムアルデヒドを検出できることも分かった。さらに、流速を変えて同様の測定を行うと、ホルムアルデヒドの検出試薬水溶液相への抽出効率を変えることができることも分かった。
【００９３】
なお、検出試薬としては、４−アミノ−４−フェニル−３−ブテン−２−オン試薬に限ることはなく、例えば、シッフ試薬なども用いることができる。シッフ試薬は、ホルムアルデヒドを吸収すると赤紫色を呈し、波長５４０ｎｍ付近での吸光度が減少することが知られている。したがって、励起光源１，１Ａ，１Ｃとして、例えば、波長５３２ｎｍの光を出力するするＳＨＧ−ＹＡＧレーザ光源等を選択し、検出光源２，２Ｃとして、例えば、波長６８５ｎｍの光を出力する半導体レーザ光源等を選択すると、ホルムアルデヒドの検出を行うことができる。
【００９４】
実施例１では、ニッケル錯体の検出を例にとって説明し、実施例２では、ホルムアルデヒドの検出を例にとって説明したが、無論、検出する物質はニッケル錯体やホルムアルデヒドに限定されるものではなく、適切な抽出試薬を用いることで、その他の物質に対しても同様の測定・検出を行うことが可能である。
また、検出装置１００，１００Ａ，１００Ｂ，１００Ｃは、液体や気体中の物質だけでなく、固体表面に存在する物質（分子）を定量することもできるため、例えば、細胞表面における極微量物質の定量分析やマイクロチャネル２００ａ，３００ａ上でのイムノアッセイにおけるタンパク質の定量解析などにも使用することができる。
【００９５】
実施例１及び実施例２から、コンパクトな検出装置１００，１００Ａ，１００Ｂ，１００Ｃによって、空間分解能や定量分析能力に優れた超微量検出を行うことができることが分かった。これにより、検出装置１００，１００Ａ，１００Ｂ，１００Ｃは、溶液中に溶存する物質の高感度・高精度検出、揮発性有機化合物（ＶＯＣ）成分や大気汚染物質などを含めた匂い成分やガス成分などの高感度・高精度検出等を実現することができ、さらに、体液や呼気などによる健康診断装置等としても使用することができる。
【００９６】
なお、本発明は、上記した実施の形態のものに限るものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で適宜変更可能である。
【００９７】
第１の実施の形態の物質検出装置１００の構成で、第２の実施の形態の物質検出装置１００Ａと同様、駆動部５ｂにより対物レンズ５ａを鉛直方向に移動させて焦点を調整した後、駆動部５ｂにより対物レンズ５ａを水平方向に往復移動させ、マイクロチャネル２００ａの幅方向を高速に走査することによって、検出を行っても良いし、第３の実施の形態の物質検出装置１００Ｂと同様、焦点や測定点の調整を行わず、駆動部５ｂにより対物レンズ５ａを水平方向に往復移動させるとともに、当該水平方向の移動速度よりも高速で鉛直方向に移動させ、マイクロチャネル２００ａの幅方向を高速に走査しながら焦点位置を高速に変えていくことによって、検出を行っても良い。この場合、物質検出装置１００でも、物質検出装置１００Ａ〜１００Ｃにより得られる分析用測定データ（例えば、図７や図１２）を得ることができる。
また、第２の実施の形態の物質検出装置１００Ａの構成、第３の実施の形態の物質検出装置１００Ｂの構成で、第１の実施の形態の物質検出装置１００と同様、駆動部５ｂにより対物レンズ５ａを水平方向及び鉛直方向に移動させて焦点や測定点を調整した後、検出を行っても良い。この場合、物質検出装置１００Ａ，１００Ｂでも、物質検出装置１００により得られる分析用測定データ（例えば、図１３）を得ることができる。
【００９８】
第４の実施の形態においては、少なくとも、励起光源１Ｃと、検出光源２Ｃと、試料台６と、光学系と、を単一器体に装着一体化していることとし、光検出器９、プリアンプ１０、ロックインアンプ１１、制御部１２、フォトダイオード１４Ｃなども単一器体に装着一体化できるとしたが、第１の実施の形態においても、少なくとも、励起光源１と、検出光源２と、試料台６と、光学系（チョッパ３、ダイクロックミラー４、対物レンズアクチュエータ５、ピンホール部７、フィルタ８等）と、を単一器体に装着一体化していることとし、光検出器９、プリアンプ１０、ロックインアンプ１１、制御部１２なども単一器体に装着一体化しても良い。第２及び第３の実施の形態においても同様である。
