マイクロ化学システム及びそのＴＬＭ出力算出方法
【課題】 精度の高いＴＬＭ出力値を取得することができるマイクロ化学システム及びそのＴＬＭ出力算出方法を提供する。
【解決手段】 マイクロ化学システム１は、試料が流れる深さｔの流路を有するマイクロ化学チップと、開口数ＮＡの対物レンズ１０を介して試料に励起光を照射する励起光源１３と、対物レンズ１０を介して励起光と同軸的に試料に検出光を照射する検出光源１４と、熱レンズ１２が形成される前後で検出光が試料を透過したときの透過光を受光するＰＤとを備える。マイクロ化学システム１でＰＤの受光量に基づいてＴＬＭ出力を算出する際、深さｔ（μｍ）が７５≦ｔ≦３００の範囲、開口数ＮＡが０．０４≦ＮＡ≦０．１の範囲、対物レンズ１０の励起光及び検出光についての色収差ｄｆ（ｎｍ）が１００≦ｄｆ≦２５０の範囲に設定する。
【解決手段】 マイクロ化学システム１は、試料が流れる深さｔの流路を有するマイクロ化学チップと、開口数ＮＡの対物レンズ１０を介して試料に励起光を照射する励起光源１３と、対物レンズ１０を介して励起光と同軸的に試料に検出光を照射する検出光源１４と、熱レンズ１２が形成される前後で検出光が試料を透過したときの透過光を受光するＰＤとを備える。マイクロ化学システム１でＰＤの受光量に基づいてＴＬＭ出力を算出する際、深さｔ（μｍ）が７５≦ｔ≦３００の範囲、開口数ＮＡが０．０４≦ＮＡ≦０．１の範囲、対物レンズ１０の励起光及び検出光についての色収差ｄｆ（ｎｍ）が１００≦ｄｆ≦２５０の範囲に設定する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はマイクロ化学システム及びそのＴＬＭ出力算出方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、化学反応を微小空間で行うための集積化技術が、化学反応の高速性や微少量での反応、オンサイト分析等の観点から注目されており、そのための研究が、世界的に精力的に進められている。
【０００３】
化学反応の集積化技術の１つとして微細な流路の中で試料の混合、反応、分離、抽出、検出等を行う所謂マイクロ化学システムがある。このマイクロ化学システムで行われるものとしては反応の例として、ジアゾ化反応、ニトロ化反応、抗原抗体反応などがあり、抽出、分離の例として溶媒抽出、電気泳動分離、カラム分離などがある。マイクロ化学システムは、分離だけを目的としたような単一の機能のみで用いられても良く、また複合的に用いられても良い。
【０００４】
これらのマイクロ化学システムに用いられるマイクロ化学チップの流路内を流れる試料は極微量であるので、高感度な検出方法が必須である。このような方法として、微細な流路内の試料に励起光を照射する前後の検出光の信号強度の差を照射する前の検出光の信号強度で割った値（以下「ＴＬＭ出力」という。）を検出する熱レンズ分析法が確立され、これによりマイクロ化学システムの実用化の道が開かれている。
【０００５】
試料に光を集光照射すると試料中の溶質が光を吸収すると共に熱エネルギーが放出される。この熱エネルギーによって溶媒が局所的に温度上昇すると、屈折率が変化して熱レンズが形成される（熱レンズ効果）。熱レンズ分析法はこの熱レンズ効果を利用するものである。
【０００６】
熱レンズ分析法は、熱の拡散、即ち屈折率の変化をＴＬＭ出力として観察するものであり、このＴＬＭ出力を精度よく算出するシミュレーション方法が従来より開示されている。
【０００７】
具体的には、幾何光学による光線追跡法に基づきビームが伝播すると仮定し、また上記屈折率分布はレンズであると仮定する。これらの仮定の下、屈折により光が曲がって行く現象を計算する方法が上記シミュレーション方法である。
【０００８】
例えば、熱レンズの屈折率分布をガウス分布で近似し、実光線追跡によりＴＬＭ出力を算出する方法においては、ＴＬＭ出力を最大とするＮＡの範囲は０．１≦ＮＡ≦０．４であることが開示されている（例えば、特許文献１参照）。
【０００９】
また、励起ビーム伝播強度Ｉ（ｒ，ｚ）に応じた屈折率分布を有する熱レンズを、屈折率差を変数とするＳＮＳ積層光学系と近似し、実光線追跡によりＴＬＭ出力を算出する方法においては、ＴＬＭ出力を最大とするＮＡの範囲は０．１５＜ＮＡ＜０．６であることが開示されている（例えば、特許文献２参照）。
【特許文献１】特開２００４−３０９４３０号公報
【特許文献２】特開２００４−１２５４７８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
しかしながら、熱レンズ現象は励起光のビームによって温度上昇が発生するものであり、発熱分布は励起光のビームの強度分布に準じた形態となるが、その後の温度上昇は熱伝導による熟の拡散や、マイクロ化学チップ内の液の流れによる移流などにより、実際にはマイクロ化学チップ内における温度分布は与えたビーム強度とはかなり異なる分布となる。
【００１１】
そのため、上述の従来技術のように、熱レンズの屈折率分布をガウス分布やＳＮＳ積層光学系に近似すると、そもそも計算に使用するレンズの屈折率分布が実際と異なっていることになり、必然的に得られた結果もこの分の誤差を多分に含み精度が期待できないという問題がある。
【００１２】
また、屈折率分布はレンズであると仮定する際に、従来技術では、ＳＮＳ積層光学系に近似したり、このＳＮＳ積層光学系よりなだらかに屈折率が変化するガウス分布で近似したりしているが、いずれの近似においても近接場で問題となる光の干渉が考慮されておらず正確にビームの伝播をシミュレーションすることができないという問題がある。
【００１３】
本発明の目的は、精度の高いＴＬＭ出力値を取得することができるマイクロ化学システム及びそのＴＬＭ出力算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】
【００１４】
上記目的を達成するために、請求項１記載のマイクロ化学システムは、深さｔの流路中を流れる試料中に所定の屈折率分布を有する熱レンズを形成すべく開口数ＮＡのレンズを介して前記試料に励起光を照射する第１の照射手段と、前記レンズを介して前記励起光と同軸的に前記試料に検出光を照射する第２の照射手段と、前記熱レンズが形成される前後で前記検出光が前記試料を透過したときの透過光を受光する受光部と、前記受光部の受光量に基づいてＴＬＭ出力を算出するＴＬＭ出力算出手段とを備え、前記レンズは前記励起光及び前記検出光についての色収差ｄｆを有するマイクロ化学システムにおいて、前記深さｔ（μｍ）が７５≦ｔ≦３００の範囲、前記開口数ＮＡが０．０４≦ＮＡ≦０．１の範囲、前記色収差ｄｆ（ｎｍ）が１００≦ｄｆ≦２５０の範囲であることを特徴とする。
【００１５】
請求項５記載のＴＬＭ出力算出方法は、流路中を流れる試料中に所定の屈折率分布の熱レンズを形成すべくレンズを介して前記試料に励起光を照射する第１の照射手段と、前記レンズを介して前記励起光と同軸的に前記試料に検出光を照射する第２の照射手段と、前記熱レンズが形成される前後で前記検出光が前記試料を透過したときの透過光を受光する受光部と、前記受光部の受光量に基づいてＴＬＭ出力を算出するＴＬＭ出力算出手段とを備え、前記レンズは前記励起光及び前記検出光について色収差を有するマイクロ化学システムのＴＬＭ出力算出方法において、前記励起光のビーム強度分布をガウス分布に近似し、ユーザ設定された条件下で前記励起光による前記試料の発熱分布を算出する発熱分布算出ステップと、熱流体解析に基づき前記試料の温度分布を算出する温度分布算出ステップとを備えることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１６】
以上詳細に説明したように、請求項１記載のマイクロ化学システムによれば、深さｔ（μｍ）が７５≦ｔ≦３００の範囲、開口数ＮＡが０．０４≦ＮＡ≦０．１の範囲、色収差ｄｆ（ｎｍ）が１００≦ｄｆ≦２５０の範囲であるので、精度の高いＴＬＭ出力値を取得することができる。
