JPH01500852A - 光学分析 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるため要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 光学分析 本発明は光学分析に関するものであシ、詳しくは蛋白質やその他の巨大分子、細 胞、ウィルス、組織片のような生物学的物質の光学技術を用いた分析を最も重要 な実施例とする光学分析に関するものである。

広範囲の粒径−ナラメーター（１０”＠ｍ）未満からミリメーター（１０”’ｇ ）付近まで−にわたって１粒径や濃度、速度および形状のようなパラメーターの 決定に対し、光学的方法が好適でおる。使用可能な方法は種々あシ、散乱や熱的 焦点螢光およびフォト７オレジスを含んでいる。既知の散乱技術は、次の（＋） 、（ｉ）を利用するものとして、便宜的に分類され得る。

（１）　空間的（７２クンホー７アー）又は時間的（光子相関）モードにおける 光散乱粒子の母集団の回折パターン、又は （−）照射された散乱体積金通夛抜けるとき、個々の粒子によって散乱された光 の強度。

前記カテゴリーにおける技術は、相対的に操作した光学とコンピュータ処理を要 求する傾向にあるが、すべて同一径の小さな粒子については、有用であることが 分っている。

２以上の異なる粒子種類に対処するために、この技術を拡張することは、処理能 力の非常な向上を伴う。この技術は、生物学的システムにおいて起こるような多 数の異なった種類の粒子母集団を用いることに対し、実用的とはみなされない。

クラウンホー７アーおよび光子相関技術は、より大きな粒子を用いることに対し 不適轟である。

単粒子による散乱光の分析は、計算的に高価でないのと同様、有益である。光学 ビームを追究することは、二つの主領域になるとみなされ得る。

第一の技術にシいて、対象となる粒子を含む液体サンプルは、散乱体積に対し一 度に唯一りの粒子を現すのに十分小さな狭い流れを形成するように扱われる。測 定ゾーンを通過する粒子の流れを運ぶのに畏する流体力学的鞘がこみ入った液体 の処理を要し、かつ、粒子を含むサンプルがそこから流体力学的鞘の中に導かれ る微細なオリフィスが詰シやずいということは、この技術の欠点である。装置は 大きくかさばり、サンプルはオフラインで別個に分析されなければならない。

第二のアプローチにおいて、光学的測定体積は適当な希釈粒子懸濁液内で一度に 唯一つの粒子を扱うのに十分小さく形成されている。よく焦点の合ったレーザー ビームを用いることにより、高強度の光が約１０−”ＰｔＣマイクロ゛リットル ）よシも小さな測定体積内に集中され得る。

レーザービームを通シ抜ける粒子によって散乱される光の分析は、簡単だという 利点を有するが、大きな欠点を有している。すなわち、ビームの端を単に「切る 」だけの比較的大きな粒子から散乱された光は、ビームの中心を通シ抜けるよシ 小さな粒子から散乱された光と同等であるという欠点である。この二つの散乱光 を区別できなければ、散乱分析は不明瞭になる。

この問題は、一方のビームが他方のビームよシも小径である同心状に配列された 異なる波長の二つのレーザービームを用いた既知の装置（例えば、「応用光学Ｊ ２５．５、ｐｐ　６５３−６５７参照）によって解決されている。

内部ビームが外部ビームの中心におかれている。内側の狭いビームを通り抜ける 粒子は、外側のビームに対して制御され、内側ビームからの残シの散乱光信号は 外側ビームからの散乱光の集合をトリガーするのに使われる。

内側ビームから検知された光がなければ（これは偏心粒子を示している）、外側 ビームからの散乱光線無視される。この二つの信号は、唯一つの波長又は他の波 長にのみ反応するようにフィルターをかけられた二つの検知器を用いて区別され る。

この既知のシステムは、レンズ、鈍、ビーム・スプリッターおよびプリズムの組 合せによって所望の同心配列に焦点の合ったビームを生じる二つのレーザーから 構成されている。これら光学コンポーネントの各々は、時に三次元マイクロメー ター調整ステージを用いて、注意深く配列されることを要する。この装置は大き くかさばシ、かつ、注意深い取シ扱いを必要とする。したがって、研究室の外で これを用いることは適当とはみなされず、離れたサンプルをオンラインで分析す ることは不可能である。

類似の装置が英国特許第４０５４．１４３号明細書に開示されている。これは対 象となる粒子によって局在化したフリンジパターンの横断から情報を得ている。

フリンジパターン轄、Ａなった波長の干渉するビームの二つの異なる組から始め られ、分光レンズシステムによって空間にわずかに離れた点において焦点を結ば される。フリンジパターン社このように異なる大きさを有し、内側パターンは上 述したトリガー又はゲートとして使用され得る。この装置も大きくかさばシ、整 列問題を提出する。