【００９９】
第１〜第４の実施の形態においては、ロックインアンプ１１と制御部１２とを別体としたが、ロックインアンプ１１を制御部１２内に備える等して、ロックインアンプ１１と制御部１２とを一体的に構成しても良い。
【０１００】
第１〜第４の実施の形態においては、図示した光学構成に限定されるものではない。
したがって、例えば、第４の実施の形態の物質検出装置１００Ｃにおいて、励起光源１Ｃ及び検出光源２Ｃの代わりに２波長半導体レーザ光源や２波長レーザカプラ（２波長半導体レーザ光源に加えて受光素子も内蔵したＩＣ）を用いて部品点数を減らしても良い。この場合、物質検出装置１００Ｃをさらにコンパクトな構成にすることができる。また、例えば、第４の実施の形態の物質検出装置１００Ｃにおいては、チョッパ３等を設置する必要がなく、励起光の光路の一部を空間光とする必要がないため、励起光及び検出光の伝送経路全体を光ファイバで構成して対物レンズ５ａＣまで届く構成としても良い。
【０１０１】
第４の実施の形態においては、ＣＤ／ＤＶＤ互換光ピックアップの構成を応用したが、これに限ることはなく、ＢＬＵＥ／ＤＶＤ／ＣＤ互換光ピックアップの構成を応用しても良い。具体的には、この場合、励起光源１Ｃ及び検出光源２Ｃの代わりに、例えば、３種類の半導体レーザ光源（例えば、波長４０５ｎｍ、波長６５８ｎｍ及び波長７８５ｎｍの半導体レーザ）を備え、対物レンズアクチュエータ５Ｃの代わりに、例えば、図１５に示すような対物レンズ５ａＤを有する対物レンズアクチュエータ５Ｄを備える構成となる。
対物レンズアクチュエータ５Ｄは、例えば、対物レンズ５ａＤと、駆動部５ｂと、などを備えて構成されている。対物レンズ５ａＤは、レンズ５１ａＣと、互換素子５２ａＤと、により構成されており、レンズ５１ａＣと、互換素子５２ａＤと、が組になって３焦点レンズを構成している。互換素子５２ａＤは、レンズ５１ａＣと共に駆動部５ｂによって水平方向及び鉛直方向に移動する。
互換素子５２ａＤは、例えば、波長選択機能を有する素子であれば任意であり、例えば、レンズ５１ａＣの開口数の制御を行う素子などが挙げられる。
【０１０２】
具体的には、互換素子５２ａＤは、例えば、図１５に示すように、略矩形状に形成された支持板の一方の面に設けられた円形状の第１波長選択フィルタ５２ａＤ１と、当該一方の面における第１波長選択フィルタ５２ａＤ１の周囲に設けられたリング状の第２波長選択フィルタ５２ａＤ２と、当該一方の面における第１波長選択フィルタ５２ａＤ１及び第２波長選択フィルタ５２ａＤ２が設けられた領域以外の領域に設けられた第３波長選択フィルタ５２ａＤ３と、を備えている。互換素子５２ａＤにおける第１波長選択フィルタ５２ａＤ１が設けられた領域と第２波長選択フィルタ５２ａＤ２が設けられた領域との境界は、第１開口数（例えば、開口数０．４５）に相当する円であり、互換素子５２ａＤにおける第２波長選択フィルタ５２ａＤ２が設けられた領域と第３波長選択フィルタ５２ａＤ３が設けられた領域との境界は、第２開口数（例えば、開口数０．６）に相当する円であり、互換素子５２ａＤにおけるレンズ５１ａＣの大きさで制限される境界は、第３開口数（例えば、開口数０．６５又は０．８５）に相当する円である。なお、互換素子５２ａＤにおける第１波長選択フィルタ５２ａＤ１が設けられた領域と第２波長選択フィルタ５２ａＤ２が設けられた領域との境界と、互換素子５２ａＤにおける第２波長選択フィルタ５２ａＤ１が設けられた領域と第３波長選択フィルタ５２ａＤ３が設けられた領域との境界と、互換素子５２ａＤにおけるレンズ５１ａＣの大きさで制限される境界と、は同心円となっている。
第１波長選択フィルタ５２ａＤ１、第２波長選択フィルタ５２ａＤ２及び第３波長選択フィルタ５２ａＤ３は、例えば、波長選択性の干渉フィルタパターンであっても良いし、回折格子であっても良い。
【０１０３】