【００１７】
請求項５記載のＴＬＭ出力算出方法によれば、励起光のビーム強度分布をガウス分布に近似し、ユーザ設定された条件下で励起光による試料の発熱分布を算出し、熱流体解析に基づき試料の温度分布を算出するので、実際の熱の拡散、流れによる移流を計算に反映した屈折率分布を有する溶媒中をビーム伝播する場合のＴＬＭ出力をシミュレーションでき、精度の高いＴＬＭ出力値を取得することができる。
【００１８】
請求項６記載のＴＬＭ出力算出方法によれば、励起光照射後の試料中のビーム伝播を、上記温度分布から算出された試料の屈折率分布に基づき算出し、透過光が受光部で受光されるまでの領域に関して解析的な変換を行うので、ビームウエストを含む近接場における干渉を考慮したビームの挙動を正確に計算することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
本発明者は、上記目的を達成すべく鋭意研究を行った結果、深さｔの流路中を流れる試料中に所定の屈折率分布を有する熱レンズを形成すべく開口数ＮＡのレンズを介して試料に励起光を照射する第１の照射手段と、レンズを介して励起光と同軸的に試料に検出光を照射する第２の照射手段と、熱レンズが形成される前後で検出光が試料を透過したときの透過光を受光する受光部と、受光部の受光量に基づいてＴＬＭ出力を算出するＴＬＭ出力算出手段とを備え、レンズは励起光及び検出光についての色収差ｄｆを有するマイクロ化学システムにおいて、深さｔ（μｍ）が７５≦ｔ≦３００の範囲、開口数ＮＡが０．０４≦ＮＡ≦０．１の範囲、色収差ｄｆ（ｎｍ）が１００≦ｄｆ≦２５０の範囲に設定し、好ましくは、開口数ＮＡが０．０５≦ＮＡ≦０．０７５の範囲、又は、深さｔ（μｍ）が１００≦ｔ≦３００の範囲であり、より好ましくは、深さｔ（μｍ）が２００≦ｔ≦３００の範囲であると、精度の高いＴＬＭ出力値を取得することができることを見出した。
【００２０】
また、本発明者は、流路中を流れる試料中に所定の屈折率分布の熱レンズを形成すべくレンズを介して試料に励起光を照射する第１の照射手段と、レンズを介して励起光と同軸的に試料に検出光を照射する第２の照射手段と、熱レンズが形成される前後で検出光が試料を透過したときの透過光を受光する受光部と、受光部の受光量に基づいてＴＬＭ出力を算出するＴＬＭ出力算出手段とを備え、レンズは励起光及び検出光について色収差を有するマイクロ化学システムのＴＬＭ出力算出方法において、励起光のビーム強度分布をガウス分布に近似し、ユーザ設定された条件下で励起光による試料の発熱分布を算出する発熱分布算出ステップと、熱流体解析に基づき試料の温度分布を算出する温度分布算出ステップとを備えると、実際の熱の拡散、流れによる移流を計算に反映した屈折率分布を有する溶媒中をビーム伝播する場合のＴＬＭ出力をシミュレーションでき、精度の高いＴＬＭ出力値を取得することができることを見出した。好ましくは、算出された温度分布から試料の屈折率分布を算出する屈折率分布算出手段と、励起光照射後の試料中のビーム伝播を算出された屈折率分布に基づき算出するビーム伝播算出ステップと、透過光が受光部で受光されるまでの領域に関して解析的な変換を行う解析的変換ステップとを備えると、ビームウエストを含む近接場における干渉を考慮したビームの挙動を正確に計算することができることを見出した。
【００２１】
本発明は、上記知見に基づいてなされたものである。
【００２２】
以下、本発明の実施の形態を図面を用いて詳述する。
【００２３】
図１は、本発明の実施の形態に係るマイクロ化学システムの概略構成を示すブロック図である。
【００２４】
図１において、マイクロ化学システム１は、試料を流す深さｔの流路を備えるマイクロ化学チップ（不図示）と、マイクロ化学チップの流路内の試料に励起光源１３からの励起光及び検出光源１４からの検出光を集光照射する対物レンズ１０と、試料中に生じた熱レンズ１２をＰＤ受光面１１で受光し光電変換を行うＰＤ（不図示）とを備える。このＰＤ受光面１１の光電変換可能な領域は対物レンズ１０の光軸に対して半径ｒａｄの同心円の領域である。
【００２５】
このマイクロ化学システム１において、まず、対物レンズ１０でマイクロ化学チップの流路の深さ方向に対して中央の位置に集光照射された励起光によって、試料中に熱レンズ１２が形成される。このとき、この励起光の焦点からＰＤ受光面１１までの距離をＬとする。
【００２６】
その後、検出光が、上記形成された熱レンズ１２に対物レンズ１０によって集光照射される。このとき、検出光の焦点位置は、励起光と検出光の波長の違いにより生じる焦点差（以下「色収差」という。）ｄｆだけ励起光の焦点位置からずれた位置に集光する。
【００２７】
その後、検出光はθｐに広がりをもってＰＤ受光面１１に照射される。このとき、マイクロ化学チップの流路内の試料に励起光を照射する前後の検出光の信号強度の差を照射する前の検出光の信号強度で割った値（以下「ＴＬＭ出力値」という。）を精度よく検出するため、ＰＤ受光面１１においてすべての検出光が受光されるように、ｔａｎθｐ＜ｒａｄ／（Ｌ−ｄｆ）となるように距離Ｌは制御される。
【００２８】
上述のように検出光がビーム伝播する場合、ＴＬＭ出力算出処理は、（１）励起光照射後のマイクロ化学チップの流路内での発熱分布を算出し、（２）算出された発熱分布について熱流体解析を行うことにより温度分布を算出し、（３）算出された温度分布を屈折率分布に変換し、（４）励起光照射前後の試料に検出光が照射されたときのビーム伝播をビーム伝播法により算出し、（５）上記算出されたマイクロ化学チップ出口における電界分布をＰＤ受光面１１における電界分布へ解析的に変換し、（６）この変換した電界分布をＴＬＭ出力値に変換することにより行われる。
【００２９】
ここで、励起光の焦点位置を０とし、光の伝播方向を正とする座標における（０〜ｔ／２）の範囲で上記（１）〜（４）の処理は行われる。また、液の物性、液の流量などの諸条件をパラメータとして代入して、（２）の発熱分布が算出される。これにより、実際と同様の熱の拡散、流れによる移流を正確に計算することができ、また精度の良い屈折率分布の算出を行うことができる
また、（５）の処理は、（４）の処理で得られたｔ／２の位置におけるビーム伝播をＬの位置におけるビーム伝播に解析的に変化させる。これにより、光線追跡法では考慮されない干渉を扱うことができ、ビームウエストを含む近接場における干渉を考慮したビームの挙動を正確に計算することができる。
（１）発熱分布算出処理
励起光による試料の発熱分布は、励起光がガウシアンビームであると近似し、以下のような式（１）〜式（３）で算出する。
【００３０】
【数１】
【００３１】
【数２】
【００３２】
【数３】
【００３３】
ＮＡ：励起光の開口率
ｎ：水の屈折率
λ：励起光の波長
Ａ０：発熟量のスケールファクタ
Ｗ０：励起光のビームウエスト
Ｗｚ：励起光のスポット
Ｆ：発熱量の分布
ｚ：励起光の焦点位置を０とし、光の伝播方向を正とする座標
ｒ：光軸からの距離
（２）温度分布算出処理
試料の温度分布は、試料が非圧縮流体であると近似し、式（４）で表される質量保存式と、式（５）で表される運動量保存式と、式（６）で表されるエネルギー保存式で表される熱流体解析の基礎式により励起光照射後の熱流体解析を行って算出する。
【００３４】
【数４】
【００３５】
【数５】
【００３６】
【数６】
【００３７】
Ｖ：流速ベクトル
Ｆ：外力
ρ：試料の密度
ｙ：試料の動粘性係数
ｐ：試料中の圧力
ここで、式（６）における左辺は、その第１項が内部エネルギーの変化、及び第２項が運動エネルギーの変化を表す。また、式（６）における右辺は、その第１項が外力による仕事、第２項が圧力勾配による仕事、第３項が摩擦仕事、第４項が流体摩擦による発生熱、第５項が外部からの熱を表す。
【００３８】
