专利名称：微量化学系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种微量化学系统。
背景技术：
考虑到化学反应的速度、对使用少量样品进行反应，现场分析的需求等，到目前为止，在非常小的空间内进行化学反应的集成技术引起了人们的注意，并且在全世界，人们积极地进行研究。
所谓的微量化学系统是这种集成技术的一种例子。微量化学系统用于对液基样品(liquid-borne)上进行混合、反应、分离、萃取、探测等，其中该样品放在由小玻璃衬底等形成的非常细小的沟槽内。在这种微量化学系统内进行的反应的例子包括，重氮化反应、硝化反应、抗原一抗体反应。此外，萃取/分离的例子包括溶剂萃取、电泳分离和柱式分离(column separation)。微量化学系统可以用于单一功能，例如只用于分离，或者用于多种功能的组合。
作为只用于以上功能中分离功能的微量化学系统的一个例子，提出了用于分析极少量蛋白质、核酸等的电泳装置(例如见，日本公开专利出版物(公开)No.H08-178897)。这种电泳装置有一个形成有槽的板状部件，它包括两个结合在一起的玻璃衬底。由于该部件是盘状的，与具有圆形或矩形横截面的玻璃毛细管的情况相比不宜破损，因此更易于操作。
在这些微量化学系统中，因为液基样品的量非常少，因此高灵敏度探测方法是必需的。作为这样的一种方法，建立了光热转换光谱分析法，它利用了在非常细小的沟槽内的液基样品上所发生的热透镜效应吸收光。这种光热转换光谱分析法利用了光热转换效应，在其中光被会聚地照射在液基样品上，在液基样品上会吸收光，并释放热能，并且该热能使溶液的温度局部升高，由此改变其折射率，因此形成了热透镜。这种光热转换光谱分析法为实现微量化学系统开辟了道路。
图5是一个用于解释热透镜原理的视图。
在图5中，激励光通过显微镜物镜会聚地照射在极少量液基样品上，由此引起光热转换效应。对于多数物质，折射率随温度升高而降低，因此在包含有液基样品的液体中，由激励光会聚地照射其上，折射率会降低，越接近会聚光的中心这种降低越大，会聚光的中心处温度的升高最大。换句话说，折射率随着远离会聚光的中心会相对地增加。这是因为，由于热扩散，温度的升高随着远离会聚光的中心会变小。从光学上讲，作为结果的折射率分布产生与凹透镜一样的效果，并因此该效应被称为热透镜效应。热透镜效应的尺寸，也就是，凹透镜的光焦度正比于液基样品的光学吸收率。此外，对于折射率随温度增加的情况，折射率的变化是相反的，并因此产生了与凸透镜相同效果的热透镜效应。
在上述的光热转换光谱分析法中，由于液体中的热扩散，可以观察到包含液基样品的液体(样品溶液)的折射率变化，并因此该方法适合探测液体中极少量样品的浓度。
在传统的光热转换光谱分析装置中，形成有槽的板状部件放置在显微镜的物镜下，且将从激励光光源输出的预定波长的激励光引入显微镜。激励光通过显微镜物镜会聚地照射在液基样品上，该样品置于形成有槽的板状部件的槽内。会聚照射的激励光的焦点位置被置于样品溶液中，并因此以该焦点位置为中心形成热透镜。
另一方面，具有与激励光不同波长的探测光从探测光光源输出，并引入显微镜。探测光穿过显微镜并从显微镜中射出，因此会聚地照射在已经由激励光在样品溶液中形成的热透镜上，并穿过样品溶液，由此发散或者会聚。从样品溶液中射出的发散或汇聚的探测光形成了信号光。信号光穿过会聚透镜和滤波器，或者只是滤波器，再被探测器探测。探测到的信号光的强度取决于在样品溶液中形成的热透镜。也应该注意到，或者探测光可以具有与激励光相同的波长，或者激励光也可以被用作探测光。
在上述的光热转换光谱分析装置中，热透镜由此形成在激励光的焦点位置，并且既可以采用与激励光相同波长的探测光，也可以采用与其不同波长的探测光探测已形成的热透镜的折射率变化(例如见，日本公开专利出版物(公开)No.H10-232210)。
然而，对于这种光热转换光谱分析装置，光源的光学系统等、测量部分和探测部分(光电转换部分)在系统构造方面是较复杂的，因此这种装置的尺寸大，并缺少便携性。从而，存在着对于安装场所和光热转换光谱分析装置的操作有限制的问题。
另外，在该光热转换光谱分析装置中，激励光和探测光穿过空旷的空间而被引入液基样品，因此必须防止各光学系统元件，如光源、反射镜和透镜在测量的过程中移动，这样就需要一个用于固定这些元件的坚固的平台。此外，根据环境的变化，如温度的变化，激励光和探测光的光轴可能从对准位置中偏移，因此需要用于进行调整的夹持器。这些夹持器也使得光热转换光谱分析装置的尺寸变得更大，并因此缺少便携性。
另外，在采用光热转换频谱分析法的微量化学系统中，很多情况下要求激励光的焦点位置和探测光的焦点位置互不相同。
图6A和6B是这样一个视图，它用于解释热透镜形成位置和在激励光传播方向上的探测光的焦点位置。图6A表明了物镜具有色差的情况，而图6B表明了物镜没有色差的情况。
对于物镜500具有色差的情况，如图6A所示，热透镜501形成在激励光的焦点位置502，而探测光的焦点位置503对于激励光的焦点位置502偏移了ΔL的量，使得探测光能够将热透镜501的折射率变化探测为探测光焦距的变化。另一方面，对于物镜500没有色差的情况，如图6B所示，探测光的焦点位置503与形成在激励光的焦点位置502上的热透镜501的位置几乎完全相同。结果是，探测光不会因热透镜501而发生偏折，因此也不能探测到热透镜501的折射率的变化。
