JP2000507349A - 光学活性化合物の非侵襲的測定 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 生物学的試料内の光学活性化合物の濃度を決定する装置（８）および方法が提供される。この方法は、試料の全偏光状態を測定し、試料の測定した偏光状態をその化合物の既知の濃度を有する試料の偏光状態と比較する。試料の偏光状態は、試料に入る光および試料から出た光の偏光状態を操作し、試料から出た光を検出した後に測定される。本装置（８）は光源（１０）、生物学的試料を固定する試料ホルダ（１４）、検出器（１８）、光源（１０）と試料ホルダ（１４）の間の第一の偏光操作装置（１２）、試料ホルダ（１４）と検出された信号を光学活性化合物の濃度と相関させる分析器（２０）の間の第二の偏光操作装置（１６）を含む。

Description

【発明の詳細な説明】 光学活性化合物の非侵襲的測定 発明の分野 本発明の分野は光学活性化合物の非侵襲的決定である。より詳細に言えば、本 発明は試料を透過する光の全偏光状態を用いた生物学的試料内部の光学活性化合 物の非侵襲的な決定のための装置およびプロセスである。 発明の背景 異なる波長で化合物の一意的な吸収シグニチャを利用するいくつかの分光技法 がこれまで開示されている。異なる化合物に関するそれらの吸収シグニチャの知 識を用いて試料内部の化合物の濃度を決定する。例では、いくつかの技法がそれ それの化合物の偏光の変化を用い、次にこれらの変化の知識を用いて未知の試料 内部の化合物の濃度を識別する。別の技法では、未知の化合物からの信号が既知 の化合物のシグニチャに相関されるかそれと比較される（相関分光術と呼ばれる ）。 そのような一般的な分光測光技法の使用には大きな欠点があ る。第一に、特異性が欠如しており（いくつかの化合物は類似したシグニチャを 備える）、組織の拡散が化合物のシグニチャを大幅に歪めてしまう。第二に、そ のような分光分析法にはＳ／Ｎ比に問題がある。したがって、測定方法に特異性 が欠けるか（他の化合物が干渉する）、測定の精度が低い（ノイズが多いか低品 質のデータ）結果となる。 以上の欠点にもかかわらずこうした技法を生物学的試料（すなわち、生体）内 部の光学活性化合物の非侵襲的な測定に適合させようという試みか多数報告され ている。特に、こうした試みは各種身体区画内部のブドウ糖の測定に焦点を合わ せてきた。 光の偏光の変化を用いたブドウ糖の決定の既存の方法は光学的回転および／ま たは円偏光二色法などの全偏光状態のごく一部しか使用しない方法のため、限界 がある。（例として、International Patent Publications ＷＯ９２／１０１ ３１、ＷＯ９３／０７８０１、ＷＯ９４／０２８３７、ＷＯ９４／０５９８４、 およびＷＯ９４／１３１９９；米国特許第４８８２４９２号、第５０８６２２９ 号、第５２０９２３１号、第５２１８２０７号、第５３２１２６５号、第５３３ ７７４５号、第５３６１７５８号、および第５３８３４５２号を参照。） 試料に入る光またはそこから出た光の全偏光状態からの利用可能な情報をすべて 使用するプロセスを提供して既存の方法に固有の問題の解決策を提供する必要が 引き続き存在する。 発明の概要 本発明は生物学的試料内部の光学活性化台物の非侵襲的な測定のための装置を 提供する。この装置は非偏光の光源、光源と光学的に一直線に並んだ光の偏光状 態を操作する第一の手段、光を操作する第一の手段と光学的に一直線に並んだ生 物学的試料を固定する、光が試料を透過するための試料ホルダ、試料ホルダと光 学的に一直線に並んだ、試料を透過した光を受けるための光の偏光状態を操作す る第二の手段、光の偏光状態を操作する第二の手段と光学的に一直線に並んだ光 の検出手段、および光の検出手段からの電気信号を分析して信号を光学活性化合 物の濃度と相関させる手段を含む。 本発明のこの装置の一実施形態では、光の偏光状態を操作する第一の手段は光 源と光学的に一直線に並んだ第一の偏光手段と、第一の偏光手段及び試料ホルダ と光学的に一直線に並んだ光を可変的に遅延させる第一の手段とを含む。第一の 偏光手段は第一の偏光子を含み、光を可変的に遅延させる第一の手段は 第一の可変リターダを含むことが好ましい。光の偏光状態を操作する第二の手段 は試料ホルダと光学的に一直線に並んだ光を可変的に遅延させる第二の手段と、 光を可変的に遅延させる第二の手段及び光の検出手段と光学的に一直線に並んだ 第二の偏光手段とを含むことが好ましい。光を可変的に遅延させる第二の手段は 、第二の可変リターダを含み、第二の光を偏光手段は第二の偏光子を含むことが 好ましい。一つまたは複数の可変リターダは、それそれが同じまたは異なる角周 波数でその回転を調整する手段を任意選択で含む結晶リターダまたはポリマーリ ターダなどの回転リターダとすることができる。 代わりに、可変リターダは第一の可変リターダの高速軸が偏光子に関して４５° の向きにあり第二のリターダの高速軸が偏光子と平行な一対の可変リターダ（液 晶など）を含むことができる。 本発明は検出器に関連付けられたデータプロセッサおよび／または制御装置お よび偏光状態を操作する手段をさらに提供する。 本発明はまた、一つまたは複数の光源（それぞれが特定の波長で光を放射する ）、集束／反射エレメント、光を分割する手 段、および直線アレイ検出器を含む装置を提供する。 