JP2012018187A - 周波数ドメインルミネッセンス器具 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】分析物濃度を定量するための、ルミネッセンス位相の遅れを測定するための器具は、外部の位相の遅れのノイズを排除または低減するために、補正される。較正因子は、定量的測定の間に挿入される工程において、決定される。光路は、第二の光源(302)の提供によって、較正を達成するために提供される。この第二の光源は、ルミネッセンス物質のルミネッセンス発光帯域において、発光する。この較正因子は、外部の位相の遅れを補正するために、定量用の位相の遅れの測定値から減算され得る。
【選択図】なし
Description
本願は、2003年9月29日出願の米国特許仮出願番号60/506,813(これは、本明細書中で参考として援用される)に対する優先権の利益を主張する。
(1.発明の分野)
本開示は、例えば、分析物の濃度を評価するための光学感知測定における、定量的測定を達成するために、ルミネッセンス現象を使用する方法および器具に関する。より具体的には、本方法および器具は、補助光源の使用によってルミネッセンス寿命を測定する場合に外部の位相反応に対する自動的補償を達成し得る。
ルミネッセンスは、物質による光の発光に関する。蛍光およびリン光は、光子または電子による物質の刺激もしくは励起の後に生じる、ルミネッセンス現象である。これらの現象は、センサにおいて使用される場合に特に興味深い。蛍光およびリン光は、A.Arnaud、D I Forsyth、T Sun、Z Y ZhangおよびK T V Grattan「Strain and temperature effects on Erbium−doped fiber for decay−time based sensing」Rev.Sci.Instrum.71,pp.104〜8(2000)によって報告されたように温度およびひずみを測定するため;Demasに対して発行された米国特許第4845368号およびKhalilに対して発行された米国特許第5,043,286号によって報告されたように酸素を測定するため;Hai−Jui
Lin、Henryk SzmacinskiおよびJoseph R.Lakowicz「Lifetime−Based pH Sensors:Indicators for Acidic Environments」Analytical Biochemistry 269,162〜167(1999)によって報告されたようにpHを測定するため;Q.Chang、L.Randers−Eichhorn、J.R.Lakowicz、G.Rao、Biotechnology Progress 1998,14,326〜331によって報告されたようにCO2を測定するため;そしてSheila Smithら「Fluorescence energy transfer sensor for metal ions」Proc.SPIE Vol.2388,p.171〜181,Advances in Fluorescence Sensing Technology II;Joseph R.Lakowicz編,May
1995によって報告されたようにイオンを決定するために、使用されている。
[A]=f(τ,T) (2)
は、一般的には、経験的関係の様式を示す。この関係は、最小二乗当てはめまたは他の型の補正として提供され得る。ここで、τは、ルミネッセンス寿命であり、Tは、センサの温度である。
box car)積分の比を計算するタイムドメイン技術の使用を記載する。他の方法は、周波数ドメインを使用する。この場合、酸素感知コーティングに対するルミネッセンス励起入射が、正弦波、方形波、または他の周期的波形のいずれかで、周期的様式で調節される。図1は、ルミネッセンス物質の発光を破線として示す。この発光は、実線として示される励起に対して位相が遅れている。この位相の遅れ(一般的には、°で測定される)は、Δφと表示される。この位相の遅れから、その寿命は、以下の関係:
[A]=f(Δφ、T) (4)
を与え得る。Δφは、ルミネッセンス物質により誘導される位相の遅れであり、Tは、温度であり、[A]は、分析物濃度である。
Srinivas「A closed loop scheme for phase−sensitive fluorometry」American Institute of Physics,Rev.Sci.Instrum.,Vol.66,No.7,July 1995、p.3750によって記載され、その技術において、位相ロックループが、位相のずれおよびルミネッセンス寿命を決定するために使用される。Dukesに対して発行される米国特許第4,716,363号は、ルミネッセンス物質を介して一定の位相の遅延を達成するために必要な周波数をモニターする方法を記載する。周波数は、上記の式(3)を再構成することによって寿命に関連付けられ得る。Danielsonに対して発行された米国特許第6,157,037号は、ルミネッセンス寿命測定を達成するためにデジタル信号プロセッサ(DSP)を使用する、周波数と位相とを同時に変動することを記載する。アナログ発振器回路が、たとえば、Rabinovichらに対して発行された米国特許第6,673,626 B1に記載されるように、蛍光物質の寿命を測定するために使用され得る。