ＢＬＵＥ／ＤＶＤ／ＣＤ互換光ピックアップの構成を応用した場合、３種類の半導体レーザ光源の中から、励起光源として用いる光源と、検出光源として用いる光源と、を検出対象に応じて適宜選択することができる。さらに、３種類の半導体レーザ光源のうちの１種類（例えば、波長４０５ｎｍの半導体レーザ光源）を励起光源として用いるとともに、その他の２種類（例えば、波長６５８ｎｍ及び波長７８５ｎｍの半導体レーザ光源）を検出光源として用い、フィルタ８と光検出器９との間にダイクロイックミラー又は回折格子を配置して、２種類の検出光を分離できるよう構成すると、検出精度を向上させることができたり、２種類の物質を同時に検出できたりするので好適である。
【０１０４】
第１〜第４の実施の形態における対物レンズ５ａ，５ａＣとして、波長により開口数が異なる２焦点レンズを示したが、対物レンズ５ａ，５ａＣは、特殊対物レンズ、回折対物レンズ、位相差レンズなどにより形成した２焦点レンズであっても良い。
同様に、第４の実施の形態における対物レンズ５ａＣの変形例である対物レンズ５ａＤとして、波長により開口数が異なる３焦点レンズを示したが、対物レンズ５ａＤは、特殊対物レンズ、回折対物レンズ、位相差レンズなどにより形成した３焦点レンズであっても良い。
【図面の簡単な説明】
【０１０５】
【図１】第１の実施の形態における物質検出装置の構成を示す光学系ブロック図である。
【図２】マイクロチップの平面図である。
【図３】熱レンズについて説明するための図である。
【図４】第２の実施の形態における物質検出装置の構成を示す光学系ブロック図である。
【図５】第３の実施の形態における物質検出装置の構成を示す光学系ブロック図である。
【図６】第３の実施の形態における物質検出装置による試料中の物質の検出に関する処理について説明するためのフローチャートである。
【図７】分析用測定データを示す図である。
【図８】第４の実施の形態における物質検出装置の構成を示す光学系ブロック図である。
【図９】第４の実施の形態における物質検出装置を構成する各部を単一器体に装着一体化した状態を示す図である。
【図１０】第４の実施の形態における物質検出装置が備える対物レンズアクチュエータの要部を示す平面図（上図）及び断面側面図（下図）である。
【図１１】マイクロチップが有するマイクロチャネル内での試料の流れの様子を示す図（ａ）とニッケル錯体の輸送の様子を模式的に示す図（ｂ）である。
【図１２】送液中に得られた分析用測定データを示す図（ａ）と、送液停止中に得られた分析用測定データを示す図（ｂ）である。
【図１３】第１の実施の形態における物質検出装置により得られる分析用測定データを示す図である。
【図１４】マイクロチップが有するマイクロチャネル内での試料の流れの様子を示す図（ａ）とホルムアルデヒドの輸送の様子を模式的に示す図（ｂ）である。
【図１５】第４の実施の形態における物質検出装置が備える対物レンズの変形例を示す図である。
【符号の説明】
【０１０６】
１，１Ｃ  励起光源
２，２Ｃ  検出光源
５ａ，５ａＣ，５ａＤ  対物レンズ
５ｂ  駆動部（駆動手段）
６  試料台
９  光検出器（検出手段）
１０  プリアンプ（検出手段）
１１  ロックインアンプ（検出手段）
１２，１２Ａ，１２Ｂ  制御部（検出手段）
１００，１００Ａ，１００Ｂ，１００Ｃ  物質検出装置
２００，３００  マイクロチップ
２００ａ，３００ａ  マイクロチャネル
Ｌ  熱レンズ
Ｓ  試料
【図１】
0004996398.tif 000002
【図２】
0004996398.tif 000003
【図３】
0004996398.tif 000004
【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】
0004996398.tif 000010
【図１０】
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【図１１】
0004996398.tif 000012
【図１２】
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【図１３】
0004996398.tif 000014
【図１４】
0004996398.tif 000015
【図１５】
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