本実施の形態では、変調周波数の１サイクルの間の温度分布を、０≦ｚ≦ｔ／２（ｔ：マイクロ化学チップの流路深さ）の範囲で算出し、この算出により１サイクルの間での試料の最大温度及び最小温度を取得する。
【００３９】
（３）算出された温度分布の屈折率分布への変換処理
屈折率分布は上記熱流体解析により得られた発熱分布に応じたものであり、以下のような式（７’）で算出する。
【００４０】
ｎ＝ｎ０＋（ｄｎ／ｄｔ）ΔＴ …（７’）
ｎ ：計算された屈折率
ｎ０：熱レンズ１２が形成される前の温度における試料液の屈折率
ｄｎ／ｄｔ：屈折率の温度当たりの増分
ΔＴ：発熱による温度上昇量
本実施の形態では、上記（２）の温度分布算出処理で得られた最大温度についての屈折率分布を励起光照射後、すなわち熱レンズ１２が形成されたときの試料の屈折率分布とする。また、上記（２）の温度分布算出処理で得られた最小温度についての屈折率分布を励起光照射前の試料の屈折率分布とする。
【００４１】
（４）試料中のビーム伝播算出処理
励起光照射前後の試料に検出光が照射されたときのビーム伝播解析は、まず、そのビーム伝播の波動方程式をスカラー近似が成り立つと近似して、式（７）で表現されるヘルムホルツ式で表現する。
【００４２】
【数７】
【００４３】
また、Ｚ方向への光の伝搬波波長オーダー程度に細かく分割された微小区間では自由空間伝搬と屈折率分布などを含む上記式を電界φが伝搬軸（ｚ軸）に対してゆるやかに変化する複素振幅ｕ（ｘ，ｙ，ｚ）で表現することができるとすると以下の式（８）が成り立つ。
【００４４】
【数８】
【００４５】
上式でz方向への変化が非常に小さければ第１項は無視することができ、式（９）が得られる。
【００４６】
【数９】
【００４７】
本実施の形態では、励起光照射前のビーム伝播は上述した最小温度における屈折率分布を上記式（９）に代入することにより算出し、励起光照射後のビーム伝播は上述した最大温度における屈折率分布を上記式（９）に代入することにより算出する。
（５）電界分布変換処理
マイクロ化学チップ出口における電界分布からＰＤ受光面１１における電界分布への変換は、検出光をコヒーレント光であると近似することにより行う。
【００４８】
具体的には、コヒーレント光の伝搬では、ある平面の光の分布が伝播と共に変化する様子は、式（１０）に示すように、入力光の複素振幅分布Ｕｉ（ｘ，y）の線形変換を行い出力光の分布Ｕｏ（Ｘ，Ｙ）として表される。
【００４９】
【数１０】
【００５０】
ここで、Ｋは伝達関数であり、検出光源１４である点光源（ｘ，ｙ）に対応する出力分布を表す。
【００５１】
入出力平面での光の分布が伝播距離Zに比べ十分小さいときには、上式の積分の伝達関数Ｋは振幅が一様な球面波で与えられ、波数k＝2π/λとして式（１１）で表される。
【００５２】
【数１１】
【００５３】
よって、出力面（ＰＤ受光面１１）の複素振幅は式（１２）で与えられる
【００５４】
【数１２】
【００５５】
本実施の形態では、式（１２）の指数関数中の近似を取らずにＰＤ受光面１１での電界分布を光軸を中心とする開口半径までの範囲でそのまま数値積分を行う。この処理を、上記（４）のビーム伝播算出処理において計算された最小温度及び最大温度の夫々についてのビーム伝播について行い、夫々の温度でのＰＤ受光面１１における受光強度を算出する。
（６）ＴＬＭ出力値への変換処理
ＴＬＭ出力値への変換は、式（１３）に示すように、熱レンズ１２が形成された後のＰＤ受光面１１における受光強度から、熱レンズ１２が形成される前のＰＤ受光面１１における受光強度を差し引いて全光量で規格化することにより行う。
【００５６】
また、本実施の形態では、上述の（５）の電界分布変換処理により得られた最小温度における受光強度を熱レンズ１２が形成される前のＰＤ受光面１１における受光強度と近似し、また、上述の（５）の電界分布変換処理により得られた最大温度における受光強度を熱レンズ１２が形成された後のＰＤ受光面１１における受光強度と近似する。
【００５７】
【数１３】
【００５８】
Ｉ（ｄｎ）：熱レンズ１２形成後のＰＤ受光面１１における受光強度
Ｉ（０）：熱レンズ１２形成前のＰＤ受光面１１における受光強度
Ｉ（ｏｕｔ）：射出全光量
図２は、図１のマイクロ化学システム１により実行されるＴＬＭ出力算出処理の手順を示すフローチャートである。
【００５９】
図２において、発熱分布を算出するのに用いられる各種パラメータの設定を行う（ステップＳ２００）。具体的には、励起光の開口数（ＮＡ）及び波長（λ）、検出光の周波数、試料毎に決定される発熱量のスケールファククー（Ａ０）及び水の屈折率（ｎ）および熱流体解析部分となる流路の溝深さ（ｔ）等のパラメータを本処理で設定する。
【００６０】
次に、マイクロ化学チップの流路内の試料に励起光が照射されたときの発熱分布を算出する（ステップＳ２０１）。具体的には、ステップＳ２００で設定したパラメータ値を上記式（１）〜式（３）に代入することにより、試料の発熱分布を算出する。ここで得られる発熱分布は、与えられた励起光の周波数による変調に応じて変化する励起光の強度に応じて変化する。また、発熱分布を直接任意の値に設定するようにしてもよい。
【００６１】
その後、温度分布を算出するのに用いられる各種パラメータの設定を行う（ステップＳ２０２）。具体的には、流速ベクトル（Ｖ）、外力（Ｆ）、試料の密度（ρ）、試料の動粘性係数（ｙ）及び試料中の圧力（ｐ）等のパラメータを本処理で設定する。
【００６２】
次に、ステップＳ２０１において算出された発熱分布について熱流体解析を行うことにより温度分布を算出する（ステップＳ２０３〜Ｓ２０６）。具体的には、ステップＳ２０２で設定したパラメータ値を熱流体解析の基礎式（上記式（４）〜式（６））に代入し、ステップＳ２００で設定したパラメータ値により得られる解析領域の範囲（０≦ｚ≦ｔ／２）について変調周波数の１サイクルの間の温度分布を算出する。
【００６３】
本実施の形態では、この温度分布算出処理は、検出光源１４に設けられているチョッパ（不図示）により制御される検出光源１４からの検出光の出射開始時刻（ｔｍｉｎ）から出射終了時刻（ｔｍａｘ）を微小時間Δｔの間隔で分割した各解析時刻ｉにおいて、上記熱流体解析を非定常で実行する。これにより、変調周波数に応じて経時的に変化する温度分布を精度よく得ることができる。
【００６４】
次に、ステップＳ２０３〜Ｓ２０６の処理で得られた１サイクルにおける試料の最大温度、最小温度を取得し（ステップＳ２０７，Ｓ２０８）、その夫々の温度について後述する図３のビーム伝播シミュレーション処理を行う（ステップＳ２０９，Ｓ２１０）。この処理により、１サイクルにおける試料の最大温度、最小温度におけるマイクロ化学チップ出口（ｚ＝ｔ／２）での電界分布が得られる。
【００６５】
その後、ステップＳ２０９，Ｓ２１０の処理により得られた各温度におけるマイクロ化学チップ出口（ｚ＝ｔ／２）での電界分布を上述の式（１２）に代入し、ＰＤ受光面１１での電界分布を光軸を中心とする開口半径までの範囲で積分した値（Ｉｍａｘ，Ｉｍｉｎ）を夫々算出する（ステップＳ２１１，Ｓ２１２）。
【００６６】
その後、上述の式（１３）に、ステップＳ２１１，２１２で算出されたＩｍａｘ，Ｉｍｉｎを代入し、Ｉｍａｘ及びＩｍｉｎの差分を全光量で規格化し、ＴＬＭ出力を算出し（ステップＳ２１３）、本処理を終了する。
【００６７】
図２の処理によれば、励起光のビーム強度分布をガウス分布に近似し、ユーザ設定された条件下で励起光による試料の発熱分布を算出し（ステップＳ２００，Ｓ２０１）、熱流体解析に基づき試料の温度分布を算出するので（ステップＳ２０４〜Ｓ２０６）、実際の熱の拡散、流れによる移流を計算に反映した屈折率分布を有する溶媒中をビーム伝播する場合のＴＬＭ出力をシミュレーションでき、精度の高いＴＬＭ出力値を取得することができる。
【００６８】
図３は、図２のステップＳ２０９，Ｓ２１０で実行されるビーム伝播シミュレーション処理の手順を示すフローチャートである。
【００６９】