以下に記載される機器は、上記に概説された問題を克服し、外部の位相の遅れの問題に対する単純化された解決法を提供することによって、当該技術を進歩させる。
例えば、本発明は以下の項目を提供する。
(項目1)
ルミネッセンス物質の位相の遅れおよびルミネッセンス寿命のうちの少なくとも1つを決定するための方法において、改善が:
電子光学設備を使用することによって、光学励起源を備える第一の光路上において、該ルミネッセンス物質の定量用の位相の遅れを測定する工程であって、該定量用の位相の遅れは、外部の位相の遅れを部分的に表す信号を使用することによって測定される、工程;
該電子光学設備を使用して、該ルミネッセンス物質を通して第二の光路上の第二の光源を駆動することによって、較正用の位相の遅れを決定する工程であって、該第二の光源は、該ルミネッセンス物質からの感知可能なルミネッセンスを引き起こさない光を発光する、工程;および
該定量用の位相の遅れから、該較正用の位相の遅れを除くことによって、該外部の位相の遅れを補正し、真のルミネッセンス位相の遅れを評価する工程、
を包含する、方法。
(項目2)
前記電子光学設備を使用する工程が、前記ルミネッセンス物質からの発光に固有の波長で、前記第二の光源から光を発光させる工程を包含する、項目1に記載の方法。
(項目3)
前記定量用の位相の遅れを測定する工程、および前記電子光学設備を使用する工程が、各々、位相比較装置を作動させて、一定の周波数の変調における位相の遅れを決定する工程を包含する、項目1に記載の方法。
(項目4)
前記一定の周波数が、1kHz〜1MHzの範囲である、項目3に記載の方法。
(項目5)
前記定量用の位相の遅れを測定する工程が、前記光学励起源を変調して、あるパターンに従う時間変量周波数で発光させる工程を包含し、そして
前記電子光学設備を使用する工程が、前記第二の光源を変調して、該パターンと同じパターンで発光させる工程を包含する、
項目1に記載の方法。
(項目6)
前記定量用の位相の遅れを測定する工程が、複数回実施され、そして前記補正する工程が、対応する複数の前記真のルミネッセンス位相の遅れを提供する、項目5に記載の方法。
(項目7)
前記複数の真のルミネッセンス位相の遅れが、前記外部の位相の遅れ以外のシステムノイズによって影響を受ける場合を除いて、ある時間間隔にわたって実質的に一定である、項目6に記載の方法。
(項目8)
前記定量用の位相の遅れを測定する工程において使用される、前記ルミネッセンス物質が、酸素濃度に感受性であるルミネッセンス発光特徴を有する材料を含有し、そして前記方法が、前記補正する工程の真のルミネッセンス位相の遅れを使用して、分析物中の酸素濃度を評価する工程をさらに包含する、項目1に記載の方法。
(項目9)
前記ルミネッセンス物質が、メタロポルフィリンを含有する、項目8に記載の方法。
(項目10)
前記ルミネッセンス物質が、ルテニウム錯体を含有する、項目8に記載の方法。
(項目11)
前記定量用の位相の遅れを測定する工程が、前記光学励起源に、方形波、正弦波、周期的パルス列、およびこれらの組み合わせからなる群より選択されるパターンで発光するように電圧を印加する工程を包含し;そして
前記電子光学設備を使用する工程が、該パターンと同じパターンで、前記第二の光源に電圧を印加する工程を包含する、
項目1に記載の方法。
(項目12)
前記定量用の位相の遅れを測定する工程が、前記光学励起源に、1MHz〜2GHzの範囲の1つ以上の周波数において発光するように電圧を印加する工程を包含し、そして
前記電子光学設備を使用する工程が、前記第二の光源に、該周波数と同じ1つ以上の周波数において発光するように電圧を印加する工程を包含する、
項目1に記載の方法。
(項目13)
前記ルミネッセンス寿命測定を適用して、分析物濃度を定量する工程をさらに包含する、項目1に記載の方法。
(項目14)
前記分析物が、グルコース、pH、イオン、およびこれらの組み合わせからなる群より選択される、項目13に記載の方法。
(項目15)
前記定量用の位相の遅れを測定する工程が、前記外部の位相の遅れを補正する工程において使用された変調周波数とは異なる周波数において、前記光学励起源を変調する工程を包含する、項目1に記載の方法。
(項目16)
前記定量用の位相の遅れを測定する工程が、サーボフィードバックループを使用して、励起信号とルミネッセンス発光との間の位相の決定を最適化する工程を包含する、項目1に記載の方法。
(項目17)
前記定量用の位相の遅れを測定する工程が、前記光学発光源を変調して、前記ルミネッセンス物質にわたって一定の位相のずれを達成する工程を包含する、項目1に記載の方法。
(項目18)
前記定量用の位相の遅れを測定する工程が、前記光学励起源を変調して、前記ルミネッセンス物質にわたって変調周波数依存性の位相のずれを達成する工程を包含する、項目1に記載の方法。
