JP2018509615A - 走査型赤外線測定システム - Google Patents

Abstract

試料流体における構成成分の分析装置が、光学源と、ビームのビーム経路を画定する光学検出器と、光学ビームが試料流体及び基準流体と相互作用する流体フローセルにおけるインタロゲーション領域を画定するビーム経路上に配置される流体フローセルと、流体フローセル内で層流に対してビームを走査させる走査システムとを備え、光学源はビームを放射し、光学検出器は試料流体による部分的吸収の後にビームを測定し、試料流体及び基準流体は層流にあり、走査システムは、試料流体及び基準流体の両方に対してビームを走査させる。

Description

［関連出願の相互参照］
本出願は、米国特許法第１１９条（ｅ）の下で２０１５年２月１９日に出願された米国仮特許出願シリーズ番号第６２／１１８，００５号に基づく利益を主張する。第６２／１１８，００５号である該出願は現在、本出願の出願により係属中である。第６２／１１８，００５号である該出願はここで参照により、本出願に組み込まれている。 "Ｃｙｔｏｍｅｔｒｙ Ｓｙｓｔｅｍ ｗｉｔｈ Ｉｎｔｅｒｆｅｒｏｍｅｔｒｉｃ Ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ"と題された米国特許出願第１３／８９４，８３１号も、参照により、その全体が本出願に組み込まれている。

［連邦支援研究又は開発に関する声明］
本出願は適用されていない。

１．発明の分野

本願発明は概して、赤外線分光法に関し、より具体的には、ＱＣＬを含む赤外線レーザが液体試料を測定するために用いられ得るシステムに関し、これらの液体の化学組成の測定において信号対雑音比の観点から重要な利点を提供し、かつ、レーザ又は他の光学列の変化に拘わらず、非常に安定するシステムをもたらす。

２．本明細書の全体にわたって先行技術に関するいかなる説明も決して、そのような先行技術が、広く知られている、又は当分野における共通の一般知識の一部を形成するという自認として考慮されるべきではない。

コンパウンドが中赤外線領域において他とまったく別の吸収「指紋」を有するため、赤外線分光法は、分子結合の振動エネルギーに対応する吸収帯域を用いて、気体、液体、及び固体物質の化学的特性付けのための貴重な周知ツールである。

理論上、赤外線分光法は、これらに限定されないが、診断又は物質検出のための医療用液体分析（血液、尿、唾液等）、産業又は食品／飲料処理制御、汚染物質検出等を含む応用のための液体試料を分析するために非常に貴重なツールであるはずである。

液体試料に対する赤外線分光法のより広範な応用の主要な障害が、赤外線における多くの液体の高い固有吸収度にあった。例えば、水は、強い赤外線吸収を有し、水溶液の分析を困難にさせる。多数のツールがこの課題を回避するために開発されてきており、例えば、減衰全反射（ＡＴＲ）プリズム及び他の表面グレージング光学技術の使用、分析前の試料の乾燥、及び１つの液体から別のより高赤外線透過性の液体へ溶質を移動するための液−液抽出処理の使用等である。これらのそれぞれは、液体の測定に潜在的な複雑性及び不正確さをもたらす。

量子カスケードレーザ（ＱＣＬ）を含み、赤外線における新たな改善された光源が、伝統的な「グローバー」（ｇｌｏ−ｂａｒ）（白熱広帯域の熱放射）源よりも、対象となる特定の波長の著しくより高いパワーを提供する。このより高いパワーは、より濃い液体試料における吸収測定を潜在的に可能にする一方、試料における化学濃度の測定のための合理的な信号対雑音比を可能にする十分なパワーのスループットを維持する。測定は次に、１つ又は複数の波長を用いて、対象となる吸収ピークにおいて、１つ又は複数の「信号」波長、及び可能な限り、基準又は基準線レベル（オフピーク）を提供するために設計された波長を用いて、実行されることができる。複数の波長は、複数のレーザを用いて、又は波長可変源の使用を通じて、実現され得る。

液体における低濃度のコンパウンド、又は化学組成における軽微な変化の検出について、対象となる濃度に対応して増加する赤外線吸収は、極めて小さい場合がある。従って、より高いパワーの透過性を用いたとしても、高バックグランドに対して小さい吸収信号を検出するという課題が残っている。

分光法において低濃度を測定するために利用される一解決手段が、基準波長の使用である。例えば、対象となる物質の吸収ピークに対応する波長での試料透過性が、一方がより高い波長で他方がより低い波長であるといった２つの近傍波長での透過性と共に、測定される。「基準線」が次にその基準波長透過性を用いて計算され、「ピーク」波長での透過性は、この基準線により分けられる。この種類の基準線調整は、試料の濃さ、他のコンパウンドによる広範な吸収、及び検出器の応答性変更などの要因を補うことができる。広帯域の赤外線源の場合において、（限られた波長範囲にわたって）ソースの出力における変化も補う。例えば、そのような基準使用は、従来の黒体熱源の温度における変化からの影響を大幅に低減させるであろう。実際には、このことは、化学的内容を精密に判断するように、グローバー源に搭載される伝統的なフーリエ変換赤外（ＦＴＩＲ）器械が、（又は、更にシンクロトロン源からの広帯域照射を用いて、）局所的に（波長の）基準線とされ得るスペクトルデータを生成することを可能にする。

しかしながら、そのような基準線技術は、より濃い液体試料を貫通するようにより高いパワーを照射し得るものなどの赤外線レーザ源では著しく効果が低い場合がある。レーザ源は本質的に、広帯域のエミッタではなく、狭帯域の共振デバイスである。それらの出力（パワー、波長、帯域幅、偏光、及び空間的なビーム特性）は、電流、温度、経時変化、及び（反射からの）フィードバックを含む、デバイス及び動作の状態に対して非常に敏感であり得る。更に、これらの状態における任意の変化は、出力において極めて非連続的な変化を引き起し得る。更に、これらの変化は、広帯域又は波長可変レーザの場合において、レーザ毎に、又は更に波長毎に、一定ではないであろう。

結果として、「ピーク」（対象コンパウンドの吸収）波長と、「基準」波長との間の照射の変化は、対象となるコンパウンドからの増加する吸収と比較して、非常に大きい場合がある。

気体分光法のために用いられる１つの方法が、短時間において吸収ピークを通じて走査する波長可変レーザの使用である。これは、商用器械において既に用いられている波長可変ダイオードレーザ吸収分光法（ＴＤＬＡＳ）の背後にある核心概念である。気体試料において、吸収ピークは一般に、非常に狭いもの（＜＜１ｃｍ^−１）及び高いものである。これは、非常に狭い同調範囲（多くの場合、波数では、＜１ｃｍ^−１）が、基準及びピーク波長をカバーするために用いられ得ることを意味する。この同調は、迅速に、かつレーザの状態における最小変動で、実行されてよい。

一方、液体システムにおいて、吸収帯域は、はるかにより広範囲となり、より低いピーク吸収を有する。これは、波長可変システムがはるかにより広範囲（例えば、＞１０ｃｍ^−１）をカバーすることを必要とし、このことを一定に行うことが困難である。例えば、レーザ内のモード移行は一致せずに発生し得て、対象となる波長におけるパワー及び他のビーム特性における急激な変化をもたらす。

同様に、必要な範囲にわたる波長において動作する複数の個別のソースは、それらの経時的な放射特性及び動作状態において個々に変動し得て、「基準」及び「ピーク」透過性における明らかな変化及び報告される化学濃度における誤差をもたらす。

更に、試料の前にレーザパワーをモニタリングする基準パワー検出器を一体化することが可能であるが、そのような基準スキームは、フリンジなどの新しい光学アーティファクトをシステム内に導入するであろうビーム分割光学系を必要とする。更に、これらの光学系により分割されたパワーは、結果として試料に照射されるパワーと異なり得る。加えて、そのような基準チャネルは、（コヒーレントなレーザベースのシステムにおいて特に強くなり得る）試料及び試料チャンバ内の光学効果を考慮しないであろう。

本願発明は、ＱＣＬを含む赤外線レーザが液体試料を測定するために用いられ得るシステムを説明し、これらの液体の化学組成の測定において信号対雑音比の面で重要な利点を提供し、かつ、レーザ又は他の光学列の変化に拘わらず、非常に安定するシステムをもたらす。

該システムは、基準及び試料液体を、赤外線透過性のミクロ流体チャネル（又は「キュベット」）を通って移動する層流内に組み合わせる液体ハンドリングシステムを備える。該システムは、１つ又は複数の赤外線レーザからこのチャネル内に光を照射する光学系を更に備え、赤外線光は、その化学成分、経路長、温度、及び光学的特性に従って、チャネル内の液体により、部分的に吸収される。該システムは、チャネル内の層流に対してビームを走査させる走査サブシステムを更に備え、これにより、ビームが基準及び試料流体の両方にわたって走査する。該システムは、走査サブシステムが試料及び基準液体の両方にわたって光を走査させる一方、チャネル内の液体により部分的に吸収されている光を測定する１つ又は複数の検出器を更に備える。

重要なことは、層流を有するミクロ流体チャネルは、液体が光源とほぼ同一の構成に存在し、互いに極めて近接することを可能にすることであり、これにより、試料及び基準流体の測定は、システムを安定な状態に維持している間の短い期間内に行われることができる。加えて、共通流において流体が互いに極めて近接することは、それらがほぼ同一の条件（圧力、温度、流速等）において存在することを確実にする。

［検出］
いくつかの実施形態において、ＡＣ結合検出器は、走査サブシステムが液体流間においてビームを走査させると、１つ又は複数の波長において基準と試料液体との間の差分吸収を測定するために用いられ得る。走査レートは、検出器及びシステムの信号対雑音比（ＳＮＲ）を最適化するように調整されてよく、例えば、それを、大概１／ｆ雑音より高いが依然として検出器及びその増幅回路の高応答範囲内に配置する。抽出及びフィルタリング並びに特定の周波数の信号のための様々な周知のスキームは、ＳＮＲを最適化するために用いられ得る。焦電性検出器などの本質的に変化感応型（「ＡＣ」）検出器は用いられてよく、サーモパイルなどの他の熱検出器、又は、冷却又は無冷却ＩｎＧａＡｓ又はＨｇＣｄＴｅ検出器などの光起電性検出器も用いられて良い。焦電性検出器は、基準と試料流体との間の差分吸収の結果として赤外線光における小さい変化に対して感応性を維持する一方、非常に高飽和流束（ユニットエリア毎のパワー）の利点を提供し得る。

［走査］
走査は、試料にわたって１つ又は複数のビームを光学的に走査させることによって、又はビームに対して試料を移動させることによって、実現され得る。試料にわたってビームを走査させるための多くのサブシステムは、顕微鏡使用のために製造されており、同様のサブシステムは、本願発明において利用されてよい。

［レーザ］
１つ又は複数の赤外線レーザは、対象となる１つ又は複数の波長を生成するために、本願発明において用いられてよい。いくつかの場合、単一固定波長のレーザは、基準液体に存在しないが試料液体に潜在的に存在するコンパウンドの特定の吸収ピークをインタロゲートするために用いられてよい。ビームを基準と試料流体との間において走査させると、検出器上で検出される変化の大きさは、試料におけるコンパウンドの濃度の算出を可能にする。

他の場合において、（対象となる吸収ピークを測定する）少なくとも１つの「信号」波長、及び１つ又は複数の「基準」波長を含み、複数の波長を用いることは、（干渉する非対象コンパウンドにより、又はより良好な濃度精度が所望されているため、）有用であり得る。そのような構成において、これらの波長は、（単一チップのアレイにおける、又は個別のデバイスにおける）複数のレーザから、又は波長可変な１つ又は複数のレーザから同時に照射され得る。

複数の波長が同時に用いられるとき、これらは、薄いフィルムフィルタ、回折格子、又は同様のデバイスを用いて試料を通って透過された後に分離され得る。あるいは、それらは、それらの信号が検出システムにおいて分離可能となるような方式で変調され得る。

ファブリーペローレーザなどの比較的広帯域のレーザ源が用いられてよく、検出前に光学的に走査した後に構成成分の波長が互いから分割される。

本願発明は、これらに限定されないが、多くのコンパウンドが特有の吸収ピークを有する近赤外線領域及び中赤外線領域を含み、赤外線領域全体にわたる波長及びレーザを利用し得るが、ＱＣＬなどのより強いレーザ源が開発されているＴＨｚ領域における波長及びレーザも利用し得る。