図３において、まず、図２のステップＳ２０７，Ｓ２０８で得られた温度分布の最大値、最小値を上記式（７’）に代入することにより、励起光照射後の試料の各解析時刻ｉにおける屈折率分布を取得する（ステップＳ４０１）。本ステップで屈折率分布の変換が行われるのは、上記最大値、最小値の温度分布に限定されるわけでなく、図１１に示すように、変調周波数の１サイクルの各解析時刻での温度分布を元に同じく差分を計算し、得られた信号の時間による変化をフーリエ変換して求めてもよい。
【００７０】
次に、ビーム伝播を算出するのに用いられる各種パラメータ値を設定する（ステップＳ４０２）。具体的には、検出光の開口数ＮＡ、波長λ、励起光との色収差ｄｆ、ＰＤ受光面１１までの距離Ｌ、ＰＤ受光面１１の半径ｒａｄの値を設定する。
【００７１】
その後、上記式（７）〜式（９）により試料内のビーム伝播を計算し（ステップＳ４０３）、上記式（１０）〜式（１２）によりマイクロ化学チップからの透過光が受光部で受光されるまでの領域に関して得られたビーム伝播を解析的に変換することにより、電界分布を取得し（ステップＳ４０４）、本処理を終了する。
【００７２】
図３の処理によれば、励起光照射後の試料中のビーム伝播を、図２のステップＳ２０７，２０８で取得した温度分布から算出された試料の屈折率分布に基づき算出し（ステップＳ４０１，Ｓ４０３）、マイクロ化学チップからの透過光が受光部で受光されるまでの領域に関して解析的な変換を行うので（ステップＳ４０４）、ビームウエストを含む近接場における干渉を考慮したビームの挙動を正確に計算することができる。
【実施例】
【００７３】
次に、本発明の実施例について説明する。
【００７４】
まず、マイクロチップの流路深さｔを２０μｍ，５０μｍ，７５μｍ，１００μｍ，２００μｍ，３００μｍ，５００μｍ、励起光の開口数ＮＡを０．０３０，０．０５０，０．０７５，０．１００，０．１３８，０．２００、色収差を０〜３００μｍとしたときのＴＬＭ出力の強度を図４〜図１０に示し、流路深さ毎のＮＡとＴＬＭ出力の強度の関係を図１１に示す。
（１）流路深さｔについて
図４，５示すように、流路深さｔが２０μｍ，５０μｍのときは、開口数、色収差を上記範囲で振ったときのＴＬＭ出力の最大値は０．０２５ａ．ｕ．，０．０５５ａ．ｕ．と小さく、実際の測定は困難であることがわかった。
【００７５】
また、図１０に示すように、流路深さｔが５００μｍであるときの上記ＴＬＭ出力は、開口数の値が少し変化しただけで信号強度が大きく変化してしまうため、検出精度が悪くなることがわかった。
【００７６】
これに対して、図６に示すように、流路深さｔが７５μｍであるときの上記ＴＬＭ出力の最大値は０．０８０ａ．ｕ．前後と、最大値のピークがはっきりと現れるので、実際に測定するのに適した設定範囲であることがわかった。
【００７７】
さらに、図７に示すように、流路深さｔが１００μｍであるときの上記ＴＬＭ出力の最大値は０．１００ａ．ｕ．前後と、最大値のピークがよりはっきりと現れ、また、図８に示すように、流路深さｔが２００μｍであるときの上記ＴＬＭ出力の最大値は０．１６５ａ．ｕ．前後と、最大値のピークがさらにはっきりと現れることがわかった。
【００７８】
また、図９に示すように、流路深さｔが３００μｍであるときの上記ＴＬＭ出力の最大値は０．２００ａ．ｕ．前後と、最大値のピークがさらにはっきりと現れることがわかった。
【００７９】
以上より、流路深さｔは、７５μｍ以上３００μｍ以下、好ましくは１００μｍ以上３００μｍ以下、より好ましくは２００μｍ以上３００μｍ以下であることがわかった。
（２）開口数ＮＡについて
図１１に示すように、開口数は０．０４以上０．１以下であるときＴＬＭ出力の強度が強くなることがわかった。また、好ましくは、開口数は０．０５以上０．０７５以下であるときＴＬＭ出力の強度はさらに強くなることがわかった。
（３）色収差ｄｆについて
上述したように、ＴＬＭ出力を測定するのに好ましい流路深さｔの範囲（７５〜３００μｍ）及び開口数ＮＡの範囲（０．０５〜０．０７５）において、色収差ｄｆは２５０μｍ以下（図９）であり、且つ１００μｍ以上（図６）であるときに、ＴＬＭ出力の値は大きくなることがわかった。
【図面の簡単な説明】
【００８０】
【図１】本発明の実施の形態に係るマイクロ化学システムの概略構成を示すブロック図である。
【図２】図１のマイクロ化学システムにより実行されるＴＬＭ出力算出処理の手順を示すフローチャートである。
【図３】図２のステップＳ２０９，Ｓ２１０で実行されるビーム伝播シミュレーション処理の手順を示すフローチャートである。
【図４】流路深さｔを２０μｍとしたときの開口数ＮＡ、色収差及びＴＬＭ出力の関係を示すグラフである。
【図５】流路深さｔを５０μｍとしたときの開口数ＮＡ、色収差及びＴＬＭ出力の関係を示すグラフである。
【図６】流路深さｔを７５μｍとしたときの開口数ＮＡ、色収差及びＴＬＭ出力の関係を示すグラフである。
【図７】流路深さｔを１００μｍとしたときの開口数ＮＡ、色収差及びＴＬＭ出力の関係を示すグラフである。
【図８】流路深さｔを２００μｍとしたときの開口数ＮＡ、色収差及びＴＬＭ出力の関係を示すグラフである。
【図９】流路深さｔを３００μｍとしたときの開口数ＮＡ、色収差及びＴＬＭ出力の関係を示すグラフである。
【図１０】流路深さｔを５００μｍとしたときの開口数ＮＡ、色収差及びＴＬＭ出力の関係を示すグラフである。ある。
【図１１】流路深さｔ毎の開口数ＮＡとＴＬＭ出力の強度の関係を示すグラフである。
【符号の説明】
【００８１】
１ マイクロ化学システム
１０ 対物レンズ
１１ ＰＤ受光面
１２ 熱レンズ
１３ 励起光源
１４ 検出光源
【技術分野】
【０００１】
本発明はマイクロ化学システム及びそのＴＬＭ出力算出方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、化学反応を微小空間で行うための集積化技術が、化学反応の高速性や微少量での反応、オンサイト分析等の観点から注目されており、そのための研究が、世界的に精力的に進められている。
【０００３】
化学反応の集積化技術の１つとして微細な流路の中で試料の混合、反応、分離、抽出、検出等を行う所謂マイクロ化学システムがある。このマイクロ化学システムで行われるものとしては反応の例として、ジアゾ化反応、ニトロ化反応、抗原抗体反応などがあり、抽出、分離の例として溶媒抽出、電気泳動分離、カラム分離などがある。マイクロ化学システムは、分離だけを目的としたような単一の機能のみで用いられても良く、また複合的に用いられても良い。
【０００４】
これらのマイクロ化学システムに用いられるマイクロ化学チップの流路内を流れる試料は極微量であるので、高感度な検出方法が必須である。このような方法として、微細な流路内の試料に励起光を照射する前後の検出光の信号強度の差を照射する前の検出光の信号強度で割った値（以下「ＴＬＭ出力」という。）を検出する熱レンズ分析法が確立され、これによりマイクロ化学システムの実用化の道が開かれている。
【０００５】
試料に光を集光照射すると試料中の溶質が光を吸収すると共に熱エネルギーが放出される。この熱エネルギーによって溶媒が局所的に温度上昇すると、屈折率が変化して熱レンズが形成される（熱レンズ効果）。熱レンズ分析法はこの熱レンズ効果を利用するものである。
【０００６】
熱レンズ分析法は、熱の拡散、即ち屈折率の変化をＴＬＭ出力として観察するものであり、このＴＬＭ出力を精度よく算出するシミュレーション方法が従来より開示されている。
【０００７】
具体的には、幾何光学による光線追跡法に基づきビームが伝播すると仮定し、また上記屈折率分布はレンズであると仮定する。これらの仮定の下、屈折により光が曲がって行く現象を計算する方法が上記シミュレーション方法である。
【０００８】
例えば、熱レンズの屈折率分布をガウス分布で近似し、実光線追跡によりＴＬＭ出力を算出する方法においては、ＴＬＭ出力を最大とするＮＡの範囲は０．１≦ＮＡ≦０．４であることが開示されている（例えば、特許文献１参照）。