然而，显微镜的物镜通常制作成没有色差，因此出于上述原因，探测光503的焦点位置与在激励光的焦点位置上形成的热透镜501的位置几乎完全相同(图6B)。因此不能探测到热透镜501的折射率的变化。这样就存在这样一个问题，即在如图7A或7B进行的每次测量中，必须将在其中形成有热透镜501的液基样品的位置偏离探测光的焦点位置503，或者，在引入物镜500前通过使用透镜(未绘出)将探测光轻微地发散或会聚，使得探测光的焦点位置503偏离热透镜501，如图8所示；由此，用户的工作效率较低。
本发明的目的是提供一种微量化学系统，它不需要光轴对准和设置探测光与激励光的焦点的位置，并能够高灵敏度地进行测量。
发明内容
为了达成上述目的，在本发明的第一方面，提供了一种微量化学系统，它包括一个形成有槽的板状部件，其上设置了用于容纳样品的槽；一个激励光源，它通过会聚透镜将激励光照射在样品上；一个探测光源，它通过会聚透镜将探测光照射在热透镜上，其中该热透镜通过激励光的照射形成在样品上；以及探测装置，用于通过形成的热透镜探测所照射的探测光，其中激励光源和探测光源通过光纤与会聚透镜相连，该光纤用于将激励光和探测光传播到会聚透镜，其特征在于会聚透镜固定在形成有槽的板状部件上，且光纤具有一个可以将激励光源和探测光源与会聚透镜分离的接合部分。
根据本发明的第一方面，通过接合部分可以可拆装地连接光纤。因此，对于沟槽已经污染、形成有槽的板状部件已经破损、及光纤已经破损的情况，只需通过更换其上固定了会聚透镜的形成有槽的板状部件，就可以通过抑制液基样品的污染进行精细和准确的探测，并降低该微化学系统的运行成本。
优选的是，接合部分是一个连接器，设置在光纤的中间位置。
这样，激励光源和探测光源可以容易地连接到会聚透镜，并从会聚透镜上拆除。
更优选的是，接合部分是一个FC连接器。
这样，激励光源和探测光源可以容易地连接到会聚透镜，并从会聚透镜上拆除。进一步地，使得连接牢固，因此在光纤中传播的激励光和探测光的能量损失较小。
同样优选的是，在光纤的末端设置接合部分，光纤可以通过该接合部分与会聚透镜相连。
这样，可以使得接合部分的结构较简单，由此使得微量化学系统的尺寸较小。
更优选的是，接合部分可以可拆装地附加在会聚透镜上。
这样，也可以使接合部分的结构更简单，由此也可使微量化学系统的尺寸更小。
进一步优选的是，接合部分包括一个环形部件，它可以装配到会聚透镜上。
这样，也可以使接合部分的结构更简单，由此也可使微量化学系统的尺寸更小。
此外，更优选的是，接合部分可以可拆装地附加在形成有槽的板状部件上。
这样，可以使接合部分的结构更简单，由此也可使微量化学系统的尺寸更小。
更优选的是，接合部分包含一个可以装配到会聚透镜上的环形部件；一个第二环形部件，可以以将第一环形部件同轴容纳在其中的方式固定在第一环状部件上，且它的内缘表面上形成有一个环形突出部分；以及一个第三环形部件，可以以同轴地容纳会聚透镜的方式固定在形成有槽的板状部件上，且它的外缘表面上形成有环形凹槽，用于容纳环形突出部分。
这样，也可以使接合部分的结构更简单，由此也可使微量化学系统的尺寸更小。
同样，进一步优选的是，对于会聚透镜，接合部分包含在对称位置竖立的销；以及一个环形部件，它同轴地固定在光纤上，且在其对着形成有槽的板状部件的端面上形成有一些孔。
这样，也可以使接合部分的结构更简单，由此也可使微量化学系统的尺寸更小。
同样优选的是，以会聚透镜的光轴与光纤的光轴相互同轴的方式，接合部分可以实现激励光源和探测光源与会聚透镜的连接。
这样，就不需要用于对准激励光和探测光的光轴的夹持器，这也可以使接合部分的结构更简单，由此也可使微量化学系统的尺寸更小。
同样优选的是，激励光的频率与探测光的频率不同。
这样，无需使用外部光学系统，激励光和探测光的焦点位置就可以彼此偏离，由此也可使微量化学系统的尺寸更小。
同样优选的是，会聚透镜具有色差。
这样，无需使用外部光学系统，激励光和探测光的焦点位置可以彼此偏离。
同样优选的是，会聚透镜是梯度折射率透镜。
这样，可以减小会聚透镜的尺寸，由此也可使微量化学系统的尺寸更小。
更优选的是，梯度折射率透镜是具有圆柱形状的棒状透镜。
这样，可以容易地夹持梯度折射率透镜，且光纤的光轴与梯度折射率透镜的光轴相互可以容易地相互对准。
同样优选的是，形成有槽的板状部件由玻璃制成。
这样，形成有槽的板状部件具有较高的抗化学药品性，由此提高了微量化学系统的探测准确度。
同样优选的是，光纤以单模将激励光和探测光传播到会聚透镜。
这样，可以使由激励光形成的热透镜的尺寸更小，且没有色差，因此提高了微量化学系统的探测准确度。
同样优选的是，在朝向形成有槽的板状部件的位置，与其上固定的会聚透镜相对，探测装置固定在形成有槽的板状部件的表面上。
这样，就不需要调整会聚透镜和探测装置的位置，而且也不需要用于调整的夹持器，也可使微量化学系统的尺寸更小，此外，无论何时进行样品的分析，都能够更可靠地进行会聚透镜和与探测装置对槽的定位，由此提升了微量化学系统进行探测的复现性，并提高了其精度。
附图简述
图1是示意性地显示了根据本发明的第一实施例微量化学系统的结构的视图；图2是示意性地显示了根据本发明的第二实施例微量化学系统的结构的视图；图3是示意性地显示了根据本发明的第三实施例微量化学系统的结构视图；图4是示意性地显示了根据本发明的第四实施例微量化学系统的结构的视图；图5是用于解释热透镜原理的视图；图6A和6B是用于解释热透镜形成位置，和对于沿激励光光轴方向的探测光焦点位置的视图；图6A显示了物镜具有色差的情况；且图6B显示了物镜没有色差的情况；图7A和7B是用于解释热透镜形成位置，和相对于激励光光轴的探测光焦点位置的视图，其中图7A显示了形成热透镜的位置较探测光的焦点位置更靠近物镜的情况；且图7B显示了形成热透镜的位置较探测光的焦点位置距离物镜更远的情况；图8的视图用于解释在传统的光热转换光谱分析装置中，探测热透镜折射率变化的方法，并示出在光路中放置了凹透镜，使探测光发散，并因此使探测光焦点位置远离激励光焦点位置的情况。
