專利名稱：一種微化學(xué)系統(tǒng)和光熱轉(zhuǎn)換光譜分析方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種微化學(xué)系統(tǒng)和一種光熱轉(zhuǎn)換光譜分析方法。
背景技術(shù)：
鑒于化學(xué)反應(yīng)的迅速性，進(jìn)行反應(yīng)所需使用的非常少量的試樣，以及現(xiàn)場(chǎng)分析等等，用于在非常小的空間內(nèi)進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)的集成技術(shù)現(xiàn)在已經(jīng)引起注意，并且全世界都在積極地進(jìn)行這一技術(shù)的研究。
所謂的微化學(xué)系統(tǒng)就是這種集成技術(shù)的一個(gè)實(shí)例。微化學(xué)系統(tǒng)是對(duì)在小的玻璃基片等中形成的非常纖細(xì)的通道中的試樣溶液(包含試樣的液體)進(jìn)行混合、反應(yīng)、分離、提取、檢測(cè)等的系統(tǒng)。在這樣一種微化學(xué)系統(tǒng)中進(jìn)行反應(yīng)的例子包括重氮化作用反應(yīng)、硝化反應(yīng)和抗原—抗體反應(yīng)。此外，提取/分離的例子包括溶劑提取、電泳分離和萃取分離(column separation)。可以使用具有一種功能的微化學(xué)系統(tǒng)，例如只用于分離，或者使用多種功能結(jié)合在一起的微化學(xué)系統(tǒng)。
作為一種在上述功能中只用于分離的微化學(xué)系統(tǒng)，已經(jīng)提出了一種用于分析微量的蛋白質(zhì)、核酸等的電泳裝置(參見例如日本特開平專利出版物(Kokai)No.H8-178897)。該電泳裝置具有一個(gè)用于形成通道的板形元件，該板形元件包括兩個(gè)連接在一起的玻璃基片。因?yàn)樵瞧桨逍蔚模耘c具有圓形或者方形截面的玻璃毛細(xì)管的情況相比，破裂發(fā)生的可能性要小得多，因此很容易操作。
在這樣一種微化學(xué)系統(tǒng)中，由于試樣的量非常小，所以使用一種高靈敏度的檢測(cè)方法是必需的。光熱轉(zhuǎn)換吸收分析方法，作為這樣一種檢測(cè)方法已經(jīng)被提出，該方法利用了熱透鏡效應(yīng)，該效應(yīng)是由在非常纖細(xì)的通道中的試樣溶液吸收光而產(chǎn)生的。這種光熱轉(zhuǎn)換光譜分析方法利用了光熱轉(zhuǎn)換效應(yīng)，其中光被會(huì)聚地輻射在試樣溶液上，于是試樣溶液中的溶質(zhì)吸收光，并將熱能釋放出來，因此溶劑的溫度由于釋放的熱能而局部地升高了，并改變了試樣溶液的折射率，從而形成了熱透鏡。這種光熱轉(zhuǎn)換光譜分析方法開辟了一條用于實(shí)現(xiàn)微化學(xué)系統(tǒng)的道路。
圖3是用于解釋熱透鏡原理的視圖。
在圖3中，激勵(lì)光經(jīng)由一個(gè)顯微鏡的物鏡會(huì)聚地輻射到極少量的試樣溶液上，由此發(fā)生光熱轉(zhuǎn)換效應(yīng)。對(duì)于大多數(shù)物質(zhì)而言，折射率隨溫度的上升而下降，因此在被激勵(lì)光會(huì)聚地輻射的試樣溶液中，折射率會(huì)下降，且折射率下降越大就越接近會(huì)聚光的中心，即溫度上升最大的位置。換句話說，折射率隨著離會(huì)聚光中心的距離而增加。這就是為什么溫度的上升會(huì)由于熱擴(kuò)散而隨著離會(huì)聚光的中心的距離的增加而變小。從光學(xué)上講，得到的折射率分布產(chǎn)生與凹透鏡相同的效應(yīng)，因此這種效應(yīng)被稱為熱透鏡效應(yīng)。熱透鏡效應(yīng)的大小，即凹透鏡的屈光度，與試樣溶液的光吸收性成比例。另外，在折射率隨溫度增加的情況下，折射率中的變化是相反的，因此出現(xiàn)了可產(chǎn)生與凹透鏡相同效應(yīng)的熱透鏡效應(yīng)。
在上述光熱轉(zhuǎn)換光譜分析方法中，由于試樣溶液中的熱擴(kuò)散而觀察到了試樣溶液中的折射率的變化，所以該方法適用于檢測(cè)極少量試樣的濃度。
在日本特開平專利出版物(Kokai)No.10-232210中公開了使用上述光熱轉(zhuǎn)換光譜分析方法的光熱轉(zhuǎn)換光譜分析儀的一個(gè)示例。
在一個(gè)傳統(tǒng)的光熱轉(zhuǎn)換光譜分析儀中，在顯微鏡的物鏡的下面設(shè)置有一個(gè)帶有通道的板形元件，并且從一個(gè)激勵(lì)光源中輸出的預(yù)定波長(zhǎng)的激勵(lì)光引入到該顯微鏡中。這樣該激勵(lì)光經(jīng)由物鏡會(huì)聚地輻射到該帶有通道的板形元件的通道中的試樣溶液上。該會(huì)聚輻射的激勵(lì)光的焦點(diǎn)位置在該溶液試樣中，因此以該焦點(diǎn)位置為中心處形成了一個(gè)熱透鏡。