【０００９】
また、励起ビーム伝播強度Ｉ（ｒ，ｚ）に応じた屈折率分布を有する熱レンズを、屈折率差を変数とするＳＮＳ積層光学系と近似し、実光線追跡によりＴＬＭ出力を算出する方法においては、ＴＬＭ出力を最大とするＮＡの範囲は０．１５＜ＮＡ＜０．６であることが開示されている（例えば、特許文献２参照）。
【特許文献１】特開２００４−３０９４３０号公報
【特許文献２】特開２００４−１２５４７８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
しかしながら、熱レンズ現象は励起光のビームによって温度上昇が発生するものであり、発熱分布は励起光のビームの強度分布に準じた形態となるが、その後の温度上昇は熱伝導による熟の拡散や、マイクロ化学チップ内の液の流れによる移流などにより、実際にはマイクロ化学チップ内における温度分布は与えたビーム強度とはかなり異なる分布となる。
【００１１】
そのため、上述の従来技術のように、熱レンズの屈折率分布をガウス分布やＳＮＳ積層光学系に近似すると、そもそも計算に使用するレンズの屈折率分布が実際と異なっていることになり、必然的に得られた結果もこの分の誤差を多分に含み精度が期待できないという問題がある。
【００１２】
また、屈折率分布はレンズであると仮定する際に、従来技術では、ＳＮＳ積層光学系に近似したり、このＳＮＳ積層光学系よりなだらかに屈折率が変化するガウス分布で近似したりしているが、いずれの近似においても近接場で問題となる光の干渉が考慮されておらず正確にビームの伝播をシミュレーションすることができないという問題がある。
【００１３】
本発明の目的は、精度の高いＴＬＭ出力値を取得することができるマイクロ化学システム及びそのＴＬＭ出力算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】
【００１４】
上記目的を達成するために、請求項１記載のマイクロ化学システムは、深さｔの流路中を流れる試料中に所定の屈折率分布を有する熱レンズを形成すべく開口数ＮＡのレンズを介して前記試料に励起光を照射する第１の照射手段と、前記レンズを介して前記励起光と同軸的に前記試料に検出光を照射する第２の照射手段と、前記熱レンズが形成される前後で前記検出光が前記試料を透過したときの透過光を受光する受光部と、前記受光部の受光量に基づいてＴＬＭ出力を算出するＴＬＭ出力算出手段とを備え、前記レンズは前記励起光及び前記検出光についての色収差ｄｆを有するマイクロ化学システムにおいて、前記深さｔ（μｍ）が７５≦ｔ≦３００の範囲、前記開口数ＮＡが０．０４≦ＮＡ≦０．１の範囲、前記色収差ｄｆ（ｎｍ）が１００≦ｄｆ≦２５０の範囲であることを特徴とする。
【００１５】
請求項５記載のＴＬＭ出力算出方法は、流路中を流れる試料中に所定の屈折率分布の熱レンズを形成すべくレンズを介して前記試料に励起光を照射する第１の照射手段と、前記レンズを介して前記励起光と同軸的に前記試料に検出光を照射する第２の照射手段と、前記熱レンズが形成される前後で前記検出光が前記試料を透過したときの透過光を受光する受光部と、前記受光部の受光量に基づいてＴＬＭ出力を算出するＴＬＭ出力算出手段とを備え、前記レンズは前記励起光及び前記検出光について色収差を有するマイクロ化学システムのＴＬＭ出力算出方法において、前記励起光のビーム強度分布をガウス分布に近似し、ユーザ設定された条件下で前記励起光による前記試料の発熱分布を算出する発熱分布算出ステップと、熱流体解析に基づき前記試料の温度分布を算出する温度分布算出ステップとを備えることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１６】
以上詳細に説明したように、請求項１記載のマイクロ化学システムによれば、深さｔ（μｍ）が７５≦ｔ≦３００の範囲、開口数ＮＡが０．０４≦ＮＡ≦０．１の範囲、色収差ｄｆ（ｎｍ）が１００≦ｄｆ≦２５０の範囲であるので、精度の高いＴＬＭ出力値を取得することができる。
【００１７】
請求項５記載のＴＬＭ出力算出方法によれば、励起光のビーム強度分布をガウス分布に近似し、ユーザ設定された条件下で励起光による試料の発熱分布を算出し、熱流体解析に基づき試料の温度分布を算出するので、実際の熱の拡散、流れによる移流を計算に反映した屈折率分布を有する溶媒中をビーム伝播する場合のＴＬＭ出力をシミュレーションでき、精度の高いＴＬＭ出力値を取得することができる。
【００１８】
請求項６記載のＴＬＭ出力算出方法によれば、励起光照射後の試料中のビーム伝播を、上記温度分布から算出された試料の屈折率分布に基づき算出し、透過光が受光部で受光されるまでの領域に関して解析的な変換を行うので、ビームウエストを含む近接場における干渉を考慮したビームの挙動を正確に計算することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
本発明者は、上記目的を達成すべく鋭意研究を行った結果、深さｔの流路中を流れる試料中に所定の屈折率分布を有する熱レンズを形成すべく開口数ＮＡのレンズを介して試料に励起光を照射する第１の照射手段と、レンズを介して励起光と同軸的に試料に検出光を照射する第２の照射手段と、熱レンズが形成される前後で検出光が試料を透過したときの透過光を受光する受光部と、受光部の受光量に基づいてＴＬＭ出力を算出するＴＬＭ出力算出手段とを備え、レンズは励起光及び検出光についての色収差ｄｆを有するマイクロ化学システムにおいて、深さｔ（μｍ）が７５≦ｔ≦３００の範囲、開口数ＮＡが０．０４≦ＮＡ≦０．１の範囲、色収差ｄｆ（ｎｍ）が１００≦ｄｆ≦２５０の範囲に設定し、好ましくは、開口数ＮＡが０．０５≦ＮＡ≦０．０７５の範囲、又は、深さｔ（μｍ）が１００≦ｔ≦３００の範囲であり、より好ましくは、深さｔ（μｍ）が２００≦ｔ≦３００の範囲であると、精度の高いＴＬＭ出力値を取得することができることを見出した。
【００２０】
また、本発明者は、流路中を流れる試料中に所定の屈折率分布の熱レンズを形成すべくレンズを介して試料に励起光を照射する第１の照射手段と、レンズを介して励起光と同軸的に試料に検出光を照射する第２の照射手段と、熱レンズが形成される前後で検出光が試料を透過したときの透過光を受光する受光部と、受光部の受光量に基づいてＴＬＭ出力を算出するＴＬＭ出力算出手段とを備え、レンズは励起光及び検出光について色収差を有するマイクロ化学システムのＴＬＭ出力算出方法において、励起光のビーム強度分布をガウス分布に近似し、ユーザ設定された条件下で励起光による試料の発熱分布を算出する発熱分布算出ステップと、熱流体解析に基づき試料の温度分布を算出する温度分布算出ステップとを備えると、実際の熱の拡散、流れによる移流を計算に反映した屈折率分布を有する溶媒中をビーム伝播する場合のＴＬＭ出力をシミュレーションでき、精度の高いＴＬＭ出力値を取得することができることを見出した。好ましくは、算出された温度分布から試料の屈折率分布を算出する屈折率分布算出手段と、励起光照射後の試料中のビーム伝播を算出された屈折率分布に基づき算出するビーム伝播算出ステップと、透過光が受光部で受光されるまでの領域に関して解析的な変換を行う解析的変換ステップとを備えると、ビームウエストを含む近接場における干渉を考慮したビームの挙動を正確に計算することができることを見出した。
【００２１】
本発明は、上記知見に基づいてなされたものである。
【００２２】
以下、本発明の実施の形態を図面を用いて詳述する。
【００２３】
図１は、本発明の実施の形態に係るマイクロ化学システムの概略構成を示すブロック図である。
【００２４】
図１において、マイクロ化学システム１は、試料を流す深さｔの流路を備えるマイクロ化学チップ（不図示）と、マイクロ化学チップの流路内の試料に励起光源１３からの励起光及び検出光源１４からの検出光を集光照射する対物レンズ１０と、試料中に生じた熱レンズ１２をＰＤ受光面１１で受光し光電変換を行うＰＤ（不図示）とを備える。このＰＤ受光面１１の光電変換可能な領域は対物レンズ１０の光軸に対して半径ｒａｄの同心円の領域である。
