JP5171311B2 - 生物学的センシング用装置および方法 - Google Patents

Description

本発明は、一般的には環境センシングに関し、更に具体的には、生物学的物質の存在を検出するための光学システムおよび方法に関する。

近年、国民のホームセキュリティおよび住民に対する脅威の検出に益々重点が置かれている。特に、環境に於ける望ましくない化学物質または生物学的物質の存在の検出または検知が重視されるようになり、それに応じて多種多様な検出装置が開発されている。一例は、コアとクラッドがある多モード光ファイバを使う化学センサである。このクラッド、またはクラッド上の被覆の光学特性は、検出すべき所定の物質があると変る。この光ファイバのコアを透過する光の量は、この検出すべき物質と相互作用するクラッドまたは被覆の光学特性の変化の関数である。

従来の検出装置に対する一つの設計考慮事項は、感度に関してである。一般的に、特殊な検出装置について、低濃度レベルの望ましくない物質の存在を検出するためには、通常多くの時間を要する。

従って、検出時間を最少にしながら、高い感度で化学物質および／または生物学的物質の存在を検出するためのセンサを提供することが望ましい。その上、このセンサのパッケージサイズを最小にしながら、複数の異なる脅威の存在を検出するためのセンサを提供することが望ましい。更に、本発明の他の望ましい特徴および特性は、添付の図面およびこの背景技術と共に検討すれば、以下のこの発明の詳細な説明および添付の請求項から明白となろう。

本発明は、所定の生物学的物質を検出するための生物学的物質検出器に向けられている。この生物学的物質検出器は、光ファイバ、生物指標と混ざりまたはそれを共有結合的に取付けおよびこの光ファイバの長さを被覆し、または覆うポリマまたは吸湿性ゲル材料、並びにこのクラッド、または被覆内に配置した生物指標を含む。この生物学的物質検出器は、この光ファイバを励起し、光ファイバ共振器内に形成してあるコヒーレントな光源、および多数の方法の一つによってこの所定の生物学的物質を生物学的物質を検出する生物学的物質シグネチャ検出器も含む。その様な方法の一つは、抗体を光ファイバのコアの近く、または直ぐ外側の領域に共有結合する工程、および屈折率または光損失の変化を測定することによって抗原結合を検出する工程を含むことができる。その様な方法は、この所定の生物学的物質をこのファイバのクラッドまたは被覆に吸収することによって生じるこの光ファイバ共振器の共振特性の変化に基づくことができる。この光共振器の共振特性は、このコアの中を進む光のエバネセント光波と相互作用する（このコアに）隣接する媒体の光学特性の変化によって改変する。この光の強度は、このクラッド、または被覆に及ぶが、このコア領域からの距離と共に減衰する。このクラッドまたは被覆（コアの外部）に達する光の電場を時には光のエバネセント場と呼ぶ。

この生物学的物質検出器は、ゲル・ファイバ表面境界面の直近で屈折率または損失を変化させることによって機能するかも知れない。次にこの変化をそれが、この光ファイバがその一部である光ファイバ共振器の共振特性に及す影響によって増幅する。この方法は、目標とする生物学的微分子または検出物質の放射性、または蛍光性またはその他の標識付けを要しないので、特に便利である。上記の資料では、“クラッド”と言う語は、クラッド、または被覆、またはその両方を意味することを意図として認識する。即ち、この光波のエバネセント場がこのクラッドに達するので、この生物指標を“クラッド”として知られる、このファイバのコア囲む隣接層に置くことができる。その代りに、この指標が埋込んでない、“内”クラッドまたはこのコア内の光の案内を確実にするために使うクラッドがあってもよい。このシステムでは、指標のある“被覆”、または指標があり外“クラッド”として機能する被覆を、不活性クラッドを伴うファイバ構造に加える。これらの場合、この被覆、または外クラッドとして機能する被覆は、この生物物質を吸収しなければならず、それにはいる光のエバネセントテールを有し、およびこのコア内の光の案内を支援する光学特性を有する。

本発明の生物学的物質検出器では、検出すべき、微生物に特有の既知の生物指標または生物学的材料、即ち、汚染物質をクラッドの埋込んだ生物指標として利用することができる。好適な生物検出物質は、モノクローン抗体であると確信する。モノクローン抗体は、目標とする生物学的物質に存在する特定の抗体間の結合に対して高い特異性を有する。同様に、この検出器は、既知のポリマまたは吸湿性ゲル材料を利用することができ、その場合この指標システムを、この光ファイバを覆うポリマまたはゲルに埋込むことができる。この指標を埋込んだクラッドは、通常の取扱中ファイバに対してクラッドであり続けるために十分耐久力があるのが好ましく、水和したとき、クラッド材料として十分に作動するように、ファイバのコアと屈折率が十分違うのが好ましく、および約４℃と約３８℃の間の温度および約３０％と９０％の間の相対湿度で水和したままであるのが好ましい。屡々、その様な吸湿性ポリマは、水が存在すると膨張する架橋したゲル材料である。その様なポリマの例には、架橋キトサン材料、多糖類、ヒドロキシ置換アクリレート被覆、およびナフィオン（登録商標）がある。ナフィオンは、膜及び分散系用の、米国デラウェア州ウィルミントン市、Ｅ．Ｉ．デユポン デナムア社の登録商標である。

