JP2016523363A - 全反射減衰法による画像形成装置 - Google Patents

全反射減衰法による画像形成装置 Download PDF

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Abstract

本発明では、反射マトリクスを用いた、全反射減衰法による赤外分光分析装置（ＡＴＲ赤外分光計）を提供する。反射マトリクスは、液状及び／又は粉末状のサンプルを位置分解性の分光分析によって、高い信号対雑音比で、煩雑な先行のサンプル準備を要することなく測定できる。さらに、本発明は、反射マトリクスを用いて、高い信号強度でサンプルの画像形成を可能にするための方法も提供する。

Description

本発明は、全反射減衰法による赤外分光分析装置（ＡＴＲ赤外分光計）に関する。
赤外分光分析装置では、赤外波長領域の光を使用して、分光分析すべきサンプルの分子スペクトルが取得される。無機物質及び有機物質では、赤外放射が、典型的には、１つもしくは複数の分子の機械的振動の励振によって吸収される。分子が小さい場合の回転面の励起も可能である。量子機械的な固有状態としての振動エネルギ又は回転エネルギは分子ごとに特徴的であるので、吸収スペクトルから分子及びその結合状態を推定できる。したがって、赤外分光分析によれば、物質の量子的構造が解明され、基準スペクトルに基づいて物質の識別を行うことができる。
赤外分光分析の特別な形態として、全反射減衰法による赤外分光分析（ＡＴＲ赤外分光）がある。この場合、従来技術によれば、赤外放射が反射素子内を全反射によって導波すなわちガイドされる。こうした全反射がサンプルと反射素子との界面で発生すると、全反射の位置で赤外光が指数関数的にサンプルへ入射する。入射したエバネセント波はサンプルと相互作用するので、サンプルに特徴的な周波数領域が吸収されてしまう。このため、全反射された光ビームのスペクトルでは吸収された周波数領域が欠落する。有利には、ＡＴＲ赤外分光では、使用される赤外放射に対して不透過であって、透過スペクトルの得られない物質又はサンプルを分光分析できる。また、ＡＴＲ赤外分光は、液状及び／又は粉末状のサンプルに適している。なお、ＡＴＲ赤外分光の多くの適用分野において、スペクトル情報のほかに、位置分解能、すなわち、サンプルの画像形成が必要である。しかし、従来技術によれば、こうした画像形成には強いノイズが付随する。特に、ＡＴＲ赤外分光が外科学に適用される場合、高い信号強度、ひいては、健常組織と患部組織との区別に高いシャープネスが得られることが望ましい。外科学で使用される公知のＡＴＲ赤外分光計のさらなる欠点として、サンプルがつねに流体、特に、水及び／又は血液によって包囲されていることが挙げられる。周囲の水分によって約４μｍから約１０μｍのスペクトル領域で強い吸収が生じ、本来の組織測定信号が重なり合ってしまう。
したがって、本発明の基礎とする課題は、液状もしくは粉末状のサンプルにつき、高い信号強度が得られかつ位置分解測定を行えるＡＴＲ赤外分光分析装置を提供することである。また、本発明は、相応の方法を提供することも課題とする。
この課題は、独立請求項１に記載された特徴を有する装置によって解決される。請求項１に従属する請求項において、本発明の装置の有利な実施形態及び改善形態が得られる。また、本発明の課題は、請求項１１記載の特徴を有する方法によっても解決される。
本発明の全反射減衰法による赤外分光分析装置は、光、特に赤外光を放射する光源と、複数のビーム成形素子と、分光分析すべきサンプルの画像を検出する検出器とを備える。また、赤外分光分析装置は、内部での全反射によって光ビームをガイドするように構成された複数の反射素子を含む反射マトリクスを備える。各反射素子は、所定平面の相互に垂直な２方向で規則的に配置されて、１つのマトリクスを形成している。特には、当該平面は湾曲していてもよい。これにより、各反射素子は、所定平面（上記相互に垂直な２方向）に対して垂直な１方向で相互にずらされる。さらに、個々の反射素子の第１の部分領域の適用面は凸状に成形されており、この適用面は、分光分析すべき液状もしくは粉末状のサンプルに向かって配置されている。このように、適用面は、サンプルと反射素子との界面を形成する。