【００２５】
このマイクロ化学システム１において、まず、対物レンズ１０でマイクロ化学チップの流路の深さ方向に対して中央の位置に集光照射された励起光によって、試料中に熱レンズ１２が形成される。このとき、この励起光の焦点からＰＤ受光面１１までの距離をＬとする。
【００２６】
その後、検出光が、上記形成された熱レンズ１２に対物レンズ１０によって集光照射される。このとき、検出光の焦点位置は、励起光と検出光の波長の違いにより生じる焦点差（以下「色収差」という。）ｄｆだけ励起光の焦点位置からずれた位置に集光する。
【００２７】
その後、検出光はθｐに広がりをもってＰＤ受光面１１に照射される。このとき、マイクロ化学チップの流路内の試料に励起光を照射する前後の検出光の信号強度の差を照射する前の検出光の信号強度で割った値（以下「ＴＬＭ出力値」という。）を精度よく検出するため、ＰＤ受光面１１においてすべての検出光が受光されるように、ｔａｎθｐ＜ｒａｄ／（Ｌ−ｄｆ）となるように距離Ｌは制御される。
【００２８】
上述のように検出光がビーム伝播する場合、ＴＬＭ出力算出処理は、（１）励起光照射後のマイクロ化学チップの流路内での発熱分布を算出し、（２）算出された発熱分布について熱流体解析を行うことにより温度分布を算出し、（３）算出された温度分布を屈折率分布に変換し、（４）励起光照射前後の試料に検出光が照射されたときのビーム伝播をビーム伝播法により算出し、（５）上記算出されたマイクロ化学チップ出口における電界分布をＰＤ受光面１１における電界分布へ解析的に変換し、（６）この変換した電界分布をＴＬＭ出力値に変換することにより行われる。
【００２９】
ここで、励起光の焦点位置を０とし、光の伝播方向を正とする座標における（０〜ｔ／２）の範囲で上記（１）〜（４）の処理は行われる。また、液の物性、液の流量などの諸条件をパラメータとして代入して、（２）の発熱分布が算出される。これにより、実際と同様の熱の拡散、流れによる移流を正確に計算することができ、また精度の良い屈折率分布の算出を行うことができる
また、（５）の処理は、（４）の処理で得られたｔ／２の位置におけるビーム伝播をＬの位置におけるビーム伝播に解析的に変化させる。これにより、光線追跡法では考慮されない干渉を扱うことができ、ビームウエストを含む近接場における干渉を考慮したビームの挙動を正確に計算することができる。
（１）発熱分布算出処理
励起光による試料の発熱分布は、励起光がガウシアンビームであると近似し、以下のような式（１）〜式（３）で算出する。
【００３０】
【数１】
【００３１】
【数２】
【００３２】
【数３】
【００３３】
ＮＡ：励起光の開口率
ｎ：水の屈折率
λ：励起光の波長
Ａ０：発熟量のスケールファクタ
Ｗ０：励起光のビームウエスト
Ｗｚ：励起光のスポット
Ｆ：発熱量の分布
ｚ：励起光の焦点位置を０とし、光の伝播方向を正とする座標
ｒ：光軸からの距離
（２）温度分布算出処理
試料の温度分布は、試料が非圧縮流体であると近似し、式（４）で表される質量保存式と、式（５）で表される運動量保存式と、式（６）で表されるエネルギー保存式で表される熱流体解析の基礎式により励起光照射後の熱流体解析を行って算出する。
【００３４】
【数４】
【００３５】
【数５】
【００３６】
【数６】
【００３７】
Ｖ：流速ベクトル
Ｆ：外力
ρ：試料の密度
ｙ：試料の動粘性係数
ｐ：試料中の圧力
ここで、式（６）における左辺は、その第１項が内部エネルギーの変化、及び第２項が運動エネルギーの変化を表す。また、式（６）における右辺は、その第１項が外力による仕事、第２項が圧力勾配による仕事、第３項が摩擦仕事、第４項が流体摩擦による発生熱、第５項が外部からの熱を表す。
【００３８】
本実施の形態では、変調周波数の１サイクルの間の温度分布を、０≦ｚ≦ｔ／２（ｔ：マイクロ化学チップの流路深さ）の範囲で算出し、この算出により１サイクルの間での試料の最大温度及び最小温度を取得する。
【００３９】
（３）算出された温度分布の屈折率分布への変換処理
屈折率分布は上記熱流体解析により得られた発熱分布に応じたものであり、以下のような式（７’）で算出する。
【００４０】
ｎ＝ｎ０＋（ｄｎ／ｄｔ）ΔＴ …（７’）
ｎ ：計算された屈折率
ｎ０：熱レンズ１２が形成される前の温度における試料液の屈折率
ｄｎ／ｄｔ：屈折率の温度当たりの増分
ΔＴ：発熱による温度上昇量
本実施の形態では、上記（２）の温度分布算出処理で得られた最大温度についての屈折率分布を励起光照射後、すなわち熱レンズ１２が形成されたときの試料の屈折率分布とする。また、上記（２）の温度分布算出処理で得られた最小温度についての屈折率分布を励起光照射前の試料の屈折率分布とする。
【００４１】
（４）試料中のビーム伝播算出処理
励起光照射前後の試料に検出光が照射されたときのビーム伝播解析は、まず、そのビーム伝播の波動方程式をスカラー近似が成り立つと近似して、式（７）で表現されるヘルムホルツ式で表現する。
【００４２】
【数７】
【００４３】
また、Ｚ方向への光の伝搬波波長オーダー程度に細かく分割された微小区間では自由空間伝搬と屈折率分布などを含む上記式を電界φが伝搬軸（ｚ軸）に対してゆるやかに変化する複素振幅ｕ（ｘ，ｙ，ｚ）で表現することができるとすると以下の式（８）が成り立つ。
【００４４】
【数８】
【００４５】
上式でz方向への変化が非常に小さければ第１項は無視することができ、式（９）が得られる。
【００４６】
【数９】
【００４７】
本実施の形態では、励起光照射前のビーム伝播は上述した最小温度における屈折率分布を上記式（９）に代入することにより算出し、励起光照射後のビーム伝播は上述した最大温度における屈折率分布を上記式（９）に代入することにより算出する。
（５）電界分布変換処理
マイクロ化学チップ出口における電界分布からＰＤ受光面１１における電界分布への変換は、検出光をコヒーレント光であると近似することにより行う。
【００４８】
具体的には、コヒーレント光の伝搬では、ある平面の光の分布が伝播と共に変化する様子は、式（１０）に示すように、入力光の複素振幅分布Ｕｉ（ｘ，y）の線形変換を行い出力光の分布Ｕｏ（Ｘ，Ｙ）として表される。
【００４９】
【数１０】
【００５０】
ここで、Ｋは伝達関数であり、検出光源１４である点光源（ｘ，ｙ）に対応する出力分布を表す。
【００５１】
入出力平面での光の分布が伝播距離Zに比べ十分小さいときには、上式の積分の伝達関数Ｋは振幅が一様な球面波で与えられ、波数k＝2π/λとして式（１１）で表される。
【００５２】
【数１１】
【００５３】
よって、出力面（ＰＤ受光面１１）の複素振幅は式（１２）で与えられる
【００５４】
【数１２】
【００５５】
本実施の形態では、式（１２）の指数関数中の近似を取らずにＰＤ受光面１１での電界分布を光軸を中心とする開口半径までの範囲でそのまま数値積分を行う。この処理を、上記（４）のビーム伝播算出処理において計算された最小温度及び最大温度の夫々についてのビーム伝播について行い、夫々の温度でのＰＤ受光面１１における受光強度を算出する。
（６）ＴＬＭ出力値への変換処理
ＴＬＭ出力値への変換は、式（１３）に示すように、熱レンズ１２が形成された後のＰＤ受光面１１における受光強度から、熱レンズ１２が形成される前のＰＤ受光面１１における受光強度を差し引いて全光量で規格化することにより行う。
【００５６】
また、本実施の形態では、上述の（５）の電界分布変換処理により得られた最小温度における受光強度を熱レンズ１２が形成される前のＰＤ受光面１１における受光強度と近似し、また、上述の（５）の電界分布変換処理により得られた最大温度における受光強度を熱レンズ１２が形成された後のＰＤ受光面１１における受光強度と近似する。
