JP2008531989A - 埋め込まれたバイオセンサによる表面増強分光 - Google Patents
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Abstract
本発明は、生体試料の毛細血管中を流れる体液の分析物の濃度を測定する分光装置、方法及びコンピュータプログラムを提供する。分光装置は、毛細血管の近傍ではあるが当該毛細血管の外側で生体試料に埋め込まれた少なくとも１つのバイオセンシング基質の位置を測定する撮像システムを利用する。バイオセンシング基質は、表面増強分光効果を引き起こすことが可能であり、好ましくは、毛細血管の血管壁が少なくとも半浸透性である、体液の特定の分析物又は分子に可逆的及び選択的に結合する。分光分析を毛細血管の直接内部においてではなく毛細血管の近傍で実行することによって、不利な散乱及び干渉効果を最小化することができるので、得られる分光信号のＳ／Ｎ比がかなり増強される。
Description
本発明は分光の分野に関し、特に（限定することなく）、生体試料に適用できる表面増強ラマン分光(Surface-Enhanced Raman Spectroscopy（SERS))に関する。
分光の枠組みの中で、特にラマン分光において、表面増強ラマン分光（SERS）につながる表面増強効果は、試料の分析物及び物質の非常に正確かつ高感度な検出を提供する。
通常、ラマン散乱を受ける分子がナノメートルサイズの貴金属構造に付着するか又はナノメートルサイズの貴金属構造の近傍に配置される場合、ラマン散乱過程から生じる非常に弱い信号は大幅に増強され得る。散乱分子が金属表面の近傍に存在する場合、分子の位置における入射場と反射場とのコヒーレント重ね合わせによって、及び電磁放射による表面プラズモンの励起に起因して、ラマン強度の増強が引き起こされる。表面増強分光効果を引き起こすための手段は、好ましくは、表面増強ラマン分光のために設計される。それゆえに、SERSはラマン信号を8〜12桁も増加させる潜在能力を有する。したがって、SERSによって、試料内の単一の分子の検出さえも応用できるようになるかもしれない。
通常、ラマン散乱を受ける分子がナノメートルサイズの貴金属構造に付着するか又はナノメートルサイズの貴金属構造の近傍に配置される場合、ラマン散乱過程から生じる非常に弱い信号は大幅に増強され得る。散乱分子が金属表面の近傍に存在する場合、分子の位置における入射場と反射場とのコヒーレント重ね合わせによって、及び電磁放射による表面プラズモンの励起に起因して、ラマン強度の増強が引き起こされる。表面増強分光効果を引き起こすための手段は、好ましくは、表面増強ラマン分光のために設計される。それゆえに、SERSはラマン信号を8〜12桁も増加させる潜在能力を有する。したがって、SERSによって、試料内の単一の分子の検出さえも応用できるようになるかもしれない。
SERSは医療診断において幅広く応用される。原理上、SERSは身体の体液中に溶解している特定の分析物の濃度を測定するために利用されることができる。このような態様で、例えばヒト又は動物の血管システムの中を流れる血液のグルコース濃度を、最小の侵襲性の態様で生体内において正確に測定することができる。しかし、血液グルコース濃度測定のために、表面増強効果を引き起こすナノ粒子は、所望の表面増強分光効果を得るために、血流中又は血管中に注入されなければならない。
特許文献１は、分析物を検出するための表面増強ラマンナノバイオセンサを開示する。
これらのナノバイオセンサは、EG3が変更されたナノ粒子表面上の銀フィルム（EG3-modified silver film over nanosphere surface(AgFON)）として実現することができる。そのようなナノバイオセンサは可逆的な結合を提供する。また、関係する分析物（例えばグルコース）より非常に大きい分子がナノ粒子表面に接触しないようにするために、透析膜を利用することができる。それゆえに、EG3-modified AgFON表面は、表面増強ラマン分光の枠組みにおけるアプリケーションのために分析物の可逆的及び選択的な結合を提供する。
米国特許出願公開第2004/0180379号