適用面の凸形状から、複数の利点が得られる。１つは、凸形状によって、内部での全反射による光ビームのガイドが可能となることである。もう１つは、適用面の凸形状とマトリクスとしての規則的な配置とによって、サンプルへの適用が行われる際に、圧縮不能な流体、特に水及び／又は血液を、凸形状によって生じたチャネルへ排出できることである。これにより、赤外分光分析の障害となる流体、特に水及び／又は血液を、形成されたチャネルを介して排出できる。こうして例えば、中赤外波長領域の全体、特に４μｍから１０μｍの領域にわたる水分吸収の障害影響が大幅に低減される。したがって、有利には、大きな準備コスト無しに、液状及び／又は粉末状のサンプルを分光分析できる。
このことは、手術中に準備無しで組織検査を行わなくてはならず、また大抵の場合に組織が流体（特に血液）によって完全に包囲されている、外科学の適用分野において、特に有利である。ここでは、分光分析すべき組織の周囲の水及び／又は血液が、凸形状の適用面の押圧によって排出され、形成されたチャネルを介して測定箇所から除去される。また、有利には、所定の器官、例えば肝臓もしくは腎臓の表面に適合するよう、反射素子の配置を調整できる。このようにすれば、反射マトリクスと検査すべき器官との同一面での接触が達成される。当該適合化により、各反射素子を、所定の器官の表面に追従する湾曲面に規則的に配置できる。
有利には、複数の反射素子が所定平面において１つのマトリクスを形成する。マトリクスとしての配置によって、各反射素子がＡＴＲ赤外分光計のピクセルに正確に１つずつ対応し、これにより、分光分析すべきサンプルの位置分解能が得られる。
本発明の赤外分光分析装置を用いた赤外分光分析方法は、
・赤外光源によって赤外の光ビームを形成するステップと、
・光ビームをいずれか１つの反射素子へ入射させるステップと、
・当該反射素子で反射された光ビームを少なくとも１つの赤外検出器で検出するステップと
を含む。
本発明の方法によれば、少なくとも１つの反射素子の照明と、反射素子で反射されて出射された光ビームの検出とが可能である。これにより、分光分析すべきサンプルのＡＴＲ赤外分光スペクトルが得られる。
有利な一実施形態によれば、各反射素子の第１の部分領域は半円筒状に構成される。これにより、本発明のマトリクスとしての配置で、複数の平行なチャネルが形成される。この場合、各チャネルは例えば相互に垂直な複数の方向のいずれかに沿って延在する。
有利には、当該半円筒形状によって、光ビームの全反射が可能となる。
特に有利には、圧縮不能な流体が複数の平行なチャネルを通して排出される。特には、圧縮不能な流体が全反射位置すなわち測定位置から排出される。
特に有利な別の実施形態では、各反射素子の第１の部分領域は半球状に構成される。これにより、本発明のマトリクスとしての配置で、相互に垂直な２方向においてそれぞれ相互に平行な複数のチャネルが形成される。このため、チャネルの個数ひいては流体の流量を増大できる。特に有利には、光ビームの半球状の構成によって複数回の全反射が生じることで、さらに信号強度ひいては信号対雑音比が向上する。
特に有利な別の実施形態では、各反射素子の第１の部分領域は角錐状に構成される。これにより、請求項３の利点と同様の利点が得られる。有利には、ここでの角錐は、長方形の底面を有するので、直方体状に構成される第２の部分領域への接続が簡単となる。