另外，具有不同于激勵(lì)光的波長(zhǎng)的檢測(cè)光從一個(gè)檢測(cè)光源輸出，并引入到顯微鏡中。該檢測(cè)光穿過顯微鏡并從顯微鏡出射，會(huì)聚地輻射到由激勵(lì)光在試樣溶液中產(chǎn)生的熱透鏡上，然后透過試樣溶液，從而檢測(cè)光或者發(fā)散(在熱透鏡具有凹透鏡效應(yīng)的情況下)或者會(huì)聚(在熱透鏡具有凸透鏡效應(yīng)的情況下)。將從試樣溶液出射的發(fā)散或者會(huì)聚的檢測(cè)光用作為信號(hào)光。該信號(hào)光經(jīng)過一聚光透鏡和一濾光器，或只經(jīng)過一濾光器，然后又檢測(cè)器接收并進(jìn)行檢測(cè)。該檢測(cè)到的信號(hào)光的強(qiáng)度依賴于形成在試樣溶液中的熱透鏡的折射率。應(yīng)該指出的是，檢測(cè)光可以具有與激勵(lì)光相同的波長(zhǎng)，或者激勵(lì)光也可以用作檢測(cè)光。
在上述光熱轉(zhuǎn)換光譜分析儀，即微化學(xué)系統(tǒng)中，在激勵(lì)光的焦點(diǎn)位置形成熱透鏡，然后利用檢測(cè)光檢測(cè)所形成的熱透鏡的折射率的變化，其中檢測(cè)光或者具有與激勵(lì)光相同的波長(zhǎng)，或者具有與激勵(lì)光不同的波長(zhǎng)。
然而，具有上述光熱轉(zhuǎn)換光譜分析儀的用作光源的光學(xué)系統(tǒng)等，測(cè)量部分和檢測(cè)部分(光熱轉(zhuǎn)換部分)都具有復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，因此這種裝置尺寸會(huì)很大，從而不便于攜帶。因此，存在這樣一個(gè)問題，即對(duì)于光熱轉(zhuǎn)換光譜分析儀的安裝位置和操作具有局限性，從而給用戶帶來工作效率低下的問題。
另外，在光熱轉(zhuǎn)換光譜分析儀中，激勵(lì)光和檢測(cè)光是通過開放空間照射到試樣溶液上的，因此在測(cè)量過程中必須防止各光學(xué)系統(tǒng)元件例如光源、反光鏡和透鏡移動(dòng)，這就需要一個(gè)牢固的固定這些元件的基板。此外，激勵(lì)光和檢測(cè)光的光軸會(huì)隨著環(huán)境的變化例如溫度的變化而移出準(zhǔn)線，因此需要用于調(diào)節(jié)這種移動(dòng)的夾具。這些夾具也是使光熱轉(zhuǎn)換光譜分析儀尺寸變大而不便于攜帶的一個(gè)原因。
另外，在使用光熱轉(zhuǎn)換光譜分析方法的微化學(xué)系統(tǒng)中，在許多情況下需要使激勵(lì)光的焦點(diǎn)位置和檢測(cè)光的焦點(diǎn)位置彼此不同。圖4A和4B是用于解釋熱透鏡的形成位置和檢測(cè)光在激勵(lì)光傳播的方向上的焦點(diǎn)位置的視圖；圖4A示出了一種其中物鏡具有色像差的情況，而圖4B示出了一種其中物鏡不具有色像差的情況。
在物鏡130具有色像差的情況下，如圖4A所示，熱透鏡131形成于激勵(lì)光的焦點(diǎn)位置132之上，檢測(cè)光的焦點(diǎn)位置133從激勵(lì)光的焦點(diǎn)位置132移動(dòng)了一個(gè)量ΔL，所以在熱透鏡131中的折射率的變化可以隨著檢測(cè)光的焦距的變化被檢測(cè)到。另一方面，在物鏡130不具有色像差的情況下，如圖4B所示，檢測(cè)光的焦點(diǎn)位置133幾乎與在激勵(lì)光的焦點(diǎn)位置132處形成的熱透鏡的位置完全相同。結(jié)果，檢測(cè)光不會(huì)被熱透鏡131折射，從而檢測(cè)不到熱透鏡131中的折射率的變化。
然而，顯微鏡的物鏡通常制作成無色像差，所以，出于如上所述原因，檢測(cè)光的焦點(diǎn)位置133幾乎與在激勵(lì)光的焦點(diǎn)位置132處形成的熱透鏡的位置完全相同(圖4B)。所以，檢測(cè)不到熱透鏡131中的折射率的變化。這樣就存在一個(gè)問題，即每次進(jìn)行測(cè)量時(shí)，都要從檢測(cè)光的焦點(diǎn)位置133移動(dòng)其中形成有熱透鏡131的試樣溶液的位置，如圖5A或5B所示，或者在檢測(cè)光經(jīng)過物鏡130之前，使用透鏡(未示出)將其略微發(fā)散或會(huì)聚，從而檢測(cè)光的焦點(diǎn)位置133從熱透鏡131處移開，如圖6所示；其結(jié)果可能會(huì)犧牲測(cè)量的靈敏度，而且用戶的工作效率較低。
本發(fā)明的一個(gè)目的在于提供一種微化學(xué)系統(tǒng)，和由該微化學(xué)系統(tǒng)執(zhí)行的光熱轉(zhuǎn)換光譜分析方法，其能夠進(jìn)行高靈敏度的測(cè)量，此外還提供一種小尺寸的微化學(xué)系統(tǒng)，該微化學(xué)系統(tǒng)使用戶的工作效率得到提高。

發(fā)明內(nèi)容
為了獲得上述目的，本發(fā)明的第一方面，提供一種微化學(xué)系統(tǒng)，包括一個(gè)用于輸出激勵(lì)光的激勵(lì)光源；一個(gè)用于輸出檢測(cè)光的檢測(cè)光源；一個(gè)光導(dǎo)光學(xué)系統(tǒng)，用于將激勵(lì)光和檢測(cè)光合并且進(jìn)行導(dǎo)向；一個(gè)輻射透鏡，用于將由光導(dǎo)光學(xué)系統(tǒng)導(dǎo)向的激勵(lì)光和檢測(cè)光輻射到試樣上；檢測(cè)裝置，用于檢測(cè)透過由激勵(lì)光輻射試樣而形成的熱透鏡的檢測(cè)光；以及分析裝置，用于根據(jù)檢測(cè)到的檢測(cè)光來分析試樣，其中微化學(xué)系統(tǒng)包括第一光引入光纖，其將從激勵(lì)光源輸出的激勵(lì)光引入到光導(dǎo)光學(xué)系統(tǒng)中，第二光引入光纖，其將從檢測(cè)光源輸出的檢測(cè)光引入到光導(dǎo)光學(xué)系統(tǒng)中，在光導(dǎo)光學(xué)系統(tǒng)中設(shè)置一個(gè)雙波長(zhǎng)復(fù)用裝置，用于將由第一光引入光纖和第二光引入光纖引入的激勵(lì)光和檢測(cè)光進(jìn)行復(fù)用，以及一個(gè)光導(dǎo)光纖，用于將復(fù)用的激勵(lì)光和檢測(cè)光導(dǎo)向到輻射透鏡上。