【００５７】
【数１３】
【００５８】
Ｉ（ｄｎ）：熱レンズ１２形成後のＰＤ受光面１１における受光強度
Ｉ（０）：熱レンズ１２形成前のＰＤ受光面１１における受光強度
Ｉ（ｏｕｔ）：射出全光量
図２は、図１のマイクロ化学システム１により実行されるＴＬＭ出力算出処理の手順を示すフローチャートである。
【００５９】
図２において、発熱分布を算出するのに用いられる各種パラメータの設定を行う（ステップＳ２００）。具体的には、励起光の開口数（ＮＡ）及び波長（λ）、検出光の周波数、試料毎に決定される発熱量のスケールファククー（Ａ０）及び水の屈折率（ｎ）および熱流体解析部分となる流路の溝深さ（ｔ）等のパラメータを本処理で設定する。
【００６０】
次に、マイクロ化学チップの流路内の試料に励起光が照射されたときの発熱分布を算出する（ステップＳ２０１）。具体的には、ステップＳ２００で設定したパラメータ値を上記式（１）〜式（３）に代入することにより、試料の発熱分布を算出する。ここで得られる発熱分布は、与えられた励起光の周波数による変調に応じて変化する励起光の強度に応じて変化する。また、発熱分布を直接任意の値に設定するようにしてもよい。
【００６１】
その後、温度分布を算出するのに用いられる各種パラメータの設定を行う（ステップＳ２０２）。具体的には、流速ベクトル（Ｖ）、外力（Ｆ）、試料の密度（ρ）、試料の動粘性係数（ｙ）及び試料中の圧力（ｐ）等のパラメータを本処理で設定する。
【００６２】
次に、ステップＳ２０１において算出された発熱分布について熱流体解析を行うことにより温度分布を算出する（ステップＳ２０３〜Ｓ２０６）。具体的には、ステップＳ２０２で設定したパラメータ値を熱流体解析の基礎式（上記式（４）〜式（６））に代入し、ステップＳ２００で設定したパラメータ値により得られる解析領域の範囲（０≦ｚ≦ｔ／２）について変調周波数の１サイクルの間の温度分布を算出する。
【００６３】
本実施の形態では、この温度分布算出処理は、検出光源１４に設けられているチョッパ（不図示）により制御される検出光源１４からの検出光の出射開始時刻（ｔｍｉｎ）から出射終了時刻（ｔｍａｘ）を微小時間Δｔの間隔で分割した各解析時刻ｉにおいて、上記熱流体解析を非定常で実行する。これにより、変調周波数に応じて経時的に変化する温度分布を精度よく得ることができる。
【００６４】
次に、ステップＳ２０３〜Ｓ２０６の処理で得られた１サイクルにおける試料の最大温度、最小温度を取得し（ステップＳ２０７，Ｓ２０８）、その夫々の温度について後述する図３のビーム伝播シミュレーション処理を行う（ステップＳ２０９，Ｓ２１０）。この処理により、１サイクルにおける試料の最大温度、最小温度におけるマイクロ化学チップ出口（ｚ＝ｔ／２）での電界分布が得られる。
【００６５】
その後、ステップＳ２０９，Ｓ２１０の処理により得られた各温度におけるマイクロ化学チップ出口（ｚ＝ｔ／２）での電界分布を上述の式（１２）に代入し、ＰＤ受光面１１での電界分布を光軸を中心とする開口半径までの範囲で積分した値（Ｉｍａｘ，Ｉｍｉｎ）を夫々算出する（ステップＳ２１１，Ｓ２１２）。
【００６６】
その後、上述の式（１３）に、ステップＳ２１１，２１２で算出されたＩｍａｘ，Ｉｍｉｎを代入し、Ｉｍａｘ及びＩｍｉｎの差分を全光量で規格化し、ＴＬＭ出力を算出し（ステップＳ２１３）、本処理を終了する。
【００６７】
図２の処理によれば、励起光のビーム強度分布をガウス分布に近似し、ユーザ設定された条件下で励起光による試料の発熱分布を算出し（ステップＳ２００，Ｓ２０１）、熱流体解析に基づき試料の温度分布を算出するので（ステップＳ２０４〜Ｓ２０６）、実際の熱の拡散、流れによる移流を計算に反映した屈折率分布を有する溶媒中をビーム伝播する場合のＴＬＭ出力をシミュレーションでき、精度の高いＴＬＭ出力値を取得することができる。
【００６８】
図３は、図２のステップＳ２０９，Ｓ２１０で実行されるビーム伝播シミュレーション処理の手順を示すフローチャートである。
【００６９】
図３において、まず、図２のステップＳ２０７，Ｓ２０８で得られた温度分布の最大値、最小値を上記式（７’）に代入することにより、励起光照射後の試料の各解析時刻ｉにおける屈折率分布を取得する（ステップＳ４０１）。本ステップで屈折率分布の変換が行われるのは、上記最大値、最小値の温度分布に限定されるわけでなく、図１１に示すように、変調周波数の１サイクルの各解析時刻での温度分布を元に同じく差分を計算し、得られた信号の時間による変化をフーリエ変換して求めてもよい。
【００７０】
次に、ビーム伝播を算出するのに用いられる各種パラメータ値を設定する（ステップＳ４０２）。具体的には、検出光の開口数ＮＡ、波長λ、励起光との色収差ｄｆ、ＰＤ受光面１１までの距離Ｌ、ＰＤ受光面１１の半径ｒａｄの値を設定する。
【００７１】
その後、上記式（７）〜式（９）により試料内のビーム伝播を計算し（ステップＳ４０３）、上記式（１０）〜式（１２）によりマイクロ化学チップからの透過光が受光部で受光されるまでの領域に関して得られたビーム伝播を解析的に変換することにより、電界分布を取得し（ステップＳ４０４）、本処理を終了する。
【００７２】
図３の処理によれば、励起光照射後の試料中のビーム伝播を、図２のステップＳ２０７，２０８で取得した温度分布から算出された試料の屈折率分布に基づき算出し（ステップＳ４０１，Ｓ４０３）、マイクロ化学チップからの透過光が受光部で受光されるまでの領域に関して解析的な変換を行うので（ステップＳ４０４）、ビームウエストを含む近接場における干渉を考慮したビームの挙動を正確に計算することができる。
【実施例】
【００７３】
次に、本発明の実施例について説明する。
【００７４】
まず、マイクロチップの流路深さｔを２０μｍ，５０μｍ，７５μｍ，１００μｍ，２００μｍ，３００μｍ，５００μｍ、励起光の開口数ＮＡを０．０３０，０．０５０，０．０７５，０．１００，０．１３８，０．２００、色収差を０〜３００μｍとしたときのＴＬＭ出力の強度を図４〜図１０に示し、流路深さ毎のＮＡとＴＬＭ出力の強度の関係を図１１に示す。
（１）流路深さｔについて
図４，５示すように、流路深さｔが２０μｍ，５０μｍのときは、開口数、色収差を上記範囲で振ったときのＴＬＭ出力の最大値は０．０２５ａ．ｕ．，０．０５５ａ．ｕ．と小さく、実際の測定は困難であることがわかった。
【００７５】
また、図１０に示すように、流路深さｔが５００μｍであるときの上記ＴＬＭ出力は、開口数の値が少し変化しただけで信号強度が大きく変化してしまうため、検出精度が悪くなることがわかった。
【００７６】
これに対して、図６に示すように、流路深さｔが７５μｍであるときの上記ＴＬＭ出力の最大値は０．０８０ａ．ｕ．前後と、最大値のピークがはっきりと現れるので、実際に測定するのに適した設定範囲であることがわかった。
【００７７】
さらに、図７に示すように、流路深さｔが１００μｍであるときの上記ＴＬＭ出力の最大値は０．１００ａ．ｕ．前後と、最大値のピークがよりはっきりと現れ、また、図８に示すように、流路深さｔが２００μｍであるときの上記ＴＬＭ出力の最大値は０．１６５ａ．ｕ．前後と、最大値のピークがさらにはっきりと現れることがわかった。
【００７８】
また、図９に示すように、流路深さｔが３００μｍであるときの上記ＴＬＭ出力の最大値は０．２００ａ．ｕ．前後と、最大値のピークがさらにはっきりと現れることがわかった。
【００７９】
以上より、流路深さｔは、７５μｍ以上３００μｍ以下、好ましくは１００μｍ以上３００μｍ以下、より好ましくは２００μｍ以上３００μｍ以下であることがわかった。
（２）開口数ＮＡについて
図１１に示すように、開口数は０．０４以上０．１以下であるときＴＬＭ出力の強度が強くなることがわかった。また、好ましくは、開口数は０．０５以上０．０７５以下であるときＴＬＭ出力の強度はさらに強くなることがわかった。
（３）色収差ｄｆについて
