JP2011033623A

JP2011033623A - フォトニック結晶ファイバセンサ

Info

Publication number: JP2011033623A
Application number: JP2010169268A
Authority: JP
Inventors: Glen A Sanders; グレン・エイ・サンダース; Russell W Johnson; ラッセル・ダブリュー・ジョンソン; Stephen Yates; スティーヴン・イェーツ
Original assignee: Honeywell International Inc
Current assignee: Honeywell International Inc
Priority date: 2009-07-31
Filing date: 2010-07-28
Publication date: 2011-02-17
Also published as: US20110026870A1; EP2284522A1

Abstract

【課題】標的分析物を検知するためのシステム及び方法を提供する。
【解決手段】標的分析物を検知するためのシステム及び方法。一例のセンサは、実質的に単一の光学モードの光を提供するチューニング可能な光源、検出器、プロセッサ、及び共振器を含む。共振器は、光源によって提供された光を所定の周波数で共振する。共振器は、実質的に単一の光学モードの光をガイドする固体領域及びこの固体領域に隣接する少なくとも１つの中空チャネルを有するフォトニック結晶ファイバを含む。中空チャネルは、外部ソースから流体を受け入れる。中空チャネルは、膜の光学特性を変化させる方法で標的分析物と反応する材料を有する当該膜で被覆される。検出器は、共振器からの光を検出する。検出される共振信号における所定の変化がプロセッサによって判断されると、その変化は、標的分析物が存在することを示す。膜の材料は可逆的である。
【選択図】図１

Description

本発明はフォトニック結晶ファイバセンサに関する。

化学物質又は生物学的物資の存在は、従来、１つ又は複数の化学反応を利用することによって検出されていた。これらの化学反応は、通例、不可逆的である。すなわち、反応は、その化学物質又は生物学的物質がデバイスから除去されてもリセットされない。不可逆的化学反応を利用する検出デバイスは、或る量の化学物質又は生物学的物質が検出されていた場合に、検出デバイスの少なくとも一部を取り替える必要があるか又はデバイスをリセットするステップに着手する必要があるので、通常、維持するには多くの時間及び／又は費用を要する。

代替的に、検出デバイスは可逆的な場合がある。すなわち、デバイスは、検出された化学物質又は生物学的物質が除去される場合に自動的に自身を復元する。したがって、可逆的デバイスは、通例、再利用可能である。可逆的検出デバイスの一タイプは、物理ベースの分光学的ソリューションを使用して、化学反応なしで物質の存在を判断する。具体的には、光が導波路に通される。光は、その環境内に広がり、隣接する環境の少なくとも１つの混入物と相互作用する。検出器が、受信光の特徴に基づいてその環境における特定の混入物及びその濃度を求めるのに使用される。

一例の可逆的デバイスは、導波路として超細ナノワイヤファイバを使用する。このナノワイヤファイバは、光波の一部が、ナノワイヤに隣接する環境内を伝播し、それによって、その環境と相互作用することを可能にするに足りるだけ十分細い。しかしながら、ナノワイヤは、通常、非常に壊れやすいことから、ナノワイヤの使用は限られている。また、ナノワイヤ製造プロセス及びパッケージング環境の光学的及び機械的な特徴に対する本来の感度に一部起因して、直線路以外の向きを有するナノワイヤコイルを形成することも難しい。これらの限界は、デバイスを収容できるプラットフォームのタイプ及び利用できる構造に影響を与える。検出される物質と相互作用するには、ナノワイヤファイバを周囲の環境にさらす必要があるので、化学的検知デバイス又は生物学的検知デバイスでは、これらの限界が一層悪化する。このようなプラットフォームでは、プラットフォームを支持する必要があることから、そのパッケージング環境からの干渉なしに、光と物質との干渉のみを確保することは難しい。したがって、支持環境は測定を大幅に損なう。その上、経路長の増加は測定感度を増加させることになるので、センサで使用されるナノワイヤファイバの長さを増加させることが望ましい。しかしながら、ナノワイヤの長さを増加させると、デバイスはより一層壊れやすくなり、パッケージング及び支持するのがより困難になる。