これらのナノバイオセンサは、EG3が変更されたナノ粒子表面上の銀フィルム（EG3-modified silver film over nanosphere surface(AgFON)）として実現することができる。そのようなナノバイオセンサは可逆的な結合を提供する。また、関係する分析物（例えばグルコース）より非常に大きい分子がナノ粒子表面に接触しないようにするために、透析膜を利用することができる。それゆえに、EG3-modified AgFON表面は、表面増強ラマン分光の枠組みにおけるアプリケーションのために分析物の可逆的及び選択的な結合を提供する。
しかし、SERSの目的のために身体の体液に注入されるナノバイオセンサを利用するには、いくつかの不利益を考慮しなければならない。血流中又は血管中で直接に表面増強ラマン分光を実行すると、分光効果の効率は赤血球による散乱プロセスにひどく影響を受ける。さらに、多数の異なる分析物が血液中に存在するために、得られるラマン信号は本質的に血液の多くの成分の分光情報を表す。加えて、複数の異なるラマン信号が干渉を受けるかもしれず、特定の分析物又は身体の体液（例えば血液）の成分の検出がさらに難しくなる。
さらに、SERSを実行するに際して、信号強度は注入されたナノサイズ粒子の形態に強く依存する。結果的に、一定の信号強度のためには、基質の表面が非常に均一であるか、又は分光励起放射が常に表面上の同じスポットに集中していなければならない。
したがって、本発明は、身体の体液中の分析物の最小の侵襲性の生体内濃度測定の精度、信頼性及び患者の快適性を改善する装置、方法及びコンピュータプログラムを提供することを目的とする。
本発明は、体液の分析物に対して少なくとも半浸透性である壁によって閉じ込められる生体試料のボリューム中に位置する体液の分析物の濃度を測定する分光装置を提供する。そのようなボリュームの例は毛細血管であり、毛細血管壁は少なくとも半浸透性の膜である。本発明の装置は、ボリュームの近傍で生体試料に埋め込まれた少なくとも１つの基質の位置を測定する撮像システムを有する。ここで、基質はボリューム（すなわち毛細血管）の内部ではなくボリュームの外側に埋め込まれ、典型的には血管壁の近傍に埋め込まれる。この少なくとも１つの基質はさらに表面増強ラマン分光効果のような表面増強分光効果を引き起こすことが可能である。
前記分光装置はさらに、励起放射を発生する光源、及び埋め込まれた基質上に励起放射の焦点を合わせる焦点調整装置を有する。さらに、前記分光装置は、生体試料から戻ってくる戻り放射を検出する放射検出器、及び検出された戻り放射をスペクトル分析し、検出された戻り放射を利用して分析物の濃度を測定する分光分析システムを有する。
前記分光装置の最大の利点として、関係する分析物がその中に一般的に溶解している身体の体液を含むボリュームの近傍で生体試料中に少なくとも１つの基質が埋め込まれることが必要である。関係する分析物に対して壁が半浸透性なので、分析物は当該壁を通してしみ出ることができ、生体試料中又は組織中の生理的輸送メカニズム（例えば拡散）に従うことができる。例えば毛細血管の隣に表面増強基質を配置することによって、血管壁を通してしみ出ることが可能な体液の分析物だけが、埋め込まれた基質によって引き起こされる表面増強分光効果を受けることができる。このような態様で、その原子、イオン、分子又は分子クラスタが血管壁を通してしみ出ることができず、かつ分光効果を損なう可能性がある他の物質は、表面増強ラマン分光を受けることができない。
典型的に、基質はボリュームの場所及び位置に関して明確な態様で埋め込まれる。好ましくは、関係する分析物の濃度が周囲のボリュームの組織中の拡散に起因してあまり低くならないことを保証するために、少なくとも１つの基質はボリュームの近傍に埋め込まれる。本質的には、全分光手順はボリューム自体（例えば毛細血管）の中ではもはや実行されず、分光分析によってその濃度が測定されるべき関係する分析物が、血管壁を通してしみ出ることが可能であることを効果的に利用する。このような態様で、例えば赤血球による散乱効果は様々な成分によるラマン信号の干渉と同様に、最小に低減されることができる。これは改良された感度、特異性及び増加したＳＮ比を提供し、その結果、全体の分光分析の改良された精度を提供する。