在本發(fā)明的第一方面，優(yōu)選地，雙波長(zhǎng)復(fù)用裝置具有根據(jù)光的波長(zhǎng)，對(duì)光進(jìn)行反射或透射的多層薄膜，其中在由多層薄膜反射和透射的光束之間的邊界位置處的光的波長(zhǎng)介于激勵(lì)光的波長(zhǎng)和檢測(cè)光的波長(zhǎng)之間。
在本發(fā)明的第一方面，優(yōu)選地，雙波長(zhǎng)復(fù)用裝置包括兩個(gè)串聯(lián)連接在一起的梯度折射率柱形透鏡，和多層電介質(zhì)薄膜濾光器，該濾光器是由電介質(zhì)制成的多層薄膜，所述薄膜濾光器形成在兩個(gè)連接在一起的梯度折射率柱形透鏡的粘合表面。
在本發(fā)明的第一方面，優(yōu)選地，多層的電介質(zhì)薄膜濾光器形成在梯度折射率柱形透鏡上。
優(yōu)選地，光導(dǎo)光纖以單模傳播激勵(lì)光和檢測(cè)光。
在本發(fā)明的第一方面，優(yōu)選地，輻射透鏡固定在光導(dǎo)光纖的端部，其中激勵(lì)光和檢測(cè)光從光導(dǎo)光纖射出。
在本發(fā)明的第一方面，優(yōu)選地，激勵(lì)光和檢測(cè)光具有彼此不同的頻率，并且輻射透鏡具有色相差。
在本發(fā)明的第一方面，優(yōu)選地，輻射透鏡是梯度折射率透鏡。
在本發(fā)明的第一方面，優(yōu)選地，上述梯度折射率透鏡是柱形透鏡。
為了獲得上述目的，在本發(fā)明的第二方面，提供一種光熱轉(zhuǎn)換光譜分析方法，包括經(jīng)由輻射透鏡將激勵(lì)光和檢測(cè)光輻射到試樣上；通過檢測(cè)透過由激勵(lì)光輻射試樣而形成的熱透鏡的檢測(cè)光來分析試樣，其中分別利用第一光引入光纖和第二光引入光纖將激勵(lì)光和檢測(cè)光引入到雙波長(zhǎng)復(fù)用裝置中，該復(fù)用裝置將兩種不同波長(zhǎng)的光復(fù)用起來，然后利用單模的光導(dǎo)光纖將由雙波長(zhǎng)復(fù)用裝置復(fù)用的激勵(lì)光和檢測(cè)光導(dǎo)向輻射透鏡。
在本發(fā)明的第二方面，優(yōu)選地，利用在兩個(gè)梯度折射率柱形透鏡之間形成的多層電介質(zhì)薄膜濾光器，通過反射激勵(lì)光和檢測(cè)光中的一種并透射激勵(lì)光和檢測(cè)光中的另一種，雙波長(zhǎng)復(fù)用裝置將激勵(lì)光和檢測(cè)光復(fù)用在一起，其中梯度折射率柱形透鏡是串聯(lián)連接在一起的。
附圖簡(jiǎn)述

圖1示意性地示出了根據(jù)本發(fā)明第一實(shí)施例的微化學(xué)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖；圖2示意性地示出了根據(jù)本發(fā)明第二實(shí)施例的微化學(xué)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖；圖3是用于解釋熱透鏡原理的視圖；圖4A和4B是用于解釋熱透鏡的形成位置和檢測(cè)光在激勵(lì)光傳播的方向上的焦點(diǎn)位置的視圖；具體地；圖4A示出了一種物鏡具有色像差的情況；圖4B示出了一種物鏡不具有色像差的情況；圖5A和5B是用于解釋熱透鏡的形成位置和檢測(cè)光在激勵(lì)光傳播的方向上的焦點(diǎn)位置的視圖；具體地；圖5A示出了一種在比檢測(cè)光的焦點(diǎn)位置更靠近物鏡處形成熱透鏡的情況；圖5B示出了一種在比檢測(cè)光的焦點(diǎn)位置更遠(yuǎn)離物鏡處形成熱透鏡的情況；圖6是用于解釋傳統(tǒng)的光熱轉(zhuǎn)換分析儀中，用于檢測(cè)熱透鏡的折射率的變化的方法的視圖，并示出了將凹透鏡設(shè)置在光路中，以使得檢測(cè)光成為發(fā)散光，從而檢測(cè)光的焦點(diǎn)位置遠(yuǎn)離激勵(lì)光的焦點(diǎn)位置的情況。
本發(fā)明最優(yōu)實(shí)施方式下面將結(jié)合附圖詳細(xì)說明根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的微化學(xué)系統(tǒng)。
圖1示意性地示出了根據(jù)本發(fā)明第一實(shí)施例的微化學(xué)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖。
在圖1中，微化學(xué)系統(tǒng)1具一個(gè)有光纖單元10，該光纖單元具有內(nèi)置的透鏡(在下文中稱為“光纖單元10”)。光纖單元10包括一個(gè)位于管104內(nèi)的前端的用作物鏡的梯度折射率柱形透鏡102(圖1的下部)，和一個(gè)光纖101，用于單模傳播激勵(lì)光和檢測(cè)光，該光纖單元從管的后端插入到管104中(圖1的上部)。光纖101的插入端與梯度折射率柱形透鏡102的一端相連接。