本発明は、標的分析物を検知するためのシステム及び方法を含む。一例のセンサは、実質的に単一の光学モードの光を提供するチューニング可能な光源、検出器、プロセッサ、及び共振器を含む。共振器は、光源によって提供された光を所定の周波数で共振する。共振器は、実質的に単一の光学モードの光をガイドする固体領域及びこの固体領域に隣接する少なくとも１つの中空チャネルを有するフォトニック結晶ファイバを含む。中空チャネルは、外部ソースから流体を受け入れる。中空チャネルは、膜の光学特性を変化させる方法で標的分析物と反応する材料を有する当該膜で被覆される。チューニング可能な光源は、検出器及び共振器と光通信を行う。共振器は、検出器と光通信を行い、検出器は、プロセッサとデータ通信を行う。検出器は、チューニング可能な光源が共振周波数付近の領域を通ってチューニングされているときに、共振周波数を中心とした共振信号を検出する。検出器によって検出される共振信号の所定の変化がプロセッサによって判断されると、その変化は、中空チャネルに標的分析物が存在することを示す。２つの広い部類の材料が膜に使用される。使用される一方は、分析物にさらされたときにファイバにおける光源の光波伝播の光減衰を変化させるものであり、他方は、分析物にさらされたときに、蛍光特性を変化させるもの（増強又は消光のいずれか）である。

膜の材料は、標的分析物と錯体を形成する。結合によって、膜の光学特性の変化が引き起こされる。錯体形成は可逆的であり、それによって、センサを可逆的にすることが可能になる。

本発明の好ましい実施形態及び代替的な実施形態が、次の図面を参照して以下で詳細に説明される。

本発明の一実施形態に従って形成された分析物検知デバイスの模式図である。図１に示すデバイスで使用される中空チャネルを有するフォトニック結晶ファイバの断面図である。本発明の一実施形態に従って形成された複数のホールを含む中空チャネルを有するフォトニック結晶ファイバのｘ線斜視図である。図１及び図２に示すフォトニック結晶ファイバを理解する際に役立つモード場分布を示す図である。図１に示す共振器の１回の通過当たりの光の損失を示す分布を示す図である。分析物が検出可能な量で存在しないときの共振器出力のグラフ表現を示す図である。有意な量の分析物が存在するときの共振器出力のグラフ表現を示す図である。本発明による分析物を検知するための方法のフロー図である。本発明の一代替的な実施形態に従って形成された分析物検知デバイスの模式図である。所与の波長の光源の光によって生成された通常の蛍光プロファイルを示すグラフである。図６に示すデバイスの第１の検出器において作成される信号を示す図である。図６に示すデバイスに含まれる第２の検出器における信号を示す図である。分析物が存在するときに図６に示すデバイスの第２の検出器によって作成される信号を示す図である。共振消光膜形成が使用されるときの図６に示すデバイスの第１の検出器における信号を示す図である。分析物が存在せず、共振消光膜形成が使用されるときの図６に示すデバイスの第２の検出器において作成される信号を示す図である。分析物が存在し、共振消光膜形成が使用されるときの図６に示すデバイスの第２の検出器によって作成される信号を示す図である。共振器内で蛍光タイプの膜を使用するための一代替的な実施形態を示す図である。共振器内で蛍光タイプの膜を使用するための一代替的な実施形態を示す図である。共振器内で蛍光タイプの膜を使用するための一代替的な実施形態を示す図である。

１つ又は複数の化学物質又は生物学的物質を検知するための装置及び方法が提供される。出願人は、ここで、米国特許第７，３３６，８５９号明細書並びに米国特許出願公開第２００８／０２１２１０４号明細書及び米国特許出願公開第２００８／０１１６３６１号明細書を参照により完全に援用する。

図１は、分析物センサ１０を示す。本明細書で使用されるように、「分析物」は、検出しようとする特定の化学物質又は生物学的物質を意味する。分析物センサ１０は、検出器１８、光源２２、第１のファイバ２０、及び受容体膜を有する共振器３６を含む。光源２２及び検出器１８は、第１のファイバ２０を介して光通信を行う。第１のファイバ２０は、共振器３６とも光通信を行う。第１のファイバ２０と共振器３６との間の光接続は、結合接合部２６によって規定される。

光源２２は、チューニング可能単色光源を含む。チューニング可能単色光源は、チューニング可能な単一周波数レーザダイオード等であるが、これに限定されるものではない。一実施形態では、光源２２の周波数は、或る時間をかけて走査される。したがって、その結果の光波の周波数は、どの単一の時点においても単一の値とすることができるが、周波数は、検知のための所望の周波数に従って上下に調整することができる。チューニング可能単色光源は、チューニング可能単一モード光源とも呼ばれる。

共振器３６は、コイル３８を形成する第２のファイバ３０を含む。第２のファイバ３０は、メカニカルスプライス、融着ボンディング、又は自由空間光通信等を利用する従来の方法によって閉光路を形成するように光接続された２つの端部を有する。代替的に、第２のファイバ３０の一方の端部から現れる光の相当部分を第２のファイバ３０の他方の端部へ再導入する任意の光学素子を使用して、２つの端部を光接続することができる。第２のファイバ３０内へ再導入された光は、複数回第２のファイバ３０を通って伝播する。