別の態様では、本発明は試料の全偏光状態を測定するステップと、試料の測定 した偏光状態をその化合物の既知の濃度の偏光状態と比較するステップを含む生 物学的試料内部の光学活性化合物の濃度を決定するプロセスを提供する。 より詳細に言えば、本発明は試料に入る光および／またはそこから出た光の偏 光状態を操作し試料から出た光を検出した後に試料の偏光状態が測定されるプロ セスを提供する。光を偏光する第二の手段から出た光の周波数、位相および輝度 が検出され電気信号が生成されることが好ましい。次に信号は、試料内部の光学 活性な化合物の濃度と相関させられる。 本発明はまた、光ビームの偏光状態を操作し、操作した光を試料中を通過させ 、試料から出た光の偏光状態を操作し、試料から出た操作済みの光を検出し、操 作した光の検出で生成された電気信号を処理して試料内部のブドウ糖の濃度を示 す信号に変換するステップを含む、生物学的試料内部のブドウ糖の濃度を決定す る非侵襲的なプロセスを提供する。 本発明は、ビームを第一の偏光生成器中を順次通過させ、試料ホルダ内に含ま れる試料中に光を向け、試料から出た光を第 二の偏光生成器中を順次通過させ、第二の偏光子から出た光を検出器で検出し、 検出器で生成された電気信号を分析器で処理して試料内のブドウ糖の濃度を示す 信号に変換するステップを含む、生物学的試料内部のブドウ糖の濃度を決定する 非侵製的なプロセスをさらに提供する。 本発明はまた高速軸が第一の偏光子の透過軸に関して４５°の向きにある第一 の可変直線リターダと光学的に一直線に並んだ直線偏光子、および直線偏光子の 透過軸と平行な、第一の可変線形リターダと光学的に一直線に並んだ第二の可変 リターダを含む、試料に偏光状態を導入する偏光生成器を提供する。 本発明のさらなるプロセスでは、試料内の光学活性化合物のミュラー行列が、 試料を本発明の偏光生成器が生成したビームと光学的に一直線に並べ、試料から 出た光を検出し、検出器が生成する電気信号を分析器で処理して試料内部の光学 活性化合物の濃度を示すようにすることで測定できる。 本発明は高速軸が偏光子に対して４５°の向きにある第一の可変直線リターダ と、偏光子と平行な第二のリターダの高速軸を含む、試料の偏光状態を分析する 偏光分析器をさらに提供する。 本発明はまた、試料を本発明の偏光生成器が生成した光ビームと光学的に一直 線に並べるステップと、本発明の偏光分析器を試料から出た光と光学的に一直線 に並べるステップと、光を偏光生成器、試料、および偏光分析器中を透過させ、 試料から出た光を検出し、検出器が生成する電気信号を分析器で処理して試料内 部の光学活性化合物の濃度を示すステップを含む、試料のミュラー行列の測定プ ロセスを提供する。 本発明のさらなるプロセスは、試料を本発明の偏光生成器と光学的に一直線に 並べるステップと、固定直線偏光子を試料から出た光と光学的に一直線に並べる ステップと、検出器を固定直線偏光子から出た光と光学的に一直線に並べるステ ップと、試料から出た光を検出して検出器が生成した電気信号を分析器で処理し て試料内部の光学活性化合物の濃度を示すステップを含む、試料の円遅延の測定 を提供する。 本発明の追加のプロセスは、試料を本発明の偏光生成器と光学的に一直線に並 べるステップと、光を偏光生成器および試料中を通過させ、試料から出た光を検 出し、検出器が生成する電気信号を分析器で処理して試料内部の光学活性化合物 の濃度を示すステップを含む、試料の円二色性の測定を行う。 本発明のさらなるプロセスは、複数の波長を使ってミュラー行列、円遅延、ま たは円二色性の測定を行う。 本発明のさらなるプロセスは、削減が水平直線ディアッテネーション、４５° 直線ディアッテネーシょン、円ディアッテネーション、水平直線遅延、４５°直 線遅延、円偏光遅延、または偏光解消から選択される試料のミュラー行列の削減 を行う。 本発明の装置およびプロセスでの検出対象の好ましい光学活性化合物はブドウ 糖である。好ましい生物学的試料は液体試料であるか、本発明の非侵襲的な方法 の場合、指、耳朶、目、瞼、または目の水様液である。 図面の簡単な説明 本明細書の一部を形成する図面のうち、 第１図は本発明の装置の第一の実施形態の図である。 第２図は本発明の装置の第二の実施形態の図である。 第３図は本発明の装置の第三の実施形態の図である。 第４図は本発明の装置の第四の実施形態の図である。 第５図は本発明の装置の第五の実施形態の図である。 第６図は本発明の装置の第六の実施形態の図である。 発明の詳細な説明 本発明は、光が試料と相互作用する際の光の全偏光状態の変化を用いた生物学 的試料内の光学活性化合物の濃度の非侵襲的な測定のための装置およひプロセス を提供する。 本発明のプロセスは、試料の全偏光状態を測定するステップと、試料の測定し た偏光状態をその化合物の既知の濃度すなわち基準を備えた試料の偏光状態と比 較するステップを含む。 ここで使用する「非侵襲的」という用語は本発明のプロセスが生体を侵襲する ことなくその生体に対して実施できることを意味する。換言すると、ある試料内 の光学活性化合物の濃度を測定する場合にその試料を生体から取り出さずまたは 生体に器具を挿入せずにプロセスを使用できる。 光学活性化合物は当技術分野ではその試料を照らす光の波長、位相または輝度 を変化させる化合物を表すものとして周知である。光学活性化合物の作用を受け る光の態様および特定のスペクトルも当業者には周知である。 