この発明でクラッド材料として使用できると確信するポリマのもう一つのグループは、多孔性であって、通常の湿度で水を吸上げて細孔に吸収するに十分高い表面張力を有するポリマである。ケルビン式を使って運転条件で要する相対湿度で水を吸収するために与えられた表面張力で必要な細孔径を決めることができる。当業者は、クラッドを各々の用途に適合させるためにその特性を最適化することが望ましく且つ彼らの技量内であることが分るだろう。過度に厚いクラッド被覆は、応答の遅延に帰するだろうし、一方薄すぎるクラッド被覆は耐久性がないかも知れない。

表面プラズモン共振センサ、長期格子カプラ、共振ミラー、および多種の干渉計の様な、光変換器の表面上に固定した特定のバイオレセプタに対する分析物の親和結合に基づくバイオセンサは、追加の標識試薬を使わずに屈折率または光拡散の変化を測定することによる分析物のリアルタイム検出に有用であると確信する。この生物指標の濃度は、この光ファイバシステムの要件に適合させてあるのが好ましい。更に、多孔性クラッドシステムに対して、このクラッドは、この多孔性システムの尺度では比較的大きいかも知れない、検出すべき微生物がこのクラッドに入り込んでモノクローン抗体生物指標に達し、次にそれが好ましくはこの光ファイバを通過する光の到達範囲内にあるように、十分に大きい開孔を有するのが好ましい。このモノクローン抗体は、特別の目標微生物または生物学的毒素に特有の、特定の生物学的標的分子とだけ結合すると確信する。モノクローン抗体は、生体分子に限定せず、特定のモノクローン抗体の生産中にハプテン化を利用することによって大型有機分子も目標とし得る。この生物学的物質、即ち、生物汚染物質が存在すると、このファイバは、損失が多くり、このファイバ共振器のフィネスを劣化し、またはファイバの有効屈折率を変える（共振器のフリースペクトル範囲を変える）ことが予期され、その各々は、吸収した生物汚染物質の量の比率として検知できる。このセンサ内のファイバは、エバネセント場がこのファイバクラッドに固定された結合抗体と相互作用する、全内反射を使って作動すると予想される。抗体と抗原の間の反応は、屈折率または損失の変化としてリアルタイムでモニタすべき光伝達を変えることが期待され、それによって標識抗原分子を必要なくする。

光子結晶ファイバ（ＰＣＦ）をこの検出器の光ファイバとして利用し、それによってゲルをこのＰＣＦのクラッドの孔に導入できることも確信する。このクラッドの孔形状のために表面張力が強いので、このゲルは吐出せない。空中浮遊ガス状生物汚染物質分子を微細径ピンホールからこのゲルに曝してもよく、そのピンホールは、この光ファイバにクラッドを通し、このファイバの全長に亘ってゲルが占める孔と交差して穿孔してもよい。

下記に本発明を以下の図面に関連して説明し、そこで類似の数字は類似の部品を示す。

本発明の以下の詳細な説明は、本質的には単に例示に過ぎず、本発明または本発明の用途および使用法を制限する意図はない。更に、先行する本発明の背景または本発明の以下の詳細な説明で提示する如何なる理論によっても拘束する意図はない。

環境の中の一つ以上の生物学的物質をセンシングするための装置および方法を提供する。一般に、この装置は、所定の生物学的物質に反応する指標（例えば、非常に特殊なモノクローン抗体）が埋込んであるクラッドを備える光ファイバコイルを有する共振器を含む。入力光ビームを（例えば、光源から）この共振器に供給し且つこの入力光ビームが、光ファイバのコイルを含むこの光ファイバ共振器の共振周波数に、一方向（例えば、リング共振器の場合、光ファイバコイルの時計回りまたは反時計回り方向）に同調するとき、この共振周波数の範囲内で共振線形状ができ、それをこの共振器を循環する光によって検知する。検出すべき物質がこの環境にないと、この共振線形状は、この共振器を循環する光の低エネルギー損失に対応する第１（例えば、狭い）形状を有する。センサが高損失を利用し、光ファイバコイルの環境に所定の生物学的物質が存在する場合、指標は、この物質に反応し、その結果、この光ファイバコイルを循環する光の一部が散乱または吸収される。この通常狭い、共振線形状は、広く、浅い形状に変る。共振線形状のこの変化は、散乱光または吸収光による大きなエネルギー損失を表し、それでモノクローン抗体指標と反応した所定の生物学的物質の存在を示す。もう一つの損失増加機構は、クラッドの屈折率が上昇してコア内部の光の案内が弱くなり、それが共振器のフィネスも落すと言うことかも知れない。複数の光ファイバコイルをこのセンサの中に一緒に多重化して、多重共振器を形成し、複数の生物学的物質を同時に検出してもよい。これらの追加の共振器を、その存在が検出を意図する一次物質の測定を逆にバイアスするかも知れない、他の二次物質を検知するためにも使ってよい。この様にして、二次物質に対する一つの共振器コイルまたは指標の交差感度を除去してもよい。これは、一次物質の明確な測定をもたらし、または二次物質によって生じる虚偽警報の可能性をなくする。

