JP2009536339A

JP2009536339A - 光学プローブ

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Publication number: JP2009536339A
Application number: JP2009508548A
Authority: JP
Inventors: スティーブンバークコーナー; ラックストゥールトーマス; ムーアジョン
Original assignee: ダブリンシティユニバーシティ
Priority date: 2006-05-05
Filing date: 2007-05-07
Publication date: 2009-10-08
Also published as: US8163241B2; US20090191092A1; WO2008029298A3; EP2016393A2; WO2008029298A2; CN101438145A

Abstract

サンプルが放射する光を検出するための光学プローブが開示される。光学プローブは、パラボラ状の光導波路と、取り外し可能な要素を有し、光導波路に接続可能な透光性センサ支持体を保持するよう構成された外側ハウジングと、を具える。光学プローブはまた、少なくとも１つの分析対象の検出を行うための検出物質を具える。励起源は、検出物質を励起するよう構成される。光学プローブにはさらに、放射光を検出する測定用の光検出器が組み込まれる。

Description

本発明の開示は、概して誘電体界面で発生する光を捕集するための光学センサ・プローブの分野に関し、特に、誘電体界面で発生する光を効率的に捕集ために最適化されたパラボラ状の光導波路（optical waveguide）を用いる光学センサ・プローブに関するものである。

光学センサは、例えば生物医学、環境および食品包装を含む産業の広範な分野にわたって広く使用されている。発光に基づく（luminescence-based）光学センサは、分析対象が誘起する（analyte-induced）発光信号の変化を検出する。かかる変化は、酸素、二酸化炭素、ｐＨおよび塩化物のセンサを含む広範な光学・化学センサの場合、分析対象が感応する発光化合物（analyte-sensitive luminescent compound）からの光の、分析対象が誘起する消光に起因してもたらされる。これらの場合、発光性化合物は、多孔性の固体の基質（solid matrix）に封入され、薄膜として支持体上に付着（deposit）させることができる。あるいは、発光に基づく光学センサは、適切な受容分子を用いる表面に対する、対象とするひ分析物の結合に基づいたものであってもよい。発光性は、発光性ラベルを介してかかるシステムに付与される。発光性ラベルは、分析対象自体に付けられるものでもよいし、あるいは表面に結合する分析対象に結合する付加的な分子に付けられるものでもよい。発光のレベルの変化は、表面に結合する分析対象の濃度の変化を表すものとなる。この手法は、発光に基づく光学バイオセンサの開発に通常用いられている。

受容体分子に結合した分析対象分子の濃度を感度高く測定するためには、表面結合分子に由来する発光のみを検出することが必要となる。これに続いて、表面上の環境内の非結合分子からの信号を排除しつつ、表面の近くに結合した分子からの発光を選択的に検出する測定タスクが行われる。この検出原理は、薄膜をベースとした光化学センサにも関連する。

発光を効率的に検出し、効率的な光化学／生物学センサを開発するためには、誘電性表面での発光の性質を理解することが必要である。この発光が異方性であることは、誘電性表面またはその近傍で生じる発光をより効率的に捕えるよう設計された新規な光学系の構成の開発を促している。これは例えばSeegerおよびRuckstuhlの特許文献１に示され、参照によりその内容をここに包含するものとする。この文献には、パラボラ状の光導波路またはその近傍に配置された発光性分子により生じる超臨界角蛍光発光（supercritical angle fluorescence；ＳＡＦ）の検出が記載されている。この検出能力は、表面の選択的検出機構であることに加え、検出できる蛍光発光量を改善する。

残念ながら、現在の光学系の構成は高価であり、ユーザが様々な分析対象をモニタリングすることを望んで光学要素を変更することもしばしば困難である。加えて、これらの光学系の構成の多くは、発光を捕えるそれらの能力が制限されているという事実に起因して、効率が低いものである。

米国特許第６，７１４，２９７号明細書

よって、頑丈で低廉にして携帯性に優れ、高感度のセンサの開発のために効率的な発光の検出を行うことのできる光学センサ・プローブが要望されている。センサ・プローブは、表面で生じる発光を効率的に補えることができる装置を組み込むことができ、検出原理は、所望の応用に応じて、強度に基づくもの、あるいはライフタイムに基づくものとすることができる。また、プローブを本質的にモジュール式とすれば、検出物質（sensing material）と光学／光電子要素との正しい組み合わせを用いることで、様々な分析対象の検出が容易となる。