各反射素子の第２の部分領域は直方体状に構成可能である。第２の部分領域を直方体状に構成することによって、複数の反射素子をマトリクスとして配置する際に、簡単かつ正確に、側面の整合した構成を達成できる。有利には、複数の反射素子を各側面が整合した状態で閉鎖できることにより、チャネルを通して圧縮不能な流体を放出でき、流体が第２の部分領域のサンプルとは反対側の表面へ流れるおそれがなくなる。
有利な実施形態では、反射マトリクスの各反射素子は、特には赤外放射を反射させるための反射性コーティングを有する。これにより、複数回の全反射が生じるように光ビームのガイドを制御できる。これにより信号対雑音比がさらに向上する。また、例えば、光ビームの循環ガイドも可能となる。反射性コーティングに代えてもしくはこれに加えて、相互に屈折率の異なる複数の材料を使用してもよい。屈折率を意図的にずらすことにより、特に光ビームの複数回の全反射による所望の光ビームガイドが達成される。
各反射素子は、ＺｎＳｅ，Ｇｅ，Ｓｉもしくはダイヤモンドの材料のうち少なくとも１つを含む。ここに挙げた材料の屈折率が高いことにより、光ビームの内部全反射が可能となる。特に有利なのは、約４の屈折率を有するＧｅである。こうして、画像形成方法における高い分解能が得られる。
別の有利な実施形態では、反射マトリクスが多重反射結晶を含む。多重反射結晶により、同じ光ビームをいずれか１つの反射素子へ複数回ガイドできる。こうして、各反射素子の適用面での全反射が複数回反復されるので、信号強度ひいては信号対雑音比が向上する。これにより、サンプルごとに特徴的な吸収帯域もいっそう明確に表される。
多重反射結晶は反射マトリクスに対して移動可能に配置される。このため、多重反射結晶を反射マトリクスの任意の反射素子の上方に位置決めできる。この位置決めは、移動手段によって反射素子ごとに順次に行われるので、有利には、高い信号対雑音比とともに位置分解能が得られる。
有利な実施形態では、多重反射結晶と反射素子の第２の部分領域とがほぼ等しい屈折率を有する。これにより、ビーム路に対して負の影響を有する、多重反射結晶と反射素子との界面での光ビームの屈折が回避される。
有利な実施形態によれば、光ビームが反射マトリクスに沿って移動可能であることにより、個々の反射素子の全てが少なくとも１回照明される。光ビームを反射マトリクスに沿って移動させることにより、スキャニングプロセスが実現される。反射マトリクスの全ての反射素子が少なくとも１回照明されるので、本発明の方法では、サンプルの画像形成が可能である。有利には、１つのピクセルが１つの反射素子の測定信号にそれぞれ対応する。こうして、ピクセルごとにＡＴＲ赤外スペクトルが記録される。特に有利には、本発明の方法と本発明の反射マトリクスとの組み合わせによって、高い信号強度でサンプルの画像形成が可能となる。特に、外科学の適用分野において、本発明の方法により、がん組織と健常組織とを充分に区別できる。
本発明の方法では、有利な一実施形態として、個々の反射素子の照明が光源からの光によって同時に行われる。これにより、サンプル全体の画像形成が可能である。さらに、検出器として、マトリクス検出器（フォーカルプレーンアレイ）を用いることにより、位置分解測定が可能である。つまり、ここでは、ピクセルごとに１つずつのＡＴＲ赤外スペクトルが記録される。
本発明の方法では、反射素子が分光分析すべきサンプルへ適用される。有利には、これにより信号強度が増大される。特に有利には、本発明の反射マトリクスの適用によって、圧縮不能の流体、特に水及び／又は血液を排出するためのチャネルが形成される。これにより、特に水が測定信号に対して有する障害影響が低減される。また、有利には、液状及び／又は粉末状のサンプルの煩雑な準備が必要なくなる。このことは、特に、外科学の適用分野で、大抵の場合に流体（特に血液）によって包囲されている組織の検査を手術中に準備無しで行わなければならない場合などに有利である。