さらに、毛細血管中の生理的に関連する分析物濃度と局所的な分析物濃度との間の時間遅延を低いレベルに保つために、信号増強基質は毛細血管壁の近くの場所に典型的に注入される。当該場所と毛細血管壁との間の間隔は、周囲の組織中における分析物の拡散定数によって典型的に定められ、毛細血管中の分析物の濃度変化を予め定められた時間間隔の範囲内で検出することができるように選択される。この時間間隔は、生理的に関連する濃度変動の時間スケールに関して、典型的にごくわずかでなければならない。
更なる実施の形態によれば、焦点調整装置は、励起放射の焦点を埋め込まれた基質上に選択的に合わせるために撮像システムの出力によって制御可能である。このため、分光装置は、分光励起放射の焦点を埋め込まれた基質上に選択的に合わせるために、埋め込まれた基質を自律的に検出するためのフィードバック機構を有する。このため、撮像システムは、生体試料中に埋め込まれた基質を認識するためにパターン認識手段を備える。一旦、埋め込まれた又はいくつかの埋め込まれた基質が撮像システムによって識別されて認識されると、撮像システムは埋め込まれた基質のうちから励起放射の照射を受ける少なくとも１つを選ぶために最適化手順をさらに実行することができる。この態様において、分光装置は、励起放射の焦点を埋め込まれた基質上に選択的に合わせるための自律的な基質認識及び識別を特徴とする。
さらに、撮像システムは、毛細血管と励起放射の焦点が合わせられる埋め込まれた基質との間の間隔を示す間隔パラメータを導出することができる。そのような間隔パラメータによって、基質の位置における分析物の測定された濃度と毛細血管内に位置する体液中の分析物の濃度との間の相関が得られる。これは、体液中においてではなく毛細血管の外側の決められた距離において分析物の濃度を測定することによって、体液の分析物の濃度を正確に測定することを可能にする。間隔パラメータは、毛細血管の外側の位置に対する毛細血管中の分析物の濃度変化の間の遅延、即ち時間相関を測定することをさらに可能にする。
さらに、本発明は検出された埋め込まれた基質の絶対位置を測定すること可能にし、分光システムの校正、及び連続した分光分析のために埋め込まれた基質上に繰り返し焦点を合わせることを容易にする。
更なる実施の形態において、撮像システムは、少なくとも１つの埋め込まれた基質上の検出可能なマーカーによって、当該少なくとも１つの埋め込まれた基質の位置を測定する。この実施の形態において、埋め込まれた基質は、たとえばそれぞれの照度に応じた蛍光性光学信号を出力する特定の蛍光性マーカーを特徴とする。このような態様で、生体試料のバルク中の埋め込まれた基質の識別及び配置を容易にすることができる。また、特定の蛍光性マーカーを利用することによって、基質識別及び基質認識の信頼性及び有効性を効果的に高めることができる。
更なる実施の形態において、分光装置は、ヒト又は動物の血管システム中を流れる血液の分析物の濃度を測定するために応用できる。ここで、分析物はヒト又は動物の血管システムの血管壁を通してしみ出ることができる。また、分光装置は血管一般に応用でき、血液の流れを必要としない。典型的に、分光装置は、グルコース、脂肪酸（例えばコレステロール）、ホルモン又はタンパク質及びビタミンの濃度測定に応用できる。
その結果として、分光装置は、基質がヒト又は動物のそれぞれのボディ部分の皮下に既に埋め込まれていると仮定して、例えば血液中のグルコース濃度の非侵襲性かつ生体内測定を提供する。ゆえに、本発明の濃度測定のアプリケーションは、表面増強基質を埋め込むための侵襲性の少ない手順を必要とするだけである。一旦、表面増強基質が生物組織に埋め込まれたならば、本発明の分光装置はさまざまな分析物の濃度を測定するために非侵襲性の態様で繰り返し適用されることができ、患者の快適性が大幅に増加する。
他の実施の形態において、分光装置はヒト又は動物の角膜に応用でき、さらに水性体液の分析物の濃度を測定する。またここで、本発明の濃度測定のアプリケーションは、表面増強基質を角膜中又は目の水性体液中に埋め込むか又は注入する侵襲の少ないステップを必要とする。しかし、一旦埋め込まれたならば、表面増強基質は濃度を測定するためにさまざまなその後の手順に繰り返し適用されることができる。