(項目19)
前記定量用の位相の遅れを測定する工程と、前記電子光学設備を使用する工程との両方が、位相比較装置において検出される信号をダウンコンバーティングする工程を包含する、項目1に記載の方法。
(項目20)
前記定量用の位相の遅れを測定する工程が、前記第一の光源を使用して、前記ルミネッセンス物質に固有の発光波長について存在するものとは実質的に異なる波長帯域において光を発光させる工程を包含する、項目1に記載の方法。
(項目21)
前記第二の光源が、800nm〜1100nmの範囲で発光する、項目20に記載の方法。
(項目22)
前記電子光学設備を使用する工程が前記定量用の位相の遅れを測定する工程に対して交互に実施される、反復サイクルにおいて、前記方法が実施される、項目1に記載の方法。
(項目23)
前記定量用の位相の遅れを測定する工程が、複数回実施され、そして前記電子光学設備を使用する工程が、該複数回より少ない回数で実施されて、周期的に、前記補正する工程を実施するために使用され得る前記較正用の位相の遅れを更新する、項目1に記載の方法。
(項目24)
前記電子光学設備を使用して較正用の位相の遅れを決定する工程が、該較正用の位相の遅れを記録する工程を包含し、
前記定量用の位相の遅れを測定する工程が、複数回実施されて、複数の定量用の位相の遅れの値を提供し;そして
前記補正する工程において、該記録された位相の遅れが、該複数の定量用の位相の遅れの値と組み合わせて使用される、
項目1に記載の方法。
(項目25)
前記真のルミネッセンス位相の遅れを使用して、ルミネッセンス寿命または参照分析物濃度を計算する工程をさらに包含する、項目1に記載の方法。
(項目26)
位相の遅れおよびルミネッセンス物質のルミネッセンス寿命のうちの少なくとも1つを決定するためのシステムにおいて、改善が、
電子光学設備を使用することによって、光学励起源を備える第一の光路上において、該ルミネッセンス物質における定量用の位相の遅れを測定するための手段であって、該定量用の位相の遅れは、外部の位相の遅れを部分的に表す信号を使用することによって測定される、手段;
第二の光源を変調することによって、該電子光学設備を使用して、該ルミネッセンス物質を通る第二の光路上において、較正用の位相の遅れを決定するための手段であって、該第二の光源は、該ルミネッセンス物質からの感知可能なルミネッセンスを引き起こさない光を発光する、手段;および
該較正用の位相の遅れを該定量用の位相の遅れから除くことによって、外部の位相の遅れを補正し、真のルミネッセンス位相の遅れを評価するための手段、
を備える、システム。
(項目27)
前記電子光学設備を使用するための手段が、前記ルミネッセンス物質からの発光に固有の波長で前記第二の光源から光を発光させるための手段を備える、項目26に記載のシステム。
(項目28)
前記定量用の位相の遅れを測定するための手段、および前記電子光学設備を使用するための手段が、それぞれ、一定の変調周波数で位相の遅れを決定するための位相比較装置を操作するための手段を備える、項目26に記載のシステム。
(項目29)
前記一定の周波数が、1kHz〜1MHzの範囲である、項目28に記載のシステム。
(項目30)
前記定量用の位相の遅れを測定するための手段が、前記光学励起源をあるパターンに従う時間変量周波数で発光するように変調するための手段を備え、そして
前記電子光学設備を使用するための手段が、前記第二の光源を該パターンと同じパターンで発光するように変調するための手段を備える、
項目26に記載のシステム。
(項目31)
前記定量用の位相の遅れを測定するための手段が、量を複数回測定し、そして前記補正するための手段が、対応する複数の前記真のルミネッセンス位相の遅れを提供する、項目30に記載のシステム。
(項目32)
前記定量用の位相の遅れを測定するための手段によって使用される、前記ルミネッセンス物質が、酸素濃度に感受性であるルミネッセンス発光特徴を有する材料を含有し、そして前記システムが、前記補正する工程の前記真のルミネッセンス位相の遅れを使用して、分析物中の酸素濃度を評価するための手段をさらに備える、項目26に記載のシステム。
(項目33)
前記ルミネッセンス物質が、メタロポルフィリンを含有する、項目32に記載のシステム。
(項目34)
前記ルミネッセンス物質が、ルテニウム錯体を含有する、項目32に記載のシステム。
(項目35)
前記定量用の位相の遅れを測定するための手段が、前記光学励起源に、あるパターンで発光するように電圧を印加するための手段を備え、該パターンは、方形波、正弦波、周期的なパルス列、およびこれらの組み合わせからなる群より選択され;そして
前記電子光学設備を使用するための手段が、前記第二の光源に、該パターンと同じパターンで電圧を印加するための手段を備える、
項目26に記載のシステム。
(項目36)
前記定量用の位相の遅れを測定するための手段が、前記光学励起源に、1MHz〜2GHzの範囲の1つ以上の周波数で発光するように電圧を印加するための手段を備え;そして
前記電子光学設備を使用するための手段が、前記第二の光源に、該周波数と同じ1つ以上の周波数で発光するように電圧を印加するための手段を備える、