发明详述以下，将参考附图详细描述本发明的实施例。
图1是示意性地显示了根据本发明的第一实施例微量化学系统的结构的视图。
在图1中，微量化学系统10包括了一个形成有槽的板状部件120，它具有一个充满了液基样品的槽；一个配备有透镜的光纤100，它被置于形成有槽的板状部件120的上方，并在其一端装配了透镜；一个与配备有透镜的光纤100相连接的光源单元110，用于通过该配备有透镜的光纤100将激励光照射在形成有槽的板状部件120的槽中的液基样品上，并且将探测光照射到液基样品中由激励光形成的热透镜上；以及一个探测器件130，它置于形成有槽的板状部件120的下方，用于通过热透镜探测探测光，该热透镜由激励光形成在形成有槽的板状部件120的槽中的样品液体中。
形成有槽的板状部件120包括一个上层玻璃衬底121，一个中间玻璃衬底122，和一个下层玻璃衬底123，它们以上述次序从配备有透镜的光纤100一侧依次堆叠，并用粘合剂粘结在一起。
中间玻璃衬底122作为形成有槽的板状部件120的中间层，具有形成在其中的槽124，当微量化学系统10对样品液体进行混合、搅拌、合成、分离、萃取、探测等操作时，样品液体会流过该槽。
出于耐久性和耐化学药品性方面的考虑，形成有槽的板状部件120的上层玻璃衬底121、中间玻璃衬底122和下层玻璃衬底123的材料最好为玻璃。尤其是，考虑到使用了生物样品，如在DNA分析中的细胞样品，具有高耐酸性和耐碱性的玻璃是优选的，特别是为硼硅酸盐玻璃、碱石灰(soda lime)玻璃、铝硼硅酸盐玻璃(aluminoborosilicateglass)、石英玻璃等。然而，如果因此限制了使用，那么可以使用有机材料，如塑料制成的形成有槽的板状部件120作为替代。
用于将上层玻璃衬底121、中间玻璃衬底122和下层玻璃衬底123粘结在一起的粘合剂的例子包括，有机粘合剂，如紫外线固化型粘合剂、热固化型的粘合剂、两液体固化型丙烯酸粘合剂(two-liquid-curing)和环氧树脂粘合剂；以及无机粘合剂。或者，可以通过热熔合将上层玻璃衬底121、中间玻璃衬底122和下层玻璃衬底123熔合在一起。
配备有透镜的光纤100包括一个具有透明圆柱形状的梯度折射率棒状透镜101；一个与光源单元110相连的光纤102，它用于以单模传播激励光和探测光；一个通过压圈104固定在光纤102一端的环形部件105，它用于在那里装配并固定梯度折射率棒状透镜101；以及一个置于光纤102中间的FC连接器103(接合部分)。
压圈104具有圆柱形的形状，其外直径与梯度折射率棒状透镜101的外直径相同，用于使光纤102的外直径与棒状透镜101的外直径相同，且使光纤102能够从其中插入。压圈104置于梯度折射率棒状透镜101的一个表面，并通过上述的环形部件105固定在梯度折射率棒状透镜101上。
光纤102可以紧密接触地固定在梯度折射率棒状透镜101上，或者通过压圈104以与梯度折射率棒状透镜101有间隙的方式固定。
梯度折射率棒状透镜101上具有一个出射表面，该出射表面与压圈104相对，该出射表面固定在上层玻璃衬底121与中间玻璃衬底122相对的侧面，使得从梯度折射率棒状透镜101出射的多路激励光和探测光都可以垂直地入射到形成有槽的板状部件120上以进入槽124。
梯度折射率棒状透镜101可以使用粘合剂直接固定在上层玻璃衬底121上，或使用预定的夹持器固定。用于将梯度折射率棒状透镜101固定在上层玻璃衬底121上的粘合剂的例子包括，有机粘合剂，如包括紫外线固化型粘合剂、热固化型粘合剂在内的丙烯酸粘合剂，和两液体固化型粘合剂，和环氧树脂粘合剂，以及无机粘合剂。
设置梯度折射率棒状透镜101，使得探测光的焦点位置相对于激励光的焦点位置轻微地偏离ΔL的量。
ΔL的值根据对其进行测量的液基样品的厚度而改变。假设由Ic表示共焦长度，当在厚度小于共焦长度的液基样品上进行测量时，最优选的是ΔL等于 共焦长度Ic(nm)由Ic＝π×(d/2)2/λ1给出。这里，d表示艾里斑(airydisk)，它由d＝1.22×λ1/NA给出，λ1表示激励光的波长(nm)，且NA表示梯度折射率棒状透镜101的数值孔径。在使用光纤102的情况中，从光纤102出射的光的数值孔径较小，因此，当使用具有大数值孔径的棒状透镜时，需要在共焦长度的计算中使用光纤102的数值孔径。
ΔL的值表示探测光焦点位置与激励光焦点位置的差异，因此无论探测光的焦距比激励光的焦距长或短，该结果都是相同的。
将梯度折射率棒状透镜101构造为使得从其中心轴的位置起，在径向上折射率可以连续地变化，该中心轴在纵向延伸。这种棒状透镜被认为是一种聚光透射体，它被构造成使得在径向方向上与中心轴相距r的位置上的折射率n(r)，可以近似由r的二次方程给出n(r)＝n0{1-(g2/2)×r2}，
其中，n0表示中心轴处的折射率，而g表示二次分布常数。
如果梯度折射率棒状透镜101的长度z0在范围0＜z0＜π/2g内选择，那么即使梯度折射率棒状透镜101具有扁平的端面，该梯度折射率棒状透镜101将具有与普通凸透镜相同的成像特性；当平行光束入射到梯度折射率棒状透镜101上时，将在与梯度折射率棒状透镜101的出射端面相距s0的位置上，由平行入射光束形成焦点，这里s0＝cot(gz0)/n0g。