その結果として、分光装置は、基質がヒト又は動物のそれぞれのボディ部分の皮下に既に埋め込まれていると仮定して、例えば血液中のグルコース濃度の非侵襲性かつ生体内測定を提供する。ゆえに、本発明の濃度測定のアプリケーションは、表面増強基質を埋め込むための侵襲性の少ない手順を必要とするだけである。一旦、表面増強基質が生物組織に埋め込まれたならば、本発明の分光装置はさまざまな分析物の濃度を測定するために非侵襲性の態様で繰り返し適用されることができ、患者の快適性が大幅に増加する。
他の実施の形態において、分光装置はヒト又は動物の角膜に応用でき、さらに水性体液の分析物の濃度を測定する。またここで、本発明の濃度測定のアプリケーションは、表面増強基質を角膜中又は目の水性体液中に埋め込むか又は注入する侵襲の少ないステップを必要とする。しかし、一旦埋め込まれたならば、表面増強基質は濃度を測定するためにさまざまなその後の手順に繰り返し適用されることができる。
また、本発明は、例えば特別に準備されたコンタクトレンズによって角膜の外面に適用される信号増強基質と共に目の涙液に適用されることができる。そのような実施の形態においても、本発明の方法は非侵襲性である。
さらに好ましい実施の形態において、少なくとも１つの基質は貴金属を有し、さらに分析物を吸着する。それゆえ、当該少なくとも１つの基質は、表面増強分光効果（例えばSERS）を引き起こすことが可能なナノ粒子の一般的な要件を満たさなければならない。
更なる実施の形態において、さらに、少なくとも１つの基質は分析物を可逆的及び選択的に吸着する。そのため、一旦基質に吸着されたとしても、分析物は表面増強基質に永久に結合又は付着するわけではない。このような態様で、吸着された分析物の量は、周囲の組織中又は周囲の身体の液中の分析物の濃度に対応する。
さらに、表面増強基質は分析物の選択的な吸着を提供する。たとえば、少なくとも１つの基質は、グルコース分子に吸着するが、アルブミンのような巨大タンパク質には付着しない。このような態様で、専用の分析物又は分子だけが少なくとも１つの基質に付着することができ、その結果として、得られるスペクトル信号はこの特定の分子だけの濃度を表わし、ＳＮ比が増加する。
更なる実施の形態において、基質はナノメータ範囲の厚みを特徴とする貴金属の単一層を有し、及び／又は基質は貴金属ナノ粒子をさらに有する。たとえば、基質はEG3-modified AgFON表面によって実現されることができる。そのような専用のバイオセンサは、関係する分析物（例えばグルコース）に選択的及び可逆的に（すなわち永続しない）吸着する。
他の態様において、本発明は生体試料の毛細血管中を流れる体液の分析物の濃度を測定する方法を提供する。毛細血管は体液の分析物に対して少なくとも半浸透性であり、前記方法は毛細血管の近傍で毛細血管の外側で生体試料中に埋め込まれた少なくとも１つの基質の位置を測定するステップを有する。この少なくとも１つの基質は、表面増強分光効果を引き起こすことが可能である。本方法は、励起放射の焦点を埋め込まれた基質上に合わせるステップ、及び埋め込まれた基質に結合している分子又は分析物から放射される戻り放射を検出するステップをさらに有する。さらに、本方法は、分析物の濃度を測定するために検出された戻り放射をスペクトル分析するステップを有する。
更なる実施の形態において、本方法は毛細血管中を流れる血液の分析物の濃度の生体内測定に応用できる。ここで、生体試料はヒト又は動物のボディ部を有し、分析物はそれぞれのボディ部の血管システムの血管壁を通してしみ出ることができる。典型的な実施において、本方法は血液のグルコースの濃度の測定に応用できる。
本発明のさらに好ましい実施の形態において、本方法はヒト又は動物の角膜に応用でき、さらにヒト又は動物の目の水性体液の分析物の濃度を測定する。