［基準液体］
本願発明において用いられる基準液体は、いくつかの形態であってよい。最も基本的な構成において、基準液体は、試料液体に含有される（すなわち、対象コンパウンドを１つも含有していない）媒質の純試料からなる。例えば、水中の不純物（炭化水素など）の測定が目的の場合、基準液体は、蒸留水、又はモニタリングされている場所からの水の知られている「清浄」な試料であり得る。

その他の場合、基準液体は、対象となるコンパウンドを所望のレベルで含有してよく、例えば、コンパウンドが液体媒質に追加される産業処理において、実験室において正確な濃度まで混合される基準液体が用いられてよい。従って、システムにおいてビームを試料と基準との間において走査させると、検出された任意の信号は、所望のレベルからの逸脱を示す。この信号の位相又は符号は、コンパウンドが多すぎるか、又は少なすぎるかを示し得て、大きさは、誤差レベルを示し得る。本願発明の多くの実施形態と同様に、複数のコンパウンドは、複数の波長でこのように測定されてよい。例えば、「パネル」全体は、（生成物の「黄金試料」に対して）調合処理において連続でリアルタイムの態様で作動され得る。

別の例において、血漿などの医療用液体は、本願発明において、対象レベルの、例えば、ブドウ糖などの特定の成分を含有する標準的基準に対して分析され得る。いかなる逸脱も高コントラストで測定され得る。

その他の適用において、基準液体は、「前」試料であってよく、一方、試料液体は、「後」試料であってよく、例えば、分解を測定するべく、化学的変化が時間にわたってモニタリングされる。例えば、劣化を追跡し、油交換又は他の予防保守を必要とするべく、機械又は電子機器内の油の状態がこのようにモニタリングされてよい。再び、試料は、ほぼ同一の測定条件、並びに走査型測定から生じる高コントラスト及びＳＮＲを可能にする層流において存在する。

他の実施形態において、本願発明は、基準流体が２つの流れに分けられ、１つの流れが、それ自体と反応し、その化学組成を変え、又はそれ自体内に外部コンパウンドを導入する気体、液体、又は固体試料に露出されるという構成において、用いられてよい。この相互作用の結果はここでの「試料」液体であり、次に、上述のように測定される。そのような相互作用の例は、外部試料から試料液体内へ溶解されるコンパウンドを含み、液−液抽出、気体から液体への抽出、固体から液体への抽出を含む。例えば、そのようなシステムは、まず、このコンパウンドを既知の液体に溶解させ、次に、本明細書において説明されているような高コントラストで、結果として生じた試料液体を液体媒質の純試料に対して測定することにより、固体の表面上のコンパウンドの量を追跡する測定を可能にし得る。

他の実施形態において、試料液体又は流れは、実際には、それらの２つの液体間の反応の結果として、層システムにおいて流れる２つの液体の境界面において形成されるコンパウンドからなり得る。この場合、境界面領域（「試料」）は、フローチャンバ内において様々な長さで測定されてよく、反応率／濃度は、試料流からの赤外線吸収信号の成長率から導出される。

他の実施形態において、液体流パラメータの精密測定を容易にするために、基準液体は、測定されているもの以外のコンパウンドに事前に含浸されてよい。例えば、最大精度で試料の濃度を判断するために、層流路において基準液体に対する試料液体の正確な断面を測定することが望ましい場合がある。この目的のために、基準液体は、試料液体から失われるであろうマーカを含み、その脱漏が試料において検出されることを可能にする。このマーカは、必ずしも赤外線において機能しなければならないわけではなく、このマーカは、（赤外線における該色素の吸収ピークが測定に干渉しない限り、）極めて単純に、可視域において光学的にモニタリングされるカラー色素であってよい。

特定の用途において、基準液体の多くは、層流部の終わりにおいて分離され再使用され得る。試料液体に近接する十分な（拡散を考慮するのに十分な）基準液体が、取り除かれて試料液体と共に破棄され、基準液体の残りの部分は再循環される。

「流れ」 多くの実施形態において、（２次元又は３次元の何れかにおいて）基準液体により囲まれる試料液体の単一層の流れが必要とされる。そのような層流、及びそれを生成するための方法及び流体デバイスは、ミクロ流体及びサイトメトリの分野ではよく知られている。

他の実施形態において、流路にわたって交互する多重の層状の試料流及び基準流を生成することが有利であり得る。そのような構成は、走査から生じる信号のより高ＳＮＲを可能にし得る。

赤外線における高透過性のために、（流体の透過、及び層流を維持するために必要とされる流体の動的パラメータに依存し、）例えば、＜１ｍｍ、又は、多くの場合、＜１００ミクロン（μｍ）、＜５０μｍ、＜２５μｍ、又は更に＜１０μｍなど、比較的薄い流路を用いることが望ましい場合がある。

走査ビーム及び流体チャンバの表面角度は、可変な建設的又は破壊的な干渉によって測定に干渉し得て、更に潜在的にレーザにフィードバックし得る表面反射を最小限にするように配置されてよい。大概の赤外線レーザ源は本質的に偏光されるので、表面は、Ｐ偏光が測定チャンバを通過する際に反射が起こらないように指向される。

本願発明は、透過性構成、又は（光が液体を通過して反射し、液体を再び通過し、次に検出器に戻る）半透過性構成の何れかを利用し得る。

本願発明は、試料及び基準流体流と接触するフォトニック結晶の使用のような表面グレージング／エバネッセント結合吸収分光法技術、又はより一般に、測定面が流体流路の１つの側面を形成するＡＴＲプリズムを組み込んでよい。そのような構造において、（ＡＴＲに入り、流体と接触する表面から少なくとも一度反射する）ビームを、ＡＴＲ結晶の測定面にわたって層流体流に対して垂直に移動させることによって、走査は依然と実現される。

［波長］
本願発明は、レーザ源が利用可能な赤外線及びテラヘルツ領域全体にわたって用いられ得る。具体的には、近赤外線（０．７５〜１．４μｍ）、短波赤外線（１．４〜３μｍ）、中間波長赤外線（３〜８μｍ）、長波長赤外線（８〜１５μｍ）、及び遠赤外線（２０〜１０００μｍ）領域において用いられ得て、これらの領域において、コンパウンドが特有の振動吸収線を有し、レーザ及び検出器の部品が上述のように用いられることができるように開発されている。

［ＱＣＬ］
量子カスケードレーザ（ＱＣＬ）が、本願発明の使用に具体的な利点を提供し得る。それらは、液体特性を測定するために本願発明が用いられ得る中赤外線領域全体及びテラヘルツ領域にわたる波長で放射するように、製造され得る。それらは、個別の狭帯域の単一波長デバイス、１つ又は複数の特定の波長帯域を選択するように波長選択型又は分散性の要素と任意選択的に組み合わせられ得る広帯域（ファブリーペロー）エミッタ、波長可変サブシステム、及び単一チップのデバイスから多数の波長を放射し得るＱＣＬアレイを含み、複数の形式において利用可能である。ＱＣＬのこれらの形態の全ては、本願発明のコンテキストにおいて用いられ得る。

［応用］
本願発明の応用は、以下を含むが、これらに限定されない。

−診断目的、又は制御物質のモニタリングのための、標準的基準流体に対する、血漿、尿、又は唾液を含む医療用流体の測定であり、これは、血液ブドウ糖レベルの測定を含み得る。

−汚染物質の濃度の検査／判断のための基準水試料に対する水試料の測定である。

−ＤＮＡ、ＲＮＡ、タンパク質、糖類、脂質、細胞栄養剤、及び代謝物のレベルを測定するための基準媒質に対する生物学的試料の測定であり、これは、栄養剤の吸収及び／又は代謝物の生成を測定するための、（癌細胞、幹細胞、胚などの）細胞又は組織を囲んでいる液体の測定、ポリメラーゼ連鎖反応（ＰＣＲ）試験におけるＤＮＡレベル測定を含む。

−製造パラメータについてのフィードバックを提供し、完了を測定し、又は混入物を測定するための、標準的基準液体に対する、食品の、飲料の、又は薬理学的な製造過程からの液体試料の測定である。

−摩耗を測定し、予防保守又は置換をスケジューリングするための、標準的基準液体に対する電子又は機械装置に用いられる液体の測定である。

−液体流において捕集することを通し、かつ、純基準液体と比較する、空気伝達の化学物質の測定である。

−液体への露出を通して、かつ、その液体を純基準液体と比較する、固体における化学組成の測定である。

−栄養、及び脂肪含有量、並びに他のパラメータを判断するための、標準的基準に対する、ミルクなどの液体の測定、真正性及び純度を判断するための、既知の基準に対する、オリーブオイルなどの飲用液体の測定、潜在的に有害な不純物を測定するための、基準液体に対する飲用液体の測定である。

［汎用型液体走査システム］
より一般的に、本願発明は、流動環境又は非流動環境の何れかにおいて液体ベースの試料の測定を可能にするように拡張され得る。必須要素が同じままであり、（１つ又は複数の波長で動作し得る）ＱＣＬなどの赤外線レーザ源、試料と相互作用すると赤外線光の減滅における変動をもたらす濃度勾配（この測定システムの対象）を含み得る液体ベースの試料にわたって、このレーザ源により生成されるビームを走査させるための機構（前述の走査は、特定の周波数範囲においてこの空間的変動を時間的変動に変換する）、（試料との走査変調の相互作用後に、）結果として生じる赤外線光を、走査周波数範囲に対応する赤外線光強度における変化を測定するために設計されるＡＣ感応型検出器を含む検出器サブシステムにガイドする機構である。この検出器サブシステムの出力は、液体における対象物質の濃度を算出するために用いられる。この走査は、以下において説明されるように液体ベースの試料上で１次元又は２次元において実行され得る。

前述の及び他の目的、特徴、及び利点は、異なる図面全体にわたって同様の参照文字が同じ部分を指す添付図面に図示されているように、本願発明の特定の実施形態の以下の説明から明らかとなるであろう。

対象コンパウンドの吸収を示す。

コンパウンドが溶解された媒質の吸収を示す。

液体試料を通る透過を示す。

３つの狭帯域の赤外線レーザ源が、基準及び信号吸収周波数を測定し、ピーク吸収を計算し、それにより、コンパウンドの濃度を計算するために用いられる理想的な事例を示す。

そのようなシステムの実態バージョンを示す。

標準に対する基準を可能にする流動構成における液体試料を供することを示す。

走査パターンの例を示す。

ビームがチャネルにわたって走査する際の透過光パワーを、３つの異なる濃度レベルで模式的に示す。

これらの光透過変化に応じる例示的な検出器回路の出力を示す。

現在のシステムにおいて算出される対象コンパウンドの濃度を示す。

本願発明の汎用バージョンを示す。

本願発明の別の実施形態を示す。 本願発明の別の実施形態を示す。 本願発明の別の実施形態を示す。

本願発明において用いられる例示的な試料ホルダを図示する。

本願発明の一例示的な実施形態に一体化され得る液体チャンバ／チャネル一体型減衰全反射（ＡＴＲ）プリズムの例を示す。

液体が分散された固体又は液体を含む本願発明における走査された液体試料の例を示す。

図１０ａの液体試料内の分散された内容物を測定するために用いられる本願発明の例を示す。

粒子、細胞、液滴、又は他の含有物が液体試料に分散されている本願発明の特定の実施形態において利用され得る散乱測定の更なる説明を示す。

図１ａ〜１ｅは、液体におけるコンパウンドの分光法の例を図示する。図１ａは、対象コンパウンドの吸収を、その純粋形において、周波数の関数として示す。この簡略化した例において、単一吸収ピークが示されている。図１ｂは、コンパウンドが溶解されている媒質の吸収を示し、この場合、均一な高吸収が示される（例えば、特定の赤外線領域にわたっての水の場合）。液体媒質は、実際には、複数の吸収ピークを持つ非常に複雑な吸収プロファイルを有し得て、実際には、多くの混ざり合った化学的構成成分からなり得ることに留意されたい。本願発明は、実際には、（対象が溶液内にある例とすれば、）基準と試料流体との間の共通構成成分、そして、対象コンパウンドが保持される媒質の特徴を本質的に取り除くので、媒質が複雑な吸収パターンを有するようなシナリオを処理するために非常によく適している。図１ｃは次に、媒質及び対象コンパウンドの両方を含み、液体試料を通る透過を示す。（中赤外線における水溶液の場合として）透過率全体は非常に低い場合があり、対象となるコンパウンドに起因して増加する吸収が極めて小さいということに留意されたい。更に、グローバー又は更にシンクロトロンなどの広帯域の赤外線源を用いて、周波数毎のパワー密度は非常に低く、そのため、コンパウンドが吸収する周波数範囲に照射される総パワーは非常に低い。このことにより、従来のソースを用いる、液体における試料の精密測定が非常に困難となる。図１ｄは、３つの狭帯域の赤外線レーザ源が、基準及び信号吸収周波数を測定し、ピーク吸収を計算し、それにより、コンパウンドの濃度を計算するために用いられる理想的な事例を示す。図１ｅは、そのようなシステムの実態を示す（レーザパワーは、周波数にわたって著しく変動し得て、それらの帯域幅／帯域の形状、空間的モード等も著しく変動し得る）。これらの特性はまた、時間、温度、振動／衝撃、及び他の環境パラメータにより、著しく変動し得る。このことは、システムを安定化又は較正するように長さを長くしている場合だとしても、レーザの特性における変動が、多くの場合、対象となるコンパウンドとの差分吸収を圧倒することを意味する。