例如，这种梯度折射率棒状透镜101可以使用如下的方法制造。
棒状体由玻璃形成，该玻璃具有作为主要成分的57mol％到63mol％的SiO2，17mol％到23mol％的B2O3，5mol％到17mol％的Na2O，以及3mol％到15mol％的Tl2O，然后该玻璃棒在如硝酸钾的离子交换介质中进行处理，这样在玻璃中的铊离子和钠离子与离子交换介质中的钾离子间进行离子交换，并因此在玻璃棒中产生这样一种折射率分布，其中折射率随从玻璃棒的中心轴径向向外而降低。
因为梯度折射率棒状透镜101的表面是扁平的，因此它可以容易地附加在光纤102的端部上，并且梯度折射率棒状透镜101的光轴和光纤102的光轴可以相互容易地对准。
梯度折射率棒状透镜101连接在传播激励光和探测光的光纤102的一端；结果是，不需要在每次测量时，对激励光和探测光的光轴与梯度折射率棒状透镜101的光轴进行调整，并且用于对准光轴的夹持器和预定坚固平台也不是必需的，因此可以提高用户的工作效率，并且使微量化学系统的尺寸更小。
FC连接器103包括FC连接插头106和107、适配器108，它可以使FC连接插头106和107可以可拆装地与其连接。FC连接插头106和107中的每个都包括一个直径为2.5mm的圆柱形压圈，它可以使光纤102沿其中心轴连接，以及一个螺母，它可以同轴并旋转地容纳该压圈。适配器108包括一个圆柱形凸缘和两个圆柱形凸出部分，它们同轴并垂直地附加在凸缘相对的两面。两个圆柱形凸出部分的外缘形成有螺纹，它与FC连接插头106和107的螺母相结合。此外，凸缘和两个凸出部分形成有一个与凸缘同轴的通孔，用于在其中容纳FC连接插头106和107的压圈。此外，FC连接插头106和107和适配器108具有附加在其上的防旋转装置，用于在旋紧结合螺母时防止插入适配器108通孔中的压圈旋转。
FC插头106和107的压圈插入到适配器108的通孔中，并且FC连接插头106和107的螺母拧在适配器108的螺纹上，由此FC连接插头106和107旋紧在适配器108上，使得FC插头106和107相对的两端彼此接触，以建立光纤102的连接。
如上所述，通过适配器108固定FC插头106和107，甚至可以在振动的环境下通过压圈保持光纤的连接。此外，由于FC插头106和107使用上述的螺母与适配器108连接，所以FC插头106和107可以容易地固定在适配器108上，或从其上拆除。FC连接器103的耐用性可以保证达到1,000次的安装或拆除。
由于在光纤102的中间设置了FC连接器103，造成通过光纤102传播的激励光和探测光的插入损耗量低至0.3dB，通过FC连接器103的方法，使得光纤102能够几乎没有任何损失地传播激励光和探测光。
当使用光热转换光谱分析法探测非常少量的液基样品时，优选的是使激励光尽可能地变窄以增加其用于光热转换的能量，同时形成一个由激励光产生的热透镜，使得该热透镜没有像差。光纤102优选以单模传播激励光和探测光。
由于光纤102采用单模，且从光纤102出射的光将始终具有高斯分布，因此激励光焦点的尺寸将较小。此外，对于由激励光产生的热透镜有较小尺寸的情况，为了使穿过热透镜的探测光量尽可能的高，优选的是使探测光尽可能地变窄。从这个观点看来，对于光纤102优选的也是以单模传播激励光和探测光。
只要是可以传输激励光和探测光，可以采用当前任何型式的光纤作为光纤102。然而，对于采用多模光纤的情况，出射光将不具有高斯分布，并且出射光的形式将根据不同的条件改变，如光纤102弯曲的状况，因此当然不可能获得稳定的出射光。这样，对极少量的液基样品进行测量将会较困难，此外测量值也可能不够稳定。因此，对于光纤102优选的是如上所述的单模光纤。
如果光纤的前端(leading end)加工为球形等形状以形成一个透镜，那么将可以使激励光和探测光变窄，而不需要在光纤的前端安装分离的透镜。然而，在这种情况中，几乎没有任何色差，因此激励光和探测光的焦点位置几乎彼此相同。这样，存在一个问题即几乎探测不到热透镜信号。此外，对于通过加工光纤的前端形成的透镜，像差将会较高，因此也将存在一个问题是激励光和探测光的焦点较大。在本发明的第一实施例中，因此就在光纤102的前端安装了梯度折射率棒状透镜101。
光源单元110包括一个输出激励光的激励光源111；一个调制器112，它与激励光源111相连，并对从中输出的激励光进行调制；一个探测光源，用于输出探测光，以及一个双波长复用设备115，用于通过各自的光纤114与激励光源111和探测光源113相连，同时与配备有透镜的光纤100的光纤102连接在一起，用于复用从激励光源111输出的激励光和从探测光源113输出的探测光，以使激励光和探测光的复用光能够进入光纤102中。
在光源单元110中，可以使用二向色镜替代双波长复用设备115，以复用从激励光源111输出的激励光和从探测光源113输出的探测光，以使激励光和探测光的复用光能够进入光纤102中。
探测器件130包括一个波长滤波器131，它设置在面向形成有槽的板状部件120的槽124、且与光纤100相对的位置上，用于分离复合的激励光和探测光，并且有选择地只允许探测光从中穿过；一个光电转换器132，它设置在波长过滤器131下方且面向槽124的位置，用于探测探测光；以及一个通过锁定放大器133与光电转换器132相连的计算机134。
在探测器件130中，也可以在探测光光路中的光电转换器132的上面的位置设置一个其上形成有针孔的预定部件，使得只有部分探测光可以有选择地透射。