上述したように、ＴＬＭ出力を測定するのに好ましい流路深さｔの範囲（７５〜３００μｍ）及び開口数ＮＡの範囲（０．０５〜０．０７５）において、色収差ｄｆは２５０μｍ以下（図９）であり、且つ１００μｍ以上（図６）であるときに、ＴＬＭ出力の値は大きくなることがわかった。
【図面の簡単な説明】
【００８０】
【図１】本発明の実施の形態に係るマイクロ化学システムの概略構成を示すブロック図である。
【図２】図１のマイクロ化学システムにより実行されるＴＬＭ出力算出処理の手順を示すフローチャートである。
【図３】図２のステップＳ２０９，Ｓ２１０で実行されるビーム伝播シミュレーション処理の手順を示すフローチャートである。
【図４】流路深さｔを２０μｍとしたときの開口数ＮＡ、色収差及びＴＬＭ出力の関係を示すグラフである。
【図５】流路深さｔを５０μｍとしたときの開口数ＮＡ、色収差及びＴＬＭ出力の関係を示すグラフである。
【図６】流路深さｔを７５μｍとしたときの開口数ＮＡ、色収差及びＴＬＭ出力の関係を示すグラフである。
【図７】流路深さｔを１００μｍとしたときの開口数ＮＡ、色収差及びＴＬＭ出力の関係を示すグラフである。
【図８】流路深さｔを２００μｍとしたときの開口数ＮＡ、色収差及びＴＬＭ出力の関係を示すグラフである。
【図９】流路深さｔを３００μｍとしたときの開口数ＮＡ、色収差及びＴＬＭ出力の関係を示すグラフである。
【図１０】流路深さｔを５００μｍとしたときの開口数ＮＡ、色収差及びＴＬＭ出力の関係を示すグラフである。ある。
【図１１】流路深さｔ毎の開口数ＮＡとＴＬＭ出力の強度の関係を示すグラフである。
【符号の説明】
【００８１】
１ マイクロ化学システム
１０ 対物レンズ
１１ ＰＤ受光面
１２ 熱レンズ
１３ 励起光源
１４ 検出光源
【特許請求の範囲】
【請求項１】
深さｔの流路中を流れる試料中に所定の屈折率分布を有する熱レンズを形成すべく開口数ＮＡのレンズを介して前記試料に励起光を照射する第１の照射手段と、前記レンズを介して前記励起光と同軸的に前記試料に検出光を照射する第２の照射手段と、前記熱レンズが形成される前後で前記検出光が前記試料を透過したときの透過光を受光する受光部と、前記受光部の受光量に基づいてＴＬＭ出力を算出するＴＬＭ出力算出手段とを備え、前記レンズは前記励起光及び前記検出光についての色収差ｄｆを有するマイクロ化学システムにおいて、
前記深さｔ（μｍ）が７５≦ｔ≦３００の範囲、前記開口数ＮＡが０．０４≦ＮＡ≦０．１の範囲、前記色収差ｄｆ（ｎｍ）が１００≦ｄｆ≦２５０の範囲であることを特徴とするマイクロ化学システム。
【請求項２】
前記開口数ＮＡが０．０５≦ＮＡ≦０．０７５の範囲であることを特徴とする請求項１記載のマイクロ化学システム。
【請求項３】
前記深さｔ（μｍ）が１００≦ｔ≦３００の範囲であることを特徴とする請求項１又は２記載のマイクロ化学システム。
【請求項４】
前記深さｔ（μｍ）が２００≦ｔ≦３００の範囲であることを特徴とする請求項３記載のマイクロ化学システム。
【請求項５】
流路中を流れる試料中に所定の屈折率分布の熱レンズを形成すべくレンズを介して前記試料に励起光を照射する第１の照射手段と、前記レンズを介して前記励起光と同軸的に前記試料に検出光を照射する第２の照射手段と、前記熱レンズが形成される前後で前記検出光が前記試料を透過したときの透過光を受光する受光部と、前記受光部の受光量に基づいてＴＬＭ出力を算出するＴＬＭ出力算出手段とを備え、前記レンズは前記励起光及び前記検出光について色収差を有するマイクロ化学システムのＴＬＭ出力算出方法において、
前記励起光のビーム強度分布をガウス分布に近似し、ユーザ設定された条件下で前記励起光による前記試料の発熱分布を算出する発熱分布算出ステップと、
熱流体解析に基づき前記試料の温度分布を算出する温度分布算出ステップとを備えることを特徴とするＴＬＭ出力算出方法。
【請求項６】
前記算出された温度分布から前記試料の屈折率分布を算出する屈折率分布算出手段と、
前記励起光照射後の前記試料中のビーム伝播を前記算出された屈折率分布に基づき算出するビーム伝播算出ステップと、
前記透過光が前記受光部で受光されるまでの領域に関して解析的な変換を行う解析的変換ステップとを備えることを特徴とする請求項５記載のＴＬＭ出力算出方法。
【請求項１】
深さｔの流路中を流れる試料中に所定の屈折率分布を有する熱レンズを形成すべく開口数ＮＡのレンズを介して前記試料に励起光を照射する第１の照射手段と、前記レンズを介して前記励起光と同軸的に前記試料に検出光を照射する第２の照射手段と、前記熱レンズが形成される前後で前記検出光が前記試料を透過したときの透過光を受光する受光部と、前記受光部の受光量に基づいてＴＬＭ出力を算出するＴＬＭ出力算出手段とを備え、前記レンズは前記励起光及び前記検出光についての色収差ｄｆを有するマイクロ化学システムにおいて、
前記深さｔ（μｍ）が７５≦ｔ≦３００の範囲、前記開口数ＮＡが０．０４≦ＮＡ≦０．１の範囲、前記色収差ｄｆ（ｎｍ）が１００≦ｄｆ≦２５０の範囲であることを特徴とするマイクロ化学システム。
【請求項２】
前記開口数ＮＡが０．０５≦ＮＡ≦０．０７５の範囲であることを特徴とする請求項１記載のマイクロ化学システム。
【請求項３】
前記深さｔ（μｍ）が１００≦ｔ≦３００の範囲であることを特徴とする請求項１又は２記載のマイクロ化学システム。
【請求項４】
前記深さｔ（μｍ）が２００≦ｔ≦３００の範囲であることを特徴とする請求項３記載のマイクロ化学システム。
【請求項５】
流路中を流れる試料中に所定の屈折率分布の熱レンズを形成すべくレンズを介して前記試料に励起光を照射する第１の照射手段と、前記レンズを介して前記励起光と同軸的に前記試料に検出光を照射する第２の照射手段と、前記熱レンズが形成される前後で前記検出光が前記試料を透過したときの透過光を受光する受光部と、前記受光部の受光量に基づいてＴＬＭ出力を算出するＴＬＭ出力算出手段とを備え、前記レンズは前記励起光及び前記検出光について色収差を有するマイクロ化学システムのＴＬＭ出力算出方法において、
前記励起光のビーム強度分布をガウス分布に近似し、ユーザ設定された条件下で前記励起光による前記試料の発熱分布を算出する発熱分布算出ステップと、
熱流体解析に基づき前記試料の温度分布を算出する温度分布算出ステップとを備えることを特徴とするＴＬＭ出力算出方法。
【請求項６】
前記算出された温度分布から前記試料の屈折率分布を算出する屈折率分布算出手段と、
前記励起光照射後の前記試料中のビーム伝播を前記算出された屈折率分布に基づき算出するビーム伝播算出ステップと、
前記透過光が前記受光部で受光されるまでの領域に関して解析的な変換を行う解析的変換ステップとを備えることを特徴とする請求項５記載のＴＬＭ出力算出方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【公開番号】特開２００６−３２２８９５（Ｐ２００６−３２２８９５Ａ）
【公開日】平成１８年１１月３０日（２００６．１１．３０）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００５−１４８４３３（Ｐ２００５−１４８４３３）
【出願日】平成１７年５月２０日（２００５．５．２０）
【出願人】（０００００４００８）日本板硝子株式会社 (853)
【出願人】（５９１２４３１０３）財団法人神奈川科学技術アカデミー (271)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１８年１１月３０日（２００６．１１．３０）
【国際特許分類】
【出願日】平成１７年５月２０日（２００５．５．２０）
【出願人】（０００００４００８）日本板硝子株式会社 (853)
【出願人】（５９１２４３１０３）財団法人神奈川科学技術アカデミー (271)
【Ｆターム（参考）】
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