さて、図面を参照して、図１は、本発明の実施例による生物学的物質センサ１０の概略図である。このセンサ１０は、可変同調コヒーレント光源１８（例えば、外部空洞レーザダイオード、ＤＦＢレーザダイオード等）、第１ミラー反射器２０、再循環器２４（例えば、透過率が低いがゼロではない、高反射性ミラー）、第１ミラー反射器２０および再循環器２４を介して光源１８から光を受ける第１端３１を有する光ファイバコイル２８、この再循環器２４を介して光ファイバコイル２８の第２端から光出力を受ける第２ミラー反射器２２、光検出器（例えば、フォトダイオード）２６、並びに光検出器２６および光源１８に結合した電子モジュール１６を含む。この入力ミラー２４および光ファイバコイル２８は、一緒に共振器１２を形成する。この共振器１２は、多種多様な構成でよく、幾つかの実施例をここに説明する。この共振器１２に導入する光は、単色であり、且つ再循環器２４を使って複数巻の光ファイバコイル２８を通って循環する。この共振器１２からの光出力は、モノクローン抗体３０と反応した所定の生物学的物質が存在するか否かに敏感である。

図５は、図１の幾らか複雑な版で、光が時計回り方向（ＣＷ）か半時計回り方向（ＣＣＷ）のどちらに循環してもよい。図５では、再循環器２４が図１のミラー２４と実質的に同じに機能する二つのミラー２４ａと２４ｂに分けてある。簡単のために、以下の議論は、主として図１に向ける。

ある実施例で、光源１８は、周波数が安定し、線幅が比較的狭く、および可能出力が比較的高い、可変同調レーザである。光源１８をＣＷ方向かＣＣＷ方向に共振器１２の共振周波数ｆ_０と一致する周波数範囲に亘って調整する。一般に、再循環器２４は、光ファイバコイル２８の一端から出る光を反射し且つフィバコイル２８の他端に再導入し、それによって光をこの光ファイバコイル２８を通して何回も伝播させるどんな光学素子でもよい。再循環器２４用に光ファイバカプラではなく入力ミラーを使えることは、このミラーを偏光誤差およびその他の誤差機構を減衰するために使え、且つ欠陥を少ししか取入れないかも知れないので、センサ１０の一つの利点である。しかし、ある場合には、光ファイバカプラが適当かも知れない。

ある場合、この光ファイバコイル２８は、コアが典型的なガラスベースであり、このコアを囲む典型的にポリマベースのクラッド２９と、このクラッドに埋込んだ、所定の生物学的物質３０に反応する指標を備えるファイバで作ってある。別の種類のファイバは、ガラスコア、光子結晶構造のクラッド、および外側ポリマベースのジャケット、被覆または外側クラッドから成る。指標は、この外側ジャケット内に含まれている。混合することが可能であるか、またはこのモノクローン抗体をポリマに共有結合的に取付けるならば、多くのポリマを使ってもよい。抗体取付け技術の例は、グルタルアルデヒドまたはトルエンジイソシアナート架橋を含んでもよい。

どちらの場合も、曲げ損失が非常に低い光ファイバを使うのが好ましく、光ファイバコイル２８は、かなり小さい領域の周りに比較的大きい巻数を有するのが好ましい。例えば、コイル２８は、直径１ｃｍの周りに光ファイバが約２０ないし４０巻あってもよい。一般的に、光ファイバコイル２８がもたらすような、光路長が長ければ長いほど、センサ１０のＳＮ比が大きい。このセンサ１０のＳＮ比を改善するためには、光ファイバコイル２８の巻数を増すことによって光路長を伸してもよい。この光ファイバコイル２８で、再循環器２４によって導入した光は、大抵コア内部を通り抜け、光エネルギーの約２〜３パーセントだけが光ファイバのクラッドに入る。この指標は、一つ以上の生物学的物質に反応してその光学特性、例えば、その色、その光損失、またはその屈折率を変える、化学的またはその他の物質でもよい。

このクラッドは、多種多様な親水性ポリマのどれで出来ていてもよい。ポリマを選択するための判定基準は、モノクローン抗体標識を取付けるために使う方法への適合性は勿論、耐久性および適用の容易さを含むだろう。このクラッドは、その屈折率が屈折率導波型ファイバに於けるファイバのコアのそれよりも低くなければならない。表１は、ポリマ ハンドブック（第２版、Ｊ．ブランドラップ、Ｅ．Ｈ．インマーグット編、ワイリーインタサイエンス（１９７５年））ｐｐ．ＩＩＩ−２４２〜ＩＩＩ−２４２から引用した親水性ポリマの一覧表を示す。