光电转换器132获得的信号被送到锁定放大器133中，使其与对激励光进行调制的调制器112同步，然后由计算机134对其进行分析。
根据图1所示的微量化学系统，设置了配备有FC插头106和107的FC连接器103，这些插头可拆装地附加在光纤102的中部，因此，通过将连接在一起的FC插头106和107分离，能够将其上固定了梯度折射率棒状透镜101的形成有槽的板状部件120从微量化学系统10中拆除。结果是，对于形成有槽的板状部件120的槽124内部已经污染、形成有槽的板状部件120已经破损、和梯度折射率棒状透镜101已经破损的情况，只需要更换其上固定了梯度折射率棒状透镜101的形成有槽的板状部件120，因此能尽可能地够减小微量化学系统10的运行成本，并通过抑制液基样品的污染进行精细和准确的探测，这可以通过每当用于探测的液基样品改变时，更换其上固定了梯度折射率棒状透镜101的形成有槽的板状部件120来实现。
根据图1所示的微量化学系统，梯度折射率棒状透镜101固定在传播激励光和探测光的光纤102的前端，同时以面向槽124的方式，也固定在形成有槽的板状部件120的表面上。结果是，不需要调整通过光纤102传播的激励光和探测光的光轴和梯度折射率棒状透镜101的光轴，此外，也不需要调整梯度折射率棒状透镜101和槽124的位置。因此，可以无需预定夹持器和预定坚固的平台，它们用于对准激励光和探测光的光轴与梯度折射率棒状透镜101的光轴，或确定梯度折射率棒状透镜101与槽124的相对位置，使得能够改进用户的工作效率、减小微量化学系统的尺寸。
根据图1所示的微量化学系统，穿过梯度折射率棒状透镜101的激励光的焦点必须在形成有槽的板状部件120的槽204中，梯度折射率棒状透镜101固定在与其接触的形成有槽的板状部件120的上层玻璃衬底121上，使得从梯度折射率棒状透镜101出射的激励光的焦距可以通过上层玻璃衬底121的厚度进行调整。此外，对于上层玻璃衬底121的厚度不足的情况，可以在梯度折射率棒状透镜101和上层玻璃衬底121间插入间隔物，使梯度折射率棒状透镜101和上层玻璃衬底121通过插入其中的间隔物相互固定，由此调整焦距。对于以这种方式事先将激励光的焦点位置固定在形成有槽的板状部件120的槽124中的情况，后续对焦距的调整变得不必要了，因此也可减小微量化学系统的尺寸。
虽然在本发明的第一实施例中，FC连接器103设置在光纤102的中间，但这并不是限制性的，可以使用D-4型连接器、ST型连接器、FDDI-MIC型连接器和ESCON型连接器替代FC连接器103。
图2是示意性地显示了根据本发明的第二实施例的微量化学系统的结构的视图。
在图2中，根据第二实施例的微量化学系统20基本上与图1所示的微量化学系统10具有相同的结构。因此，同样的元件由相同的参考标记表示，并省略了对这些元件的完全相同的描述。以下将给出对不同元件的描述。
在图2中，微量化学系统20与图1所示的微量化学系统10的区别在于配备有止动器的光纤200替代了配备有透镜的光纤100，以及形成有槽的板状部件210替代了形成有槽的板状部件120。
该形成有槽的板状部件210包括图1中出现的形成有槽的板状部件120，和一个具有与图1中出现的梯度折射率棒状透镜101相同的形状、尺寸和特性的梯度折射率棒状透镜211。梯度折射率棒状透镜211的出射端表面固定在上层玻璃衬底121与中间玻璃衬底122相对的表面，以使得从梯度折射率棒状透镜出射的激励光和探测光垂直地入射到上层玻璃衬底121、中间玻璃衬底122和下层玻璃衬底123中的每一者，以便进入槽124中。
配备有止动器的光纤200包括一个与双波长复用设备115连接的光纤203，和一个通过压圈202固定在光纤203前端的环形部件201(接合部分)，它用于将梯度折射率棒状透镜211装配在其上。光纤203具有与图1所示的微量化学系统10的光纤102相同的特性。
为了装配到梯度折射率透镜211上，制造环形部件201时，使其横截面的内直径几乎与梯度折射率棒状透镜211的横截面直径相同，由此，通过将梯度折射率棒状透镜211装配在环形部件201上，能够可拆装地将梯度折射率棒状透镜211附加在其上。
根据图2所示的微量化学系统20，通过将配备有止动器的光纤200的环形部件201装配到形成有槽的板状部件210的梯度折射率棒状透镜211上，通过光纤203传播的激励光和探测光的光轴与梯度折射率棒状透镜211的光轴彼此能够精确地对准。
根据图2所示的微量化学系统20，配备有止动器的光纤200的环形部件201可以可拆装地装配到形成有槽的板状部件210的梯度折射率棒状透镜211上。因此，对于形成有槽的板状部件210的槽124内部已经污染和形成有槽的板状部件210已经破损的情况，只需要更换其上固定了梯度折射率棒状透镜211的形成有槽的板状部件210，此外能够通过抑制液基样品的污染进行尽可能精细和准确的探测，这可以通过每当用于探测的液基样品改变时，更换其上固定了梯度折射率棒状透镜211的形成有槽的板状部件210来实现。
根据图2所示的微量化学系统20，梯度折射率棒状透镜211以面向槽124的方式，固定在形成有槽的板状部件210的上层玻璃衬底121的表面上。结果是，不需要调整梯度折射率棒状透镜211和槽124的位置，因此，可以不需要预定的夹持器和预定的坚固平台，它们用于确定梯度折射率棒状透镜211与槽124的相对位置，使得能够改善用户的工作效率并减小微量化学系统的尺寸。
图3是示意性地显示了根据本发明的第三实施例微量化学系统的结构的视图。