第２のファイバ３０は、１つ又は複数の中空チャネルを有する単一モードフォトニック結晶ファイバ（ＰＣＦ）を含む。図２は、ＰＣＦ５４の一実施形態の断面図を示す。DiGiovanni他の米国特許第５，８０２，２３６号明細書、Allen他の米国特許第６，２４３，５２２号明細書、West他の米国特許第６，３３４，０１７号明細書、及びBirks他の米国特許第６，３３４，０１９号明細書が、ここで、参照により本明細書に完全に援用される。

ＰＣＦ５４は、クラッド領域５８、３つの円形断面中空チャネル４６、及び光場５０をガイドすることができる固体領域５６を含む。固体領域５６は、その平均屈折率が周囲のクラッド領域５８の屈折率よりも高いという点において、ファイバのコアを形成する。周囲のクラッド領域５８は、中空チャネル４６と、コア固体領域５６の外側の固体領域とを含む領域である。各中空チャネル４６は、自由空間ホールである。中空チャネル４６は、固体領域５６の屈折率よりも低い屈折率を有する。固体領域５６は、インデックスガイド型の従来の単一モードファイバの場合と同様に、光の最も強度の高い部分がその内部を進むように閉じ込められるので、当業者にはコアを呼ばれる。受容体膜４８は、中空チャネル４６の壁に取り付けられ、したがって、第３の材料が、クラッド領域５８に追加される。膜４８以外のクラッド５８の固体部分は、通常、固体領域５６と通例同じ材料であるガラス材料から成る。中空チャネル４６は、互いに交差しない。固体領域５６のわずかな光及び中空チャネル４６でガイドされるわずかな光で光場５０の光をガイドすることを可能にする屈折率断面プロファイルを、中空チャネル４６間の固体領域５６が形成するように、中空チャネル４６は位置決めされる。いくつかのシステム又は用途における固体材料の別の材料候補は、プラスチック又はポリマである。

受容体膜４８は、標的分析物に結合する受容体分子を含む。一実施形態では、受容体分子と標的分析物との間に形成される錯体は可逆的である。例えば、トリフェニレンケタールが、存在し得る任意のトリニトロトルエン（ＴＮＴ）への結合用に受容体膜４８に含められる。被覆（膜４８）の光学特性の変化を引き起こし、したがって、ファイバ３０及び共振器３６内の光強度の低減を生じさせる一種のキーロック系において、受容体分子は、標的分析物とホスト−ゲスト錯体を選択的に形成する。これは、さらに、光源２２の周波数が走査されると、検出器１８によって観測される信号強度のプロファイルを変化させる。このように、分析物の選択的な且つ高感度の識別が可能である。受容体膜４８は、当業者に知られているさまざまな方法の任意のものによってチャネル４６の壁に共有結合で付着される。選ばれる方法は、チャネル壁の化学組成、及び受容体を付着させる必要がある量に依存する。例えば、チャネル壁が二酸化シリコンを含む場合、チタン酸カップリング剤又はシロキサンカップリング剤を使用して、受容体のアンカを作成することができる。一実施形態では、受容体は、これらのアンカに直接共有結合で付着されるか又はアンカに付着されたポリマに付着される。ポリマが使用される場合、このポリマは、一定の特徴を有する必要があることが理解されよう。ポリマは、対象温度範囲内で安定していなければならず、且つこのシステムで予想されるいずれの混入物とも反応しないものでなければならない。ポリマは、さらに、ファイバの内部の光学特性をかく乱することを防止する屈折率を有しなければならない。最後に、ポリマを適用する形態では、ポリマがチャネルの内部を流れることができて、利用可能な表面を滑らかにカバーできるように、その粘度は十分低くなければならない。

受容体分子（膜）は、（１）受容体分子が、レーザによって提供される光の波長の吸収帯と同様の波長の吸収帯を有すること、及び（２）受容体分子が、この吸収帯の強度又は波長を変更する分析物と可逆的な錯体を形成すること、の２つの特性を有する。また、受容体分子は、偶然存在する偽の混入物が錯体を形成しないように、分析物とのその相互作用において十分特異的であることも非常に望ましい。可逆的錯体形成は、平衡過程である。錯体が形成する範囲は、デバイスの温度及び混入物の濃度に依存する。通過する空気中の混入物の濃度が高いほど、錯体の形成がより多くなり、濃度が低いほど、錯体の形成は逆戻しされる。