別の態様においては、本発明は、生体試料の毛細血管中を流れる体液の分析物の濃度を測定する分光装置のためのコンピュータプログラムを提供する。毛細血管は体液の分析物に対して少なくとも半浸透性であり、コンピュータプログラムは、毛細血管の近傍で毛細血管の外側で生体試料中に埋め込まれた少なくとも１つの基質の位置を測定するために撮像システムの出力信号を処理するコンピュータプログラム手段を有する。この少なくとも１つの埋め込まれた基質は表面増強分光効果を引き起こすことが可能である。前記コンピュータプログラム手段は、さらに励起放射の焦点を埋め込まれ及び認識された基質上に合わせるために焦点調整装置を制御し、さらに検出された戻り放射のスペクトル分析のために放射検出器の出力信号を処理する。当該出力信号が放射検出器によって検出される戻り放射を表すので、放射検出器の出力信号を処理することで分析物の濃度が測定される。
以下において、本発明の好ましい実施の形態が図面を参照して詳細に説明される。
図1は、分光装置及びその主な構成部分の概略ブロック図を示す。分光装置は、対物レンズ110、光源118、分光システム116、撮像システム114、光結合装置112及び対物レンズ制御手段120を有する。図示された実施の形態において、分光装置は例えば人間の患者の皮膚組織に応用できる。人間の患者の組織又はボディ部は、皮膚100の表面の下に血管106を有する。さらに、さまざまなバイオセンシング基質102, 104が血管106の近傍で組織のバルク中に既に埋め込まれている。バイオセンシング基質102, 104は、血管の血管壁108の近傍ではあるが血管自体の外側に埋め込まれる。
埋め込まれたバイオセンシング基質102, 104自体は、選択的及び可逆的に血液の専用の分析物（例えばグルコース）に結合することが可能である。バイオセンシング基質がナノメータサイズの貴金属粒子又は貴金属球を典型的に有するので、例えば近赤外又は赤外の波長範囲における分光励起放射による照射を受けると、バイオセンシング基質に対する分析物の付着又は吸着は、SERSのような表面増強分光効果を提供する。グルコースのような専用の分析物のバイオセンシング基質102, 104への吸着は、血管壁108を通して分析物がしみ出すことを必要とする。したがって、本発明の分光装置及び本発明の方法は、血管106の血管壁108がそれに対して浸透性であるか、少なくとも半浸透性である分析物に対してのみ適用することができる。
さらに、好ましくは、バイオセンシング基質102, 104は専用の分析物の可逆的な（すなわち永続的ではない）結合又は吸着を提供する。このような態様で、基質102, 104に吸着される分子又は分析物の量は、選択された基質102周辺の分析物濃度の測度である。血管壁108がグルコースに対して少なくとも半浸透性であるので、基質102に吸着されるグルコース分子の数は、血管106の中を流れている血液のグルコース濃度と直接的に相関している。したがって、血管106の内部ではなく近辺で生じる表面増強ラマン分光（SERS）効果を利用することによって、分析物の濃度を正確に測定することができる。
血管106の近傍かつ外側におけるバイオセンシング基質による分析物又はグルコース濃度の測定は、赤血球における励起放射の散乱の影響が低減され、様々な分析物のラマン信号間の干渉が低減されるという利点を有する。
分析物濃度を測定する本発明の分光装置及び本発明の方法は、2つの仕方で分析物を選択する。第１に、血管の外側で分析物濃度を測定することによって、血管壁108を通してしみ出ることができない全ての分析物は分光分析を受けることができない。第２に、バイオセンシング基質102, 104が専用の分析物又は分子を選択的に吸着するので、バイオセンシング基質102, 104への吸着に適した分子だけがSERSのような分光分析を受ける。
分光装置の撮像システム114は血管106の近傍の領域の視覚的なイメージを得る。得られたイメージに基づいて、撮像システム114はさらに、埋め込まれたバイオシング基質102, 104を識別し又は認識するために画像処理を実行することが可能である。たとえば、基質検出及び位置測定はバイオセンシング基質102, 104の表面の蛍光性マーカーを利用することによって実行することができる。このような態様で、得られた視覚的なイメージのコントラストをバイオセンシング基質102, 104に関して大幅に増強することができる。血管106の近傍の関係する領域の視覚的なイメージを得るために必要とされる光放射は、好ましくは、対物レンズ110及び光結合装置112によって組織のバルクに結合される。典型的に、光結合装置112は、例えばミラー、ビームスプリッタ、並びに特に、異なる波長の放射を分離するためのダイクロイックミラー及びダイクロイックビームスプリッタなどの、複数のビーム導波及びビームステアリングコンポーネントを有する。