在图3中，根据第三实施例的微量化学系统30基本上与图1所示的微量化学系统10具有相同的结构。因此，同样的元件是由相同的参考标记表示，并省略了对这些元件完全相同的描述。以下将给出对不同元件的描述。
在图3中，微量化学系统30与图1所示的微量化学系统10的区别在于配备有止动器的光纤300替代了配备有透镜的光纤100，以及形成有槽的板状部件310替代了形成有槽的板状部件120。
形成有槽的板状部件310包括图1中出现的形成有槽的板状部件120，一个具有与图1中出现的梯度折射率棒状透镜101相同的形状、尺寸和特性的梯度折射率棒状透镜311，和一个环形部件312(第三环形部件)。
梯度折射率棒状透镜311有一个出射表面，它固定在与中间玻璃衬底122相对的上层玻璃衬底121的表面，以使得从梯度折射率棒状透镜311出射的激励光和探测光垂直地入射到上层玻璃衬底121、中间玻璃衬底122和下层玻璃衬底123中的每一者，以便进入槽124中。
配备有止动器的光纤300包括一个与双波长复用器115连接的光纤303，和一个通过压圈302固定在光纤303前端的环形部件301(第一环形部件)，它用于将梯度折射率棒状透镜311装配在其中，和一个装配在环形部件301上的止动器304(第二环形部件)。止动器304包括一个固定在环形部件301上的挡圈304a，和一个与挡圈304a的边缘形成为一体的环形部分304b。在环形部分304b的内缘表面上，设置了唇形的环形突出部分305，它由如橡胶的弹性部件制成。
环形部件312以在其中容纳梯度折射率棒状透镜311的方式固定在上层玻璃衬底121上，并在其外缘表面上形成有环形凹槽313，用于容纳环形突出部分305。
环形部件301具有空心圆柱形的形状，为了装配到梯度折射率透镜311上，制造环形部件301时，使其横截面的内直径的尺寸几乎与梯度折射率棒状透镜311的横截面直径相同，由此，通过将梯度折射率透镜311装配在环形部件301中，能够可拆装地将梯度折射率棒状透镜311附加在其上。
当将环形部件301装配到梯度折射率棒状透镜311上时，通过使止动器304的环形突出部分305容纳在环形部件312的环形凹槽313内，以便通过环形突出部分305支撑地环绕环形凹槽313，从而使得配备有止动器的光纤300可拆装地与形成有槽的板状部件310结合为一体。
根据图3所示的微量化学系统30，当环形部件301装配在梯度折射率棒状透镜311上时，止动器304装配到环形部件312上，使得止动器304的环形突出部分305容纳在环形部件312的环形凹槽313内，以便支撑地环绕环形凹槽313。因此，只要通过将配备有止动器的光纤300的环形部件301装配到形成有槽的板状部件310的梯度折射率棒状透镜311上，就能够精密地将通过光纤303传播的激励光和探测光的光轴与梯度折射率棒状透镜311的光轴对准，并在精密测量中稳定地保持这些光轴的位置。
根据图3所示的微量化学系统30，光纤300的环形部件301能够可拆装地装配到形成有槽的板状部件310的梯度折射率棒状透镜311上。因此，对于形成有槽的板状部件310的槽124内部已经污染和形成有槽的板状部件310已经破损的情况，只需要更换其上固定了梯度折射率棒状透镜311的形成有槽的板状部件310，此外能够通过抑制液基样品的污染进行尽可能精细和准确的探测，这可以通过每当液基样品改变时，更换其上固定了梯度折射率棒状透镜311的形成有槽的板状部件310来实现。
根据图3所示的微量化学系统30，梯度折射率棒状透镜311以面向槽124的方式，固定在形成有槽的板状部件310的上层玻璃衬底121的表面上。结果是，不需要调整梯度折射率棒状透镜311和槽124的位置，因此，可以无需预定的夹持器和预定的坚固平台，它们用于确定梯度折射率棒状透镜311与槽124的相对位置，使得能够改善用户的工作效率并减小微量化学系统的尺寸。
在图3所示的微量化学系统30中，止动器304和环形部件312并不局限于上述的形状。
图4是示意性地显示了根据本发明的第四实施例微量化学系统的结构的视图。
在图4中，根据第四实施例的微量化学系统40基本上与图1所示的微量化学系统10具有相同的结构。因此，同样的元件由相同的参考标记表示，并省略了对这些元件完全相同的描述。以下将给出对不同元件的描述。
在图4中，微量化学系统40与图1所示的微量化学系统10的区别在于配备有止动器的光纤400替代了配备有透镜的光纤100，形成有槽的板状部件410替代了形成有槽的板状部件120，以及探测器420替代了探测器件130。
该形成有槽的板状部件410包括图1中出现的形成有槽的板状部件120，一个具有与图1中出现的梯度折射率棒状透镜101相同的形状、尺寸和特性的梯度折射率棒状透镜411，和两个销412。
梯度折射率棒状透镜411的出射端表面固定在上层玻璃衬底121与中间玻璃衬底122的相对表面121a上，使得从梯度折射率棒状透镜411出射的激励光和探测光垂直地入射到上层玻璃衬底121、中间玻璃衬底122和下层玻璃衬底123中的每一者，以便进入槽124中。
探测器420置于形成有槽的板状部件410的下方，它包括一个与图1所示的微量化学系统10的波长滤波器131相同的波长滤波器421，一个与图1所示的微量化学系统10的光电转换器132相同的光电转换器422，和一个与图1所示的微量化学系统10的计算机134相同的计算机424，该计算机通过与图1所示的微量化学系统10的锁定放大器133相同的锁定放大器423与光电转换器422相连。