有利な実施形態では、赤外光源の光ビームはまず多重反射結晶へ入射し、続いていずれか１つの反射素子へ入射する。これにより、有利には、光ビームは反射素子内で多重に測定位置へガイドされ、信号対雑音比が増大する。
有利には、光ビームは、赤外検出器での検出前に、少なくとも４回、いずれか１つの反射素子へ入射する。特に有利には、入射回数は１０回である。このことは多重反射結晶によって容易に実現される。信号強度は、反射素子とサンプルとの界面（適用面）での全反射の回数にほぼ比例する。適用面での全反射の回数の増大は、公知の多重反射結晶によって容易に実現できる。
本発明を、添付図を参照しつつ、好ましい３つの実施形態に即して、以下に詳細に説明する。
ＡＴＲ赤外分光分析装置を示す側面図である。 複数の反射素子の反射マトリクスとしての配置を示す立体図である。 多重反射素子を含む反射マトリクスを示す立体図である。
図１には、個々の反射素子２から成る反射マトリクス１を方向１２に沿って切断した断面図が示されており、反射マトリクス１は多重反射素子である多重反射結晶１６を備えている。この実施形態で示されているＡＴＲ赤外分光分析装置は、さらに、赤外光源２２と、複数の鏡及び／又は一般的なビーム成形素子２８と、赤外検出器２４とを含む。赤外光源２２から放射された赤外光ビーム１８は、まず多重反射結晶１６へ入射する。多重反射結晶１６は、光ビーム１８を複数回内部で反射させ、これによっていずれか１つの反射素子２へ当該光ビームを多重にガイドする。続いて、反射された光ビーム１９が多重反射結晶１６から出射され、鏡及び／又は一般的なビーム成形素子２８を通して、検出のための赤外検出器２４へガイドされる。多重反射結晶１６は、方向１５で見て反射マトリクス１の上方に位置しているが、相互に垂直な２方向１２，１４に関して移動可能である。これにより有利には、検出器２４によって、反射マトリクス１の反射素子２ごとに、ＡＴＲ赤外スペクトルが記録される。
光ビーム１８を多重反射結晶１６によって多重にガイドすることにより、この実施形態では、信号強度が４倍に増幅される。これにより、高い信号対雑音比を有する画像形成が可能となる。
図２には、反射素子２の立体図が示されている。この場合、複数の反射素子２が、相互に垂直な２方向１２，１４で規則的に配置されて、反射マトリクス１を形成している。典型的には、１つの反射素子２の広がりは約０．５ｍｍから１．５ｍｍの領域にある。ここでは図示されていない赤外光源２２から放射された光ビーム１８は、上記２方向１２，１４に対して垂直に、各反射素子２の第２の部分領域１０へ入射する。第２の部分領域１０は有利には直方体状に構成されているので、複数の反射素子２の各側面を整合させたマトリクス配置が可能である。この実施形態では、各反射素子２の第１の部分領域８は半円筒状に構成されている。各反射素子は楔状に構成することもできる。有利には、適用面４の凸形状によって、水及び／又は血液などの排出を可能にする複数のチャネル３０が形成される。この場合、分光分析すべきサンプル２６周囲の水及び／又は血液が適用面４の適用によって各チャネル３０へ排出され、これによって測定位置２７から除去される。なお、方向１５に沿って第２の部分領域から出射される光ビーム１９は、ここでは図示されていない赤外検出器２４へガイドされるか、又は、図示されていない多重反射結晶１６を通してもう一度光ビーム１８として反射素子２へ戻される。
図３には、反射マトリクス１の立体図が示されている。図示の装置はさらに多重反射結晶１６を含む。個々の反射素子２は、平坦な平面６の相互に垂直な２方向１２，１４で規則的に配置されて、反射マトリクス１を形成している。この場合、反射素子２の適用面４は、２方向１２，１４に対する垂直な方向１５で見て平面６の前方に位置しているので、当該適用面４をここでは図示されていないサンプル２６へ適用することができる。図１に関連して説明したように、光ビーム１８はまず多重反射結晶１６へ入射し、反射素子２へ多重にガイドされ、続いて光ビーム１９として再び出射される。