ここで使用する「光」という用語は好ましくは１００ｎｍから２０μｍ、より 好ましくは４００ｎｍから約１０μｍの範囲の電磁放射をさす。 好ましい実施形態では、光学活性化合物はブドウ糖である。 この実施形態によって、本発明は生物学的試料内のブドウ糖の濃度を決定する非 侵襲的なプロセスを提供する。 このプロセスはビームの偏光状態を操作するステップと、操作した光を試料中 を通過させるステップと、試料から出た光の偏光状態を操作するステップと、操 作済みの試料から出た光の周波数、位相および輝度を検出するステップと、操作 した光の検出で生成された電気信号を試料内部のブドウ糖の濃度を示す信号に変 換するステップを含む。 ブドウ糖の濃度を決定する既存の方法は試料の光学的回転と円二色性の測定値 のみを用いる。以下に詳述するように、これらの態様は光の偏光状態から得られ る情報の一部にすぎない。 本発明のプロセスは、各種の体液区画に含まれる分析物（analyte）の測定に 特に適している。特に好ましい分析物はブドウ糖である。ブドウ糖は近赤外線（ ＮＩＲ）波長範囲、例えば約４００ｎｍから約１８００ｎｍの範囲内の光のある 種の特性を変化させることが知られている。 本発明のプロセスによって、既知の偏光状態の光は生成されて目的の試料へ向 けられる。その光の波長は濃度が決定される特定の化合物の影響を受けることが 知られている波長を含む。 しかしながら、試料内の光学活性化合物は光の偏光状態を変化させる。この変化 した光は既知の偏光状態を測定する光学機器で分析され検出される。光源と検出 器の偏光状態は変化し、再度測定が行われる。この処理が全偏光状態が決定され るまで繰り返される。 試料の全偏光状態は試料に入る光および／またはそこから出た光の偏光状態を 操作し、試料から出た光の検出後に測定される。有用な偏光操作装置を次に示す 。０°の向きの直線偏光子（グローバル座標系を定義する）の後ろに、例えば高 速軸が直線偏光子に関して４５°の向きにある液晶、電気光学変調器またはその 他の可変リターダを配置する。可変リターダの後ろに高速軸が偏光子の透過軸に 平行な第二の可変リターダを配置する。この偏光操作装置の一つの利点は、光学 エレメントを移動する必要がないことである。この操作装置は脈動周波数よりも はるかに速い周波数で直接変調を行うという点で別の利点がある。試料に入る光 の偏光状態も、試料に入る前に光を第一の偏光子と第一の可変リターダ（前述） 中を順次通過させることで操作できる。試料から出た光の偏光状態は光を第二の 可変リターダと第二の偏光子中を順次透過させることで操作できる。 目的の一つまたは複数の化合物についてデータが収集され、偏光状態の変化と目 的の化合物の関係が決定される。これらの関係の知識を用いて濃度の決定が未知 の試料の測定によって可能となる。 試料ホルダが試料を光ビーム中に位置するように濃度測定の装置を構成するこ とによって、上記のプロセスですべての生物学的試料を使用することができる。 好ましい実施形態では、試料は体液試料で試料ホルダはその試料を含むことが知 られている生体の一部を受容するように構成される。例示の好ましい体の一部は 指、耳朶、および目である。そのような身体部分を受容するよう光学機器を構成 する手段は当技術分野では周知である。 試料の偏光情報は試料に入る光およびそこから出た光の偏光状態を操作した後 で測定される。次に試料から出た光の周波数、位相および輝度が検出される。 これによって、試料に入る光の偏光状態は、試料に入る前に光を第一の検出器 および第一の可変リターダ中を順次通過させることで操作される。次に試料から 出た光の偏光状態は光を第二の可変リターダおよび第二の検出器中を順次通過さ せること で操作できる。 第二の光の偏光手段から出た光の周波数、位相および輝度が検出され、電気信 号が生成される。この電気信号は試料内の光学活性化合物の濃度と相関させられ る。 当業者にはこれで明らかであるが、上記のプロセスは試料の光に対する影響を 決定するためのミュラー行列に含まれる情報をすべて使用する。ミュラー行列は 試料が光に与える偏光の変化を記述する周知の数学的方法である。ミュラー表現 は部分偏光と相互作用するので他の表現よりも一般的であり、散乱媒体を記述す るのに使用できる。 ミュラー行列は光学系が非偏光か偏光かによって７または１６の自由度を含む 。ミュラー行列を完成するには１６個の測定値が必要である。行列の諸要素を直 接測定する知られている方法は存在しない。測定を行い、測定値をミュラー行列 の要素に変換する周知の方法がいくつかある（例として、AzzamおよびBashara著 「Ellipsometry and Polarized Light」、North Holland Publishing、１９７７ 年を参照）。 ミュラー行列を分解して（行列の極分解が行われる）試料の偏光状態の変化特 性が完全に記述される。試料は次の三つの偏 光状態の変化特性を表示できる。（１）ディアッテネーション輝度透過率（反射 率）に入る光の偏光状態への依存度、（２）リターダンス−出射光ビームの位相 （光路長）の偏光状態への依存度、および（３）偏光解消−偏光を非偏光に結合 するプロセス。偏光解消は分散および空問、時問、または波長あるいはそのすべ てで変化するディアッテネーションおよびリターダンスと本質的に関連付けられ ている。ディアッテネーション、リターダンス、および偏光解消はより特定の偏 光特性の種類にさらに分解できる。