一旦、専用のバイオセンシング基質102の位置が撮像システム114によって測定されると、焦点調整装置の適切なチューニング及び調整のために対物レンズ制御手段120を制御するため、そして選択されたバイオセンシング基質102上への励起放射126の焦点合わせのために対物レンズ110を制御するため、撮像システムの出力即ち撮像システム114によって集められた位置情報を用いることができる。典型的には赤外又は近赤外波長範囲の励起放射は、レーザー光源によって典型的に実現される光源118によって提供される。強い励起放射によりバイオセンシング基質102を照射すると、複数のラマン過程が生じ、分析物又は分子の特性である入射放射と散乱放射との間の波長シフトが生じる。
ラマンシフト放射を大幅に増幅する表面増強ラマン効果に起因して、表面増強ラマン効果から生じる散乱放射部分は、励起放射126に対向する伝搬方向で対物レンズ110及び光結合装置112に入射する戻り放射128の主要部分を構成する。励起放射とラマンシフト信号との間の波長シフトに起因して、光結合装置112のダイクロイック素子を用いて関連するラマンシフト放射は選択的に分光システム116に結合することができ、表面増強ラマン信号は専用の分析物の濃度を測定するために更なる分光分析を受ける。
図2は、バイオセンシング基質102の断面図を示す。バイオセンシング構造102は、好ましくはAg又はAuのような貴金属を含む多数のナノ粒子132, 134を有する平坦な基質130を特徴とする。貴金属粒子は分光分析を受ける分析物又は分子122, 124に選択的に結合するように準備される。好ましくは、結合した分子の数がバイオセンシング基質102の周辺の分子濃度を表すという意味では、分子又は分析物122, 124は可逆的にナノ粒子132, 134に結合される。
ナノセンシング基質102はさらに、例えばグルコースのような特定のタイプの分子又は分析物のみに選択的に結合することができる。それ故、バイオセンシング基質はさらに、関係する分析物（例えばグルコース）よりもサイズが非常に大きい分子又はタンパク等の付着又は結合を防ぐ長い尾のあるチオール又はメルカプタンを備えることができる。原則として、EG3-modified AgFON基質は、グルコースの可逆的及び選択的結合を提供し、血管106近傍の組織のバルクに埋め込むための候補となることができる。EG-modified AgFONの更なる情報及び仕様として、基質は特許文献１、及び"a glucose biosensor based on Surface-Enhanced Raman scattering: improved partition layer, temporal stability, reversibility, and resistence to serum protein interference" by Yanson, Haynes, Zhang et al, Analytical Chemistry, volume 76, number 1, 2004, page 76-85を参照する。これらを本明細書における参照文献とする。
図3は、分析物濃度を測定する本発明の方法を実行するフローチャートを示す。ここで、分析物濃度を測定する方法は、２段階プロセスとして示されるが、異なる場所で実行されることが可能な２つのプロセスに任意に分かれることができる。第１プロセスは、生体試料へのバイオセンシング基質の埋め込みを述べる。したがって、第１ステップ200において血管の位置が測定されなければならない。この測定は、好ましくは、分光装置の撮像システムによって実行されるが、血管106の周辺の関係する領域の視覚的イメージを得るために応用できる別の装置によっても実行されることができる。一旦、血管の位置が測定されると、次のステップ202において、少なくとも１つの基質（典型的には多数のバイオセンシング基質）が血管の外側で血管壁の近傍に埋め込まれる。