一実施形態では、一例の受容体膜は、バルキーケタール基によって取り囲まれた電子が豊富な芳香核を含むトリフェニレンケタールである。トリフェニレンケタールは、ＴＮＴのような電子不足の芳香種と錯体を形成するようにセットアップされるが、バルキー基は、錯体を形成するために取り入れることができる種の形状を制限する。ＴＮＴの形状についてのもののみを取り入れることができる。電子が豊富な芳香環は、可視領域の光を吸収する。ホスト−ゲスト錯体が形成されるとき、ホストからゲストへの電子の移動が起こり、ホストの吸収スペクトルを変化させる。この影響を受けるスペクトル内に、光ファイバ共振器が図１のファイバ３０内で循環している信号光周波数がある。

別の起こり得ることとして、放射（蛍光）が観測されるということがある。これは、光が或る波長において受容体により吸収される場合に起こるが、この放射は、受容体からではなく、励起状態の錯体（エキシプレックス）からである。これは、異なる波長で起こる。したがって、分析物の存在は、この異なる波長における放出光の観測によって示される。さらに別の起こり得ることとして、受容体が、分析物がない状態で蛍光を発するということがあり、受容体と分析物との間の錯体の形成によって、この蛍光の強度が低減されるということがある。これは、当業者により蛍光消光として知られている。分析物に対する受容体の特異性が重要であり、錯体形成のための駆動力が存在することを確保することによってこの特異性を受容体構造に設計できること、並びに立体障害によって、錯体形成サイトへのアクセスが分析物のサイズ及び形状の分子にほぼ制限されることに留意されたい。蛍光消光によって爆発物の存在を示す受容体の例は、当業者に知られている。このような例には、Trogler他（Chem. Mater., 19, 6459-6470, 2007）によって説明されたようなテトラフェニルシロールビニレン若しくはシラフルオレンビニレンを含むポリマ、Swager他（J. Phys. Chem. C Lett., 112, 881-884, 2008）によって説明されたようなエチニルイプチセン構造を含むポリマ、又はMoore他（J. Amer. Chem. Soc., 129 6978-6979, 2007）によって説明されたようなカルバゾールコーナードアリレンエチニレンテトラサイクルが含まれる。

一実施形態では、固体領域５６（コア領域）の直径５２は、光源２２から放出される光の波長よりも小さい。本明細書でより詳細に論述するように、光は、光場５０内を伝播し、光強度の少なくとも一部は、中空チャネル４６を通過する。中空チャネル４６内に広げられる光強度の量は、さまざまな因子（例えば、クラッド領域の屈折率、クラッド領域の太さ、コア領域５６の直径、又は中空チャネルの個数及びサイズ）に基づいて変更され得る。ＰＣＦ５４は、さまざまな幾何学形状で形成して、さまざまな組成を有することができ、さまざまな量及び構成の中空領域をクラッドに含むことができることが理解される。

一実施形態では、共振器３６のコイル部３８が、十分小さなエリアのまわりに比較的多くの巻きを有するように、共振器３６は、極めて低い曲げ損失を有するＰＣＦで形成される。曲げ損失は、或る巻きにおいてファイバを出る光の量を指す。一実施形態では、コイル部３８は、１センチメートルの直径のまわりにほぼ２０〜４０巻きを有する。パッケージサイズ、コスト、及び信号対雑音比等の分析物センサ１０のさまざまな因子に依存して、それよりも多くの巻き又はそれよりも少ない巻きを利用することができる。共振器３６により、ナノワイヤから作製される従来技術のデバイスと比較して、有効路長及び環境に対する耐久性の増加と、パッケージサイズの小型化との双方が可能になる。有効路長を増加させることは、デバイス感度の増加（すなわち、信号対雑音比の増大）を可能にするので望ましい。

光は、結合接合部２６において第１のファイバ２０と第２のファイバ３０との間で移動する。共振器３６内へ光を結合し且つ／又は共振器３６（すなわち、第２のファイバ３０）から第１のファイバ２０へ光を結合する意図した機能を提供するさまざまな技法及び構成によって第１のファイバ２０と第２のファイバ３０との間で光を移動させることができることが当業者によって理解される。

第１のファイバ２０と第２のファイバ３０との間での光の移動は、一部には、多くの場合、クラッド領域５８が細くされた状態又は研磨された状態で、これら２つのファイバのコア領域が近接近されるという理由で生じる。一実施形態では、第１のファイバ２０のコア及び第２のファイバ３０のコアは、融着プロセスを介して互いに隣接して位置決めされる。融着プロセスでは、ガラスが加熱されて結合領域で細くされ、ファイバコアを互いに接近させて、ファイバからファイバへの光の移動が容易にされる。代替的に、第１のファイバ２０のクラッド及び第２のファイバ３０のクラッドは、従来の技法によってシェーブし、細くし、又は研磨することができ、これによって、ファイバ２０及びファイバ３０の内側部分を互いに付着させることが可能になる。一例として、付着は、光学的接触又はエポキシで成し遂げることができる。