ディアッテネーションは三つの自由度を備え る。これらの自由度は通常、水平直線、４５°直線および円偏光ディアッテネー ションと呼ばれる。水平（４５°直線）とは、水平（４５°直線）直線偏光状態 と直交直線偏光状態の減衰の差をさす。円偏光ディアッテネーション（円二色性 と呼ばれる現象）は右旋偏光と左旋偏光の減衰の差として定義される。同様に、 リターダンスには水平直線、４５°直線および円偏光成分を備えた三つの自由度 がある。偏光解消には一般に九つの自由度がある。 目的の化合物（特にブドウ糖）は、三つの可能な偏光状態を変化させる特性す なわちリターダンス、ディアッテネーション および偏光解消を表すことができる。単一の分子は、円偏光リターダンスおよび 円偏光ディアッテネーションだけでなく直線複屈折および直線ディアッテネーシ ョンを表すことができる。たたし、同じ分子が多数ある溶液は、分子にある長い 範囲の配向のオーダーが課されない限り直線リターダンスも直線ディアッテネー ションも示さない。向きかランダムな分子が集合した溶液では、個々の分子の直 線ディアッテネーションおよび直線リターダンスの寄与は平均してゼロになる。 これに対してリターダンスおよびディアッテネーションの円偏光成分は濃度と光 路長に伴って増加する。 例えば血液、組織、または目の水様液のミュラー行列は目的の化合物、周囲の 媒体、およびその他の成分からの偏光寄与を含む。測定値からの偏光成分は目的 の成分の偏光シグニチャが区別できるように分離する必要がある。例えば、角膜 を伝搬する光に関連付けられたミュラー行列を測定する場合、ブドウ糖、角膜壁 、コレステロール分子、およびその他の化合物からの偏光寄与が存在する。その 結果、各成分からの偏光シグニチャが混合され目的の信号で干渉が生じる。ミュ ラー行列分解によって干渉する寄与を信号から除去することができる。周囲の媒 体 の干渉する寄与が所望の偏光シグニチャから分離できるとしても、測定値は身体 の測定位置の関数になる。周囲の媒体の偏光の小さい変化が化合物濃度のスプリ アス測定値を発生させる。 現在、ミュラー行列をその成分に分離するアルゴリズムが存在する。任意のミ ュラー行列を仮定すれば偏光分解が行列について実行され直線および円偏光ディ アッテネーション（自由度３）、直線および円偏光リターダンス（自由度３）、 および偏光解消インデックス（自由度１、ただし自由度９まで使用可能）が決定 される。 上記の測定は完全ミュラー行列に対してミュラー行列の特定の部分の測定のた めに簡素化できる。測定手順は特定の形式、すなわち、リターダンス、ディアッ テネーションまたは偏光解消の変更に対して最も感度が高くなるように設計でき る。その後に光学的回転（円偏光リターダンス）、および円二色性（円偏光ディ アッテネーション）の変化を感知する本発明のプロセスの二つの実施形態がある 。 円偏光リターダンスを感知するプロトコルは次のように記述できる。試料が円 偏光リターダンスだけを表示する場合、試料は偏光に関して次の諸特性を表示す る。第一に、円偏光が試料 に導入されると円偏光は変化せずに試料から出力される。直線偏光が試料に導入 されると試料から出力される直線偏光の向きは円偏光リターダンスの大きさの半 分に等しい角度だけ回転する。例えば、リターダンスが１８０°の円偏光リター ダは直線入射光ビームを９０°回転させる。このように本発明のこの実施形態は 直線偏光ビームの回転を測定するので大きなデータセットに適合する最小自乗が 必要である。 このシステムの偏光生成器はミュラー行列の測定用の前述のシステムと同一で あるが偏光分析器から可変リターダは取り外されている。第二の可変リターダは ９０°に設定され、第一のリターダは０°から１８０°の間で周期的に変化する 。偏光生成器の機能は向きが時間関数として０°から１８０°の間で変化する直 線偏光を生成することである。試料が取り除かれると、直線偏光入射光の向きが ０°から１８０°の間で変化するにつれて検出器に入る光の輝度が時間に関して 正弦曲線を描いて変化する。この振動の周期は偏光生成器の周期の半分である。 換言すると、偏光生成器からの直線偏光の向きが０°から１８０°の間で変化す るにつれて検出器のシヌソイドが半分の周期の振動を受ける。光学的回転を有す る試料が挿入されると、シ ヌソイドの位相が試料の円偏光リターダンスの半分に等しい量だけずれる。 本発明のこのプロセスを複数の波長を使用できるように較正して、可変リター ダ内のリターダンスの小さな変化を記述することができる。 円二色性を感知するプロトコルは次のように記述できる。本発明のプロセスの この実施形態は右旋偏光と左旋偏光の間の差分吸収を測定する。光学系は検出器 の前の偏光子が取り外されている点を除いて光学的回転を測定する系と同じであ る。第一の可変リターダは９０°に設定されて光源からの直線偏光ビームを円偏 光に変換する。第二の可変リターダは右旋偏光ビームを左旋偏光に変換するため に用いられる。第二の可変リターダはまずゼロリターダンスに、次に段階を追っ て１８０°のリターダンスまで設定される。こうして光学系は右旋偏光、次に左 旋偏光の透過率を測定する。これら二つの状態の透過率のいくつかの測定値が測 定されてＳ／Ｎ比が増加する。 ミュラー行列はそれそれ個別の偏光形式、すなわち、ディアッテネーション、 偏光解消およびリターダンスを記述する三つのより簡単なミュラー行列に分解で きる。 