実験室の外部で使用するに拡適さない。

本発明の目的は、不明瞭という前記問題を克服し、実験室以外の状況の下での使 用に適し、離れたサンプルのオンライン分析が可能である粒子分析に対する改良 された装置を提供することにある。

この目的を達成するため、本発明は、検知ゾーンと、同時に発生し異なった波長 を有する第一と第二の光ビームを運ぶための共通の光ファイバーと、前記検知ゾ ーンにおいて前記二つのビームの横方向の広がシが予め定められた北門にあり、 一対の光検知器が検知ゾーンで焦点を合わされ、それぞれ第一・第二ビームから 散乱された光を区別することのできるように検知ゾーンを通して伸びる軸の縦方 向におかれた各焦点で二つのビームを焦点に合わせるように配列された共通の焦 点レンズとから構成されている。

好ましくは、第二ビームの横方向の広がシは第一ビームのそれよシも明らかに小 さく、検知ゾーン内の粒子が一般に第一ビームの中心に位置しているという指示 を。

第二ビームからの散乱光の検知が与える。

好適なことに、共通の焦点レンズは光ファイバーの自由端に結合された勾配率レ ンズから適切になっている。

本発明の好ましい例によれば、光ファイバーの自由端に結合したマイクロレンズ の使用によって、正確に同心測定とビームのゲート（トリガー）を形成すること ができ、かつ、コンパクトで激しい振動に耐えられ、離れた反対の状況での位置 付けに適切な光源が作られる。

ビーム焦点に一致して、検知ゾーンに関して縦方向に移す手段が適当に与えられ 、それによシ検知ゾーンでの各ビームの横方向の広がシを変化させる。

さらに、本発明の他の例によれに、ビームを発生させるための光源手段、ビーム 軸上の検知ゾーンでトリカー位相にあるビームの横方向の広が〕が測定位相にお けるよシも明らかに小さいように該軸の縦方向におかれた各焦点にビームの焦点 が合わされているトリガー焦点位相と測定位相との間で検知ゾーンを通して粒子 の移動時間に比較して速い率でスイッチ可能なビーム焦点手段、および検知点で 焦点が合って前記ビーム焦点手段のスイッチングと同期をとられ、検知点での粒 子が一般に後続の測定位相のビームの中心に位置しているという指示を、トリガ ー状態の散乱光の検知が与える散乱光検知手段からなる、検知ゾーンでの単粒子 からの光散乱を用いる粒子分析装置が提供される。

さらに本発明は、光７アイパー、異なる波長の各ビームを該ファイバー内に進入 させるための手段および縦方向に間隔をおかれた各焦点に結偉させるために各ビ ームを運ぶ光７アイパーの自由端に装着されたレンズからなる、対象の横方向面 に一定比のビーム径を有する同心の光ビームを生じさせる光源からなっている。

好ましくは、レンズは勾配率マイクロレンズからなっている。

このような光源は散乱光の分析に対し有用な適用を有する。一つのビーム線、例 えば、適当な吸収スペクトルを有するサンプルの局部加熱を生じさせるために配 列されたポンプ・ビームからなっている。加熱における屈折率の変化は他のビー ムの偏向によって検知され得る。

以下、図によって本発明を具体的に説明する。

第１図線本発明の一実施例よシなる概略構成図である。

同図において、ある一定波長λ１（例えと空冷アルゴン・イオンレーザ−からの ４８８　ｎｍの波長）の光ビームが、単一モードで光フアイバー１０内に進入し ている。

第二波長λ雪　（例えばヘリウム・ネオンレーザ−からの６３２　ｍｍの波長） の光が、同時に適当な光学素子を用いて光フアイバー１０内に進入するか、又は 適当なファイバー・カップラーを用いて光ファイバー１０の長さ方向の中間のあ る点で光フアイバー１０内に導かれる。選択的配置においてｓ　＠ｐｉｇｔａｉ ｌ＋＋ｃｌ　”レーザー・ダイオード源によって、光が直接ファイバー内に進入 する。光ファイバー１０は−りの波長に対して厳密に単−七・−ドのみであるの で、第二波長に対する真Ｏガウスビーム形状からは離れる。

光の二りの波長は光ファイバーｉ０’ｊ−、勾配率マイクロレンズ１２に入る前 に距離Ｄ１だけ移動する自由端に伝える。レンズ１２はエポキシ樹脂化合物によ って光ファイバーｌＯの自由端に装着される。この製着に１ｔＴＡ折率マツチン グ素子も含む。レンズ１２としては１例えｄ″５ＥＬＦＯＣ−レンズＳＬＷ”Ｌ ８が適当である。レンズが構成されている物質の分散力は１色収差によって、ビ ームを異なった焦点距離ｆ（Ｊｌ）、ｆ（λ？）に結像させる。二つのビームλ １とλＳａ光７アイバーの固有の性質として正確に同心状に配列される。これら のビームの径の比は、各ビームの異なった焦点のために、マイクロレンズ１２か らの距離り、によって変る。マイクロレンズからの距離をある特定値に選ぶこと によシ、異なったビーム−の二つのビームからなる散乱体積は特定され得る。し たがってビーム幅比社選定され得る。同様に。