Claims (16)

  1. 全反射減衰法による赤外分光分析装置であって、
    該装置は、１つの光源（２２）と、１つの検出器（２４）と、複数のビーム成形素子（２８）と、複数の反射素子（２）を有する１つの反射マトリクス（１）とを備え、
    各反射素子（２）は、内部での全反射によって光ビームをガイドするように構成されている、装置において、
    各反射素子（２）の第１の部分領域（８）の適用面（４）は、凸状に成形されており、かつ、分光分析すべきサンプル（２６）に向かって配置されており、
    各反射素子（２）は、所定平面（６）の相互に垂直な２つの方向（１２，１４）で規則的に配置されている、
    ことを特徴とする装置。
  2. 各反射素子（２）の前記第１の部分領域（８）は、実質的に半円筒状に構成されている、
    請求項１記載の装置。
  3. 各反射素子（２）の前記第１の部分領域（８）は、実質的に半球状に構成されている、
    請求項１記載の装置。
  4. 各反射素子（２）の前記第１の部分領域（８）は、実質的に角錐状に構成されている、
    請求項１記載の装置。
  5. 各反射素子（２）の第２の部分領域（１０）は、実質的に直方体状に構成されている、
    請求項１から４までのいずれか１項記載の装置。
  6. 各反射素子（２）は、反射性コーティングを有する、
    請求項１から５までのいずれか１項記載の装置。
  7. 各反射素子（２）は、ＺｎＳｅ，Ｇｅ，Ｓｉもしくはダイヤモンドの材料のうちいずれか１つを含む、
    請求項１から６までのいずれか１項記載の装置。
  8. 前記装置は、さらに、前記光ビームを内部での全反射によっていずれか１つの反射素子（２）へ多重にガイドするように構成された１つの多重反射結晶（１６）を備える、
    請求項１から７までのいずれか１項記載の装置。
  9. 前記多重反射結晶（１６）は、前記反射マトリクス（１）に対して移動可能に配置されている、
    請求項８記載の装置。
  10. 前記多重反射結晶（１６）と前記反射素子（２）の第２の部分領域（１０）とは、実質的に等しい屈折率を有する、
    請求項８又は９記載の装置。
  11. 請求項１から１０までのいずれか１項記載の反射マトリクス（１）を用いた、赤外分光分析方法であって、少なくとも、
    赤外光源（２２）によって赤外の光ビーム（１８）を形成するステップと、
    前記光ビーム（１８）をいずれか１つの反射素子（２）へ入射させるステップと、
    前記いずれか１つの反射素子（２）で反射された光ビーム（１９）を少なくとも１つの赤外検出器（２４）で検出するステップと
    を含む
    ことを特徴とする方法。
  12. 前記光ビーム（１８）を前記反射マトリクス（１）に沿って移動させることにより、個々の反射素子（２）の全てを少なくとも１回照明する、
    請求項１１記載の方法。
  13. 複数の前記反射素子（２）を前記光ビーム（１８）によって同時に照明する、
    請求項１１記載の方法。
  14. 各反射素子（２）の適用面（４）を分光分析すべきサンプル（２６）へ適用する、
    請求項１１から１３までのいずれか１項記載の方法。
  15. 前記光ビーム（１８）をまず多重反射結晶（１６）へ入射させ、続いていずれか１つの反射素子（２）へ入射させる、
    請求項１１から１４までのいずれか１項記載の方法。
  16. 前記光ビーム（１８）を、前記赤外検出器（２４）での検出前に、少なくとも４回、いずれか１つの反射素子（２）へ入射させる、
    請求項１１から１５までのいずれか１項記載の方法。
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