此外，將一個(gè)外徑與梯度折射率柱形透鏡102的外徑相同的金屬環(huán)103，套在光纖單元10中管104的內(nèi)部的上述梯度折射率柱形透鏡102端面上。金屬環(huán)103是用于使光纖101的外徑與梯度折射率柱形透鏡102的外徑相同，如此安裝光纖101使其穿過金屬環(huán)103。光纖101由金屬環(huán)103固定在適當(dāng)?shù)奈恢蒙希荻日凵渎手瓮哥R102和金屬環(huán)103固定在管104的內(nèi)部。這里，光纖101和梯度折射率柱形透鏡102可以彼此緊密地接觸，或者在它們之間也可以有間隙。利用夾具30將光纖單元10固定在適當(dāng)?shù)奈恢蒙?，使得從光纖單元10出射的光垂直地入射到帶有通道的板形元件20上，如下面所描述的。
梯度折射率柱形透鏡102是一個(gè)透明的圓柱形透鏡，并設(shè)置成使得其折射率從透鏡的中心軸位置沿徑向方向連續(xù)地變化，該中心軸沿該柱形透鏡地縱向方向延伸。這種柱形透鏡公知為一種會(huì)聚光透射體，從而在徑向方向距離中心軸為r的位置處的折射率n(r)可近似由r的二次方程給出，n(r)＝n0{1-(g2/2)×r2}，其中n0表示中心軸線處的折射率，g表示二次分布常數(shù)。
如果梯度折射率柱形透鏡102的長(zhǎng)度z0選擇在0＜z0＜π/2g范圍內(nèi)，那么即使梯度折射率柱形透鏡102端面都是平的，梯度折射率柱形透鏡102將與一個(gè)常用的凸透鏡的成像構(gòu)成特性相同；當(dāng)平行的光束入射到梯度折射率柱形透鏡102上時(shí)，在與梯度折射率柱形透鏡102的端面距離s0的位置處形成一個(gè)焦點(diǎn)，光束從該端面射出，其中s0＝cot(gz0)n0g。
例如，這種梯度折射率柱形透鏡102可以按如下方法制得。
具有扁平端面的玻璃圓柱體是由玻璃制成的，該玻璃的主要成份為57-63mol％的SiO2，17-23mol％的B2O3，5-17mol％的Na2O，和3-15mol％的Tl2O，然后在一種離子交換介質(zhì)例如硝酸鉀鹽中處理該玻璃圓柱體，從而在玻璃中的鉈離子和鈉離子與離子交換介質(zhì)中的鉀離子之間進(jìn)行離子交換，這樣在玻璃圓柱體中產(chǎn)生了折射率分布，其中折射率從圓柱體的中心向外連續(xù)降低。梯度折射率柱形透鏡就是這樣制成的。
因?yàn)樘荻日凵渎手瓮哥R的底部是平的，所以很容易安裝在光纖101的端面上，而且梯度折射率柱形透鏡的光軸和光纖101的光軸易于彼此對(duì)齊。此外，由于梯度折射率柱形透鏡是圓柱形的，因此光纖單元10也能容易制成圓柱形。從而可以非常容易地利用夾具30夾緊光纖單元10。
如此使用一個(gè)只有一種傳播模式的單模光纖作為光纖101，以使得當(dāng)利用光熱轉(zhuǎn)換光譜分析方法在試樣溶液中檢測(cè)非常小量的溶劑時(shí)，激勵(lì)光能盡可能地變窄，從而增加在光熱轉(zhuǎn)換中利用的能量，而且由激勵(lì)光產(chǎn)生的熱透鏡幾乎沒有色像差。
從單模光纖101射出的光總是具有高斯(Gaussian)分布，因此激勵(lì)光的焦點(diǎn)在尺寸上會(huì)很小。此外，在由激勵(lì)光產(chǎn)生的熱透鏡的尺寸很小的情況下，為了使經(jīng)過熱透鏡的檢測(cè)光的量盡可能地高，最好是也使檢測(cè)光盡可能地變窄。從這一點(diǎn)來看，最好是光纖能以單模傳播激勵(lì)光和檢測(cè)光。
可以使用任何形式的光纖作為光纖101，只要它能夠透射激勵(lì)光和檢測(cè)光。然而，在使用多模式的光纖的情況下，出射光將不具有高斯分布，而且出射光的圖樣將隨著不同的情況例如光纖101的曲率的狀態(tài)而發(fā)生變化，因此不能夠獲得穩(wěn)定的出射光。對(duì)非常小量的溶劑進(jìn)行測(cè)量將十分困難，而且測(cè)量值可能缺乏穩(wěn)定性。因此最好是光纖10為上述單模光纖。
在與光纖101的插入端相對(duì)的光纖的另一端附近，設(shè)置有一個(gè)激勵(lì)光源105，用于輸出用以激勵(lì)試樣溶液的激勵(lì)光，一個(gè)檢測(cè)光源106，用于輸出檢測(cè)光，該檢測(cè)光被輻射到試樣上以檢測(cè)信息以對(duì)試樣溶液進(jìn)行分析等，一個(gè)調(diào)制器107，用于調(diào)制激勵(lì)光，一個(gè)雙波長(zhǎng)復(fù)用裝置108，用于將引入到光纖101中的激勵(lì)光和檢測(cè)光復(fù)用在一起。
雙波長(zhǎng)復(fù)用裝置500具有兩個(gè)梯度折射率柱形透鏡501和502。梯度折射率柱形透鏡501和502彼此具有大概相同的總長(zhǎng)度。梯度折射率柱形透鏡501和502被串聯(lián)地固定在一起，每個(gè)透鏡的一個(gè)端面連接在一起。一個(gè)如下面描述的薄膜干涉濾光器503形成于這兩個(gè)端面之間。(梯度折射率柱形透鏡501和502)激勵(lì)光源105通過光纖505與梯度折射率柱形透鏡501的一個(gè)端面(此處稱為“進(jìn)入端面504”)連接。光纖505連接在偏離進(jìn)入端面504的中心的位置處。光纖101的一端也連接在進(jìn)入端面504。此外，檢測(cè)光源106通過光纖508與梯度折射率柱形透鏡502的一端連接。光纖508連接在偏離該端面中心的位置處。