当業者には、使うために柔らか過ぎるまたは水溶性であるポリマを架橋によって溶け難くできること、および十分に親水性でないポリマを親水性の側基を付けることによって改質できることが分るだろう。それで、ポリジメチルシロキサン、ポリアクリレート、ポリメタクリレートまたはポリビニルエーテルのようなポリマをヒドロキシ、アルキルオキシ、カルボキシレート、スルホネート、ホスファート、テトラアルキルアンモニウムまたはその他の親水基を含む基を付けることによってより親水性にしてもよい。

適度な孔径範囲内の多孔度を有するポリマは、水も吸収するだろう。ケルビン式（１）を使い、予想される温度および相対湿度に基づき必要な孔径を推定することができる。例えば、もし、相対湿度５０％で使用温度を２５℃付近と予想するならば、所要孔径は１５ｎｍ付近と計算できる。

γ＝水の表面張力（０．０７２Ｎ／ｍ）
Ｖ_Ｌ＝水のモル体積（０．０１８Ｌ／ｍｏｌ）
Ｒ＝ガス定数
Ｔ＝温度
Ｐ＝水の蒸気圧
Ｐ_０＝水の飽和蒸気圧

この発明を使って検出すべき生物学的物質は、ウイルス、バクテリア、胞子、菌類、蛋白質類、多糖類または何か他の生物学的物質を含むかも知れない。これらの物質に対する指標は、検出すべき特定の有機体を認識できるが、他の有機体はできない、他の生物学的物質を含むかも知れない。その様な認識方向の一つは、この生物学的物質に結びつくポリマに共有結合的に束縛される抗体を使うことかも知れない。これらの抗体は、目標抗体を拘束したとき、屈折率を変える結果になるだろう。

稼働中、光源１８によって作った光を第１ミラー反射器２０に導き、次にそれがこの光を再循環器２４へ導く。光源１８からの光をこの共振器（光ファイバコイル２８および再循環器２４から成る）の共振周波数の端から端まで、この伝播の対応する方向（例えば、時計回り方向）に走査（スイープ）し、その第１部分を再循環器２４を通して光ファイバコイル２８の第１端３１へ伝達する。第２部分、即ち、反射した部分は、再循環器２４からミラー２２へ反射する。光ファイバコイル２８を通るＣＷおよびＣＣＷ経路の各々に対する共振周波数は、各光路を連続して循環するビームの建設的干渉に基づく。第１部分の光が光ファイバコイル２８のコアを通って伝播してから、この光が光ファイバコイル２８の第２端３２から出る。この実施例では、第２端３２から出る光を再循環器２４へ導く。この光の一部を再循環器２４によって、第１端３１へ反射し戻し、一方他の部分は、第２ミラー反射器２２へ透過する（即ち、透過波）。この透過波は、共振器１２内部の再循環光波のほんの一部分（且つそれに由来する）である。この透過波および反射波を、第２ミラー反射器２２を介して、光検出器２６へ導き、そこでそれらが干渉する（即ち、透過波と反射波の間に干渉が起る）。この光の周波数は、共振から十分遠く離調してあるので、透過部分が非常に少なく、反射部分だけが光検出器に入射し、最大の強度および非常に僅かの破壊的干渉を示す。この周波数を共振の中心を通り越して走査すると、この透過波は最大になり、反射波と最大の破壊的干渉を生じ、従って共振ディップをもたらし、その最小値が共振中心を示す。

ＣＷかＣＣＷ方向の共振器（光ファイバコイル２８と再循環器２４から成る）１２の共振中心−周波数を観測するために、この光検出器によって検出した光強度を測定することができ、または標準同期検出技術（位相感応検出）を使ってもよい。検出は、光検出器２６によって光出力を検出しながら、光源１８の周波数を周波数範囲に亘ってスイープすることによって行ってもよい。同期検出の場合、共振を光検出器２６で（周波数スイープによって）測定しながら、この共振線形状の端から端までこの入力ビーム周波数をディザリングするために、入力光ビームを制御装置１６によって周波数（ｆ_ｍ）で正弦波的に周波数変調する（このスイープ速度より遙かに速い速度で）。例えば、この電子モジュール１６は、この循環光ビームの光出力によって共振を測定するために光検出器２６の出力をｆ_ｍで復調しながら、光源１８への制御信号を介してこの入力光ビームを周波数範囲の全域でスイープしてもよい。この共振線形状の線の中心、または共振中心で、光検出器２６は、この基本検出周波数ｆ_ｍで最小出力を検出し、およびこの線形状の両側の最大傾斜点付近で最大値を検出する。この周波数が共振から十分離れていれば、強度信号の最大値が観測されるが、ｆ_ｍでの信号は、実質的にゼロである。この共振線形状の線幅を観測するために、光検出器２６の光強度信号が少なくとも、半最大値、次に最小値、次にもう一つの半最大値を含む一連の観測を全てこのレーザ周波数を単調に走査する（ｆ_０付近の周波数範囲をスイープした）とき終えるように、このレーザ周波数を走査する。この線幅は、半最大値間の周波数分離によって決める。