項目26に記載のシステム。
(項目37)
前記ルミネッセンス寿命測定を、分析物濃度を定量するために適用するための手段をさらに備える、項目26に記載のシステム。
(項目38)
前記分析物が、グルコース、pH、イオン、およびこれらの組み合わせからなる群より選択される、項目37に記載のシステム。
(項目39)
前記定量用の位相の遅れを測定するための手段が、外部の位相の遅れを補正するための手段において使用される変調周波数とは異なる周波数で、前記光学励起源を変調するための手段を備える、項目1に記載のシステム。
(項目40)
前記定量用の位相の遅れを測定するための手段が、励起信号とルミネッセンス発光との間の位相の決定を最適化するためにサーボフィードバックループを使用するための手段を備える、項目26に記載のシステム。
(項目41)
前記定量用の位相の遅れを測定するための手段が、前記ルミネッセンス物質にわたって一定の位相のずれを達成するように前記光学発光源を変調するための手段を備える、項目26に記載のシステム。
(項目42)
前記定量用の位相の遅れを測定するための手段が、前記ルミネッセンス物質にわたって変調周波数依存性の位相のずれを達成するように前記光学励起源を変調するための手段を備える、項目26に記載のシステム。
(項目43)
前記定量用の位相の遅れを測定するための手段と、前記電子光学設備を使用するための手段との両方が、位相比較装置において検出された信号をダウンコンバーティングするための手段を備える、項目26に記載のシステム。
(項目44)
前記定量用の位相の遅れを測定するための手段が、前記ルミネッセンス物質に固有の発光波長について存在するものとは実質的に異なる波長帯域で光を発光するために前記第一の光源を使用するための手段を備える、項目26に記載のシステム。
(項目45)
前記第二の光源が、800nm〜1100nmの範囲で発光する、項目44に記載のシステム。
(項目46)
前記システムが、反復サイクルで作動するように制御命令でプログラムされており、該反復サイクルにおいて、前記電子光学設備を使用するための手段が、前記定量用の位相の遅れを測定するための手段に対して交互に作動する、項目45に記載のシステム。
(項目47)
前記電子光学設備を使用して、較正用の位相の遅れを決定するための手段が、該較正用の位相の遅れを記録するための手段を備え、
前記定量用の位相の遅れを複数回測定して、複数の定量用の位相の遅れの値を提供する工程を実施するための手段を備え;そして
前記補正するための手段が、該複数の定量用の位相の遅れの値に関連して記録された位相の遅れを使用する、
項目26に記載のシステム。
(項目48)
前記真のルミネッセンス位相の遅れを使用して、ルミネッセンス寿命または参照分析物濃度を計算するための手段をさらに備える、項目26に記載のシステム。
ここで、外部の発光を測定値から排除するための技術を組み込む、センサシステムが示され、かつ記載される。この非限定的な開示は、例として好ましい材料および方法の実施を示す。
ここで位相比較装置306は、式(2)、(3)または(4)における真のルミネッセンスの位相の遅れΔφとして、Δφセンサを利用し、ΔφQは、定量モードの位相の遅れであり;ΔφCは、較正モードの位相の遅れである。これらの位相の遅れΔφQおよびΔφCは、ΔφQとΔφCとの間の相対的な位相差が正確であれば、必ずしも、絶対的にかつ非常に正確に測定される必要はない。位相比較装置306において使用される種々の方法から生じる(厳密には、減法による以外の、例えば、信号203、228を分析する微分法または差分法を使用する)、数学的に等価な真の位相の遅れの計算は、較正用の位相の遅れを排除する操作原理が観察される限りにおいて、この測定に影響を及ぼさない。定量モードと較正モードとの順序は、いかなる順番であってもよく、例えば、定量測定の前に較正測定を置いても、複数の定量測定全体にわたって較正測定を分散させても、複数の較正測定および/または複数の定量測定を平均化してもよい。
この2工程測定法の有用性は、電子機器および光学機器の温度が、室温の変動とともに、または測定周波数によって、電気的構成要素の加熱もしくは冷却によって変化する場合に例示される。1つの試験装置において、2つの数量ΔφQおよびΔφCを、8000秒にわたって、反復間隔で連続的に測定した。このルミネッセンスセンサ214を、実験の間の分析環境における変化によって位相の遅れおよびルミネッセンス寿命を変化させないように、一定温度および酸素環境で維持した。
sensor system using heterodyne technique」は、ヘテロダイン技術を議論する。これらのシステムは、外部の位相の遅れを補正するために、本明細書において示され、そして記載されたような手段を備えるように改変され得る。
以下の参考文献は、完全に本明細書中に開示されるのと同程度に、本明細書において参考として援用される:
Claims (1)
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