在面向形成有槽的板状衬底410的槽124的位置上，波长滤波器421的一个表面贴在下层玻璃衬底123的表面上，且在面向槽124的位置上，光电转换器422的一个表面贴在波长滤波器421的另一个表面上。
在对于梯度折射率棒状透镜411对称的位置竖立有销412。
配备有止动器的光纤400包括一个与双波长复用设备115连接的光纤405，和一个固定在光纤405前端的止动器401(环形部件)。止动器401包括一个固定在光纤405上的挡圈401a，和与一个挡圈401a的边缘形成一体的环形部分401b。环形部分401b在其与上层玻璃衬底121对面的表面上形成了两个孔402，用于在其中容纳两个销412。此外，环形部分401b在其外缘表面上有通孔403，并使通孔403向止动器401的纵向中心轴垂直地延伸到各个孔402。可以装配在通孔403中的止动销(check pin)404可拆装地附加在其上。光纤405具有与图1所示的微量化学系统10的光纤102相同的特性。
在配备有止动器的光纤400和形成有槽的板状部件410中，销412容纳在止动器401的孔402中，由此止动器401和形成有槽的板状部件410一体地彼此连接在一起，以便连接光纤405和梯度折射率棒状透镜411，并使它们的光轴彼此对准。此外，当这样将止动器401和形成有槽的板状部件410彼此连接为一体，通过将止动销404装配到止动器401环形部分401b外缘表面上的通孔403中，销412可以固定在孔402上。止动器401和形成有槽的板状部件410可以这样一体地彼此固定在一起，并使止动器401和形成有槽的板状部件410不会彼此分离，除非是有意拆开。
通过在止动器401上形成通孔402及销412，并使它们尽可能具有相同的直径，光纤405的光轴和梯度折射率棒状透镜411的光轴能够彼此更精确地对准。此外，通过增加孔402和与其对应的销412的数量，它们也能够彼此更精确地对准。
根据图4所示的微量化学系统40，这里没有使用任何与梯度折射率棒状透镜411直接接触的元件，以致使梯度折射率棒状透镜411出现裂纹和碎裂的可能性较小，因此防止梯度折射率棒状透镜411的特性受到裂纹和碎裂的影响。结果是，能够增加其上固定了梯度折射率棒状透镜411的形成有槽的板状部件410的使用次数，且这也能够降低微化学系统40的运行成本，并提高进行精确分析的复现性。
根据图4所示的微量化学系统40，探测器420的光电转换器422固定在形成有槽的板状部件410上。结果是，不需要在每次进行探测时调整光电转换器422的位置，因此，提高了用户的工作效率。由于可以省去用于调整位置的预定夹持器，因此可以减小微量化学系统的尺寸。此外，由于在每次进行探测时光电转换器422的位置不改变，因此可以提高进行精确分析的复现性。
图4所示的微量化学系统40中使用的止动器401、孔402和销412并不局限于上述的形状。
虽然图1所示的微量化学系统10、图2所示的微量化学系统20和图3所示的微量化学系统30中使用的波长滤波器131和光电转换器132没有固定在各自的形成有槽的板状部件120、210和310的下层玻璃衬底123上，但并非局限于此，它们也可以固定在各自的形成有槽的板状部件120、210和310的下层玻璃衬底123上。
虽然图1所示的微量化学系统10中的形成有槽的板状部件120、图2所示的微量化学系统20中的形成有槽的板状部件210、图3所示的微量化学系统30中的形成有槽的板状部件310和图4所示的微量化学系统40中的形成有槽的板状部件410的上层玻璃衬底121、中间玻璃衬底122和下部玻璃衬底123由玻璃制成，但是本发明并不局限于这些特定例子。
工业应用如上述详细所述，根据本发明的微量化学系统，光纤可以通过接合部分可拆装地连接。因此，对于沟槽已经污染、形成有槽的板状部件已经破损、及光纤已经破损的情况，只需通过更换其上固定了会聚透镜的形成有槽的板状部件，就可以通过抑制液基样品的污染进行精细和准确的探测，并降低微化学系统的运行成本。
根据本发明的微量化学系统，接合部分是一个设置在光纤中间的连接器。结果是，激励光源和探测光源可以容易地连接到会聚透镜并从其上拆除。
根据本发明的微量化学系统，接合部分是一个设置在光纤的中间的FC连接器。结果是，激励光源和探测光源可以容易地连接到会聚透镜并从其上拆除。此外，可以使连接较牢固，因此通过光纤传播的激励光和探测光的能量损失较小。
根据本发明的微量化学系统，接合部分设置在光纤面对会聚透镜的端面，光纤通过它与会聚透镜相连。结果是，可以使接合部分的结构更简单，由此使微量化学系统的尺寸更小。
根据本发明的微量化学系统，可以可拆装地将接合部分附加在会聚透镜上。结果是，可以使接合部分的结构更简单，由此使微量化学系统的尺寸更小。
根据本发明的微量化学系统，接合部分包括一个装配到会聚透镜上的环形部件。结果是，可以使接合部分的结构更简单，由此使微量化学系统的尺寸更小。
根据本发明的微量化学系统，可以可拆装地将接合部分附加在形成有槽的板状部件上。结果是，可以使接合部分的结构更简单，由此使微量化学系统的尺寸更小。
根据本发明的微量化学系统，接合部分构造成可以使第一环形部件装配到会聚透镜上；而使第二环形部件能够以同轴地容纳第一环形部件在其中的方式固定在第一环状部件上，在它的内缘表面上形成有环形突出部分，用于装配到第三环形部件外缘表面上形成的环形凹槽中，而第三环形部件以同轴地容纳会聚透镜在其中的方式固定在形成有槽的板状部件上。结果是，也可以使接合部分的结构更简单，由此也可以使微量化学系统的尺寸更小。