その代りに、この線形状幅の寸法を、レーザ周波数をこの線形状の全域で単調に走査するときに、ｆ_ｍでの復調した信号の最大値間の周波数差をモニタすることによって決めてもよい。この場合、最大傾斜点間の共振の周波数幅の測定値は、共振器線幅、共振器損失に比例する。この半最大強度から半最大強度まで（または最大傾斜点間）のレーザ周波数の振れは、この共振器線幅であり（またはこの共振器線幅に比例し）、それはファイバコイル２８内の損失を示し、従って、この生物学的物質の存在の尺度である。この線幅の拡大は、損失増加測定の場合、対象物質の存在を表す。このレーザ周波数の振れは、この検出器がある半最大信号を観測する時間とこの検出器が第２の半最大信号観測する時間の間のレーザ周波数差を記録することによって測定する。これらの二つの時点の各々でのレーザ周波数は、直接測定しても間接的に測定してもよい。一つの直接測定は、その周波数を走査しないもう一つのレーザでビートを生じること、および二つの時点間のこのビート周波数差を測定することを伴う。間接的、且つ多分安価な方法は、このレーザ周波数対このレーザを走査するために使う電気信号入力を事前較正することである。この較正した値を制御装置１６のメモリ内のルックアップテーブル１１に保存してもよい。これは、このレーザの注入電流を変える電流駆動信号、このレーザの温度を変える熱電式冷却器への電流駆動信号、または周波数を変えるためにレーザ空洞の経路長を変える圧電変換器への電圧駆動信号でもよい。これらのどれかの場合に、レーザ周波数シフト対駆動信号の大きさを工場内で較正でき、それは、この駆動信号の振れを稼働中周波数の振れの尺度として使うことを可能にする。

光源１８を、例えば、ＣＷ方向に共振器１２の共振周波数から離して調整すると、このＣＷビームからのエネルギーが光ファイバコイルに入らず、この光を再循環器２４の高反射性ミラーから反射して光検出器２６に最大強度を作る。光源１８をＣＷ方向に共振器１２の共振周波数に調整すると、このＣＷビームが光ファイバコイル２８に入り、光検出器２６に当る光が最小出力であり、それによって共振中心を示す。同様に、もしこの装置がその代りに光をＣＣＷ方向に注入することになっていたら、このＣＣＷビームをこのＣＣＷ方向に共振器１２の共振周波数に調整すると、このＣＣＷビームは、光ファイバコイル２８に入る。

生物学的物質３０が光ファイバコイル２８内に存在するとき、この光ファイバコイル２８のクラッドに埋込んだ指標がこの生物学的物質３０と反応（例えば、結合）し、光ファイバコイル２８の光学特性を変えることが予想される。例えば、この光ファイバコイル２８の変えられた光学特性には、光ファイバコイル２８の屈折率の変化または光吸収度若しくは損失の増減があるかも知れないが、必ずしもそれに限定されない。

共振器１２の共振周波数を走査するために、ドライバ制御装置１３がこの共振周波数ｆ_０に関連する電流値の所定のセットまたは範囲を逐次選択し、これらの値によってレーザダイオード１８を進めてもよい。例えば、共振器１２は、非汚染状態ではｆ_０＋／−Δｆに等しい共振周波数値で半最大光エネルギー出力値（ダイオード２６によって測定して）を有し、生物学的汚染物質が付くと、この半最大共振周波数値がｆ_０＋／−５Δｆかも知れない。この場合、電流値の所定のセットは、それぞれ、ｆ_０＋５Δｆおよびｆ_０−５Δｆに対応する最大電流値ｘ_１および最小電流値ｘ_２を有するだろう。もし、このドライバ制御装置１３がこの最小電流値から最大電流値へ２０の均等ステップで歩進することになっているなら、レーザダイオード１８に加える第１電流値はｘ_２であり、各ステップに対する電流値の増分は（ｘ_１−ｘ_２）／２０だろう。この場合、第１電流値はｘ_２、第２値はｘ_２＋（ｘ_１−ｘ_２）／２０、第３値はｘ_２＋２（ｘ_１−ｘ_２）／２０、等だろう。この電流は、このプロセッサに記憶する連続関数で連続的に調整することもできよう。

共振周波数ｆ_０の両側の１／２最大値は、光検出器２６によって検出し且つ光源電流値に関連付けてもよい。この場合、電流値の所定のセットが、この生物学的物質の存在によって生じる共振周波数への変化によって決る幾らか大きい電流範囲に広がるかも知れない。もし、この生物学的物質の存在によって生じる共振周波数の変化がこの共振周波数ｆ_０の１／２最大値を五倍だけ拡げるならば、この所定の電流範囲は、非汚染状態で共振器１２の１／２最大値の５倍に相当するかも知れない。