結合接合部２６において第１のファイバ２０と第２のファイバ３０との間で移動する光の割合は、複数の因子に依存する。この複数の因子は、ファイバ２０及び３０内を進む光の速度、第１のファイバ２０の光場と第２のファイバ３０の光場との間の距離、結合接合部２６の長さ、中空チャネル４６のサイズ及び構成、並びにクラッド領域５８の組成等であるが、これらに限定されるものではない。

図２−２は、第２のファイバ３０が、ＰＣＦ５４の外部からクラッド領域５８の少なくとも一部を通って中空コア４６内へ延びる複数のホール４４を含む、第２のファイバ３０の一実施形態を示す。一実施形態では、複数のホール４４は、中空チャネル４６で終了する。複数のホール４４は、従来のレーザドリル／ボーリング技法を使用して形成することができる。ホール４４は、中空チャネル４６を隣接する環境にさらす。動作中、標的分析物を含み得る流体が、隣接する環境から複数のホール４４を介して中空チャネル４６内へ拡散するか或いは浸透する。本明細書で使用されるように、「流体」は、実質的に気相の物体、実質的に液相の物体、又は気相と液相との間の平衡状態の物体を意味する。

別の実施形態では、第２のファイバ３０の中空チャネル４６は、入力チャネル４０及び出力チャネル４２（図１）を含むように構成される。入力チャネル４０及び出力チャネル４２は、クラッド領域５８を通って中空チャネル４６の内／外へ通じる１つ又は複数の経路を規定する。分析物３２を含み得る流体は、入力チャネル４０において中空チャネル４６内へ導入される。圧力差が、従来の方法を使用して、入力チャネル４０及び出力チャネル４２に印加される。この圧力差は、流体を、中空チャネル４６内へ且つ／又は中空チャネル４６を通って「吸い込む」。一実施形態では、中空チャネル４６のすべてではなく１つ又は一部にのみ流体を導入するように、入力チャネル４０及び出力チャネル４２を構成することができる。

動作中、光源２２からの光は、一方向に複数回共振器３６を通って伝播する。光源２２からの光の公称波長（周波数）は、標的分析物が、受容体膜４８と接触したときに光学特性の特定の変化又は予想された吸収応答を生み出す対象領域に調整される。光源２２からの光の周波数は、１つ又は複数の共振器共振を励起するように調整又は走査される。すなわち、周波数は、共振器の１つ又は複数の共振周波数を含む領域を通って（その公称周波数付近を）走査される。共振信号は、共振周波数の領域を進む光から作成される。共振器３６を通って伝播する光の一部は、結合接合部２６において第２のファイバ３０から第１のファイバ２０へ渡される。共振器３６内を循環する光を示す共振信号は、検出器１８によって検出される。検出器１８は、通常、使用される光の波長に依存する半導体フォトダイオードであり、シリコン又はＩｎＧａＡｓＰから作製される半導体フォトダイオード等である。

分析物検知は、分析物３２を含み得る流体を中空チャネル４６内へ導入することによって成し遂げられる。分析物３２が流体に存在しない場合、第１の共振信号が検出器１８によって検出される。分析物３２が流体に存在する場合、分析物３２は、ファイバ３０内において受容体膜４８上の受容体分子と相互作用する（例えば、受容体分子を吸収する）。光と分析物３２との間の相互作用によって、所与の波長の第１の共振信号が変更される。換言すれば、共振器３６によって作成された特定の共振信号は、中空チャネル４６における分析物３２の存在に依存する。

検出器１８に結合されたプロセッサ１４は、検出器１８によって検出された信号に基づいて、流体における分析物３２の存在を判断し且つ／又は分析物３２の量を求める。一実施形態では、プロセッサ１４は、検出器１８によって検出された信号に基づいて流体における分析物３２の濃度を求めるように構成される。

図３−１は、図１及び図２に示すＰＣＦ５４を理解する際に役立つ一例のモード場分布である。具体的には、光源２２から放出された光のモード場分布は、エバネセントテール８２を有するほぼガウス形状又はガウス形状に類似の光エネルギー空間分布を有する。光場５０が存在する中空チャネル４６間の固体領域５６（図２−１）のサイズが、光源２２から放出された光の波長に近いか又は波長よりもさらに小さい場合に、光強度のかなりの量が中空チャネル４６内に広がる。

図３−２は、第２のファイバ３０における或る量の分析物の存在に関連した１回の通過当たりの損失８６（εと示す）を表すグラフを示す。１回の通過当たりの損失８６は、共振器３６を通過するごとに分析物によって吸収される光エネルギーを表す。１回の通過当たりの損失８６は、分析物の濃度に比例する。