本願発明は、図２に示されているように、標準に対する基準を可能にする流動構成において液体試料を供することにより、この課題を克服する。試料流体を基準流体と組み合わせた層流が確立され、これらは光学測定ゾーンを通って並んで流れる。測定ゾーンにおいて、赤外線ビームが、基準及び試料液体にわたって前後に移動される（走査される）。多くの応用ではミクロ流体システムであり得る層流システムは、試料と基準液体との間に強い混合が存在しないことを確実にし、そのような流れに対するパラメータ（大きさ、流速）が当技術分野において定着している。測定ゾーンは一般に、安定した流れが存在するが試料と基準との間に対象となるコンパウンドの著しい拡散が発生していない領域において設定されるべきである（上述したように、いくつかの場合において、このことは望ましい場合がある）。走査範囲は、完全に試料及び基準流体を光学的にサンプリングするために十分に広くするべきであるが、一般には、システムにおいて同一の光学経路条件を実質的に維持するための範囲内に制限される。いくつかの場合において、チャネル自体はビームにわたって移動され得る一方、他の場合において、ビームはチャネルにわたって走査するであろう。いくつかの場合において、流体チャンバが層流で事前に充満されてよく、流れが終了し、次に、該チャンバは著しい拡散が発生する前に光学的に測定される。チャンバ自体は、低コストのミクロ流体製造技術を用いて作られた使い捨て可能なユニットの一部であってよい。このユニットは組み込まれる基準液体を含んでよく、及びいくつかの場合においては試料流体を用意するために必要な任意の液体を含んでよい。図２に示されているフローセルは、試料流の両側に２つの基準流を有する（このことは多くの場合、流れを「中央」にするために有用である）一方、他の構成も可能であることに留意されたい。最小構成は、１つの試料液体流を単一基準液体流に合流させ（２つの入力）、走査はこれらの境界面において発生し得る。より複雑な流れは、インタリーブされる複数の基準及び試料流を含み得る。

図２に示されている例示的な流体測定ユニットについての簡潔な付加説明が以下の通りである。試料流体２０１が、（１つの分岐がマークされる）１つ又は複数の基準流体２０２と共にチャンバ内に流れ、層流２０３を有してチャンバ内に流れる。試料流体の吸収を実質的に測定する少なくとも１つの領域２０５と、基準流体における吸収を実質的に測定する１つの領域２０６とを含む光学測定領域２０４において、ビームが基準流体及び試料流体にわたって走査する。

図３ａ〜３ｄは、試料流体における対象コンパウンドの濃度を判断するために用いられるようなシステムの動作を模式的に表し、この場合、単一赤外線レーザ源及び単一検出器が用いられる。図３ａは、（２次元走査パターンを含み、多くの他の既知光学走査パターンは用いられ得るが、本事例においては三角である）走査パターンの例を示し、ここで、赤外線ビームは基準流体から走査し、試料流体を通って基準流体に戻る。ビームは必ずしも試料流全体を通過する必要がなく、単に試料と基準流体との間において流れの一端上で振動し得ることに留意されたい。試料流の端部又は中央上で最適に行われるように走査を連続的に集中するために、フィードバックループが用いられてよく、このフィードバックは、対象となるコンパウンドの吸収、又は（上述のように、基準又は試料液体に追加される基準コンパウンドを含む）常に存在する他の関連しない吸収ピークを用いてよい。図３ｂは、ビームがチャネルにわたって走査する際の透過光パワーを、３つの異なる濃度レベルにおいて模式的に示す。ビームが試料にわたって通過すると、増加する吸収は極めて小さくなり得ることに留意されたい。いくつかの場合、本願発明は、試料流体における吸収ピークが「存在しないこと又はその低減」を測定するために実際に用いられ得ることに留意されたい。図３ｃは、これらの光透過変化に応じる、例示的な検出器回路の出力を示す。この場合、検出器及び／又は回路は、光パワーにおける変化のみが（経時的なそのパワーの派生物として）記録されるＡＣ検出モードを用いるよう構成される。そのような構成は、増加する吸収が非常に小さいという重要な利点を提供し得る（高基準線及び任意の一般的吸収特徴を効果的に取り除く）。対象コンパウンドの吸収が高いといったいくつかの場合において、従来のＤＣ検出スキームは用いられてよいことに留意されたい。ＡＣ検出スキームが用いられる場合であったとしても、（他の長期変化のうちレーザパワーと全体的な液体及びシステム透過性とを考慮するであろう）ＤＣ光電力によりＡＣ信号を正規化するように、（分割型ＡＣ／ＤＣ回路を通して）同じ検出器又は別個の検出器の何れかを用いて、ＤＣ電力を測定するために有用であり得る。本質的に、焦電性検出器のような、低コスト、かつ、温度にわたって安定するＡＣ検出器は用いられ得る。実際には、（走査干渉計から生じるＡＣ信号を測定する）ＦＴＩＲ器械のために開発されている全種類の周知の検出器及び回路は、本願発明において利用されてよい。図３ｄは、現在のシステムにおいて算出される対象コンパウンドの濃度を示す。この濃度は、応用のために必要とされる精度及びリアルタイムの特性に依存し、単一走査から、又は多くの走査の集合から、算出され得る。

図４は、本願発明の汎用バージョンを示す。中赤外線レーザ源４０１が、走査システム４０３により、試料チャンバ４０５に対して走査する中赤外線光４０２を生成する。この走査システムは、実際には、静止ビームに対して試料チャンバを移動するシステムであり得る。ここで、チャンバ窓４０６及び含有されている液体試料４０７を通過する様々な位置４０４にわたってビームを走査させる走査システムが示されている。ビームが、対象検体の濃度勾配を含有し得る液体試料の異なる部分を通って走査すると、特定の波長において透過される中ＩＲ光の量は、透過されるビーム位置４０８により変動し得る。逆走査機構４０９が、実質的に同じ検出器サブシステム４１１に、この光の全てを照射するように機能する。試料チャンバが走査を実現するように移動される場合において、逆走査機構は、走査機構と同一物であってよく、又は、いくつかの場合において、適切な特性を有するレンズが、全ての走査光を検出素子上へ実質的に焦点を合わせるために用いられ得る。検出器サブシステム４１１に到達する逆走査光４１０は従って、液体試料４０７を通ってそれ自体が走査することによって変調され、全ての他の条件は走査の過程を通して実質的に同一に維持される。検出器サブシステム４１１は、光パワーにおける変化のみに応答可能な焦電性検出器のような検出器を用いること、及び／又は、検出器サブシステムに到達する中赤外線信号４１０の任意のＤＣ構成要素を取り除く回路を利用することの何れかを行うＡＣ結合検出器システムである。従って、走査される濃度勾配に起因して透過における小さい変化からの影響を増幅させるために、ゲインが、検出器サブシステムの出力を飽和させることなく、適用されることができる。検出器サブシステムの出力は次に、試料における配置の関数として、吸収を、及び潜在的に濃度を算出する計算ユニット４１３により、処理される。

本発明の核心要素は、液体ベースの試料において対象となるコンパウンドに対応する波長の光を生成する、ＱＣＬなどの中赤外線レーザの使用、これらのコンパウンドの局所濃度に従って透過を変調させるために試料に対してこの光を走査させる方法、走査から生じるこれらの透過差分を増幅させるＡＣ結合検出器システムに透過光を照射する方法、及び、吸収を計算し、潜在的に試料内の相対濃度を計算するシステムである。

検出器：検出器の例は、ＡＣ結合増幅回路において作動する、テルル化カドミウム水銀（ＭＣＴ）の光伝導性又は光起電性検出器、又は焦電性検出器を含み、性質上、本質的にＡＣ結合型である。多くの応用において、焦電性検出器は、それらのＡＣ結合の性質、非常に高い飽和電力、温度感度が低く、かつ低コストであるので、よく適し得る。重要なことは、焦電性検出器は、広い範囲のパワーにわたって線形のままである（他方、ＭＣＴ検出器は飽和する）。特に、中赤外線レーザが用いられる場合において、大量のパワーが存在することがよくあり、本願発明は、（絶対ＤＣ電力測定ではなく、）このパワーにおける小さい変化の検出を通して濃度測定を可能にする。

ＡＣ結合の主要検出器に加えて、検出器サブシステムは、透過される中ＩＲ光の全体をモニタリングし、かつ、ＡＣ信号を正規化するために用いられるＤＣレベル検出器を更に含み得ることに留意されたい。そのようなＤＣレベル検出は、全体的なレーザパワー、システム透過性、液体試料の濃さ等の調整を可能にする。

サンプリング：多くの実施形態が、走査ビームが試料チャンバ及び試料を通って透過される透過型の設計を用いるであろう（ここで、「走査」は、ビームが試料にわたって走査すること、又は試料がビームに対して走査されることの何れかを意味すると理解される）。しかしながら、本願発明は、（ビームが試料を通過し、反射され、その経路上でもう一度試料を通過して出ていく）「半透過」、及び、ビームが液体試料と接触する表面から反射し、束の間にそれに結合する減衰全反射（ＡＴＲ）プリズムベースの設計などの表面サンプリング技術、エバネッセント導波路設計、並びに、中赤外線光と試料との間の試料増幅相互作用と接触する共振表面コーティング設計（フォトニック結晶又はメタマテリアル設計など）を利用する設計まで拡張する。

走査：ビーム走査周波数及びパターンは、構成及び応用により変動するであろう。好ましくは、走査は、吸収に対応する信号、そして、濃度勾配が、システムにおいて、低周波数の雑音ソース（１／ｆ雑音等）よりかなり高い周波数及び変化（機械又はレーザにおける温度変動等）に移動されることを可能にし、それにより、静的（ＤＣ）透過測定システムの陥穽の多くを回避する。例えば、走査周波数は、少なくとも約１Ｈｚ、１０Ｈｚ、１００Ｈｚ、１０００Ｈｚ、１００００Ｈｚ、又は、検出器サブシステムが許容すればより高い周波数であり得る。走査周波数はまた、利用される検出器が十分な応答を有する範囲内に含まれるべきである。例えば、焦電性検出器は熱検出器であり、従って、１００Ｈｚを超えて発され得る周波数を有する信号においてロールオフを有する。検出器回路はまた、走査周波数に対して設計され（潜在的に最適化され）るべきである。走査から生じる信号を隔離するために、周知の「ロックイン増幅」技術が適用されてよく、走査に対する検出された信号の位相は、信号を更に精密化にするために用いられ得る。例えば、（試料及び基準流体の並んだ層流という）２つの流体の間の既知の境界面が走査される場合、その境界面において透過される強度における変化が、他の走査関連の光学アーティファクトから隔離され得る。あるいは、基準線が、濃度勾配を有しないと知られる試料の一部分にわたって走査を実行することにより確立され得る。様々な周知の他のデジタルフィルタリング技術が、増幅された検出器信号がアナログ−デジタル変換器に捕捉された後に、適用され得る。