条件が以下のように与えられたミュラー行列Ｍを考える。 リターダがポアンカレ球に表現された入射光の偏光状態に与える影響はリター ダンスと同一の角度分高速軸の周囲に回転した量に等しい。従って、行列、 はリターダンスδを備え高速軸が［１、ｒ₁、ｒ₂、ｒ₃］^Tにあるリターダの最も 一般的なミュラー行列である。ｒ₁ ²＋ｒ₂ ²＋ｒ₃ ²＝１であることに注意されたい 。例えば、［１、ｒ₁、ｒ₂、ｒ₃］^Tが［１、１、０、０］、［１、０、１、０］ 、または［１、０、０、１］と等しいとすると、それそれ４５°、直線、および 円偏光リターダが導出される。 Ｍ^Rの上式は所与の高速軸およびリターダンスを備えたリターダのミュラー行 列を導出する方法を提供する。さらに、この式は純粋なリターダのミュラー行列 を仮定すれば高速軸の向きとリターダンスの大きさを決定する。ダイアッテネー タは対称的なミュラー行列を備える。ダイアッテネータの最も一般的なミュラー 行列は次の通りである。 ｄ₁、ｄ₂およびｄ₃はディアッテネーションの水平、４５°、直線、および円偏 光成分を表す。ディアッテネーション行列はディアッテネーションの大きさと試 料の向きに関する完全な状態を備える。 ミュラー行列の偏光分解から、すべての非偏光解消ミュラー行列がダイアッテネ ータに続くリターダとして次のように表される。 Ｍ＝Ｍ_RＭ_D リターダのミュラー行列Ｍ_Rは，Ｍ_Dが単数でないと仮定して次の式から計算でき る。 Ｍ_Dが単数の場合、試料が理想的なダイアッテネータ（完全な偏光子）であると いう意味である。この場合、リターダンスは定義されず、そのミュラー行列は一 意的に決定されない。 ーダを生まない。以下のステップをさらに実行する必要がある。ます次式で与え られる行列Ｍ’を構築する。 上式でＭ’はリターダンスと偏光解消状の状態を両方備える。一般性を失うこと なく、Ｍ’はリターダのミュラー行列に続けて偏光解消のミュラー行列を記述し た次式で与えられる。 Ｍ'＝Ｍ_dpＭ_R 上式でＭ_dpは純粋な偏光解消のミュラー行列である。ここか ら、偏光解消のミュラー行列は対照的で、その自由度が９まで減り、偏光解消の ミュラー行列にはディアッテネーションもリターダンスもないことがわかる。こ れらの関係から、入射光の偏光解消状態の偏光の程度の減少はディアッテネーシ ョンおよひリターダンスから分離される。この計算の詳細がMueller matrix ima ging polarimetry、Chapter 2、J．L Pezzaniti、Ph.D.、dissertation、The Un iversity of Alabama in Huntsville（1993）に記述されている。 別の態様では、本発明は生物学的試料内の光学活性化合物の非侵襲的な測定装 置を提供する。 そのような装置の一つの実施形態は非偏光の光源、光源と光学的に一直線に並 んだ第一の偏光操作装置、第一の偏光操作装置手段と光学的に一直線に並んだ生 物学的試料を固定する試料ホルダを含む。試料ホルダと光学的に一直線に並んだ 第二の偏光操作装置、第二の偏光操作装置と光学的に一直線に並んだ検出器、お よび検出器からの電気信号を分析して信号を光学活性化合物の濃度と相関させる 分析器もその装置の一つの実施形態に含まれる。 そのような装置８の図が第１図に示されている。第１図を参 照すると、装置８は電源（図示されていない）に結合されこれによって駆動され る光源１０を含む。第１図の実施形態では、光源は多色光を提供する。 多色光の光源は当業では周知である。代表的な光源はタングステン−ハロゲン フィラメントランプである。試験中の化合物によって影響を受けると知られてい る波長範囲を含む光を提供するすべての多色光源が本発明の精神および範囲を逸 脱することなしに使用できる。 以降に開示される別の実施形態では、光源は特定の波長で光を放射する発光ダ イオード（ＬＥＤ）またはレーザである。光源１０から放射された光は非偏光化 される。光源１０から出た偏光されていない光は空間的にコヒーレントまたは平 行である。 偏光されていない光は光源１０から出力された後で第一の偏光操作装置１２を 通過する。第一の偏光操作装置１２は光源１０からの平行な偏光されていない光 を受けられるように光源１０と光学的に一直線に並んでいる。 偏光操作装置１２は光の偏光状態を変える光学的エレメントの組み合わせであ る。そのような操作装置に含まれることができる光学的エレメントはダイアッテ ネータ、偏光子およびリタ ーダを含む。 第一の操作装置１２からの光は測定の間生物学的試料を固定する試料ホルダ１ ４へ向けられる。試料ホルダは指などの人体の一部の非侵襲的な測定用に構成さ れている。 試料ホルダ１４は第一の偏光操作装置１２と光学的に一直線に並ぶように配置 される。この配列によって、生物学的試料（例えば指）は操作装置１２を通過す る光を受ける。 本装置は試料ホルダ１４と光学的に一直線に並んだ第二の偏光操作装置１６を さらに含む。操作装置１６は試料ホルダ１４内に含まれる試料を通過する光を受 ける。 第二の偏光操作装置１６から出力された後で、光は試料から出た光の周波数、 位相、および輝度を検出する検出器１８へ向けられる。検出器１８は第二の操作 装着１６から出た光を受けるように第二の操作装置１６と光学的に一直線に並ぶ 。 検出器１８は分析器２０へ送られる電気信号を生成する。好ましい実施形態で の分析器２０は検出器１８からの電気信号を処理するディジタルのプログラムさ れたデータプロセッサである。