それはヒト又は動物に害をおよぼすかもしれない侵襲性の少ない処置であるので、この埋め込みは熟練した及び訓練された医療スタッフによって実行されなければならないかもしれない。ステップ202の後、よってバイオセンシング基質の埋め込みの後、埋め込まれた基質が血管壁の明確な近傍に存在する限り、及び例えばラマン信号の信号強度を低下させる可能性があるコラーゲンによって基質が完全に覆われない限り、分析物濃度を測定する第２手順を繰り返し実行することができる。バイオセンシング基質の埋め込みは本発明の分光装置を利用して実行することができるが、表面増強基質を組織のバルクに注入するいくつかの他の標準的な技術によって実行することもできることに注目すべきである。
基質の埋め込みの後、次のステップ204において、少なくとも１つの埋め込まれた基質の位置が分光装置の撮像システム114を利用することにより測定される。複数のバイオセンシング基質を識別して、撮像システムが表面増強ラマン分光に適している１つ又はいくつかのバイオセンシング基質を選択することもできる。それ故、撮像システムを利用することによって、表面増強ラマン分光に適している関係するボリューム又は領域を少なくとも決定することができる。
撮像システムを利用することによって、一旦関係するボリューム若しくは領域が決定され、又は一旦専用の埋め込まれた基質が選択されると、次のステップ206において、選択された埋め込まれた基質上に又は関係する領域若しくはボリューム中に励起放射の焦点が合わせられる。このような態様で、バイオセンシング基質及びそこに吸着された分析物又は分子は励起放射による非常に強い照射を受ける。バイオセンシング基質への分析物又は分子の特定の結合に起因して、次のステップ208において検出することができる測定可能な表面増強ラマン信号が発生する。
ステップ208において、対物レンズ110を介して分光装置に戻る放射はそれぞれの放射検出器に結合し、放射検出器の出力は分光システム116によって最終的に処理される。戻り放射のこのスペクトル分析はステップ210において実行され、そして、この分析に基づいて、最終ステップ212において、分析物の濃度の測定を実行することができる。この濃度測定は、少なくとも戻り放射の分析されたスペクトルを利用するが、ユーザによって提供される又は撮像システム114から得られるさまざまな追加のパラメータ（例えば間隔パラメータ）を考慮することもできる。
特に、これらの追加のパラメータの助けを借りて、血管の近傍の測定された分析物の濃度に基づいて、血管内部の分析物濃度と血管の外側の分析物濃度との間の既知の相関によって、血管中の又は血管システム中の分析物濃度を正確に推定することができる。この相関は好ましくは校正手順によって得られる。例えば、分光的に得られた分析物濃度を従来通りに得られた分析物濃度と比較することによって、校正手順は単一の個体試料に関して実行されることができる。あるいは、校正は既知の又は事前に決められた分析物濃度を有する多様な参考試料に関して実行されることができる。
ステップ210の終了の後、よって分析物濃度の測定の後、本方法はステップ204に戻ることができ、次のスペクトル分析は、埋め込まれている信号増強基質を利用することによって実行することができる。この次の分析において、前に埋め込まれた基質を再利用することができるので、本方法はさらに非侵襲性である。
したがって本発明は、例えば血液中のグルコース濃度を生体内で測定する改良された分光装置及び改良された方法を提供する。毛細血管の近傍に位置するバイオセンシング基質に基づいて表面増強ラマン分光分析を実行することによって、赤血球の散乱効果、及び身体の体液のさまざまな成分によるラマン信号の干渉効果を効果的に低減することができる。本質的に、取得した信号は、より高いＳＮ比を提供して分光励起放射の全体のパワーを低減することを可能にし、患者の健康及びレーザー安全対策にとって有益である。
100 皮膚表面
102, 104 基質
106 血管
108 血管壁
110 対物レンズ
112 光結合装置
114 撮像システム
116 分光システム
118 光源
120 対物レンズ制御手段
122, 124 分析物
126 励起放射
128 戻り放射
130 基質