図５は、本願発明の別の実施形態を示す。（中赤外線の１つ又は複数の波長を生成し得る）中赤外線レーザ源５０１が、レンズ５０２により、中赤外線ビームを「クリーンアップ」するように設計される空間フィルタ５０３を通って焦点合わせされ、（異なるモードなどのレーザの出力におけるいかなる変化にもかかわらず、）該透過光は、よく精密化されたスポット内に焦点合わせするためによく適し、フィルタリングされた光は、レンズ５０４によりリコリメートされ、次に、スキャナ５０５により、様々な角度にわたって走査する。スキャナは１つ又は２つの軸において走査し得る。走査光は、レンズ５０６により、試料ホルダ５０７上へ焦点合わせされる。（走査内の２つのビーム位置を示す）走査ビーム５０７ｃは、（本例において、対象コンパウンドの異なる濃度を有する２つの領域を示す）試料チャンバ窓５０７ａ及び含有される液体ベースの試料５０７ｂを通過する。走査ビームに対して試料を配置するために、試料ホルダは、１つ又は複数の移動軸を有する移動ステージ５０８上に任意選択的に搭載されてよい。例えば、（ビームの軸に実質的に平行する）「Ｚ」移動は、試料ホルダ内においてビームを試料上に最適に焦点を合わせし、それにより、走査中に最大コントラストを得るために用いられてよく、「Ｘ」及び／又は「Ｙ」移動は、走査ビームが、対象となる濃度勾配を有する特定の特徴（例えば、２つの液体流の間の境界、又は生体細胞の位置）を通過するように試料を配置するために用いられてよい。キャプチャーレンズ５０９が、透過された中ＩＲ光をリコリメートし、逆走査ミラー５１０が、中ＩＲ光の方向を変更させ、これにより、試料において濃度勾配がないとき、光は依然と最小強度変調で検出器５１３に入射する。レンズ５１１が、空間フィルタ５１２を任意選択的に通って、光をＡＣ結合検出器システム５１３上へ焦点合わせする。検出器信号は、試料における吸収勾配を、潜在的に検体の濃度を計算するコンピューティングシステム５１４に中継される。このシステムはまた、レーザ動作（例えば、パワー及び波長）、走査及び逆走査モジュール、及び移動ステージを制御し得る。

液体：本願発明は、濃度勾配を有する液体流、液体内の生体細胞、未乾燥状態の生物学的組織、液滴の分散体、又は液体における固体粒子を含み、様々な種類の液体ベースの試料を測定するために用いられ得る。それぞれの試料は、透過される光の量における変化、そして、検出器上のＡＣ信号を誘起するように、理想的には、本願発明により走査されるスケールにわたって濃度勾配を有するであろう。信号における変化は、実際には、溶質又は分散された材料により、又は細胞、液滴又は固体粒子と周囲媒質との間の屈折率の差の結果として散乱することにより、媒質（例えば、水）の変位から生じ得る。

散乱測定：いくつかの実施形態において、本願発明は、（再び、多かれ少なかれそのような粒子／液滴を有する領域間、又はそのような粒子／液滴が本質的に変化する領域間の走査により、）液体試料に分散される粒子又は液滴から生じる散乱を測定又は算出し得る。そのような実施形態において、散乱は、液滴／粒子の直径及び屈折率の関数として増大し、その組成及び波長の関数である。試料の前後に適切な空間フィルタを使用することを通して、散乱光を隔離又は取り除くことが可能であり、それにより、（ある化学組成を仮定して、）平均直径を推定するために液体における粒子／液滴からの散乱を算出することが可能である。液滴／粒子成分に対して赤外線吸収ピークの周りの複数の波長を用いて、共振ミー散乱（特定のコンパウンドに対する共振吸収ピークの周りの屈折率における急速な交換の結果としての散乱における急速な変化）から生じるので、化学組成及び液滴サイズの両方を推定することが更に可能である。

例えば、水における炭化水素の測定において、多くの場合、炭化水素の多くは、水に溶解されないが、水において分散される液滴を形成する。本願発明は、これらの平行流の間の境界面にわたってビームを（又は等価に、試料を）前後に走査することにより、純水基準物と並ぶ層流における、潜在的な炭化水素混入物を有する水の試料を測定するために用いられ得る。測定は、炭化水素に対するピーク吸収波長を含むがピークのない波長も含む、いくつかの波長において行われることができる。ピークのない波長信号は、散乱及び水の変位を示すであろう。ピークと非ピークとの間の差分は、総炭化水素濃度を示すであろう。更に、吸収ピークの何れかの端部上の波長が測定された場合、（共振ミー散乱の結果としての）散乱損失における差分は、分散された炭化水素の特性を算出するために用いられ得る。従って、本願発明は、水試料において溶解された炭化水素及び分散された炭化水素の両方を測定し、これらを区別するために用いられ得る。

図６は、本願発明の別の実施形態を示し、本例は、単一検出素子に対する「逆走査」が短い焦点距離のレンズ６０９の使用で行われるシステムを示す。十分な説明が以下の通りである。（単一波長のデバイスであり、複数の波長を放射する、又は、調整可能な波長を有する）ＱＣＬなどの中赤外線レーザ源６０１が、レンズ６０２（本発明において説明される全てのレンズは、屈折型又は反射型レンズである）を通ってコリメートされ、次に、レンズ６０４により液体試料チャンバ６０６に焦点を合わせされる前に、スキャナ６０３を用いて様々な角度にわたって走査される。サンプリングスポットは従って、６０５と示されているような液体試料の一部にわたって走査され、液体試料を通って透過されると、試料内の化学濃度及びインタロゲートする波長に依存して差動的に減衰され、ビーム走査はそのような勾配を、透過光における周期的なパワー変動に変換する。コリメートレンズ６０７が、光をリコリメートし、本例において、固定された折り畳みミラー６０８が、コリメートされたビームを短い焦点距離のレンズ６０９へ方向変更させる。短い焦点距離のレンズの機能は、透過された赤外線光を検出器６１０上へ焦点を合わせさせることである。雑音が領域の平方根に従って大きくなるので、概して、小さな検出器領域が所望される。本例において、フォーカシングレンズ６０４、６０７の焦点距離と比較して、短い焦点距離が、検出器において用いられる。結果として、検出器上のビームスポットの動きは、小型検出器の表面に焦点を合わせすることを維持しつつ、試料上の合理的な走査距離を可能にする、試料上のスポットの少量の動きであるであろう。検出器サブシステムからの信号が、吸収を、及び可能な限り、濃度を算出するコンピュータユニット６１１により用いられ、出力部６１２へ向かう。

検出器：いくつかの場合、走査サイクル全体にわたって、十分な（又は少なくとも一定の）ビーム捕集を容易にするべく、非対称の大きさ（例えば、細長い長方形）を有する検出器を用いること、及びこの検出器を走査方向に沿ってその長軸に指向することが望ましい場合がある。いくつかの場合、検出器アレイが本願発明において用いられてよい。しかしながら、走査は、検出素子から検出素子へ移動するビームスポットをもたらすべきではない（このことは試料の濃度勾配に関連していない非常に大きい信号の揺れを引き起こし得る）。

ビームアレイ：いくつかの実施形態において、複数のビームスポットは、用いられ得ると同時に試料にわたって走査され得る。これらは、（各ビームからの光が、本明細書において説明されている変調走査全体にわたってその対応する検出器要素に焦点を合わせしたままである）検出器のアレイの使用から増大する性能を利用するために分割された、同一波長の複数のスポットであり得る。あるいは、Ｃａｐｐａｓｓｏ氏他により説明されている分布帰還型（ＤＦＢ）ＱＣＬ（ＤＦＢ Ｑｕａｎｔｕｍ Ｃａｓｃａｄｅ Ｌａｓｅｒ Ａｒｒａｙｓ，Ｂｅｎｊａｍｉｎ Ｇ．Ｌｅｅ ｅｔ ａｌ．，ＩＥＥＥ Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｑｕａｎｔｕｍ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ，ｖｏｌ．４５，ｎｏ．５，Ｍａｙ ２００９）などの赤外線レーザアレイが用いられる場合、各スポットは、対象となる異なる波長に対応してよく、試料と相互作用した後に、その対応する検出器へ中継されてよい。一実施形態において、対象コンパウンドに対する１つ又は複数の吸収ピークに対応する波長を有し、１つ又は複数の基準波長を加えてバックグランド吸収を測定するＱＣＬ ＤＦＢアレイは、隣接する試料液体及び基準液体を有する層流を含む液体チャンバ上へ投射されることができる。レーザアレイは指向され、これにより、アレイからのスポットは液体流と平行して移動し、次に、本明細書において説明されている変調走査は、これらのスポットを、流体流に垂直して試料と基準流体との間の境界面により形成される任意の濃度勾配にわたって走査する。流体と相互作用し、波長及び濃度に従って吸収された後に、これらのスポットのそれぞれは、対応するＡＣ結合赤外線検出器（多くの場合、焦電性検出器アレイなどのアレイの一部）へ中継される。変調走査から生じる、各検出器信号の変調は、特定の波長における基準と試料液体との間の差分吸収に対応し、これらの信号から、試料液体内の１つ又は複数のコンパウンドの濃度は、算出され得る。

２Ｄ走査：本願発明において、「変調」走査（すなわち、試料にわたってより緩慢なステッピング／走査で優れたＡＣ検出器モジュールにより検出される走査）は、１次元又は２次元において発生し得る。急速な１次元走査は、濃度勾配が存在する特定の境界面又は特徴にわたって用いられ得る。２次元走査は、濃度勾配が存在するエリアをカバーするパターンで用いられ得る。例えば、リサージュ型走査パターンは、（簡易な制御電子機器を用いて）試料の２Ｄエリアを比較的均一に走査するために用いられ得る。そのようなパターンは、例えば、走査が液体における単一セルにわたって、１つ又は複数の細胞構成成分の量を推定するためにサンプリングされた様々な波長において実行される場合に用いられ得る（本願発明により、少量の対象コンパウンドだとしても検出器におて高コントラストの信号をもたらすことを確実にする）。

ビームスポット整形：スポットの様々なサイズ及び形状は、本願発明において用いられてよく、円形のスポットを含むが、楕円形のスポットであって楕円形のスポットの長軸に垂直する１次元走査に特に適した楕円形のスポットも含む。例えば、フローチャンバにおいて２つの液体流の間の境界面にわたって走査するとき、流れ（及び境界面）に平行し、そして、試料にわたるビーム（又はビームを通過した試料）の走査方向に垂直する長軸を有する楕円形のスポットは、該スポットが液体間の境界面にわたって移動すると、（例えば、円形のスポットのより緩やかな変化と比較して）特に高コントラストを提供し得る。そのような構成は、透過性、半透過性、又は、フローチャンバと一体化されたＡＴＲプリズムなどの表面サンプリングの光学構成に対して有効であり得る。

図７は、本願発明の別の実施形態を示しており、本例において、試料チャンバは、液体試料内の勾配に従って変調を誘起するためにビームにわたって走査される。赤外線レーザ源７０１が、レンズ７０２を用いてコリメートされ、レンズ７０４を用いて試料チャンバ７０５に焦点合わせされる。試料は、走査サブシステム７０６を用いて走査され、走査サブシステム７０６は、例えば、＞１Ｈｚ、＞１０Ｈｚ、＞１００Ｈｚ又はより高い周波数において試料を走査することができるピエゾトランスデューサ（１軸又は２軸）であり得て、本明細書において説明されている信号変調を実現する。キャプチャーレンズ７０７は、ビームをリコリメートし、ビームは次に、フォーカシングレンズ７０９により、検出器サブシステム７１０に焦点合わせされる。検出器サブシステムからの信号は、吸収を、及び可能な限り、濃度を算出するために、コンピュータユニット７１１により用いられ、システム出力部７１２へ向かう。該システムの本実施形態は、試料ホルダが相当な質量を有し得て、従って、走査するためにより多くのエネルギーを必要とし得ることと、走査が試料ホルダの内容物を妨害し得ることとを含み、いくつかの不利な点がある。しかしながら、その利点は、試料に対して非常に一定の光スポットが維持されることであり、検出器における非信号変調をもたらす光学アーティファクトを低減させる。本実施形態において、試料ホルダは、走査システム、及び、試料が焦点（「Ｚ軸」）に置かれることと、試料の異なる部分が測定されることとを可能にする二次移動システムの両方により移動され得る。