従って、サンプルにより放射される発光を検出するための光学プローブが開示される。光学プローブは、パラボラ状の光導波路と、光導波路を保持するよう構成され、取り外し可能な要素を有する外側ハウジングと、を含む。光学プローブはまた、少なくとも１つの分析対象を検出するための検出物質を含む。検出物質を励起するために励振源（excitation source）が構成され、測定用光検出器が放射発光を検出する。他の実施形態では、光学プローブはさらに、導波路を所定位置に保持するよう構成された取り外し可能な要素と外側ハウジングとの間の導波路マウントと、光検出器上に放射光を集束させる捕集光学系と、放射光の通過を許容するよう構成された放射フィルタと、を含む。

他の実施形態では、光学プローブは透光性センサ支持体、例えばカバースリップないし顕微鏡用スライドを、取り外し可能な要素および導波路間に具える。検出物質をその透光性センサ支持体上に配置することができる。代替実施形態では、検出物質を導波路上に直接配置することができる。

さらなる実施形態では、光学プローブは、これに取り付けられるエアウェイアダプタを含む。エアウェイアダプタはユーザの呼吸を検出できるものである。

光学プローブは、酸素、二酸化炭素、ｐＨ、リン酸塩（phosphate）、硝酸塩（nitrate）、アンモニア、塩化物、他の化学種（chemical species）、またはＤＮＡ、酵素（enzyme）あるいは抗体（antibodies）などの様々な生体分子（biomolecules）を含む種々分析対象を検出するのに用いることができるが、しかしこれらに限られるものではない。

他の実施形態では、光学プローブは前記励振源からの後方散乱（backscatter）を測定するよう構成された基準フォトダイオードを具える。また、少なくとも１つのシールリングを、外側ハウジング、導波路マウント、導波路および取り外し可能な要素の間の結合部に組み込むことができる。

さらなる実施形態では、光学プローブは測定用の光電子増倍管を含む。

本願が開示する原理に従った光学センサ・プローブの一実施形態の横断面図である。本願が開示する原理に従った光学センサ・プローブの他の実施形態の横断面図である。図１に示した光学センサ・プローブの一使用形態を示す模式図である。溶存酸素濃度の機能に対する図１の光学センサ・プローブの応答を示すチャートである。図４の対応キャリブレーション曲線を示すチャートである。ＤＮＡハイブリッド形成（DNA hybridization）のリアルタイム検出を示すチャートである。呼吸モニタリング装置に組み込まれる、本願の開示に従った光学センサ・プローブの一使用形態を示す模式図である。呼吸モニタリングを通じた酸素のリアルタイム検出を示すチャートである。

新規なものである本願の開示の目的および特徴は特に、添付の特許請求の範囲に記載されている。しかし本願の開示は、構成および作動の態様の双方に関して、さらなる目的および利点とともに、添付の図面を参照しつつ以下の記載を参照することでよりよく理解することができる。

本発明の様々な例示的実施形態はパラボラ状の光導波路を含む光学センサ・プローブに向けられており、これは誘電体界面（dielectric interface）で生じる発光を効率的に捕えるために最適化されている。ここに開示する最適化された光学系の構成およびプローブは図１に示され、プローブ内に幾何学的に配置された低廉な要素をもつ導波路を組み込んでいる。図１は、ガスおよび／または化学的検出用途に使用することのできる光学センサ・プローブの構成を示す。加えて、光学センサ・プローブの構成はバイオセンシングの用途に使用することもできる。装置は、発光の強度に基づく、またはライフタイムに基づく測定に使用することができる。図の寸法は単に本デバイス自体の尺度を表している。プローブの寸法は用途に応じて適宜定めることができる。

特に、光学センサ・プローブ１０は取り外し可能なキャップ１４をもつ外側ハウジング１２を含み、それらの間で導波路マウント１６がパラボラ状の光導波路１８を所定位置に固定している。取り外し可能なキャップは、検出物質の配置および適用を補助するものであれば、除去可能または置換可能ないかなる要素であってもよい。外側ハウジング１２と導波路マウント１６との結合部、および取り外し可能なキャップ１４と導波路マウント１６との結合部には光学シールリング２０があり、用途に応じて用いることができる。キャップ１４と導波路１８との間には透光性のセンサ支持体２２があり、その上に検出物質を配置することができる。透光性のセンサ支持体２２は、例えば、カバースリップないし顕微鏡用スライドとすることができる。加えて、液浸油（immersion oil）を用いて、導波路１８と透光性センサ支持体２２との間の良好な光透過を確保することもできる。他の実施形態では、検出物質を直接導波路１８上に配置することもできる。取り外し可能なキャップ１４は、検出物質が配置される透光性センサ支持体２２を収容するのに用いられる。本実施形態では、センサ支持体は接着剤によりキャップに取り付けられ、キャップは結合の容易性を考慮して導波路マウント１６に螺着されている。プローブの検出機能性を変更することが望まれる場合には、別の検出物質が配置されているセンサ支持体を収容するセンサキャップを取り付けることによってこれを実現することができる。しかしながら、他の実施形態のプローブにおいては、キャップがセンサ支持体を置換する一体の検出領域を持つものとし、キャップそれ自体をディスポーザブルな検出エレメントとすることができる。