梯度折射率柱形透鏡501的總長(zhǎng)度大概是進(jìn)入偏心軸的光束的曲線長(zhǎng)的1/4。薄膜干涉濾光器503包括多層電介質(zhì)薄膜，并利用薄膜形成方法例如濺蝕制得。該薄膜干涉濾光器503具有可將經(jīng)過光纖505的激勵(lì)光反射，但是將經(jīng)過光纖508的檢測(cè)光透射的特性。
使用這種雙波長(zhǎng)復(fù)用裝置500，從光纖505射出的激勵(lì)光光束從進(jìn)入端面504進(jìn)入梯度折射率柱形透鏡501，其中激勵(lì)光來自激勵(lì)光源105通過光纖505傳播。該光束即為光束506，當(dāng)該光束506蜿蜒通過梯度折射率柱形透鏡501時(shí)，該光束506的直徑將增大，然后光束506射到薄膜干涉濾光器503上。在薄膜干涉濾光器503處該光束被反射，變成光束507，然后該光束507進(jìn)入光纖101。
另一方面，從檢測(cè)光射向光纖508的光束進(jìn)入梯度折射率柱形透鏡502，其中檢測(cè)光通過光纖508傳播，然后當(dāng)該光束509蜿蜒前行時(shí)，該光束直徑增大，接著光束509射到薄膜干涉濾光器503上。該光束509穿過薄膜干涉濾光器503，就變成光束507，與激勵(lì)光一起進(jìn)入光纖101。
如上所述，雙波長(zhǎng)復(fù)用裝置500只包括兩個(gè)固定在一起的梯度折射率柱形透鏡501和502，以及這兩個(gè)透鏡之間的薄膜干涉濾光器503，該薄膜干涉濾光器是一個(gè)多層的電介質(zhì)薄膜；元件的數(shù)量如此之少，而且所有的元件都能固定在一個(gè)位置上，因此在雙波長(zhǎng)復(fù)用裝置500中激勵(lì)光和檢測(cè)光幾乎不會(huì)損失，并可以為長(zhǎng)期使用提供穩(wěn)定性，從而測(cè)量靈敏度和穩(wěn)定性得到了提高。此外，雙波長(zhǎng)復(fù)用裝置的尺寸可以非常的小，這樣微化學(xué)系統(tǒng)也能以小尺寸制造。
由雙波長(zhǎng)復(fù)用裝置500復(fù)用的激勵(lì)光和檢測(cè)光經(jīng)過光纖101，進(jìn)入光纖單元10，然后從梯度折射率柱形透鏡102射出。由梯度折射率柱形透鏡102射出的光束垂直地入射到帶有通道的板形元件20上。該帶有通道的板形元件20在其中具有通道204，試樣溶液可從通道中流過，該板形元件包括三個(gè)頂部彼此粘結(jié)的玻璃基片201、202和203。當(dāng)進(jìn)行混合、攪拌、合成、分離、提取、檢測(cè)等類似過程時(shí)，在玻璃基片202上形成供試樣溶液流過的通道204。
考慮到耐用性和耐化學(xué)性，帶有通道的板形元件20的材料最好是玻璃。尤其是，考慮到使用生物試樣例如在DNA分析中使用細(xì)胞試樣，優(yōu)選具有良好的耐酸性和耐堿性的玻璃，尤其是硼硅酸玻璃、鈉鈣玻璃、鋁硼硅酸玻璃、石英玻璃或者類似的玻璃。然而如果相應(yīng)的使用受到了限制，那么可以通過使用有機(jī)物質(zhì)例如一種塑料作為替代品來制造帶有通道的板形元件20。
可以用來將玻璃基片201、202和203粘結(jié)在一起的粘合劑的例子包括有機(jī)粘合劑，例如丙烯酸粘合劑、環(huán)氧樹脂粘合劑，和無機(jī)粘合劑；粘合劑可以是例如紫外光固化型的、熱固型的或者雙液體固化型的。可選擇的是，玻璃基片201、202和203可以利用熱熔解熔合在一起。
用于檢測(cè)檢測(cè)光的光電轉(zhuǎn)換器401，和用于分離激勵(lì)光和檢測(cè)光并且選擇地只透射檢測(cè)光的波長(zhǎng)的濾波器403設(shè)置在面向光纖單元10的位置，帶有通道的板形元件20設(shè)置在波長(zhǎng)波器403和光纖單元10之間。為了使得只有部分的檢測(cè)光選擇地透射過去，還可以設(shè)置具有在其中形成有針孔的元件，使得針孔位于光電轉(zhuǎn)換器401的上游位置的檢測(cè)光的光路上。由光電轉(zhuǎn)換器401獲得的信號(hào)被輸送到鎖定放大器404中，執(zhí)行與調(diào)制器107的同步，其中調(diào)制器107用于調(diào)制激勵(lì)光，然后由計(jì)算機(jī)405進(jìn)行分析。
根據(jù)本發(fā)明微化學(xué)系統(tǒng)1，將激勵(lì)光和檢測(cè)光進(jìn)行復(fù)用的雙波長(zhǎng)多路復(fù)用裝置500包括兩個(gè)尺寸非常小的梯度折射率柱形透鏡501和502；因此，微化學(xué)系統(tǒng)可以在尺寸上制作得很小。此外，梯度折射率柱形透鏡102與傳播激勵(lì)光和檢測(cè)光的光纖單元101的導(dǎo)向端(leading end)連接；從而，每次進(jìn)行測(cè)量時(shí)不需要調(diào)節(jié)激勵(lì)光和檢測(cè)光的光軸和梯度折射率柱形透鏡102的光軸，此外也不需要用于將光軸和牢固的基板定位的夾具，因此能夠提高用戶的工作效率，并且微化學(xué)系統(tǒng)在尺寸上可以做得更小。