走査型サイトメータ：例えば、本実施形態を用いて構成される走査細胞サイトメータは、液体内の細胞集団にわたって移動するべく、ＸＹＺステージを用いてよく、各細胞において、変調走査機能は、高周波数において細胞を含む小さい範囲を走査するために用いられ、波長及び細胞内の検体濃度に従って検出器上のパワー変調を引き起こす。このように、大きい細胞集団が測定されてよく、それぞれは、非常に高信号コントラストを有し、高精度の吸収測定を可能にする。この場合、細胞レベルでの変調走査は、細胞のプロファイルを構築する（又は吸収信号を統合する）べく、（走査軸に垂直な長軸を有する楕円形ビームを有することが可能な）１次元走査であって、走査軸に垂直な方向においてステッピングを有する１次元変調走査、又は、細胞の周りの局所領域にわたってリサージュ走査などのパターンを用いる２次元変調走査の何れかを用いて実現され得て、結果となる変調信号の統合が、細胞における吸収を算出するために用いられる。そのような場合、波長可変ＱＣＬなどの赤外線レーザ源が、細胞の含有量を算出するべく、複数の波長において細胞を順次に走査するために用いられ得る。あるいは、そのよう走査型サイトメータは、大概の試料位置決めのためにＸＹＺ移動ステージを用いて、単一セルの近隣にわたって局所の１次元又は２次元変調走査を実現するために（上述のような）ミラーベースのビーム走査機構を用いて作られ得る。

図８は、本願発明に使用するための試料ホルダの例を図示する。中赤外線レーザ源からの光がコヒーレントであり、多くの場合、（モノクロの）狭い帯域幅を有するので、光干渉の課題が問題となり得る。１つ又は複数のビームが試料及び試料ホルダに対して走査する本願発明において、試料ホルダの境界面からの反射における、コヒーレント光の効果により複合された小さい変化ｇは、検出器への光の強度における、試料自体に関連していない変化を引き起こし得る。加えて、試料ホルダ内の強い干渉影響は、試料自体において効果的な光パワー（定在波効果）を変え得る。最終的に、レーザ源に戻る反射（光帰還）は、レーザ出力部において著しい雑音を引き起こし得る。結果として、試料ホルダを通る光学経路における変化を最小限にすること、及びこのホルダの表面からの反射を最小限にすることに注意を払うべきである。本図に示されている例は、ブリュースター角、又は表面を通って反射することなくｐ偏光が透過される角度をなす表面角度を有する赤外線フローセルを含む。いくつかの中赤外線レーザ源（これは特にＱＣＬが当てはまる）から、（ここではｐ偏光であると示される）中赤外線光８０１が高偏光を有し、従って、この設計は、顕著な損失又は後部反射がなく、利用され得る。ここで示されている試料ホルダ例は、静止する又は流れる液体試料を含み得る液体試料チャネル８０４の両側に現れる２つの赤外線透過窓８０２を含む。窓８０２の厚みは単に例示的な目的であり、一般に、窓の厚みは、液体チャンバ又はチャネルの厚みの数倍となるであろう。周囲媒質（一般には、空気）から試料ホルダ窓表面内への入射角８０３は、ｐ偏光の反射がないブリュースター角であり、後続の角度８０５（窓から液体へ）及び８０６（窓から空気へ）、並びに液体から出て窓内への角度は、周囲媒質、窓材料、及び液体試料のそれぞれの（動作波長における）屈折率に基づき、全て構成される。このように、透過光８０７は、内部反射から生じる「ゴーストイメージ」が無く、かつ、試料ホルダの内側の、又は試料ホルダと他のシステム構成成分との間の共振空洞から生じる「フリンジ」が無い。このことは、試料、そして、試料ホルダにわたるビームの変調走査により、本願発明において特に重要である。このような走査は、入射角の軽度のずれをもたらし得て、かつ、試料ホルダ窓内のわずかな厚み変動及び他の経路長変動にわたって走査することは、共振空洞が試料ホルダの内側に、又は試料ホルダと他のシステム構成成分との間に形成されるような場合には著しく増幅され得る。本例において、走査範囲全体にわたって入射角を実質的に同一に維持するように、ビームは、試料ホルダに対して紙面の内外を走査し（又は、等価に、試料ホルダが走査され）得る。

［高周波数レーザ変調］
ＱＣＬなどの半導体赤外線レーザ源について、スペクトル固有線幅、又は、レーザから放射される個々のレージングモードの幅は、極めて狭くする（＜０．０１ｃｍ^−１）ことができる。これらの狭い線幅の結果として、フリンジのような共振効果は、非常に著しい場合がある。ＱＣＬなどの赤外線の半導体ベースのレーザ源について、多くの場合、ある電流変調の使用を通してレーザの効果的な線幅を「広げる」ことが可能であり、レーザチップ内の急速な熱的変調を、そして、波長変調（及び付随する振幅変調）をもたらす屈折率の変化を生成する。極端な場合、これらのレーザは、パルスモードにおいて作動されて得て、それらのスペクトル線幅は、かなり広がり得る。このことは、より広範な線幅が、放射光のコヒーレンス長（又は、著しい干渉効果が発生し得る距離）を低減させるので、重要である。気体が測定される伝統的な赤外線分光法の応用において、極めて狭い気体吸収線に基づいて精密な測定を行うために狭い線幅が重要視される。しかしながら、液相試料において、吸収ピークは一般に、約５ｃｍ^−１又はそれより大きいピーク幅を有する。結果として、本願発明の実施形態は、システム内のコヒーレントアーティファクトを低減させるためにレーザ光源の変調又はパルシングを含み得る。レーザ源の変調は、本明細書において説明されている変調走査より高周波数において行われるべきであり、実際には、システムにおいて用いられる主要検出器の帯域幅を超える。顕著な熱的同調（そして、周波数の広がり）は、ＱＣＬチップにおいて、例えば、１０〜１００ＫＨｚ、更に１００〜１０００ＫＨｚの変調周波数において実現されることができる。更に、いくつかのＱＣＬチップは、例えば、１０〜１００ＫＨｚの高周波数において、及び更により高い周波数において、パルスされてよい。これらの周波数において、焦電性検出器などの熱検出器は、変調信号を経験しないが、この変調された又はパルスされたパワーのＤＣ平均値を経験し、従って、検出器の動的な範囲又は関連付けられる回路のうちどれも変調又はパルスにより消費されない。

本願発明のコンテキストにおいて、後部反射が回避できない構成成分間の距離を、レーザ源のコヒーレンス長を超える距離まで延伸させることが望ましい。

図９は、本願発明の一例示的な実施形態に一体化され得る液体チャンバ／チャネル一体型減衰全反射（ＡＴＲ）プリズムの例を示す。そのような構成は、（中赤外線領域の広い範囲において、水などの）液体媒質が高吸収性であるが、（例えば、詰まる危険があるので、）十分な光透過を可能にし得る狭い液体チャネルが実行可能ではないといった応用において用いられ得る。ここで、液体流を保持する液体チャネル９０１が示され、このチャネルは、中赤外線において透過される必要のない上面９０２、及び、赤外線透過性材料から構成される底面９０３という２つの表面の間に含まれ、一体型ＡＴＲプリズム９０４を有する。入射する赤外線光９０５が、プリズムに入り（光及び入射面は指向されてよく、これにより、上述のように、ブリュースター角において入射され）、次に、流体試料と接触する表面から１回又は複数回反射する。この表面からのそれぞれの総内部反射により、波長、試料の化学含有量、及びそれらの共振赤外線ピークに従って、チャネル内に、そして、試料に入る光のあるエバネッセント浸透９０６及び吸収が存在する。出射する光９０７は、次に、上述のようなＡＣ検出サブシステムへ中継される。この設計において、ビーム及び試料ホルダは、紙面に垂直な方向において互いに対して走査し／され、これにより、入射角、反射角、及び出射角、並びにプリズム内の内部距離は、同一のままである。正面図が、入射レーザ波長に依存して、走査範囲の両極端を示す２つのビーム９０８と、検出器において変調信号をもたらすであろうこの走査の範囲内の濃度勾配を示す液体とを含み、流体が流れる方向からのこれの断面を図示する。この構成は、例えば、試料液体が基準液体と並行して流され、走査ビームがこれらの液体の間の境界面にわたって前後に走査する場合に用いられ得る。透過光９０７における任意の強度変調は、次に、試料と基準液体との間の含有量における差分を示し、低周波数の雑音及びシステムドリフトより高い周波数において高い検出感度を提供する。再び、ここでの例は、（粘度、詰まりを引き起こし得る微粒子等に起因して）試料液体を十分に狭いチャネルを通って流すことが物理的に困難であるので、透過又は半透過測定が適切ではない場合に用いられ得る。

図１０ａは、本願発明における走査される液体試料の例を示し、該液体は、分散された固体又は液体、例えば、水試料において分散された炭化水素、又はミルクにおける脂肪液滴を含む。２つの入射赤外線ビーム位置１００１（走査範囲の両極端）が、２つの赤外線透過性窓１００２の間のチャネル又はチャンバにおいて液体試料１００３を通ってそれらが透過されるように、示されている。この場合、ビーム走査範囲が跨る２つの領域を有する液体が示されており、該２つの領域のうちの一方は、懸濁物、懸濁液滴、生体細胞、又は、溶解された化学物質以外の他の目立った含有物などの散乱粒子を含まず、他方は含む。そのような含有物における勾配は、例えば、（ページ面の内又は外において）層流における２つの液体の結果であり得て、２つの液体のうちの一方は、試料（一般に、含有物を含むほう）であり、２つの液体のうちの他方は、含有物を含まない、又は既知の分布の含有粒子又は液滴を有する基準液体である。ビームがこれらの含有物を含む領域を通過すると、光は、含有物のサイズ及び形状、並びに、それらを保持する液体媒質に対する含有物の複素屈折率の関数として、散乱される。上述のように、特定の赤外線波長は、含有物（又は媒質）の特定の化学構成成分が、屈折率（共振領域）の急激な上昇又は降下、又は高吸収を有する場合に、用いられ得る。そして、波長の関数としての散乱光の測定力は、含有物のサイズ、濃度、及び化学組成の様々な組み合わせの算出を可能にし得て、又は、特定の化学的組成を有する含有物の濃度を算出するために用いられ得る（例えば、特定の波長における共振ミー散乱効果は、液体における気泡又は他の含有物に対する炭化水素から組成される液滴の濃度のみを測定するために用いられ得る）。

図１０ｂは、図１０ａの液体試料内の分散された内容物を測定するために用いられる本願発明の例を示す。（本発明における全ての例において、順次に、あるいは同時に、複数の波長を提供し得る）赤外線レーザ源１００７からの光は、レンズ１００８によりコリメートされ、液体試料１００９に走査ビーム１００１を提供する。本例において、走査変調は、液体試料を含む試料ホルダを、ビームにわたって前後に走査することにより、実現される。ある光１００６が、液体試料の化学種の濃度及び波長に従って吸収され、直接透過される。液体における含有物に起因して散乱された光１００５が、含有物のサイズ及び化学組成に依存する角度に分布して現れる。本例において、フォーカシングレンズ１０１０が、ピンホール開口１０１１を通って直接透過される光を焦点合わせするために用いられる。この開口は、減衰のみにより試料を通って直接通過した光を透過するが、試料における含有物により角度で散乱された光を優先的に遮断する。ピンホール開口を通って透過された光は、次に、ＡＣ結合であって（ビームを通過した試料ホルダの）変調走査の周波数において信号に応じるように設計される検出器サブシステム１０１２により、検出される。波長の関数としてこの信号を測定することにより、次に、液体における検体の総濃度、含有物の濃度、これらの含有物の含有量、及び／又は、液体試料における含有物のサイズのうちの１つ又は複数を算出することが可能である。