図４−１は、検出器１８によって検出された信号に基づいてプロセッサ１４により求められる第１の共振線形状９０を示す。第１の共振線形状９０は、狭いプロファイルを含む。第１の共振線形状９０は、本質的に、光エネルギーが共振器３６において吸収されなかったことを示す。すなわち、大きな損失がないことを示す。したがって、第１の共振線形状９０は、検出可能又は測定可能な量の分析物３２が中空チャネル４６に存在しないことを示す。

図４−２は、検出器１８によって検出された共振信号に基づいてプロセッサ１４により求められる、走査の或る周波数における第１の狭い線形状ディップ９２を有する第２の共振走査を示す。走査の第２の線形状９４は、浅いディップを有する広がった線形状を含む。第２の線形状９４は、共振器３６の通過中に光エネルギーが多少吸収されたことを示す。したがって、９２から９４への第２の共振線形状の変化は、或る量の分析物３２が中空チャネル４６に存在することを示す。プロセッサ１４は、線形状９２及び９４に対応する信号に基づいて、流体に存在する化学物質の特定の量を求めることができる。

図５は、或る環境における１つ又は複数の化学剤／生物学剤を検知するためのプロセス９８のフロー図である。このプロセスは、ブロック１００において開始する。ブロック１０４において、分析物３２を含み得る流体が、第２のファイバ３０に通される。上記でより詳細に論述したように、流体は、ＰＣＦ５４の外部から中空チャネル４６内へ延びる複数のホール４４を通じて隣接する環境から内部に拡散させることにより、中空チャネル４６に通される。代替的に、流体は、入力４０及び出力４２に印加される圧力差により入力４０及び出力４２を介して中空チャネル４６に導入されるか又は通される。ブロック１０６において、光源２２からの光が、共振器３６を通って伝播される。光源２２は、分析物３２が分子吸収共振線を有するか又は一定の特性を示すと知られている対象波長又は対象波長領域を通って走査される。一実施形態では、光の周波数は、１つ又は複数の対象公称波長付近の共振器共振を通って走査される。異なる公称波長を使用して、異なる分析物を観測することができる。ブロック１０８において、共振信号が、共振器３６内を伝播する光に基づいて検出器１８により検出される。ブロック１１２において、プロセッサ１４は、検出された共振信号に基づいて、存在する分析物３２（がもしあれば）の量を求める。一実施形態では、プロセッサ１４は、共振信号に基づいて流体に存在する特定の化学物質又は生物学的物質を識別する。別の実施形態では、プロセッサ１４は、共振信号に部分的に基づいて、流体における分析物３２の濃度を求める。ブロック１１６において、たとえ或る量の分析物３２が流体に存在すると前に判断されていても、ファイバ３０への調整なしに、プロセス９８をリセットすることができる。換言すれば、プロセス９８は、流体が標的分析物を含んでいない場合には可逆的である。これによって、標的分析物３２と膜４８との間の錯体が破壊され、それによって、標的分析物３２がセンサ１０から排出されることが可能になる。

図６は、第２の検出器２０４を使用して検知を行う分析物センサ２００を示す。この実施形態では、共振器２３６の内部の膜は、標的分析物にさらされるとその蛍光を変化させる。光源２２からの光は、図１と同様に、共振器２３６に向けて方向付けられ、その周波数は、光源周波数（波長）が図１と同様に順方向、すなわち反時計回り（ｃｃｗ）方向で共振するように走査される。光結合器２０６は、光源の光と反対方向に進む蛍光を検出器２０４に向けて方向付ける。検出器２０４に入射する光は、光源の光がｃｃｗ方向で共振器２３６内において共振するときはいつでも、蛍光を介して共振器２３６の検知コイルファイバの内部の薄膜から放出される。蛍光信号は、逆方向、すなわち時計回り方向（ｃｗ）でコイルファイバ２３０を進み、共振器２３６を出て、光結合器２０６を介して検出器２０４へ方向付けられる。

蛍光信号の大きさは、分析物の存在に依存する。図７は、所与の波長の光源の光によって生成される通常の蛍光プロファイルを示す。光源の光は、共振し、共振時に共振器内で高い場の強度を構築するために、通常、光の狭い周波数帯域を有する単色である。このｃｃｗ方向の共振光は、光源の光の波長よりも長い波長において、通常は周囲の波長λ_ｆ１、λ_ｆ２、…λ_ｆｎに及ぶより広い波長（λ_ｆ）のスペクトルを有し且つすべての方向における蛍光を発するように膜にエネルギーを提供する。逆方向の伝播光のみが、図６で捕捉されるので、共振器２３６のファイバは、通常、ｃｗ方向でそのコア内においてできるだけ多くの光を捕捉してガイドするように設計及び選択される。すなわち、このファイバは、高い開口数を有する。このファイバの幾何学形状は、図２−１及び図２−２に示すものと同様又は同一とすることができる。