從梯度折射率柱形透鏡102射出的激勵(lì)光的焦點(diǎn)位置必須在帶有通道的板形元件20的通道204中。梯度折射率柱形透鏡102不必與帶有通道的板形元件20相接觸，但是在梯度折射率柱形透鏡102與帶有通道的板形元件20相接觸的情況下，可以通過帶有通道的板形元件20的上部玻璃基片201的厚度來調(diào)節(jié)梯度折射率柱形透鏡102的焦點(diǎn)位置。在上部玻璃基片201的厚度不足的情況下，可以在梯度折射率柱形透鏡102和上部玻璃基片201之間插入用于調(diào)節(jié)焦點(diǎn)距離的墊片(spacer)。在以這種方式將激勵(lì)光的焦點(diǎn)位置預(yù)先固定在帶有通道的板形元件20的通道204中的情況下，就不需要后續(xù)調(diào)節(jié)焦點(diǎn)距離，從而微化學(xué)系統(tǒng)在尺寸上可以制作得更小。
梯度折射率柱形透鏡102設(shè)置成使得檢測(cè)光的焦點(diǎn)位置相對(duì)于激勵(lì)光的焦點(diǎn)位置略微移動(dòng)了一個(gè)量ΔL(參見圖4A)。
共焦長(zhǎng)度Ic(nm)由Ic＝π×(d/2)2/λ1給定。其中d表示艾里斑的直徑(NIARII disk)，并且d由d＝1.22×λ1/NA給定，λ1表示激勵(lì)光的波長(zhǎng)(nm)，NA表示梯度折射率柱形透鏡102的數(shù)值孔徑。在使用光纖的情況下，從光纖射出的光的數(shù)值孔徑很小，因此當(dāng)使用具有大數(shù)值孔徑的柱形透鏡時(shí)，數(shù)值孔徑就被用在共焦長(zhǎng)度的計(jì)算中。
上述ΔL值根據(jù)待測(cè)量的試樣的厚度改變。當(dāng)在一個(gè)具有小于共焦長(zhǎng)度的厚度的試樣上進(jìn)行測(cè)量時(shí)，ΔL最好是等于3×Ic.]]>該ΔL值表示檢測(cè)光的焦點(diǎn)位置和激勵(lì)光的焦點(diǎn)位置之間的差值，因此無論檢測(cè)光的焦點(diǎn)位置是長(zhǎng)于還是短于激勵(lì)光的焦點(diǎn)位置其結(jié)果都是一樣的。
如果將光纖的導(dǎo)向端做成球形或類似的形狀來制作透鏡，就能夠使激勵(lì)光和檢測(cè)光變窄，而無需在光纖的導(dǎo)向端安裝單獨(dú)的透鏡。然而，在這種情況下，幾乎沒有任何色像差，因此激勵(lì)光和檢測(cè)光的焦點(diǎn)位置幾乎彼此重合。這樣就有幾乎檢測(cè)不到熱透鏡的信號(hào)的問題。此外，通過處理光纖的導(dǎo)向端而制成的透鏡會(huì)引起其它的像差變大，因此會(huì)產(chǎn)生激勵(lì)光和檢測(cè)光的焦點(diǎn)變大的問題。因此在本實(shí)施例中將梯度折射率柱形透鏡102設(shè)置在光纖101的導(dǎo)向端。
圖2是示意性地示出了根據(jù)本發(fā)明第二實(shí)施例的微化學(xué)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖。
在圖2中，對(duì)于根據(jù)第二實(shí)施例的微化學(xué)系統(tǒng)2而言，與根據(jù)第一實(shí)施例的微化學(xué)系統(tǒng)1中的組成元件和部件相對(duì)應(yīng)的部分，由與微化學(xué)系統(tǒng)1中相同的標(biāo)號(hào)來表示，這里省略了對(duì)這些組成元件和部件的說明。
在根據(jù)本實(shí)施例的微化學(xué)系統(tǒng)2中，雙波長(zhǎng)復(fù)用裝置600不同于根據(jù)第一實(shí)施例的微化學(xué)系統(tǒng)1中的雙波長(zhǎng)復(fù)用裝置500。該雙波長(zhǎng)復(fù)用裝置600具有與雙波長(zhǎng)復(fù)用裝置500不同的結(jié)構(gòu)，在雙波長(zhǎng)復(fù)用裝置500中的薄膜干涉濾光器是一個(gè)設(shè)置在兩個(gè)梯度折射率柱形透鏡501和502的端面之間的多層電介質(zhì)薄膜，而在雙波長(zhǎng)復(fù)用裝置600的結(jié)構(gòu)中，激勵(lì)光和檢測(cè)光都是經(jīng)過光纖101傳播，然后使用準(zhǔn)直儀110校準(zhǔn)，接著使用多層電介質(zhì)薄膜濾光器111將激勵(lì)光和檢測(cè)光復(fù)用在一起。
使用根據(jù)本實(shí)施例的微化學(xué)系統(tǒng)2，激勵(lì)光和檢測(cè)光都是經(jīng)過光纖傳播，并使用準(zhǔn)直儀110校準(zhǔn)，然后使用多層電介質(zhì)薄膜濾光器111進(jìn)行復(fù)用。這樣雙波長(zhǎng)復(fù)用裝置的尺寸比第一實(shí)施例的微化學(xué)系統(tǒng)中的復(fù)用裝置的尺寸略微大些。然而，將校準(zhǔn)后的光進(jìn)行復(fù)用，因此很容易對(duì)光軸校直，從而能夠容易地制造產(chǎn)生更低損失的雙波長(zhǎng)復(fù)用裝置。
工業(yè)實(shí)用性如上所述，根據(jù)本發(fā)明的微化學(xué)系統(tǒng)，分別使用第一光引入光纖和第二光引入光纖將激勵(lì)光和檢測(cè)光引入光導(dǎo)光纖系統(tǒng)。因此，能夠?qū)⒓?lì)光和檢測(cè)光精確地引入光導(dǎo)向光纖系統(tǒng)。此外，被引入光導(dǎo)光纖系統(tǒng)的激勵(lì)光和檢測(cè)光通過雙波長(zhǎng)復(fù)用裝置進(jìn)行復(fù)用，然后經(jīng)由光導(dǎo)光纖導(dǎo)向輻射透鏡。這樣，激勵(lì)光和檢測(cè)光總是彼此同軸。此外，不存在通過開放空間引導(dǎo)激勵(lì)光和檢測(cè)光的情形，因此光軸不會(huì)由于環(huán)境的變化例如溫度的變化發(fā)生移動(dòng)。這樣能夠高靈敏度地進(jìn)行測(cè)量。此外，不需要調(diào)節(jié)激勵(lì)光和檢測(cè)光的光軸，從而提高用戶的工作效率。而且，不需要用于調(diào)節(jié)光軸的夾具等，從而微化學(xué)系統(tǒng)在尺寸上可以制作得更小。