本願発明の、そのよう散乱測定の実施形態において、散乱を直接測定することが望ましい場合があり、例えば、空間フィルタ１０１１を逆にして、直接透過されたいかなる光をも遮断し、ビームにわたって走査されると試料により散乱された光のみを測定する。このことは、液体における検体の総濃度、含有物の濃度、これらの含有物の含有量、及び／又は、液体試料における含有物のサイズのうちの１つ又は複数を算出するために、いくつかの波長において繰り返されてよい。他の実施形態において、大きく直接透過された光は、ミラー及び／又は空間フィルタの使用により、大きく散乱された光から分離され、独立して同時に測定されてよい。

図１１は、粒子、細胞、液滴、又は他の含有物が液体試料において分散される、本願発明の特定の実施形態において利用され得る散乱測定の更なる説明を示す。それぞれのグラフについて、水平軸は光周波数を示しており、より高い周波数（より短い波長）がグラフの右側に表示される。１１０１は、波数の関数として、ν_ａを中心とした共振吸収ピークを有する例示的なコンパウンドの吸収度を示している。本願発明における標準吸収測定について、レーザ源は、このピークに対応する赤外線光を放射するよう構成されてよく、ビームはこのピークの濃度において潜在的な勾配を含む試料にわたって走査し、（コンパウンド固有の吸収結果として）透過光の変調をもたらす。一般に対象吸収ピークの近傍の１つ又は複数の他の波長の光はまた、ピーク吸収測定の「基準線」を確立する（すなわち、（ここでは示されていない）他の因子及び重なる吸収シグネチャを取り除く）ために用いられ得る。

グラフ１１０２は、対象コンパウンド（実線）及び液体媒質（破線）の実際の屈折率を、周波数の関数として示している。実際の屈折率と複素屈折率との間のクラマース・クローニッヒの関係式の結果として、対象コンパウンドの実際の屈折率は、一定の期間に加えてその上方に示される吸収度の派生物である「ウィグル」を表す。本図示において、媒質の屈折率は比較的一定である。結果として、対象コンパウンドと媒質との間において（周波数での）屈折率の差分の比較的急速な変化が存在し、ν_ｂである局所最大値及びν_ｃである局所最小値を有する。屈折率差分におけるこの変動の重要性が、１１０３において明確となり、１１０３は、媒質に存在する対象コンパウンドの液滴又は粒子の散乱効率を表す。散乱は、照射波長及び屈折率差分に相対して、（本図示の目的のために一定に保持される）含有物のサイズの関数である。粒子のサイズが波長と比較してより大きくなると、より高い周波数（より短い波長）ほど、一般的な上昇傾向が存在する。この散乱「基準線」上に重ねられるのが、コンパウンドの共振周波数の周りの屈折率変化に起因する局所変動である（コンパウンド内の実際に特定の分子結合振動モードである）。屈折率の差分が高ければ高いほど（ν_ｂ）、散乱が増大し、屈折率の差分が低ければ低いほど（ν_ｃ）、散乱が低減する。この効果（共振ミー散乱）は、他の因子が比較的一定である短い周波数範囲にわたって発生する。結果として、本願発明の特定の実施形態において、上述のように、液体試料においてコンパウンド固有の散乱を測定することが可能である。上述したように、実質的に直接透過されて散乱された光は、別々に測定されてよく、又は、組み合わせの効果は、測定されてよく、１１０４に示されているもののような減滅曲線をもたらす。このコンパウンド信号において、１つ又は複数の離散周波数スポットは、溶解された又は分散された構成成分を有する液体の特性を測定するために用いられてよく、周波数ν_１及びν_２は、試料からの非特定散乱を測定する（そして、概して、液体における含有物のレベルを示す）ために用いられてよく、周波数ν_ａにおけるレーザが、ν_１及びν_２から非共振散乱測定を用いて基準線とされたとき、吸収を評価するために単独で用いられてよい（この周波数において、共振ミー散乱からの正味の効果が存在しないが、基準線ミー散乱を含む）。最終的に、周波数ν_ａ及びν_ｂにおける測定が、共振ミー散乱効果を、そして、システムにおける含有物によるコンパウンド固有の散乱を抽出するために用いられてよい。本願発明において説明される走査変調システムを用いて行われるこれらの測定は、液体試料内の溶解された及び分散された構成成分の高精度算出を可能にし得る。

波長：本願発明は主に、分子が特定の共振吸収指紋を有する中赤外線（２〜２０μｍ）波長範囲を注目しており、更に、本発明は、赤外線レーザ源が最近拡張されており、分子が同様に特徴的な指紋を表すテラヘルツ領域（１００〜１０００μｍ）に適用され得る。この領域において、本明細書において説明されている分光技術を用いて、（フォールディングの場合、タンパク質などの）分子間又は分子内の相互作用を測定することも可能である。本願発明は、例えば、相互作用する２つの液体試料の間の境界面を走査するために用いられてよく、本明細書において説明されている走査−変調液体測定システムにより提供される結果となる分子相互作用に対する高感度を提供する。

レーザ源：本願発明は、全種類の赤外線及びテラヘルツレーザ源を備え、そのようなソースの重要な目立った特徴が、（伝統的な白熱源又は更にシンクロトロン源とは反対に、）それらは、対象となる特定の波長において比較的高いパワーを提供することと、それらは、効率的にコリメートされ又は試料に焦点合わせされ得て、従って、本発明の中心である変調を提供するべく次に走査される制限されるエリア上に比較的高い光パワーを提供する結果となる、コヒーレントで小さい開口源であることとである。具体的に、量子カスケードレーザ（ＱＣＬ）は、それらは、本願発明の主題である中赤外線及びテラヘルツ帯域内に調整された波長において光を放射するように製造されることができるので、本願発明の多くの実施形態に適したソースである。更に、ＱＣＬソースは、（外部格子、波長可変フィルタ、又は他の機構の使用を通して、）液相試料における共振吸収の測定に適した波長範囲にわたって波長可変であってよく、更に、モノリシックに一体化された別個の波長を有するＱＣＬのアレイが、製造されてよく、液相試料測定に適した範囲にわたって再び放射する。これらの種類の全ては、本願発明において用いられ得る。ＣＯ_２レーザ、鉛塩レーザ、光学パラメータ発振器等を含む他の赤外線レーザ源は、本願発明において用いられ得る。

［例示的な実施形態（水中の炭化水素測定）］
本願発明は、例えば、炭化水素開発、エクスプロイテーション、又は処理動作の結果として、水に存在し得る炭化水素などの液体における不純物を測定するために用いられ得る。本出願の例示的な実施形態は、以下を含む。

−例えば、１４６０ｃｍ^−１の主要な炭化水素吸収帯域の周りの周波数において放射するよう構成される中赤外線ＱＣＬソースである。このＱＣＬソースは、波長可変であり、これにより、炭化水素吸収帯域を含むが炭化水素が（基準レベルで）それほど強く吸収しない隣接周波数も含む範囲をカバーする。このＱＣＬソースは、その帯域幅を広げてシステムにおいていくつかのコヒーレントアーティファクトを回避するべく、高周波数（例えば、１００ｋＨｚ）において、パルスされ又は変調されてよい。

−基準液体（純水）と共に、液体試料をフローチャンバ内に導入し、これらの液体が層の態様において測定空洞を通って流れる液体ハンドリングシステムである。

−このフローチャンバの１つの表面が、例えば、ＣａＦ_２又はＺｎＳｅなどの赤外線透過窓により囲まれる。この窓は、流体チャンバと接触する表面から赤外線光の複数の内部反射を可能にするＡＴＲプリズムと一体化されており、これらの反射は、流れの軸に沿って発生する。

−赤外線光をＱＣＬソースからＡＴＲプリズムへと中継する光学部品であって、該ＡＴＲにおける反射の中央位置が、試料と基準液体流との境界面に近い、光学部品である。ＡＴＲに入る入射角及びＡＴＲから出る出射角は、ＱＣＬソースの偏光に対して構成され、これにより、ＡＴＲプリズム材料の屈折率を用いて算出されるブリュースター角に従って最小反射がこれらの表面において発生する。

−流れに垂直し、かつ、ＡＴＲ内側の反射のシーケンスに垂直する方向において試料ホルダ及びＡＴＲを繰り返して移動させる試料走査システムである。この走査システムは、例えば、ほぼ１００Ｈｚにおいて、試料及び含有される流れを移動させる。

−チャンバにおいて束の間に流れと相互作用しているＡＴＲプリズムから現れる光を捕集して検出器サブシステムへ中継する光学系である。

−試料ホルダ（及び含有される流れ）の走査から、そして、試料と基準液体流との間の境界における炭化水素濃度勾配効果から生じる信号を隔離し増幅させるべく設計された電子機器を有し、透過された赤外線光を検出するよう構成される検出器サブシステムである。該システムを通って透過される平均パワーを測定するＤＣレベル検出器を更に備える。例えば、このシステムにおけるＡＣ検出器は、（本質的にＡＣ感応型である）焦電性検出器に基づいてよく、ＤＣ部分は、サーモパイル検出器に基づいてよく、これらの両方は、無冷却で安定しており、広帯域、かつ低コストの検出器である。

−制御及びコンピューティングシステムであり、（炭化水素が比較的弱い吸収を有する）１つ又は複数の基準波長と、（該炭化水素が比較的強い吸収を有する）ピーク吸収波長とに対応して、ＱＣＬソースを順次に波長に調整させ又は切り替え、ＡＴＲ試料内において、任意選択的に、試料と基準流との間のビームの変調走査を制御し、検出器サブシステムにより検出される変調の振幅、及びシステムを通って透過されるＤＣ電力レベルを記録し、ＤＣ透過により変調パワーを正規化し、基準波長における信号によりピーク吸収波長における信号を正規化することにより、水における炭化水素濃度を算出し、試料における炭化水素濃度を報告し、任意選択的に、走査又は他の移動機構を制御して流れの（試料と基準との間の）境界面を、試料ホルダ走査範囲に相対して、ビームの中心点に配置し、濃度勾配が存在しない基準線信号レベルを抽出するように、任意選択的に、時折、走査範囲を全体的に基準液体に配置し、任意選択的に、全ての走査の動きを停止させ、ビームを流れの境界面上の中央にさせ、流れ内の任意の乱流から信号を観察し、層流を、そして、２つの流体流の間の清浄な境界面を実現するべく流速を適切に調整する制御及びコンピューティングシステムである。

この例示的なシステムは、ＡＣ検出構造を加えた、本願発明の一意な赤外線レーザ液体走査の使用を通して、水試料において溶解された非常に低レベルの炭化水素の測定を可能にする。

［例示的な実施形態（走査型サイトメータ）］
本願発明は、（癌検査用のパパニコロースミアからの細胞検査などの生物学的研究及び臨床診断の標準形式である）２つのスライドの間の液体試料における生体細胞を測定するよう構成され得る。本例において、スライドは、可視光及び赤外線光の両方ともに透過されるものであり、例えば、それらはＣａＦ_２窓であり得る。この例示的なシステムは、以下を備える。

−細胞又は組織試料を撮像する可視顕微鏡システムであり、コントラストを増大させ、及び／又は、特定の細胞特性を識別する目的のために適用される色素又は蛍光ラベルを有し得る。

−細胞試料にわたって横方向に異なる領域の撮像又は赤外線測定、及び可視撮像及び赤外線測定の両方のための試料の焦点合わせを可能にする移動システムである。

−本願発明において説明されているような赤外線走査のために可視画像において識別された任意の細胞を焦点内に持ってくるように、可視画像における位置に基づいて走査赤外線サイトメトリサブシステムに対して細胞の位置を算出するシステムである。

−（これらに限定されないが）ＤＮＡ、ＲＮＡ、脂質、タンパク質、細胞代謝物、細胞栄養分などの細胞において発見された分子に対する吸収帯域、及び基準線測定用の基準波長として機能する近傍帯域に対応する複数の中赤外線波長を放射することができるＱＣＬソースである。

−一定で均一なスポットが試料に焦点を合わせされ得ることを確実にするために、ＱＣＬからの任意のより高モードの放射を「片づける」目的のためにピンホール開口を通ってＱＣＬ出力部に焦点を合わせするよう構成される光学系である。

−変調走査方向に垂直する長軸を有する楕円形のスポットを試料上に形成するよう構成される光学系である。楕円形のスポットは、ビームが細胞にわたって走査すると高コントラストを提供するが、走査軸に垂直する細胞に相対してビームの小さい変位のための比較的均一な信号を提供するように設計され、各細胞の単一軸の変調走査を有効にする。