一つの図示する実施例では、ルックアップテーブル１１が電流値およびこれらの電流値に対応するそれぞれの周波数の表を含むかも知れない。このルックアップテーブル１１は、多数の周波数シグネチャも含むかも知れない。この場合の周波数シグネチャは、光源１８の一組の周波数および光検出器２６によって検出すべき対応する値を意味する。第１参照シグネチャが非汚染状態の共振器用ルックアップテーブル１１内に設けてあるかも知れず、一つ以上の他の汚染または生物学的物質シグネチャが異なる程度の汚染状態の共振器１２用ルックアップテーブル１１内に設けてあるかも知れない。使用する際、制御装置１６は、光検出器２６からそれぞれの光値を集めながら、光源１８に所定のセットの周波数の端から端まで走査させることによって絶えずテストシグネチャを集める。このテストシグネチャをコンパレータ１５内でこの参照および汚染シグネチャと比較する。このコンパレータ１５がテストシグネチャと汚染シグネチャ間の整合を検出すると、制御装置１６が警報を作動させる。

ある実施例で、電子装置（例えば、電子モジュール１６）と光学装置を統合して両者間の効率的且つ好都合のインタフェースを提供する、シリコンベースのマイクロ・オプチカルベンチ１４上にセンサ１０を構築することができる。ミラー反射器２０、２２および再循環器２４のような、形状寸法が１０マイクロメートルほどに小さい小型光学要素をシリコン表面上に取付けて、光波はフリースペースを移動してもよいが、光学装置がかさ高になるのを避けることができる。これらの光学機能の幾つかも、このシリコン部材にある導波路に埋込んでもよい。この実施例で、光源１８および関連する周波数調整部品および光検出器２６もこのオプチカルベンチ上に取付けてもよい。これらの手法を使うと光学装置をシリコンプラットフォーム内または上に製作して光学装置と電子装置の統合を可能にする。この光源それ自体は、上に幾つかの部品を取付けられる複合構造であるか、またはこのマイクロ・オプチカルベンチ１４上に作ってもよい。例えば、それが外部空胴レーザダイオードで、このレーザダイオードをこの基板上に作るか置いた二つの反射面間に置いてもよい。単一周波数レーザにするためにこのレーザ空洞内に作ったまたは置いた、格子またはエタロンのような、周波数選択性空洞内素子もあってよい。このレーザビームを成形またはコリメートするために使う、このレーザ空洞の外部に取付けまたは作った、レーザ源１８に含まれる、レンズのような、素子もあってよい。

図２は、本発明の別の実施例による線形状共振器４１を有する生物学的物質センサ４０の概略図である。このセンサ４０は、入力光ビームを合成し且つこの入力光ビームを線形共振器４１に導入する可変同調レーザ（例えば、各々内蔵アイソレータを備える、Ｈｅ−Ｎｅレーザ、または外部空洞レーザダイオード）４２を含む。このセンサ４０は、ビームスプリッタ（例えば、５０−５０％ビームスプリッタ）４４、入力素子４６、光ファイバコイル２８、および出力ミラー６０、および光検出器６２を含む。この入力素子４６は、ファイバーグレイティングで置換えてもよいが、入力ミラー４８（例えば、９５−５％ミラー）を含む。その上、この入力素子４６は、光をこのビームスプリッタ４４から光ファイバコイル２８の第１端５２へ導くためのおよび光をこの光ファイバコイル２８の同じ端５２からビームスプリッタ４４へ導くための光学素子５０を含むかも知れない。光ファイバコイル２８は、所定の生物学的物質（例えば、この光ファイバコイル２８に埋込んだ指標に関連する）を検出するために透過性容器５４に収容してある。この線形共振器４１は、反射器４８、ファイバコイル２８および反射器６０によって構成される。反射器４８および６０は、低損失共振器を達成するためにファイバ先端またはファイバ端５２および５６に直接形成または蒸着してもよい。

同期検出を使えるように共振線幅測定中に光ファイバコイル２８を循環する光の光路長を変調（例えば、正弦波変調）するために、変調器（例えば、圧電変換器）５８を光ファイバコイル２８に結合してもよい。例えば、レーザ４２によって作った入力光ビームをこの共振器の共振周波数ｆ_０で走査し、変調器５８が光ファイバコイル２８を循環する光の光路長を正弦波変調する。別の実施例では、レーザ４２が周波数変調能力を備えるとき、変調器５８を省略する。第３実施例では、このレーザ周波数を固定し、周波数走査と変調の両方を変調器５８で行う。この後者の場合、この共振器共振周波数をこのレーザ周波数の領域の端から端まで走査し、それは、原理的に、このレーザ周波数をこのファイバ共振器の固定共振周波数を横断して走査することに相当する。