パラボラ状光導波路はプラスチックまたはガラスで構成することができる。しかしながら、液体の媒質（liquid medium）を含む他の物質を用い、これが導波路またはプラスチック／ガラスなど他の固形物界面を取り囲むようにすることもできる。

検出物質は励起源２４を用いて励起される。励起源２４を例えば励起ＬＥＤとし、励起ＬＥＤが検出物質を励起したときに蛍光発光するようにすることができる。励起源２４からの光は開口２６および励起フィルタ２８を通過した後、レンズ３０によって検出物質上に集束する。励起フィルタ２８は、励起光から、放射フィルタ３４の伝達（transmission）領域に一致し得る分光成分、好ましくない高バックグラウンド信号となり得る成分を除去する。

基準フォトダイオード３２を用いて励起源からの後方散乱を測定することで、励起源の放射のばらつきを補償することができる。

検出物質は、対象とする分子が存在する場合に発光する。検出物質は、その吸収波長が光源の発光波長に一致するものが選択される。例えば、ルテニウムあるいはポルフィリン錯体（ruthenium or porphyrin complexes）、ローダミンまたはシアニン染料（Ｃｙ５など）が好適な蛍光染料である。パラボラ状光導波路１８は、検出物質から放射される光をセットアップされた検出部に向けるよう構成されている。後に詳述するが、図２は放射光の経路を示している。再び図１を参照するに、放射光は放射フィルタ３４および捕集光学系３６を通過した後に、測定用光検出器３８により検出される。

測定用光検出器３８は、例えば単光子の計数に好適なアバランシェ・フォトダイオード、シリコンＰＩＮフォトダイオード、光電子増倍管またはＣＣＤチップとすることができる。図示のように、ここに説明する種々の要素を制御するために配線４０が用いられている。測定用光検出器３８からの信号は、適切なソフトウェアを用いて取得され、処理される。

光学プローブ１０は、例えば、ＬＥＤ（Roithner LaserTechnikの 450-06U；ｍａｘ＝４５０ｎｍ）、励起フィルタ（SemrockのFF01-447-60）、集束レンズ（Edmund Opticsの 6mm half-ball, NT45-935）、フォトダイオード（HamamatsuのS1223-01、Si PINフォトダイオード）および捕集光学系（Edmund Opticsのdouble convex lens (×２)、 NT45-294）を含んだものとすることができる。

図２は、本開示に係る光学プローブを示す。図２は、バイオセンシングの用途のために構成され、Ｃｙ５のシアニン蛍光に適合するようにされた光学プローブ５０を示している。図２の光学プローブ５０は取り外し可能なキャップ５４をもつ外側ハウジング５２を含み、それらの間で導波路マウント５６が導波路５８を所定位置に固定している。外側ハウジング５２と導波路マウント５６との結合部、および取り外し可能なキャップ５４と導波路マウント５６との結合部には光学シールリング６０がある。キャップ５４と導波路５８との間には透光性のセンサ支持体６２がある。検出物質は、透光性のセンサ支持体６２の上に配置されていてもよいし、導波路５８上に直接配置されていてもよい。

検出物質は励起源６４を用いて励起される。励起源６４からの光は開口６６および励起フィルタ６８を通過した後、レンズ７０によって検出物質上に集束する。基準フォトダイオード７２を用いて励起源からの後方散乱を測定することができる。検出物質から放射される光は放射フィルタ７４および捕集光学系７６を通過した後に、光電子増倍管（ＰＭＴ）７８により検出される。

また、図２に示される光学センサ・プローブは、超臨界角蛍光開口（ＳＡＦ開口）を具えており、表面の特定の結合によって生じることのない信号をブロックしている。アダプタ８０は光学プローブとＰＭＴとの間の物理的インターフェースとして作用し、ユーザがプローブの出力部内にＰＭＴを「差し込む（plug）」ことができるようにしている。