根據(jù)本發(fā)明的微化學(xué)系統(tǒng)，通過雙波長(zhǎng)復(fù)用裝置將激勵(lì)光和檢測(cè)光復(fù)用，即根據(jù)光的波長(zhǎng)反射或者透射光。因此，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，并容易減小尺寸，從而微化學(xué)系統(tǒng)在尺寸上可以制作得更小。
根據(jù)本發(fā)明的微化學(xué)系統(tǒng)，雙波長(zhǎng)復(fù)用裝置包括兩個(gè)連接在一起的梯度折射率柱形透鏡，和設(shè)置在這兩個(gè)透鏡之間的多層電介質(zhì)薄膜濾光器，該薄膜濾光器反射激勵(lì)光和檢測(cè)光中的一種并透射激勵(lì)光和檢測(cè)光中的另一種。因此雙波長(zhǎng)復(fù)用裝置在尺寸上變得非常小，從而微化學(xué)系統(tǒng)在尺寸上可以制作得更小。此外，在雙波長(zhǎng)復(fù)用裝置中的激勵(lì)光和檢測(cè)光幾乎沒有損耗，并具有長(zhǎng)期使用的穩(wěn)定性，因此，能夠提高測(cè)量靈敏度和穩(wěn)定性。
根據(jù)本發(fā)明的微化學(xué)系統(tǒng)，多層電介質(zhì)薄膜濾光器形成在梯度折射率柱形透鏡上。因此不需要將梯度折射率柱形透鏡與多層電介質(zhì)薄膜濾光器結(jié)合起來，該薄膜濾光器與梯度折射率柱形透鏡是分開的，所以制造起來很容易。此外，用于將梯度折射率柱形透鏡與多層電介質(zhì)薄膜濾光器結(jié)合起來的夾具也不是必需的，從而微化學(xué)系統(tǒng)在尺寸上可以制成為更小的。此外，用于反射的表面的數(shù)量減少了，這就進(jìn)一步減少了激勵(lì)光和檢測(cè)光的損耗，因此能夠進(jìn)一步提高測(cè)量靈敏度和穩(wěn)定性。
根據(jù)本發(fā)明的微化學(xué)系統(tǒng)，光纖以單模傳播激勵(lì)光和檢測(cè)光。因此由激勵(lì)光形成的熱透鏡幾乎沒有像差，于是能夠進(jìn)行更加精確的測(cè)量。
根據(jù)本發(fā)明的微化學(xué)系統(tǒng)，輻射透鏡固定在光導(dǎo)光纖的一端，激勵(lì)光和檢測(cè)光從該光導(dǎo)光纖射出。因此激勵(lì)光、檢測(cè)光和輻射透鏡的光軸都被固定。這樣能夠進(jìn)行更加精確的測(cè)量。此外，調(diào)節(jié)光軸不是必需的，因此進(jìn)一步提高了用戶的工作效率。此外，用于調(diào)節(jié)光軸的夾具等等也不是必需的，從而微化學(xué)系統(tǒng)在尺寸上可以制作得更小。
根據(jù)本發(fā)明的微化學(xué)系統(tǒng)，激勵(lì)光和檢測(cè)光具有彼此不同的頻率，輻射透鏡具有色像差。因此，不必添加任何其它的光學(xué)系統(tǒng)，激勵(lì)光和檢測(cè)光的焦點(diǎn)位置就會(huì)彼此偏離。這樣微化學(xué)系統(tǒng)在尺寸上可以制作得更小。
根據(jù)本發(fā)明的微化學(xué)系統(tǒng)，輻射透鏡是梯度折射率透鏡。因此，輻射透鏡在尺寸上可以制成為很小。這樣微化學(xué)系統(tǒng)在尺寸上可以做得更小。
根據(jù)本發(fā)明的微化學(xué)系統(tǒng)，上述梯度折射率透鏡為圓柱形透鏡。因此，柱形透鏡的光軸能夠很容易地與光導(dǎo)光纖的光軸重合，而且柱形透鏡可以很容易地固定，因此制造和維修都很容易。
如上所述，根據(jù)本發(fā)明的光熱轉(zhuǎn)換光譜分析方法，通過雙波長(zhǎng)復(fù)用裝置復(fù)用的激勵(lì)光和檢測(cè)光以單模經(jīng)過光導(dǎo)光纖傳播到輻射透鏡。因此，激勵(lì)光和檢測(cè)光總是彼此同軸的。此外，不存在通過開放空間引導(dǎo)激勵(lì)光和檢測(cè)光的情形，因此光軸不會(huì)由于環(huán)境的變化例如溫度的變化發(fā)生移動(dòng)。這樣能夠高靈敏度地進(jìn)行測(cè)量。此外，不需要調(diào)節(jié)激勵(lì)光和檢測(cè)光的光軸，從而提高用戶的工作效率。
根據(jù)本發(fā)明的光熱轉(zhuǎn)換光譜分析方法，雙波長(zhǎng)復(fù)用裝置將激勵(lì)光和檢測(cè)光復(fù)用，即通過使用多層電介質(zhì)薄膜濾光器反射激勵(lì)光和檢測(cè)光中的一種并透射激勵(lì)光和檢測(cè)光中的另一種，其中薄膜濾光器設(shè)置在兩個(gè)連接在一起的梯度折射率柱形透鏡之間。因此，在雙波長(zhǎng)復(fù)用裝置中的激勵(lì)光和檢測(cè)光幾乎沒有損耗，并且可以穩(wěn)定地長(zhǎng)期使用。因此，能夠提高測(cè)量靈敏度和穩(wěn)定性。
權(quán)利要求