一実施形態では、ファイバ２３０内で用いられる薄膜は、標的分析物にさらされたときはファイバの内部で蛍光を大幅に増加させ（「蛍光増強」）、さらされていないときは公称通りに低くなるように構成される。代わりに、薄膜は、標的分析物が存在しない場合には大きく蛍光を発し、標的分析物にさらされたときは蛍光を発しなくなるか又は蛍光を大幅に低減する（「蛍光消光」）。いずれの場合も、検出器２０４における信号は、標的分析物が存在から不在に変更されると変化し、ファイバにおける相互作用長、ｃｃｗ光モードの膜への近接性、及びｃｃｗ方向における共振の強度によって大きく高められる。

図８−１は、分析物が存在しないときに光源の周波数が掃引されているときの検出器１８における信号を示す。これは、図４−１に示すものと非常に類似している。
図８−２は、光源の光の周波数（波長）が共振器共振を通って走査され且つ分析物が存在しないときの蛍光増強の場合の検出器２０４における信号を示す。たとえ光源の光が共振器２３６の共振を通って掃引されても、膜材料は、検出可能な蛍光の光をほとんど又はまったく放出せず、光は検出器２０４においてまさにほとんど検出されない。

図８−３は、光源の光の周波数（波長）が共振を通って走査され且つ分析物が存在するときの蛍光増強の場合の検出器２０４の出力を示す。膜材料は、この時、検出可能な蛍光の光を放出し、その光は、光源の光が共振を通って掃引されたときに検出器２０４において検出される。この場合、共振時の共振器内での光源の周波数における光の強い増強は、（分析物によって影響を受ける）膜の分子を激しく運動させて励起状態にし、光源が共振にチューニングされたときに分子が蛍光を発することを可能にする。

図９−１は、分析物が存在しないときに光源の周波数が掃引されるときの検出器１８における信号を示す。これは、図４−１及び図８−１と非常に類似している。この場合、ファイバの内部は、蛍光消光膜で被覆されている。

図９−２は、光源の光の周波数（波長）が共振器共振を通って走査され且つ分析物が存在しないときの蛍光消光の場合の検出器２０４における信号を示す。膜材料は、光源の光が共振器２３６の共振を通って掃引されるときに、検出器２０４において検出される蛍光を放出する。

図９−３は、光源の光の周波数（波長）が共振器共振を通って走査され且つ分析物が存在するときの蛍光消光の場合の検出器２０４の出力を示す。膜材料は、この時、検出可能な蛍光の光を放出しないようにされており、光源の光が共振器２３６の共振を通って掃引されるときに、光は検出器２０４においてほとんど検出されない。この場合、たとえ共振時に共振器２３６内で光源の周波数における光が増強されても、（標的分析物によって影響を受けた）膜の分子の吸収特性及び／又は放出特性は、光源が共振にチューニングされたときに、低減された蛍光状態に変更される。

図６に関連した上記のすべての場合において、リン光膜も使用することができるが、しかしながら、膜の反応時間が遅くなり、検出器２０４における応答は、光源が共振を通ってチューニングされた時の時間から遅延する場合があることに留意されたい。その場合、検出器２０４の遅延した応答が、それよりも先の時間において共振を通った光源の光の走査と系統的に相関できることを確保するために、光源２２のチューニング速度を調整することができる。

図１０は、増強及び消光の双方の場合の蛍光（又はリン光）の変化に応答する分析物センサ３００を示す一代替的な実施形態である。この実施形態には、ｃｗ方向で伝播する光の波長の関数として信号変化を分析するのに用いられる機能がある。複数の波長λ_ｆ１、λ_ｆ２、…λ_ｆｎに関する蛍光変化を分析することによって、追加の機能が実現される。標的分析物と同様の蛍光変化をトリガできる干渉分析物が存在する場合、それら干渉分析物は、波長分析を介して区別できるので、第１の追加の機能は、より大きな信頼性（分析物の偽表示が低減されること）である。第２に、センサ３００は、２つ以上の標的分析物を測定することができ（複数の膜材料、又は２つ以上の分析物に反応する１つの膜材料）、蛍光スペクトル（対波長）の分析を介して、どの分析物が変化をトリガしたのかを区別することができる。センサ３００は、波長チャネル検出システム（wavelength-channelized detection system）を含む。ｃｗ方向で共振器３３６を出る光は、１対Ｎスプリッタ３０６を介して一連のＮ個のフィルタ検出器対に方向付けられる。各フィルタ３１０は、選択された波長領域（例えば、λ_ｆ１又はλ_ｆ２）の光のみを通し、その波長の光のみが、対応する検出器３１２に渡されるようにする。プロセッサ３１４において、波長の関数としての蛍光変化を測定して処理することができる。