根据本发明的微量化学系统，接合部分构造成使得环形部件在其对着形成有槽的板状部件的端面上形成有孔，用于容纳竖立在对于会聚透镜对称位置的销。结果是，也可以使接合部分的结构更简单，由此也可以使微量化学系统的尺寸更小。
根据本发明的微量化学系统，接合部分能够以会聚透镜光轴和光纤光轴彼此同轴的方式实现激励光源和探测光源与会聚透镜的连接。结果是，不需要用于对准激励光和探测光光轴的夹持器，可以使接合部分的结构更简单，由此也可以使微量化学系统的尺寸更小。
根据本发明的微量化学系统，激励光与探测光的频率不同，且会聚透镜具有色差。结果是，无需使用外部光学系统，激励光和探测光的焦点位置就可以彼此偏离，由此也可以使微量化学系统的尺寸更小。
根据本发明的微量化学系统，会聚透镜具有色差。结果是，无需使用外部光学系统，激励光和探测光的焦点位置就可以彼此偏离。
根据本发明的微量化学系统，会聚透镜是一个梯度折射率透镜，结果是，可以使会聚透镜的尺寸更小，由此也可以使微量化学系统的尺寸更小。
根据本发明的微量化学系统，梯度折射率透镜是一个具有圆柱形状的棒状透镜。结果是，可以容易地夹持梯度折射率透镜，且光纤和梯度折射率透镜的光轴彼此可以容易地对准。
根据本发明的微量化学系统，形成有槽的板状部件由玻璃制成。结果是，形成有槽的板状部件具有高的抗化学药品性，由此提高了微量化学系统的探测准确度。
根据本发明的微量化学系统，光纤以单模传播激励光和探测光。结果是，可以使由激励光形成的热透镜的尺寸更小，且没有像差，因此可以进行更精确的探测。
根据本发明的微量化学系统，探测装置固定在形成有槽的板状部件表面、面向形成有槽的板状部件的槽的位置，并与其上固定的会聚透镜相对。结果是，不需要调整会聚透镜和探测装置的位置，另外，由于不需要用于调整的夹持器，因此也可以使微量化学系统的尺寸更小，此外，每次进行样品分析的时候，都能够更可靠地进行会聚透镜和与探测装置相对沟槽的定位，由此提升微量化学系统进行探测的复现性，提高了其精度。
权利要求
1.一种微量化学系统包括形成有槽的板状部件，其上配备有用于容纳样品的槽；激励光源，它通过会聚透镜将激励光照射在该样品上；探测光源，它通过该会聚透镜将探测光照射在热透镜上，其中该热透镜由该照射的激励光在样品中形成；以及探测装置，它通过形成的该热透镜探测所照射的探测光，其中，该激励光源和该探测光源通过光纤与该会聚透镜相连，该光纤用于将该激励光和该探测光传播到该会聚透镜，其特征在于该会聚透镜固定在该形成有槽的板状部件上，且该光纤具有可以将该激励光源和该探测光源与该会聚透镜分离的接合部分。
2.如权利要求1中的微量化学系统，其中所述接合部分是设置在该光纤中的连接器。
3.如权利要求2中的微量化学系统，其中所述接合部分是FC连接器。
4.如权利要求2中的微量化学系统，其中所述接合部分设置在该光纤的一端，该光纤通过该端与该会聚透镜相连。
5.如权利要求4中的微量化学系统，其中所述接合部分能够可拆装地附加在该会聚透镜上。
6.如权利要求5中的微量化学系统，其中所述接合部分包括可以装配到该会聚透镜上的环形部件。
7.如权利要求4中的微量化学系统，其中所述接合部分能够可拆装地附加在该形成有槽的板状部件上。
8.如权利要求7中的微量化学系统，其中所述接合部分包括可以装配到该会聚透镜上的第一环形部件；可以以同轴地容纳所述第一环形部件在其中的方式固定在所述第一环状部件上的第二环形部件，且它的内缘表面上形成有环形突出部分；以及可以以同轴地容纳该会聚透镜在其中的方式固定在该形成有槽的板状部件上的第三环形部件，且它的外缘表面上形成有环形凹槽，用于容纳所述环形突出部分。
9.如权利要求7中的微量化学系统，其中所述接合部分包括竖立在相对于该会聚透镜对称位置的多个销，以及同轴地固定在该光纤上并且在与该形成有槽的板状部件相对的端面形成有多个孔的环形部件。
10.如权利要求1中的微量化学系统，其中所述接合部分能够以使得该会聚透镜的光轴和该光纤的光轴彼此同轴的方式，实现该激励光源和该探测光源与该会聚透镜之间的连接。
11.如权利要求1中的微量化学系统，其中该激励光与该探测光的频率不同。
12.如权利要求1中的微量化学系统，其中该会聚透镜具有色差。
13.如权利要求1中的微量化学系统，其中该会聚透镜是梯度折射率透镜。
14.如权利要求13中的微量化学系统，其中该梯度折射率透镜是具有圆柱形状的棒状透镜。
15.如权利要求1中的微量化学系统，其中该形成有槽的板状部件由玻璃制成。
16.如权利要求1中的微量化学系统，其中该光纤以单模将该激励光和该探测光传播到该会聚透镜。
17.如权利要求1中的微量化学系统，其中该探测装置固定在该形成有槽的板状部件上与固定其上的该会聚透镜相对的表面，位于面向该形成有槽的板状部件的槽的位置。
全文摘要
这里提出了一种微量化学系统，它无需对准光轴和定位探测光及激励光的焦点，且能够高灵敏度地进行测量。该微量化学系统包括一个容纳样品的形成有槽的板状部件，一个激励光源，它通过会聚透镜将激励光照射在样品上；一个探测光源，它通过会聚透镜将探测光照射在热透镜上，该热透镜由照射的激励光在样品上形成；以及一个通过形成的热透镜探测被照射的探测光的探测装置。激励光源和探测光源通过光纤与会聚透镜相连，该光纤用于将激励光和探测光传播到会聚透镜。会聚透镜固定在形成有槽的板状部件上，且光纤具有一个可以将激励光源和探测光源与会聚透镜分离的接合部分。
文档编号B01L3/00GK1703626SQ0382544
公开日2005年11月30日 申请日期2003年9月9日 优先权日2002年9月27日
发明者山口淳, 服部明彦 申请人:日本板硝子株式会社