1.一種微化學(xué)系統(tǒng)，包括一個(gè)用于輸出激勵(lì)光的激勵(lì)光源；一個(gè)用于輸出檢測(cè)光的檢測(cè)光源；一個(gè)光導(dǎo)光學(xué)系統(tǒng)，用于對(duì)激勵(lì)光和檢測(cè)光進(jìn)行合并和導(dǎo)向；一個(gè)輻射透鏡，用于將由所述光導(dǎo)光學(xué)系統(tǒng)導(dǎo)向的激勵(lì)光和檢測(cè)光輻射到試樣上；一個(gè)檢測(cè)裝置，用于檢測(cè)經(jīng)過由激勵(lì)光輻射試樣而形成的熱透鏡的檢測(cè)光，以及一個(gè)分析裝置，用于根據(jù)檢測(cè)到的檢測(cè)光分析試樣，其特征在于還包括第一光引入光纖，其將從所述激勵(lì)光源輸出的激勵(lì)光引入到所述光導(dǎo)光學(xué)系統(tǒng)；第二光引入光纖，其將從所述檢測(cè)光源輸出的檢測(cè)光引入到所述光導(dǎo)光學(xué)系統(tǒng)；在所述光導(dǎo)光學(xué)系統(tǒng)中設(shè)置一個(gè)雙波長(zhǎng)復(fù)用裝置，用于將由所述第一光引入光纖和所述第二光引入光纖引入的激勵(lì)光和檢測(cè)光復(fù)用在一起；以及一光導(dǎo)光纖，用于將復(fù)用的激勵(lì)光和檢測(cè)光導(dǎo)向到所述輻射透鏡上。
2.如權(quán)利要求3所述的微化學(xué)系統(tǒng)，其特征在于所述雙波長(zhǎng)復(fù)用裝置具有按照光的波長(zhǎng)反射或透射光的多層薄膜，其中在由所述多層薄膜反射和透射的光束之間的邊界位置處的光的波長(zhǎng)介于激勵(lì)光的波長(zhǎng)和檢測(cè)光的波長(zhǎng)之間。
3.如權(quán)利要求2所述的微化學(xué)系統(tǒng)，其特征在于所述雙波長(zhǎng)復(fù)用裝置包括兩個(gè)串聯(lián)連接在一起的梯度折射率柱形透鏡，和多層電介質(zhì)薄膜濾光器，該濾光器是由電介質(zhì)制成的所述多層薄膜，所述薄膜濾光器形成在所述兩個(gè)連接在一起的梯度折射率柱形透鏡的表面。
4.如權(quán)利要求3所述的微化學(xué)系統(tǒng)，其特征在于所述多層電介質(zhì)薄膜濾光器形成在所述梯度折射率柱形透鏡上。
5.如權(quán)利要求1所述的微化學(xué)系統(tǒng)，其特征在于所述光導(dǎo)光纖以單模傳播激勵(lì)光和檢測(cè)光。
6.如權(quán)利要求1所述的微化學(xué)系統(tǒng)，其特征在于所述輻射透鏡固定在所述光導(dǎo)光纖的端部，其中激勵(lì)光和檢測(cè)光從所述光導(dǎo)光纖射出。
7.如權(quán)利要求1所述的微化學(xué)系統(tǒng)，其特征在于激勵(lì)光和檢測(cè)光具有彼此不同的頻率，且所述輻射透鏡具有色象差。
8.如權(quán)利要求1-7所述的微化學(xué)系統(tǒng)，其特征在于所述輻射透鏡是梯度折射率透鏡。
9.如權(quán)利要求8所述的微化學(xué)系統(tǒng)，其特征在于所述梯度折射率透鏡是圓柱形透鏡。
10.一種光熱轉(zhuǎn)換光譜分析方法，包括經(jīng)由輻射透鏡將激勵(lì)光和檢測(cè)光輻射到試樣上，通過檢測(cè)經(jīng)過由激勵(lì)光輻射試樣而形成的熱透鏡的檢測(cè)光來分析試樣；其特征在于分別利用第一光引入光纖和第二光引入光纖將激勵(lì)光和檢測(cè)光引入到雙波長(zhǎng)復(fù)用裝置，該復(fù)用裝置對(duì)兩種不同波長(zhǎng)的光進(jìn)行復(fù)用，然后利用單模的光導(dǎo)光纖將由雙波長(zhǎng)復(fù)用裝置復(fù)用的激勵(lì)光和檢測(cè)光導(dǎo)向輻射透鏡。
11.如權(quán)利要求10所述的光熱轉(zhuǎn)換光譜分析方法，其特征在于雙波長(zhǎng)復(fù)用裝置，通過利用在兩個(gè)梯度折射率柱形透鏡之間的多層電介質(zhì)薄膜濾光器，反射激勵(lì)光和檢測(cè)光中的一種并透射激勵(lì)光和檢測(cè)光中的另一種，將激勵(lì)光和檢測(cè)光復(fù)用在一起，其中梯度折射率柱形透鏡是串聯(lián)連接在一起的。
全文摘要
一種微化學(xué)系統(tǒng)，根據(jù)該系統(tǒng)可以進(jìn)行高靈敏度的測(cè)量。微化學(xué)系統(tǒng)1包括一個(gè)雙波長(zhǎng)多路復(fù)用裝置，其中梯度折射率柱形透鏡501和502在其端面連接在一起，以及在這兩個(gè)端面之間形成的一個(gè)多層電介質(zhì)薄膜濾光器503。利用雙波長(zhǎng)復(fù)用裝置將激勵(lì)光和檢測(cè)光復(fù)用在一起，然后激勵(lì)光和檢測(cè)光以單模經(jīng)過光纖101導(dǎo)向光纖單元10。該光纖單元10具有內(nèi)置于其中在其導(dǎo)向端的梯度折射率柱形透鏡102，然后激勵(lì)光和檢測(cè)光經(jīng)過梯度折射率柱形透鏡102輻射到試樣上。
文檔編號(hào)G01N37/00GK1575414SQ0282093
公開日2005年2月2日 申請(qǐng)日期2002年9月13日 優(yōu)先權(quán)日2001年10月22日
發(fā)明者山口淳, 服部明彥 申請(qǐng)人:日本板硝子株式會(huì)社