これに応答して、分析器２０は試料内部の光学活 性化合物濃度を示す信号を生成する。アナログ分析回路をディジタル回 路の代わりに使用してもよい。 分析器２０はまた第一の操作装置１２および第二の操作装置１６に電子的に結 合されて偏光の操作を調整する。 本発明の一つの有利な点は、そこへに入る光の全偏光状態を記述するのに必要 な光のそれらすべてのエレメントを検出して測定する検出器１８の使用である。 検出器は試料の完全なミュラー行列を測定する場合には完全であり、そうでない 場合には不完全である。 光の全偏光状態を用いるため（すなわち、ミュラー行列の使用に必要な測定を 完了するため）、第一の操作装置１２および第二の操作装置１６が光の偏光状態 およびリターダンスを操作することが必要である。 偏光とは伝搬方向に関する光の向きをさす。偏光は、直線、円または楕円であ る。直線偏光の場合、最大および最小透過率または反射率を備えた偏光状態は直 線である。円形偏光の場合、対応する偏光状態は円であり、楕円偏光の場合、こ れに関連付けられた偏光状態は楕円である。 リターダンスは偏光エレメントの二つの固有偏光状態の位相累積（光路長）の 差である。一方の固有偏光状態の累積位相は 最大で、他方の固有偏光状態の累積位相は最小である。 偏光操作装置は偏光子およびリターダを使用して光の偏光状態およびリターダ ンスを変化させる。そのような装置を採用した装置８−１の図が第２図に示され ている。 第２図を参照すると、第一の光操作装置１２は光源１０と光学的に一直線に並 んだ第一の偏光子２２を含む。第一の偏光子を通過する光は第一の可変リターダ ２４へ向けられる。 第一の可変リターダ２４は第一の偏光子２２と、光学的に一直線に並んでいる 。第一の可変遅延装置２４から出た光は試料ホルダ１４中に含まれる試料に無け られる。 さらに第２図を参照すると、第二の偏光操作装置１６は試料ホルダ１４と光学 的に一直線に並んだ第二の可変リターダ２６と第二の可変リターダ２６と光学的 に一直線に並んだ第二の偏光子２８を含む。 第一の偏光子２２および第二の偏光子２８は両方とも直線偏光子で好ましくは 固定偏光子である。そのような直線偏光子はそれを通過する光を直線的に偏光す る高い拡張係数を備えたすべての水晶またはポラロイド偏光子である。 第一の可変リターダ２４および第二の可変リターダ２６は固 定または回転リターダである。好ましい実施形態では、第一および第二の可変リ ターダは固定式でこれらのリターダの回転周波数を制御する分析器２０に電子的 に接続されている。この好ましい実施形態の詳細は前述している。また別に、第 一のリターダが固定式で第二のリターダが回転式であってもよい。この実施形態 では、回転リターダは回転台に搭載され、前述の分析器に電子的に接続されてい る。 第一および第二の回転リターダの回転周波数はそれらが異なる角周波数で回転 できるように調整される。一つの実施形態では、第二の回転リターダは第一の回 転リターダの回転の角周波数よりも大きな周波数で回転できる。そのような実施 形態では、第二の回転リターダは第一の回転リターダの回転の角周波数の五倍の 周波数で回転することが好ましい。 周知のリターダは結晶軸が伝搬方向に垂直の向きにある複屈折性の平行板であ る波長板である。波長板は結晶性クオーツのような実用的な厚みがある複屈折性 の耐久材から製作されることが多い。 クオーツの高い複屈折性のため、単一層のクオーツのきわめて薄い層を備えた 四分の一波長または半波長の遅延装置だけが 製作できる。きわめて薄い板を裂く別の方法は実用的な厚みのクオーツを使用し て複数倍の波長板、例えば、１ｍｍの厚みに対して１５．５波のリターダンスの 波長板を製作することである。 そのような波長板の動作は半波長板の動作と全く同じである。しかしながら、 光波長が変化するにつれて、遅延は半波長板の場合と比較してはるかに高速で変 化する。同様に、高速軸および低速軸の回りの遅延の感度は実際の半波長板の場 合よりもはるかに高い。 さらに別の態様では、本発明による装置は光を装置８内部に導くための集束エ レメントをさらに含むことができる。そのような実施形態８−２が第３図に示さ れている。 第３図に示されるように、第一の集束エレメント３０は光源１０と第一の偏光 子２２の間に位置している。集束エレメント３０は光源１０および第一の偏光子 ２２に光学的に一直線に並び、光源１０から出た光を集束して第一の偏光子２２ に向ける。同様に、第二の集束エレメント３２は第二の偏光子２８と検出器１８ の間に位置し、第二の偏光子２８から出た光を検出器１８に向けて集束する。 第１図から第３図に示される実施形態では、記述された装置は単一光源と単一 検出器構造を使用する。装置はまた単一の検出器を備えた複数の光源または複数 の検出器を備えた単一の光源を用いることができる。このような実施形態は第４ 図、第５図、第６図に示されている。 そのような一つの実施形態によると、試料から出る操作された光は個別の波長 に分散し、それらの個別の波長がそれぞれ個別に検出される。この機能を達成す るためにポリクロメータ(polychrometer)が用いられる。 したがって、本発明による装置の別の実施形態は、第二の集束エレメントと光 学的に一直線に並んだビームスプリッタ光と、ビームスプリッタ光および検出器 と光学的に一直線に並んでその間に位置する分散エレメントを含むことができる 。