図１１及び図１２は、蛍光を発する膜を使用する分析物センサ３６０、３８０の代替的な実施形態を示す。これらの実施態様の双方は、ファイバコイル３０の側からの蛍光変化の検出を示す。図１１では、センサ３６０は、ファイバコイル３０を実質的に取り囲む積分球３６４を含む。積分球３６４は、膜からの蛍光の非常に多くの部分を効率的に収集する。センサ３６０は、センサ２００よりも高い信号対雑音比を有する。

図１２に示すように、センサ３８０は、１つ又は複数の光フィルタ３８４及び１つ又は複数の検出器３８６を含む。光フィルタ３８４は、ファイバコイル３０と平行して配置される。各光フィルタ３８４は、ファイバコイル３０から蛍光で発せられた光を集め、その光を所定の光帯域幅又は波長に従ってフィルタリングする。各検出器３８６は、各フィルタ３８４によってフィルタリングされた光を受信する。センサ３８０も、センサ２００よりも高い信号対雑音比を有する。光フィルタ３８４は、通常、それぞれ異なる波長λ_ｌを中心とする帯域通過デバイスとすることができ、対象スペクトル内でλ_ｌを中心とする或る波長区間内の光を通すことができる。通常、これらのフィルタ（ガラスフィルタ、色素フィルタ（dye filter）等）は、波長依存吸収スペクトルを有する材料も含む透明材料を使用することができる。代替的に、狭帯域フィルタが、一定の波長λ_ｌを中心した透過光とは強め合って干渉するが、それ以外の波長の透過光とは強め合って干渉しない干渉効果（エタロン、誘電体被覆エタロン、ファブリ−ペロー干渉計、回折格子等）に基づくことができる。これらの検出器は、通常、各フィルタの帯域幅よりも広く、対象スペクトルにおいて非常に広い帯域の光をカバーする検出器である。例えば、可視光の場合、検出器は、シリコンフォトダイオードとすることができるのに対して、近赤外の場合、検出器は、ＩｎＧａＡｓＰフォトダイオードとすることができる。

上で述べたように、本発明の好ましい実施形態を図示して説明してきたが、本発明の精神及び範囲から逸脱することなく多くの変更を行うことができる。したがって、本発明の範囲は、好ましい実施形態の開示によって限定されるものではない。それどころか、本発明は、専ら、続く特許請求の範囲を参照することによって判断されるべきである。

Claims

標的分析物を検知するためのセンサ（１０）であって、該センサは、
光信号を提供するように構成された光源（２２）と、
検出器（１８）と、
前記検出器と信号を通信するプロセッサ（１４）と、
前記提供された光信号を共振させるように構成された共振器（３６、２３６）と、
を備え、前記共振器は、
固体領域（５６）と、
前記固体領域に隣接した少なくとも１つの中空チャネル（４６）であって、該少なくとも１つの中空チャネルは、外部ソースから流体を受け入れるように構成され（段落［００４０］）、該少なくとも１つの中空チャネルの１つ又は複数は、膜の光学特性を変化させる方法で前記標的分析物と反応する材料を有する前記膜（４８）で被覆される（段落［００３０］）、少なくとも１つの中空チャネル（４６）、
を備えるフォトニック結晶ファイバ（３０）とを備え、
前記共振器は、前記検出器と光通信を行い、
前記検出器は、前記共振器から出力された光を検出して、光信号値を出力し（段落［００４１］〜［００４３］）、
前記プロセッサは、前記出力された光信号値に基づいて、前記標的分析物が存在するか否かを判断する（段落［００４１］〜［００４３］）、
センサ。
前記フォトニック結晶ファイバコイルは、前記少なくとも１つの中空チャネルの相当部分に流体を通すように構成された入力コンポーネント（４０）及び出力コンポーネント（４２）をさらに備える、請求項１に記載のセンサ。
標的分析物を検知するための手段であって、
光を提供するための手段（２２）と、
前記提供された光を共振させるための手段（３６、２３６）と、
前記共振させるための手段の内部で前記標的分析物と錯体を形成するための手段（３０、４６、４８、５６）であって、該錯体は、光学特性の変化を引き起こす、形成するための手段（３０、４６、４８、５６）と、
前記共振させるための手段から出力された光信号を検出するための手段（１８）、及び
前記検出された光信号基づいて、前記標的分析物が存在するか否かを判断するための手段（１４）と、
を備える、標的分析物を検知するための手段。