レーザ４２からの入力光ビームをビームスプリッタ４４によって入力素子４６へ向け、それがこの入力光ビームを光ファイバコイル２８の第１端５２へ向ける。この光ファイバコイル２８を含む共振器４１に関連する共振周波数に調整したとき、この入力光ビームエネルギーの大部分はこの光ファイバコイル２８に入る。この共振器の中の光伝播の各往復中、光は、光ファイバコイル２８を順方向に伝播し、この光ファイバコイル２８の第２端５６から出て、出力ミラー６０に当り、それがこの光を光ファイバコイル２８の第２端５６に反射し戻す。光出力が光ファイバコイル２８の中を前後に伝播する光からこの光ファイバコイル２８の第１端５２に作られ、それが入力素子４６によってビームスプリッタ４４へ導かれる。このビームスプリッタ４４は、この光出力の一部を光検出器６２へ反射し、それは電子装置に結合してあってもよい（図１同様）。その代りに、ミラー６０が部分透過ミラーでもよく、光検出器６２をこの共振器から出る光を受け、従って共振をモニタするように配置してもよい。

図３は、本発明の別の実施例によるリング共振器７１を有する生物学的物質センサ７０の概略図である。この実施例では、レーザ４２が入力光ビームをリング共振器７１に導入する。生物学的物質センサ７０は、レーザ４２、入力ミラー４８、入力素子４６、光ファイバコイル２８、出力素子７２、出力ミラー７６、および光検出器６２を含む。この光ファイバコイル２８は、透過性または半開容器５４に収容してあり、共振線幅測定中この光ファイバコイル２８を循環する光路長を変調（例えば、正弦波変調および／または共振周波数走査）するために、変調器（例えば、圧電変換器）５８を光ファイバコイル２８に結合してもよい。この共振器は、ミラー４８および７６、ファイバコイル２８、入力素子４６および出力素子７２を含む。別の実施例では、ミラー４８および７６が入力素子４６および出力素子７２を除去するために十分な曲率に設計してある。更に別の実施例では、二つのミラー４８および７６並びに入力素子４６および出力素子７２がコイル２８に接合する光ファイバカプラで置換えてある。

レーザ４２からの入力光ビームを入力ミラー４８へ向け、それがこの入力光ビームの一部を入力素子４６へ伝達する。この入力素子４６は、入力ミラー４８からの光を光ファイバコイル２８の第１端５２へ向ける。この共振器の共振周波数に調整したとき、この入力光ビームの大部分はこの光ファイバコイル２８の第１端５２に入る。この光ファイバコイル２８を伝播してから、光は、光ファイバコイル２８の第２端５６から出て、出力素子７２へ向けられる。この出力素子７２は、光ファイバコイル２８の第２端５６からの光を出力ミラー７６へ向けるための光学装置７４を含んでもよい。この出力ミラー７６は、出力素子７２からの光を入力ミラー４８へ反射し、入力ミラー４８がこの大部分を入力素子４６へ向けてこの共振器光路を完成する。光ファイバコイル２８を含む光路の周りを循環する光から、出力ミラー７６に光出力を作り、そのミラーがこの共振器内を循環する光の僅かな部分を光検出器６２に分配する。

図４は、本発明の別の実施例による多重生物学的物質センサ８０の概略図である。このセンサ８０は、シリコンベースのマイクロ・オプチカルベンチ８２およびこのマイクロ・オプチカルベンチ８２に結合した複数の光ファイバコイル８４、８６、８８、９０、９２を含む。このマイクロ・オプチカルベンチ８２は、電子装置（例えば、図１に示す電子モジュール１６）と光学装置（例えば、ビームスプリッタ４４、入力および出力ミラー４８、６０、７６、入力および出力素子４６、７２、並びに図２および３に示す光検出器６２）を統合する。例えば、電子モジュール１６、光検出器６２、光源１８、ミラー反射器２０、２２、および図１に示す入力ミラー２４をこのマイクロ・オプチカルベンチ８２と統合してもよい。このセンサ８０は、更に、このマイクロ・オプチカルベンチ８２上に作られ且つ光ファイバコイル８４、８６、８８、９０、９２の各々に結合した（例えば、一つ以上のファイバＶ溝および／または入力ミラーによって）マルチプレクサ８３を含むが、必ずしもそれに限定されない。

この実施例では、マルチプレクサ８３が入力光ビームを光ファイバコイル８４、８６、８８、９０、９２の各々に向け、且つ光ファイバコイル８４、８６、８８、９０、９２の各々を循環した、光ファイバコイル８４、８６、８８、９０、９２からの出力光ビームを受ける。これらの出力光ビームを各々一つ以上の入力ミラーに向けて光出力を生じ、それから共振線形状を測定することができ且つそれを対応する光ファイバコイルへ向け戻して共振器光路を完成することができる。これらの入力光ビームは、各々対応する光ファイバコイル８４、８６、８８、９０、９２の共振周波数を横断して走査する。先に説明したように、これは、平均入力光周波数を固定し、この共振器光路長の各々の長さを走査し、従ってこの共振線形状の端から端まで走査することによって達成してもよい。これらの光ファイバコイルの各々は、異なる生物学的物質に反応する指標が埋込んである。このセンサ８０を使い、共通の出力インタフェースおよび事によると無線送信器を備える単一装置を使って複数の生物学的物質を検出してもよい。

本発明の実施例による生物学的物質センサの概略図である。 本発明の別の実施例による線形状共振器を有する生物学的物質センサの概略図である。 本発明の別の実施例によるリング共振器を有する生物学的物質センサの概略図である。 本発明の実施例による多重生物学的物質センサの概略図である。 本発明のセンサの別の実施例の概略図である。