−ビームを急速に走査するよう構成される光学系であり、これにより、上述したように、試料上のスポットが、楕円形のスポットの長軸に垂直して単一セルにわたって走査するのに十分である。この変調は、低周波数の雑音及びシステムにおける変動の多くより高い周波数において発生する（例えば、１００Ｈｚ）。

−透過光を捕集して「逆走査」するよう構成される光学系であり、これにより、上述した走査システムにより引き起こされる角度又は位置の変動が反転され、これにより、光は、静止する検出器に中継され得る。

−赤外線光学ビームにおいて光が試料及び任意の細胞を通過すると、角度において実質的に散乱された光から、（ある減衰を有して）試料を通って実質的に直接透過された光を、実質的に分割するよう構成される光学系である。

−走査周波数において信号に優先的に応答し、ビームが細胞を通過すると、透過光の変化に関連付けられる信号を、及びそれにより、細胞に関連付けられる赤外線光吸収及び／又は散乱における局所変動を測定するよう構成される検出器である。これらの検出器のうち少なくとも１つは、実質的に透過された光を測定するよう構成され、これらの検出器の別の１つは、実質的に散乱された光を測定するように構成される。

−検出器の出力を受け、信号から吸収されて散乱された光を算出するように構成されるコンピューティングシステムである。

−算出された、異なる波長における吸収及び散乱信号に基づいて、測定されている細胞内の１つ又は複数のコンパウンドの細胞内含有量を算出するコンピューティングシステムである。

−可視画像において識別された細胞に基づいて、赤外線走査システムを細胞に配置し、ＱＣＬソースの波長を調整させ又は切り替え、赤外線ビームで細胞を走査し、上述した測定を実行する制御システムである。

そのような例示的なシステムは、ＤＮＡ内容物及び／又は分布のために、（色素によりマークされた細胞試料の可視画像に基づいて）被疑細胞を更に調べるために、自動診断応用において用いられてよく、ＤＮＡ又は他の材料の異常な量又は空間分布に基づいて、おそらく癌細胞のような細胞を識別し得る。

そのような癌スクリーニングに対して、追加の測定は、（結合振動周波数を影響する）パッキング密度を測定するためにＤＮＡ結合振動のピーク周波数を測定する本システムの実施形態を用いて、行われ得る。

更に、特定のＤＮＡベース（特に、シトシン）に対応する吸収／散乱ピークは、メチル化レベルを推定するために測定され得る。

走査型サイトメータシステムの一実施形態では、説明されたような走査システムを利用し、生殖成功の尤度及び／又は人間の子孫生存性、並びに家畜生殖医薬を判断するために、個々の生殖細胞（生殖体）を調べる。走査型サイトメータは、生殖体内の重要な分子構成成分に対応する波長を有する（ＱＣＬなどの）中赤外線光ソースにより構成される。例えば、ＤＮＡ分子振動に対応する１つ又は複数の波長は、（１）異数性を示し得て、Ｘ−Ｙ染色体ＤＮＡ差分を用いて予定の子孫の性別を判断するために精子細胞にも用いられ得るＤＮＡベースカウントを特性付けするために、ピーク周波数における減滅（吸収及び／又は散乱）を用いて細胞により保持されるＤＮＡの絶対量を定量化するため、（２）ＤＮＡのパッキング密度を、（ＤＮＡの集団の全体形状及びサイズにおける差から生じる）その分光散乱シグネチャにより、及び／又は、（観察されている結合に対する力における差から生じる）その吸収の周波数分布及び／又は散乱ピーク波長におけるシフトにより検出するため、及び（３）潜在的エピジェネティックな要因のインジケータとして、細胞におけるＤＮＡメチル化のレベルのために、利用され得る。

これらの方法は、受精前に生殖体に適用されるほか、受精体及び胚をプロファイリングし、生殖成功率及び子孫成功率を予測するために、受精体及び胚に適用されてよい。ＤＮＡ固有の測定は、胚の他の構成成分、及び密度、サイズ、形状を特性付けする非ＤＮＡ測定と共に、着床用の特定の胚を選択するために用いられてよい。

［走査型フローサイトメトリシステム］
単一粒子又は細胞を測定するために流れをインタロゲートする走査ビームを使用する本願発明の実施形態も可能である。例えば、ミクロ流体のフローセルは、シース流により囲まれるコア流を含む層流であって、該コア流が粒子又は細胞を含む、層流を生成するために用いられてよい。ビームは、このコア流を囲むエリアに焦点を合わせされる。該ビームは、ビーム自体が非対称となるように整形され得る。

そのような構成において、ビームは、一般に、ビーム自体がインタロゲーション領域を通過すると、それぞれの粒子にわたる複数の通路を可能にし、吸収又は散乱に対応する信号が高信号対雑音比で隔離されることを可能にする周波数において走査するであろう。ビームの形状に依存して、粒子の形状についての付加情報は、走査信号又は結果となる信号包絡線から抽出され得る。

本願発明のいくつかの実施形態において、検出後に、適切な帯域通過フィルタリングを用いて、異なる波長のビームを、電子的に明確に分離され得る２又はそれより多くの異な周波数に方向付けするべく、２又はそれより多くのスキャナを使うことが望ましい場合ある。

他の場合、異なる波長のスポットは、同時に走査され得るが、検出後に分離を可能にする方式で互いからオフセットし得る。

［時間分解測定］
本願発明は、粒子、細胞、又は（胚を含む）細胞群の時間分解測定に特に有用である。走査型サイトメトリシステムの利点は、もちろん、化学組成及び濃度、分子立体配座／フォールディング／縮合、粒子における細胞数、体積、形状、密度、及び方位における変化を含む経時的変化を追跡するように、単一又は複数の細胞の繰り返される測定が行われ得ることである。

しかしながら、従来の走査型サイトメトリにおいて時間分解測定での１つの既知の課題が、光退色及び他の光損傷である。光退色は、蛍光色素及びラベルを励起するために用いられる励起波長への繰り返される露出から生じ、より低い蛍光反応を、そして、不正確な測定をもたらす。更に、励起波長としてよく用いられる短い波長は、観察中の粒子、細胞、胚、又は有機体に対して直接電離損傷を引き起こし得る。最終的に、色素ベース及びラベルベースの測定は、これらの外部化学物質の濃度又は有効性が時間にわたって、かつ、局所状況に依存して変動し得て測定において更なる誤差を引き起こすといった事実から影響を受ける。

本願発明は、これらの問題がなく、そして、精度に対するそれらの負の影響がなく、時間分解測定を可能にする。本願発明は、中赤外線照射を用いて、化学濃度及び立体配座の直接測定、並びに非水細胞容積、形状等のような関連付けられる測定を可能にする（全て、外部ラベル又は色素を用いない）。従って、時系列測定にわたって光退色する又は有効性／濃度において変化するラベルに対する依存性が存在しない。更に、本願発明において用いられる照射の非常に低いエネルギーは、いかなる電離を排除し、従って、インタロゲートする照射に起因する細胞損傷のいかなる問題を取り除く。

（薬物吸収、薬物排出を含む）薬物−細胞の相互作用、代謝性測定、細胞分裂、アポトーシス、染色質凝縮、細胞−細胞の相互作用、胚成長、脂質及び他の生成物の生成、内部タンパク質変化、細胞活動の結果としての局所化学環境における変化、並びに形状、体積、密度、及び細胞カウント変化を含むがこれらに限定されない多数の時間分解測定は、本願発明を用いて行われ得る。

［例示的な実施形態（薬物／細胞の相互作用測定）］
本願発明は、例えば、癌細胞に対する薬物の影響のような、薬物及び細胞の相互作用を測定するために用いられてよい。そのような実施形態において、細胞は、栄養剤及び薬物が配置される複数の個々のウェルを含むプレートに配置されてよい。これらの細胞は、細胞内の特定のコンパウンド、例えば、核酸、タンパク質、脂質、又は代謝産物に対応する１つ又は複数の中赤外線波長を用いて走査される。一般に、他のコンパウンドからの交差効果を除去する、又は、細胞形状又は体積における変化からの影響を除去する「基準」波長として機能を果たす追加の波長が存在するであろう。広い範囲の波長は、（例えば、１つ又は複数の波長可変量子カスケードレーザを利用して）広範なスペクトルにわたって走査を用いて細胞を測定するために用いられてよく、次に、主要な部品分析などの既知データ技術、又は、「深層学習」ニューラルネットワークなどの新しい方法は、細胞における変化を分類するために用いられてよい。そのような方式において、薬物に応じる細胞集団における変化は、高精度で、かつ、上述したように、細胞の動作を妨害し得る、又は、それら自体の経時的誤差源を生成し得るラベル又は色素を用いないで、分類され得る。

そのような実施形態において、本明細書において説明されている走査システムは、１つ又は複数のコンパウンドの細胞の内側及び外側の相対濃度を測定するために、例えば、コンパウンドの吸収、又は細胞を含むウェル内へのコンパウンドの排出を測定するために、更に用いられ得る。そのようなコンパウンドは、薬物、栄養剤、代謝産物、又はその他ものもを含み得る。本願発明の走査性質により、（特定の波長における）信号は、相対的減滅（吸収及び散乱）に比例するであろう。従って、信号は、細胞とその（それらの）局所環境との間の相対的濃度測定を与えることができる。例えば、一連の測定における特定の時点において、コンパウンドは、細胞に追加され得て、細胞内の濃度を上昇させるために必要とされる時間は、本願発明を用いて測定され得る。

［例示的な実施形態（胚のモニタリング及びスコーリング）］
本願発明の一実施形態において、走査システムは、人間における潜在的な着床又は動物生殖医薬に対して個々の胚をスコーリングするために用いられている。体外受精（ＩＶＦ）手順において、多胎分娩を回避するべく、最小数の胚を移植すること、そして、着床のために最も生存できる胚を選択することが好ましい。現行の選択手順は、それらの手順が胚への損傷を最小限にしなければならないので、非常に制限されており、従って、色素又はラベル（又は、高光子エネルギーを有する励起レーザ）の使用が得策ではない。結果として、選択技術は主に、（人間の観察者によるか、又は自動画像処理アルゴリズムによる）可視撮像、又は、栄養剤及び／又は代謝産物の吸収を測定するための胚が存在する媒質の測定が中心となっている。胚内の化学的変化、又は化学構造変化（例えば、他の細胞構成成分から分離される原子核の内容／活動）を直接測定する能力がない。

本願発明は、候補胚の成長の最初の数日にわたって化学組成及び発達を直接測定することを可能にし、従って、共振散乱測定を通して化学組成、構造、及び化学と構造との組み合わせといった、胚のはるかにより広い範囲のパラメータが観察され得る。

［散乱及び共振散乱測定］
共振散乱測定において、特定の分子の吸収ピークの周りの赤外線波長が、散乱／角度偏向測定に用いられ、これらの波長において、これらの分子の屈折率は、（クラマース・クローニッヒの関係式に従って）変動し、従って、粒子又は細胞は、化学組成及び構造に従って、特定の波長において、光を異なって屈折させるであろう。そのような化学固有の（共振）散乱は、共振ミー散乱として知られている。

散乱は、本願発明において、検出器から直接透過される光を遮断する照射ビームにおける空間マスクの使用を通して測定され得る。それらは更に、空間マスクを用いて試料に対する入射光の角度分布を制限し、次に、別の空間マスクを用いて、試料の後に光が遮断されるそれらの角度を具体的にサンプリングする。出力の任意の光は、次に、試料からの散乱の結果となるであろう。散乱信号は、本願発明によれば、特定の周波数において検出器に存在するであろう。従って、散乱信号は、高信号対雑音比で隔離され得る。利用される波長及び測定される角度に依存して、本願発明のこの構成は、粒子／細胞の形状、体積、密度を測定し得て、化学固有の体積、密度、及びパッキング情報も測定し得る。

［例示的な実施形態（精子診断及び選択）］
人間の不妊治療及び家畜繁殖について、多くの場合、診断を実行し及び／又は受精のための個々の細胞を選択するべく、精子細胞パラメータを測定することが望ましい。本願発明の実施形態は、まず、（走査ビーム及び／又は容器の移動を用いて）試料容器における大量の細胞をマッピングし、次に、診断及び選択のために個々の細胞を測定するために、用いられてよい。