132, 134 ナノ粒子
102, 104 基質
106 血管
108 血管壁
110 対物レンズ
112 光結合装置
114 撮像システム
116 分光システム
118 光源
120 対物レンズ制御手段
122, 124 分析物
126 励起放射
128 戻り放射
130 基質
132, 134 ナノ粒子
Claims (14)
- 生体試料のボリューム中に位置する生体体液の分析物の濃度を測定し、前記ボリュームが前記体液の前記分析物に対して少なくとも半浸透性である壁によって閉じ込められている分光装置であって、
毛細血管の近傍で当該毛細血管の外側で前記生体試料に埋め込まれて信号増強効果を引き起こすことができる少なくとも１つの基質の位置を測定する撮像システム、
励起放射を発生する放射源、
前記励起放射の焦点を前記埋め込まれた基質上に合わせる焦点調整装置、
前記生体試料から放射される戻り放射を検出する放射検出器、
検出された戻り放射をスペクトル分析し、前記検出された戻り放射を利用して前記分析物の濃度を測定する分光分析システムを有する分光装置。 - 前記励起放射の焦点を選択的に前記埋め込まれた基質上に合わせるために前記撮像システムの出力によって前記焦点調整装置を制御することができる請求項１に記載の分光装置。
- 前記撮像システムが前記少なくとも１つの埋め込まれた基質上の検出可能なマーカーによって前記少なくとも１つの埋め込まれた基質の位置を測定する請求項１に記載の分光装置。
- 前記信号増強効果が表面増強分光効果である請求項１に記載の分光装置。
- ヒト、動物又は植物の血管システム中を流れる生体体液の分析物の濃度の測定に適用することができ、前記分析物は前記血管システムの血管壁を通してしみ出すことができる請求項１に記載の分光装置。
- 前記分析物がグルコースであり、前記毛細血管がヒト又は動物の皮膚の表面の下の血管である請求項１に記載の分光装置。
- ヒト又は動物の角膜に適用することができ、水性体液の分析物の濃度を測定する請求項１に記載の分光装置。
- 前記少なくとも１つの基質が貴金属を有し、さらに当該基質が前記分析物を吸着する請求項１に記載の分光装置。
- 前記少なくとも１つの基質がさらに前記分析物を可逆的及び選択的に吸着する請求項１に記載の分光装置。
- 前記基質がナノメートル範囲の曲率半径を持つ貴金属ナノ粒子を有する請求項１に記載の分光装置。
- 生体試料のボリューム中に位置する生体体液の分析物の濃度を測定し、前記ボリュームが前記体液の前記分析物に対して少なくとも半浸透性である壁によって閉じ込められている方法であって、
毛細血管の近傍で当該毛細血管の外側で前記生体試料に埋め込まれて信号増強効果を引き起こすことができる少なくとも１つの基質の位置を測定するステップ、
励起放射の焦点を前記埋め込まれた基質上に合わせて戻り放射を検出するステップ、
前記検出された戻り放射をスペクトル分析し前記分析物の濃度を測定するステップを有する方法。 - ヒト又、動物又は植物の血管システム中を流れる生体体液の分析物の濃度の生体内測定に適用することができ、前記分析物は前記血管システムの血管壁を通してしみ出すことができる請求項１１に記載の方法。
- ヒト又は動物の角膜に適用することができ、涙液及び／又は水性体液の分析物の濃度を測定する請求項１１に記載の方法。
- 生体試料のボリューム中に位置する体液の分析物の濃度を測定し前記ボリュームが前記体液の前記分析物に対して少なくとも半浸透性である壁によって閉じ込められている分光装置のためのコンピュータプログラムであって、
毛細血管の近傍で当該毛細血管の外側で前記生体試料中に埋め込まれて信号増強効果を引き起こすことができる少なくとも１つの基質の位置を測定するために撮像システムの出力信号を処理し、
励起放射の焦点を前記埋め込まれた基質上に合わせるために焦点調整装置を制御し、
前記分析物の濃度を測定するため検出された戻り放射をスペクトル分析するために、放射検出器の出力信号であって、当該放射検出器によって検出された戻り放射を表す出力信号を処理するコンピュータプログラム手段を有するコンピュータプログラム。
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