Claims (20)

1. 所定の生物学的物質を検出するための生物学的物質検出器であって、
   光ファイバを含む光ファイバ共振器、
   生物指標と混ざりまたはそれを共有結合的に取付けおよび前記光ファイバのコアの長さの大部分を被覆するクラッド、
   該クラッド内に配置した生物指標、
   前記光ファイバを励起するコヒーレントな光源、および
   前記所定の生物学的物質をファイバのクラッドに吸収することによって生じる前記光ファイバ共振器の共振特性の変化に基づき生物学的物質を検出する生物学的物質シグネチャ検出器を含む検出器。
2. 請求項１に記載の生物学的物質検出器に於いて、前記コヒーレントな光源が更にＤＦＢレーザを含む検出器。
3. 請求項２に記載の生物学的物質検出器に於いて、前記生物学的物質シグネチャ検出器が更にフォトダイオードを含む検出器。
4. 請求項２に記載の生物学的物質検出器に於いて、前記生物学的物質シグネチャ検出器が更にモノクローン抗体を含む検出器。
5. 請求項３に記載の生物学的物質検出器に於いて、前記生物学的物質シグネチャ検出器が更に前記ＤＦＢレーザの接合電流を所定の電流範囲の端から端までスイープする、前記ＤＦＢレーザに結合したレーザ制御装置を含む検出器。
6. 請求項５に記載の生物学的物質検出器に於いて、前記生物学的物質シグネチャ検出器が更に前記所定の電流範囲内の電流値を前記ＤＦＢレーザのレーザ発光周波数と関連付けるレーザルックアップテーブルを含む検出器。
7. 請求項６に記載の生物学的物質検出器に於いて、前記ルックアップテーブルが更に何れかの生物学的物質に曝す前の前記光ファイバの較正値におよび共振線形状幅またはフリースペクトルに対応する第１接合電流差値を含む検出器。
8. 請求項７に記載の生物学的物質検出器に於いて、前記生物学的物質シグネチャ検出器が更に所定の生物学的物質の少なくとも幾らかの投与量に対する共振線形状線幅またはフリースペクトル範囲を含む生物学的物質シグネチャルックアップテーブルを含む検出器。
9. 請求項８に記載の生物学的物質検出器に於いて、前記生物学的物質シグネチャ検出器が更に前記フォトダイオードの出力を共振閾値と比較することによって前記光ファイバ共振器の共振を検出するコンパレータを含む検出器。
10. 請求項９に記載の生物学的物質検出器に於いて、前記生物学的物質シグネチャ検出器が更に前記ＤＦＢレーザの周波数スイープを発生するプロセッサを含む検出器。
11. 請求項１０に記載の生物学的物質検出器に於いて、前記周波数スイープの範囲が前記共振器の少なくとも一つのフリースペクトル範囲を含む検出器。
12. 請求項８に記載の生物学的物質検出器に於いて、前記共振特性の変化が共振間の周波数差である検出器。
13. 請求項８に記載の生物学的物質検出器に於いて、前記共振特性の変化が共振線幅またはフィネスの差である検出器。
14. 請求項１に記載の生物学的物質検出器に於いて、前記クラッドが、生物指標と混ざりまたはそれに共有結合的に取付きおよび上記ファイバの長さの大部分を被覆するポリマである検出器。
15. 請求項１４に記載の生物学的物質検出器に於いて、前記クラッドが架橋キトサン材料、多糖類、ヒドロキシ置換アクリレート被覆およびナフィオン（登録商標）から成るグループから選択したポリマである検出器。
16. 請求項１に記載の生物学的物質検出器に於いて、前記クラッドが、生物指標と混ざりまたはそれを共有結合的に取付けかつ前記ファイバの長さの大部分を被覆する吸湿性ゲルである検出器。
17. 所定の生物学的物質を検出するための方法であって、
    生物指標と混ざりまたはそれを共有結合的に取付けおよび光ファイバのコアの長さの大部分を被覆するクラッドを備える光ファイバを有する光ファイバ共振器を用意する工程、
    前記クラッド内に配置した生物指標を用意する工程、
    前記光ファイバ共振器を励起するコヒーレントな光源を用意する工程、および
    前記光源が前記光ファイバ共振器を励起すると、前記所定の生物学的物質をファイバのクラッドに吸収することによって生じる前記光ファイバ共振器の共振特性の変化に基づき生物学的物質を検出する工程を含む方法。
18. 請求項１７に記載の方法に於いて、前記クラッドが、前記生物指標と混ざりまたはそれを共有結合的に取付けおよび前記光ファイバを被覆するポリマである方法。
19. 請求項１８に記載の方法に於いて、前記クラッドが、前記生物指標と混ざりまたはそれを共有結合的に取付けおよび前記光ファイバを被覆する吸湿性ゲルである方法。
20. 請求項１７に記載の方法に於いて、前記光ファイバが光子結晶ファイバである方法。

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