そのようなシステムにおいて、ビームは、（ＤＮＡ量、倍数関係及びＸ／Ｙ情報について、ＤＮＡパッキング、ＤＮＡアルファ／ベータ構成、ＤＮＡメチル化、細胞容積及び形状などの）化学／構造情報が測定されることを可能にするパターンにおいて細胞にわたって走査してよいが、該パターンは、結果となる信号のタイミングに基づいてシステムが走査パターンの中央との細胞の相対的配置を測定することも可能にし、それにより、細胞が試料チャンバを通って移動する際に制御システムが細胞をビームで追跡することも可能にする。このことは、移動する細胞の精密測定を最終的に可能にし、それと同時に、精子細胞の生存性に関する別の重要なマーカである、細胞の前進運動性の測定を可能にする。

［代替の走査機構］
本願発明は、試料にわたってビームを走査させるために、検流計などの従来の電気機械的方法を用いてよい。材料の回折パターンを調整し、それにより、材料を通過するビームを偏向させるべくＲＦ信号を用いる音響光学変調器又はデフレクタを含むがこれらに限定されない変調器の使用などのソリッドステートの方法も利用してよい。本願発明は、入射波長が変更された場合に異なる角度で光を回折させる固定回折格子も用いてよい。そのような構成において、ソース波長のわずかな変調（例えば、ＱＣＬの熱的変調）は、試料内に入射するビームのわずかな偏向を引き起こし得て、それにより、本願発明における走査機構を提供する。

走査機構は、（正弦波などの）連続走査パターン、又は（角度を離散するべくビームを偏向させる音響光学デフレクタを用いる場合であり得る）離散スポット走査の何れかを提供し得る。離散の場合、一般には、１つの位置が測定中の試料に対応し得て、別の位置が、試料を囲む基準媒質に対応し得る。

［ビーム整形］
説明したように、本願発明は、１次元及び２次元走査パターンを含み、様々な走査パターンを利用してよい。加えて、本願発明は、試料位置において断面（「スポット」）の様々な形状のビームを利用してよい。例えば、粒子を走査するために１次元走査が用いられる場合、（測定をより位置独立にする）他の方向において粒子の均一なサンプリングを保ちつつ粒子にわたって走査する一方、最大コントラストを取得するために、走査軸に沿って比較的小さい直径と、垂直軸において比較的長い直径とを有するスポットは用いられてよい。

様々な実施形態が個々に詳しく示されて説明されている一方、形態及び詳細における様々な変更が、添付の特許請求の範囲により画定されるような本発明の範囲から逸脱することなく行われ得ることは、当業者により理解されるであろう。

Claims (42)

1. 構成成分の分析装置であって、
   光を放射する光学源と、
   前記構成成分にわたって前記光を走査させる走査システムと、
   前記構成成分との相互作用の後に前記光を測定する光学検出器サブシステムと、
   前記光学源からの前記光を前記光学検出器サブシステムへガイドするガイドシステムと
   を備える
   分析装置。
2. 前記光学源と前記光学検出器サブシステムとの間に画定されたビーム経路上に配置され、インタロゲーション時において閉鎖されて液体ベースの環境であり、前記構成成分を含有するインタロゲーション領域であって、前記構成成分は、粒子又は細胞である、インタロゲーション領域と、
   測定された前記光に基づき、前記構成成分の特性を算出するプロセッサと
   を更に備える請求項１に記載の分析装置。
3. 前記光学検出器サブシステムは、走査周波数の光に優先的に応じて、前記光が前記構成成分を通過すると、透過光を測定し、又は、前記光が前記構成成分により通過されると、関連付けられた散乱光を測定する、請求項１又は２に記載の分析装置。
4. 前記光学源は、少なくとも１つの波長の前記光を放射する量子カスケードレーザ（ＱＣＬ）である、請求項１から３の何れか一項に記載の分析装置。
5. 前記光学源は、中赤外線領域又はＴＨｚ領域の前記光を放射し、前記光は、少なくとも１つの波長又は複数の波長を有し、波長数は制御できる、請求項１から４の何れか一項に記載の分析装置。
6. 前記走査システムは、１次元の形式又は２次元の形式で、前記構成成分の周囲エリアを含めて媒質における前記構成成分を走査する、請求項１から５の何れか一項に記載の分析装置。
7. 前記２次元の形式は、リサージュ型走査パターンを含む、請求項６に記載の分析装置。
8. 前記光学検出器サブシステムは、少なくとも１つの波長において、前記構成成分と媒質との間の透過光又は散乱光を測定するＡＣ感応型検出器であり、前記光学検出器サブシステムは、前記走査システムにより導入される周波数を検出する、請求項１から７の何れか一項に記載の分析装置。
9. ＡＣ結合の前記光学検出器サブシステムは、光子検出器、サーモパイルなどの熱検出器、冷却又は無冷却ＩｎＧａＡｓ又はＨｇＣｄＴｅ検出器などの光起電性検出器を含む群から選択される、請求項８に記載の分析装置。
10. 前記走査システムは、信号対雑音比に対して最適化するように調整できる走査レートを有する、請求項１から９の何れか一項に記載の分析装置。
11. 前記走査システムは、媒質における複数の構成成分にわたって移動するＸＹＺステージを更に有し、前記ＸＹＺステージが媒質における前記複数の構成成分にわたって移動すると、前記走査システムは、前記複数の構成成分のうち個々の構成成分を含有する領域を走査する、請求項１から１０の何れか一項に記載の分析装置。
12. 前記光学源は、媒質における前記構成成分の特定の吸収ピークをインタロゲートすることができる単一固定波長のレーザであり、前記光を前記構成成分と前記媒質との間において走査させるとき、前記光学検出器サブシステムにより検出される変化の大きさは、前記媒質における前記構成成分の特性の算出を可能にする、請求項１から１１の何れか一項に記載の分析装置。
13. 前記特性は濃度である、請求項１２に記載の分析装置。
14. 前記光学源は、吸収ピーク及び少なくとも１つの基準波長の前記構成成分をインタロゲートすることができる少なくとも１つの信号波長を含む複数の波長を放射する複数のレーザである、請求項１から１３の何れか一項に記載の分析装置。
15. 前記レーザは、波長可変である、請求項１２又は１４に記載の分析装置。
16. 前記複数の波長は、フィルムフィルタにより、又は回折格子により、試料流体を通って透過した後に分離される、請求項１４に記載の分析装置。
17. 前記複数の波長は変調され、これにより、それらの信号は前記光学検出器サブシステムにおいて分離可能である、請求項１４又は１６に記載の分析装置。
18. 前記レーザは、ファブリーペローレーザなどの広帯域のレーザであり、前記複数の波長は、検出前に分離される、請求項１４に記載の分析装置。
19. 前記光は、近赤外線領域（０．７５〜１．４μｍ）と、短波赤外線領域（１．４〜３μｍ）と、中間波長の赤外線領域（３〜８μｍ）と、遠赤外線領域（２０〜１０００μｍ）と、ＴＨｚ領域とを含む赤外線領域における波長を有し得る、請求項１から１８の何れか一項に記載の分析装置。
20. 複数のスライドであって、前記構成成分は前記複数のスライドの間に配置される、複数のスライドと、
    前記構成成分の画像を提供する可視顕微鏡システムと、
    前記構成成分にわたって異なるエリアの撮像又は赤外線測定を提供し、可視撮像及び赤外線測定の両方のための、構成成分の前記異なるエリアのフォーカシングを許容する移動システムと、
    赤外線走査のために、前記構成成分の可視画像の位置に基づいて前記構成成分を焦点内に持ってくるフォーカシングシステムであって、前記光学源は、複数の中赤外線波長を放射することができるＱＣＬである、フォーカシングシステムと、
    コンピューティングシステムと
    を更に備える請求項１から１９の何れか一項に記載の分析装置。
21. 前記構成成分に焦点を合わせされる一定で均一なスポットを確実にするべく、ピンホール開口を通って前記ＱＣＬからの前記光を焦点合わせする光学系を更に備える請求項２０に記載の分析装置。
22. 走査方向に垂直する長軸を有し、前記構成成分上に楕円形のスポットを形成する光学系を更に備える請求項２０に記載の分析装置。
23. 急速にビームを走査させる光学系であって、これにより、前記構成成分上の前記楕円形のスポットは、単一の構成成分にわたって走査するのに十分である、光学系を更に備える請求項２２に記載の分析装置。
24. 前記走査システムにより引き起こされる角度又は位置の変動が反転されるように、透過される前記光を捕集して「逆走査」する光学系であって、これにより、光は、静止する前記光学検出器サブシステムへ中継され得る、光学系を更に備える請求項２０から２３の何れか一項に記載の分析装置。
25. 前記光が前記構成成分を通過すると、角度において実質的に散乱された光から、前記構成成分を通って実質的に直接透過される光を実質的に分割する光学系を更に備える請求項２０から２４の何れか一項に記載の分析装置。
26. 前記コンピューティングシステムは、前記光学検出器サブシステムからの出力を受け、吸収された又は散乱された光を算出し、前記構成成分の特性を判断する、請求項２０から２５の何れか一項に記載の分析装置。
27. 可視画像において識別される前記構成成分に基づいて、前記走査システムを前記構成成分に配置し、前記光学源の前記光に対して波長を設定し、前記光を用いて前記構成成分を走査し、測定を実行する制御システムを更に備える請求項２０から２６の何れか一項に記載の分析装置。
28. 前記構成成分は、生殖体である、請求項１から２７の何れか一項に記載の分析装置。
29. 前記走査は、外部ラベル又は色素を用いないで実行される、請求項１から２８の何れか一項に記載の分析装置。
30. 前記インタロゲーション領域は、約１ｍｍ未満の厚みを有する、請求項２に記載の分析装置。
31. 前記インタロゲーション領域は、約５０μｍ未満の厚みを有する、請求項３０に記載の分析装置。
32. 前記インタロゲーション領域は、約１０μｍ未満の厚みを有する、請求項３１に記載の分析装置。
33. 前記光と、媒質における前記構成成分の表面との間の入射角は、表面反射又は破壊的干渉を低減させるように調整できる、請求項１から３２の何れか一項に記載の分析装置。
34. 前記量子カスケードレーザは、個別の狭帯域の単一波長デバイスと、ファブリーペローなどの、特定の波長帯域を選択するように波長選択型又は分散性の要素と任意選択的に組み合わせられ得る広帯域エミッタと、波長可変サブシステムと、単一チップのデバイスから多数の波長を放射し得るＱＣＬアレイとを含むリストから選択される形態にある、請求項４から３３の何れか一項に記載の分析装置。
35. 請求項１に記載の分析装置において構成成分を分析する方法。
36. 構成成分を分析する方法であって、
    分析装置のインタロゲーション領域に前記構成成分を提供する段階と、
    前記インタロゲーション領域における前記構成成分に向かって、光学源により光を放射する段階と、
    走査システムを用いて、前記構成成分を走査する段階と、
    光学検出器サブシステムを用いて、試料流体による部分的吸収の後に、ビームを検出する段階と、
    前記光を前記光学源から前記光学検出器サブシステムへガイドする段階と
    を備える
    方法。
37. 前記インタロゲーション領域は、インタロゲーション時において非流動で閉鎖された環境であって前記構成成分を含有し、前記構成成分は、粒子又は細胞であり、測定された前記光に基づいて前記構成成分の特性を算出する段階を更に備える請求項３６に記載の方法。
38. 前記光学源は、少なくとも１つの波長の前記光を放射する量子カスケードレーザ（ＱＣＬ）である、請求項３６又は３７に記載の方法。
39. 前記光学源は、中赤外線領域又はＴＨｚ領域の前記光を放射し、前記光は、少なくとも１つの波長又は複数の波長を有し、波長数は制御できる、請求項３６から３８の何れか一項に記載の方法。
40. 前記走査システムは、１次元の形式又は２次元の形式において、前記構成成分の周囲エリアを含めて媒質における前記構成成分を走査する、請求項３６から３９の何れか一項に記載の方法。
41. 前記２次元の形式は、リサージュ型走査パターンを含む、請求項４０に記載の方法。
42. 信号対雑音比に対して最適化するように前記走査システムの走査レートを調整する段階を備える請求項３６から４１の何れか一項に記載の方法。

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