この場合、検出器は複数の直線アレイ検出器を含む。 そのような装置８−３の実施形態が第４図に示されている。第４図の装置は、 第３図ですでに述べた光源１０、第一の集束エレメント３０、第一の偏光子２２ 、第一の可変リターダ光２４、試料ホルダ１４、第二の可変リターダ２６、第二 の偏光子２８、および第二の集束エレメント３２を含む。 ポリクロメータ(polychrometer)の使用に伴い、第二の集束エレメント３２か ら出る集束光はスリット３４を通過する。スリット３４から出た光は次に分散エ レメント３６へ向けられ、ここで光は個々の波長スペクトルに分離される。 固有のスペクトルに分離された光は分散エレメント３６から直線アレイ検出器 ３８へ向けられる。直線アレイ検出器３８は所与の偏光状態での各波長の光の輝 度を測定する。他の実施形態の場合と同様、第一および第二の偏光子と第一およ び第二の可変リターダを用いて特定の偏光状態が生成される。 当業者はスリット３４、分散エレメント３６、および直線検出器アレイ３８と 等価の構造を直ちに想起するであろう。分散エレメントは回折格子、ホログラム またはプリズムである。ポリクロメータはまた走査モノクロメータ(monochromet er)および単一の検出器で置き替えることができる。 さらに別の実施形態では、本発明による装置が複数の個別の波長検出器を利用 できる。それによる装置８−４の図が第５図に示されている。この実施形態では 、光は図４と同様に操作される。ただし、装置８−４では、光はポリクロメータ を使わずにそれぞれが検出された波長範囲の一部だけを感知するいくつ かの個別の検出器を使って検出される。 したがって、第５図では、第二の偏光子２８から出た光は複数のビームスプリ ッタ４０ａ−ｃへ向けられる。ビームスプリッタ４０は光を個々の検出器４２ａ −ｃへ向ける。それぞれの検出器４２ａ−ｄは測定された波長範囲の個別の領域 を感知する。それぞれの検出器４２ａ−ｄは分析器２０と電子的に結合されてい る。 別の実施形態では、それぞれが特定の波長範囲の光を提供する複合光源が用い られる。そのような装置はそれぞれが特定の波長で光を放射する複数の個別の光 源を含む。そのような装置はさらに複数のフィルタリングエレメントと複数のル ーティング光学要素を含むことが好ましい。この実施形態にさらに従って単一の 検出器が用いられる。 そのような実施形態８−５の図が第６図に示されている。第６図に示された装 置８−５では、単一の光源が複数の個別の光源４４ａ−ｂに置き替えられている 。好ましい実施形態では、これらの個別の光源は発光ダイオード（ＬＥＤ）、レ ーザダイオードまたはレーザである。 個別の光源４４ａ−ｂから出た光は個別の光源４４ａ−ｂと 光学的に一直線に並んだフィルタリングエレメント４６ａ−ｂを通過する。フィ ルタリングエレメント４６ａ−ｂを通過する光は次に第一の偏光子２２に向けら れる。第一の偏光子２２から検出器１８までの光学的経路は前述の通りである。 フィルタリングエレメント４６ａ−ｂから出た光はルーティング光学要素４８ ａ−ｂを使って第一の偏光子２２へ向けられる。そのようなルーティング光学要 素の例は銀の鏡などの反射または反射／透過装置である。 以上、本発明を好ましい実施形態に関して説明してきた。これらの実施形態は いかなる点からも特許請求の範囲と明細書を限定するものではない。当業者は本 発明の範囲と精神を逸脱しないこれらの実施形態の変更、修正および改変を直ち に想起できるはずである。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．ａ）偏光されていない光源と、 ｂ）光源と光学的に一直線に並んだ光の偏光状態を操作する第一の手段と、 ｃ）光を操作して試料を通過させる、第一の手段と光学的に一直線に並んだ生物 学的試料を保持する試料ホルダと、 ｄ）試料ホルダと光学的に一直線に並んだ、試料を透過した光を受けるための光 の偏光状態を操作する第二の手段と、 ｅ）光の偏光状態を操作する第二の手段と光学的に一直線に並んだ光の検出手段 と、 ｆ）光の検出手段からの電気信号を分析してその信号を光学活性化合物の濃度と 相関させる手段と を含む生物学的試料内の光学活性化合物の非侵襲的測定装置 ２．光の偏光状態を操作する第一の手段が、光源と光学的に一直線に並んだ第一 の偏光手段と、第一の偏光手段及び試料ホルダと光学的に一直線に並んだ光を可 変的に遅延させる第一の手段とを含む請求の範囲第１項に記載の装置。 ３．第一の偏光手段が第一の偏光子を含み、光を可変的に遅延 させる第一の手段が第一の可変リターダを含む請求の範囲第２項に記載の装置。 ４．第一の可変リターダが第一の回転リターダである請求の範囲第３項に記載の 装置。 ５．第一の可変リターダが、第一のリターダの高速軸が、第二のリターダに対し て約４５°の向きにある二つの可変リターダを含む請求の範囲第３項に記載の装 置。 ６．光の偏光状態を操作する第二の手段が、試料ホルダと光学的に一直線に並ん だ光を可変的に遅延させる第二の手段と、光を可変的に遅延させる第二の手段及 び光の検出手段と光学的に一直線に並んだ第二の偏光手段とを含む請求の範囲第 ２項に記載の装置。 ７．光を可変的に遅延させる第二の手段が、第二の可変リターダを含み、第二の 偏光手段が第二の偏光子を含む請求の範囲第６項に記載の装置。 ８．第二の可変リターダが、第二の回転リターダを含む請求の範囲第７項に記載 の装置。 ９．光を可変的に遅延させる第一の手段が、第一のリターダの高速軸が第二のリ ターダに対して約４５°の向きにある二つの 可変リターダを含む請求の範囲第７項に記載の装置。 １０．分析手段が、検出手段と機能的に結合されたデータプロセッサと、偏光状 態を操作する第一および第二の手段と機能的に結合された制御装置とを含む請求 の範囲第１項に記載の装置。 １１．光源と光の偏光状態を操作する第一の手段の間に位置する第一の光を集束 する手段と、光の偏光状態を操作する第二の手段と光の検出手段の間に位置する 第二の光を集束する手段とをさらに含む請求の範囲第１項に記載の装置。 １２．第二の光を集束する手段と光学的に一直線に並んだ光の分割手段と、光の 分割手段と光の検出手段と光学的に一直線に並んでその間に位置する光の分散手 段とをさらに含む請求の範囲第１１項に記載の装置。 １３．光の検出手段が複数の直線アレイ検出器を含む請求の範囲第１２項に記載 の装置。 １４．光源が、それそれ特定の波長で光を放射する複数の個別の光源を含む請求 の範囲第１項に記載の装置。 １５．それぞれが個別の光源と光学的に一直線に並んだ複数の光のフィルタリン グ手段をさらに含む請求の範囲第１４項に記載の装置。 １６．それぞれが光のフィルタリング手段の一つと光学的に一直線に並び、フィ ルタリング手段からの光を第一の光の偏光状態の操作手段へ向ける位置にある複 数の光の反射手段をさらに含む請求の範囲第１５項に記載の装置。 １７．試料の全偏光状態を測定するステップと、試料の測定した偏光状態をその 化合物の既知の濃度を備えた試料の偏光状態と比較するステップとを含む生物学 的試料内の光学活性化合物の濃度決定方法。 １８．試料の偏光状態が、試料に入る光および試料から出た光の偏光状態を操作 し、試料から出た光を検出した後に測定される請求の範囲第１７項に記載の方法 。 １９．試料に入る光の偏光状態が、試料に入る前に光を第一の偏光手段と第一の 可変的に光を遅延させる第一の手段中を順次通過させることで操作される請求の 範囲第１８項に記載のプロセス。 ２０．試料から出た光の偏光状態が、光を可変的に遅延させる第二の手段と第二 の偏光手段中を順次通過させることで操作される請求の範囲第１９項に記載のプ ロセス。 ２１．光学活性化合物がブドウ糖である請求の範囲第１７項に 記載のプロセス。 ２２．ａ）光ビームの偏光状態を操作するステップと、 ｂ）操作した光を試料中を通過させるステップと、 ｃ）試料から出た光の偏光状態を操作するステップと、 ｄ）試料から出た操作された光を検出するステップと、 ｅ）操作された光の検出で生成された電気信号を試料内部のブドウ糖の濃度を示 す信号に変換するステップと を含む生物学的試料内部のブドウ糖の濃度を決定する非侵襲的なプロセス。 ２３．ａ）光ビームを第一の偏光子および第一の可変リターダ中を順次通過させ るステップと、 ｂ）光を試料ホルダ内に含まれる試料中を通過させるように向けるステップと、 ｃ）試料から出た光を第二の可変リターダおよび第二の偏光子中を順次通過させ るステップと、 ｄ）第二の偏光子から出た光を検出器で検出するステップと、 ｅ）検出器で生成された電気信号を処理して分析器で試料内のブドウ糖の濃度を 示す信号に変換するステップと を含む生物学的試料内部のブドウ糖の濃度を決定する非侵襲的 なプロセス。 ２４．ａ）直線偏光子と、 ｂ）高速軸が第一の偏光子の透過軸に関して４５°の向きにある第一の可変リタ ーダと、 ｃ）高速軸が直線偏光子の透過軸と平行に向き、第一の可変リターダと光学的に 一直線に並んだ第二の可変リターダと を含む試料に偏光状態を導人する偏光生成器。 ２５．試料を請求の範囲第２４項に記載の偏光生成器で生成された光ビームと光 学的に一直線に並べるステップを含む試料のミュラー行列を測定する方法。 ２６．光学的に一直線に並んだ ａ）第一の可変リターダと、 ｂ）高速軸が第一の直線リターダの高速軸に関して４５°の向きにある第二の可 変リターダと、 ｃ）透過軸が第一の可変リターダの高速軸と平行な直線偏光子と を含む試料の偏光状態を分析する偏光分析器。 ２７．ａ）試料を請求の範囲第２４項に記載の偏光生成器で生成された光ビーム と光学的に一直線に並べるステップと、 ｂ）請求の範囲第２６項に記載の偏光分析器を試料から出た光と光学的に一直線 に、偏光生成器で生成された光ビームと平行に並べるステップと、 ｃ）光を偏光生成器、試料、および偏光析器中を通過させるステップと を含む試料のミュラー行列を測定する方法。 ２８．ａ）試料を請求の範囲第２４項に記載の偏光生成器と光学的に一直線に並 べるステップと、 ｂ）固定直線偏光子を試料から出た光と光学的に一直線に並べ、偏光子の軸を偏 光生成器と一直線に並べるステップと、 ｃ）検出器を固定直線偏光子と光学的に一直線に並べるステップと を含む円形リターダンスの測定方法。 ２９．ａ）試料を請求の範囲第２４項に記載の偏光生成器と光学的に一直線に並 べるステップと、 ｂ）光を偏光生成器および試料中を透過させるステップとを含む円二色性の測定 方法。 ３０．複数の波長を用いてミュラー行列、円偏光リターダンスまたは円二色性を 測定する方法。 ３１．削減が水平直線ディアッテネーション、４５°直線ディアッテネーション 、円形ディアッテネーション、水平直線リターダンス、４５°直線リターダンス 、円形リターダンス、または偏光解消から選択される試料のミュラー行列の削減 方法。