図１および図２に示した光学プローブは、様々な分析対象および／またはパラメータの検出に用いることができるものである。適切な蛍光に基づく検出成分（sensing chemistry）を与えることで、広範なガスや化学物質を検出することができる。例えば、酸素、二酸化炭素、ｐＨ、リン酸塩、硝酸塩、塩化物、アンモニアまたはその他の、対象となる化学物質を検出することができる。プローブはまた、ＤＮＡ、酵素あるいは抗体などの生体分子を検出する光学バイオセンサとして用いることができるが、しかしこれらに限られるものではない。

限定されない例として、光学センサ９０を耐久性のある高分子化合物のハウジングに一体化し、続いて、原理を証明するために位相蛍光検出（phase fluorometric detection）を用いた溶存酸素（dissolved oxygen；ＤＯ）の検出に適用した（図３）。プローブ９０を、ガスフロー接続部を一体化したイオン消失水のフロー・セル９２に浸漬した。ガスをガス流入口９４から流入させ、ガス流出口９６から流出させた。質量流量コントローラ（mass flow controller；ＭＦＣ）を介し、酸素濃度を変化させながら発泡させた。実験の継続期間、フロー・セル９２を２０℃の一定作動温度に維持された水槽中に沈めた。制御電子回路１００を用い、実験を制御した。カスタマイズした（custom-written）LabVIEW VI（英国、National Instruments商標）を用いて、信号を取得および処理した。

検出物質は、蛍光ルテニウム錯体［Ru(II)-tris(4,7-diphenyl-1,10-phenanthroline)] （Ru(dpp)_３ ^２＋）を含むn-propyltriethoxysilane（ＰＴＥＯＳ）先駆物質をベースとした公知のゾル・ゲル薄膜である。膜の配合物は、染料［Ru(dpp)_３ ^２＋を［Ru(dpp)_３ ^２＋］／ＰＴＥＯＳ＝１．４×１０^−３のモル比で伴う、１モルのＰＴＥＯＳ／４Ｈ_２Ｏ／６．２５ＥｔＯＨ／７．２×１０^−３ＨＣｌを含み；// ＥｔＯＨ中に［Ru(dpp)_３ ^２＋］を溶解させ；該錯体が溶解するまで撹拌し；撹拌しながらＰＴＥＯＳを添加し；および撹拌しながら、ＨＣｌ（ｐＨ１）をゆっくりと滴下する。使用前、その溶液を、少なくとも３週間にわたって撹拌したままにする。

図４は溶存酸素（ＤＯ）濃度の機能に対するプローブの応答を、図５は対応するキャリブレーション曲線を示す。検出の限界（limit of detection；ＬＯＤ）は、０．６秒の積算時間（integration time）で１．５ｐｐｂ未満に定めた。ＬＯＤは、ＹＳＩから市販されている電気化学的溶存酸素センサ（例えば、YSI 550A Dissolved Oxygen Meter（最小解像度０．０１ｍｇ／Ｌないし１０ｐｐｂ）という製品名のＹＳＩ製品）と好ましく比較される。

本開示において、図６はＤＮＡハイブリッド形成（DNA hybridization）のリアルタイム検出を表すグラフを示している。図６は、図２に示したようなプローブが取り付けられた光子計数光電子増倍管により記録された２つの曲線を示す。発光信号は、一方の曲線については大きく増加しているが、他方については比較的変化がないままとなっている。前者は、蛍光インジケータＣｙｓのラベルが付された単一ストランドのＤＮＡ（single stranded DNA）の２０ｍｅｒ整合（２０ｍｅｒｍａｔｃｈ）サンプルに対するセンサの応答を表す。各データポイントは５００ｍｓの期間を超えてＰＭＴにより記録された光子の数に対応している。２０ｍｅｒ整合サンプルの導入に応じた信号の著しい増加は、センササンプルの表面上の受容体ＤＮＡに対するサンプルＤＮＡの結合を示している。第２の曲線は表面での結合が生じなかったことを示し、これは不適合のサンプルの場合に予測されたものである。これらのデータは、バイオセンシングの用途に対し、光学プローブの能力が表面結合のリアルタイム測定を提供することを示している。

図７は呼吸気分析用の携帯型デバイス１１０を示す。エアウェイアダプタ１１４が光学プローブ１１２に接続されている。この応用例では、図３に示されたセンサキャップ１４の代わりにエアウェイアダプタが用いられている。プローブ１２０はハウジング１２２に囲繞されたものとすることができる。エアウェイアダプタ１１４によって、ユーザの息が光学検出プローブ１２０の検出エレメント１１８と相互作用可能となる。携帯型デバイス１１０は、電源、ＰＣ、ＰＤＡまたはその他のデバイスと接続可能に構成され、情報の収集および処理の補助とすることができる。本開示に係るプローブがユーザの呼吸をモニタリングするマスクに組み込まれていてもよいことも予期できる。デバイスはまた、ユーザにとっての可搬性を向上するためにワイヤレスであってもよい。

図８はヒトの呼吸気中の酸素のリアルタイム検出を示す。データは、安静時に被験者がエアウェイアダプタ１１４中に息を吹き込むことによって得られたものであり、１分間当たりほぼ１０回の呼吸を行った呼吸速度に対応している。酸素感受性のあるゾル・ゲル物質を前述したように検出エレメントに付与し、被験者にエアウェイアダプタ１１４中に息を吹き込ませながら、この物質の蛍光発光をリアルタイムで記録した。図８はセンサによって記録された呼吸気中の酸素濃度をリアルタイム展開したものである。適切な検出物質を与えることで、システムは、二酸化炭素、アンモニアおよび麻酔ガスなどを含め呼吸気中に含まれる広範な分析対象の検出を行うのに互換性のあるものとされる。

ここに開示した実施形態に対し様々な変形が可能であることは理解されよう。よって、上述の記載は限定的なものとして解釈されるべきではなく、様々な実施形態の単なる例示として解釈されるべきである。当業者であれば、添付の請求の範囲の精神および範囲内で他の変形を想起できるであろう。

Claims

サンプルが放射する光を検出するための光学プローブであって、
パラボラ状の光導波路と、
取り外し可能な要素を有し、前記光導波路を保持するよう構成された外側ハウジングと、
該外側ハウジングと前記取り外し可能な要素との間にあって前記導波路を所定位置に保持するよう構成された導波路マウントと、
少なくとも１つの分析対象の検出を行うための検出物質と、
該検出物質を励起するよう構成された励起源と、
放射光の通過を許容するよう構成された放射フィルタと、
放射光を光検出器上に集束させる捕集光学系と、
該捕集光学系を通過した放射光を検出する測定用の光検出器と、
を具えたことを特徴とする光学プローブ。
前記取り外し可能な要素と前記導波路との間に接続され、検出物質の付着を許容するよう構成された透光性のセンサ支持体をさらに具えたことを特徴とする請求項１に記載の光学プローブ。
前記検出物質は前記導波路に直接付着していることを特徴とする請求項１に記載の光学プローブ。
前記光学プローブに作動的に接続され、ユーザの息を分析するためのエアウェイアダプタをさらに具えたことを特徴とする請求項１に記載の光学プローブ。
前記少なくとも１つの分析対象は、酸素、二酸化炭素、ｐＨ、リン酸塩、硝酸塩、アンモニア、塩化物、またはＤＮＡ、酵素あるいは抗体などの様々な生体分子であることを特徴とする請求項１に記載の光学プローブ。
前記励起源の後方散乱を測定するよう構成された基準フォトダイオードををさらに具えたことを特徴とする請求項１に記載の光学プローブ。
前記外側ハウジング、前記導波路マウント、前記導波路および前記取り外し可能な要素間の接続部を提供する少なくとも１つのシールリングをさらに具えたことを特徴とする請求項１に記載の光学プローブ。
前記測定用光検出器は測定用の光電子増倍管であることを特徴とする請求項１に記載の光学プローブ。
サンプルが放射する光を検出するための光学プローブであって、
パラボラ状の光導波路と、
取り外し可能な要素を有し、前記光導波路を保持するよう構成された外側ハウジングと、
少なくとも１つの分析対象の検出を行うための検出物質と、
該検出物質を励起するよう構成された励起源と、
前記放射光を検出する測定用の光検出器と、
を具えたことを特徴とする光学プローブ。
サンプルが放射する光を検出するための光学プローブであって、
パラボラ状の光導波路と、
取り外し可能な要素を有し、前記光導波路を保持するよう構成された外側ハウジングと、
少なくとも１つの分析対象の検出を行うための検出物質と、
該検出物質を励起するよう構成された励起源と、
前記放射光を検出する測定用の光検出器と、
前記光学プローブに作動的に接続され、ユーザの息を分析するためのエアウェイアダプタと、
を具えたことを特徴とする光学プローブ。