ビーム幅自体は距離り、に依存して選択され得る。第２図に最もよく示している ように、Ｄ：を選択することによシλｌ又はλ雪のどちらかが内側ビームに配列 されることが可能である。好ましくは、後述するようにガウス分布からの外れが 僅か′ｆ：ため許容され得るので、第二の波長が内側ビームとして選ばわる。距 離ｆ　（Ｊｌ）、ｆ（２りでの値は、Ｄｌｌを調整することによって同時に変る 。これ社また、どんなり−の値に対しても、ビーム幅比を変える効果も有してい る。

検知システム社、結像用レンズ１４．ビームスグリツタ−１６，および、測定検 知器２０とゲート検知器２２とでそれぞれ二りのビームから散乱された光を検出 するように配置された一対のフィルター１８からなっている。

これらの検知器は共通の電源２４を共有し、入力信号をマルチ・チャンネル分析 器２６に与える。プロセッサー２８　（市販されているマイクロコンピュータ− を入手できる）が、トリガーチャンネルと画定チャンネルで０一致を探し、かつ 、測定チャンネルの信号について適当な分析（全〈従来のものであるが）を行う よ５に配置されている。

測定は散乱光がトリガービームによりて検知されたときにのみなされるので、粒 子は一般に測定ビームの中心に存在していることが知られている。内側ビームは トリガーとしてのみ使われるので、ビーム形状がガウス形状にならないというこ とは重要でない。

他の選択可能な配置において、検知器光ファイバー社マイクロレンズを用いて各 ビーム上に結像させ、光を離れた光検知器に運ぶように配置され得る。また、二 つのビームを形成するのに使われたものと光学上同一の勾配率マイクロレンズ化 された７アイパーは、角度♂で、同心ビームからＤＳの距離だけ離れて位置する ようにしてもよい。この光ファイバーによって形成される、散乱体積は、この点 でのビーム形状に一致し、調整を必要とせず各ビームに正確に結像される固有の ものでおる。これは対称配置によるものである。角度０が変れば散乱体積も変る 。

本発明による配置において、レンズと結合する光ファイバーの先端は導管を運ぶ サンプル０＆内に位置し、必要ならレーザー源および信号処理装置から離れて置 かれ得る。特に、検知器システムが同一の形状をとるなら、検知ゾーンに隣接し た装置の部分は非常にコンパクトで、堅牢で耐振性が１、それゆえオンツインの サンプリングには理想的に合う。例えは、発酵過程におけるような。

多数の特定位置での粒子分析に要する特定の応用において、光源又は検知器とし て作用する多数の光ファイバーの先端に、共通の光源および信号処理装置と光学 的に複合され得る。

従来の装置に関するように、本発明の装置はａ々の異なったタイプの分析に対し て使用され得る。粒子の大きさおよび粒度分布は、散乱光の強度を分析し、その ような強度信号を粒度に従って分類し粒度分布の正確な指示を与えることによっ て決定される。粒子濃度は単位時間当りの検知光の数をカウントすることによっ て決定される。粒子速度と速度分布線、粒子が区切られた散乱体積を横切るとき のパルス幅を決定することにより測定される。

特別な応用において、散乱光はスペクトＡ−特性および偏光の分析に供される。

粒子は特に螢光分子又は染料によって、対象の粒子を区別するために分類される 。粒子形状は、与えられた粒度範囲に対する多角光散乱強度から引き出される。

熱的レンズ技術は既知でｓｂ、屈折率を変化させるために局所加熱を通してサン プルを導くととＫよって、光ビームの選択吸収を伴う、ｅ、収位置のまわシの勾 配の屈折軍拡レンズとして作用し、（部分的）吸収ビームの焦点の消失をモニタ ーすることによシ、又は、第二ビームの偏りを測定することにより、検知される 。

さらに本発明は、熱レンズ分析に使われる装置を提供する。第３図において、す でに説明した実施例と共通の素子・装置についてＬ説明を省く。測定ビームの検 知器２０は、ビーム軸に沿って配置されている。検知器３０でモニターされるポ ンプ・ビームの吸収によって起こされる熱レンズ効果扛、測定ビームが焦点を外 される度合を決定することによって測られる。

第４゛図に示す本発明の変形例において、単一波長の光が使われる。マイクロレ ンズ５２は光ファイバー５０の端に関する位置に固定されずに、好１しくけ圧電 厚み拡大器５４′１ｃ使用して調整される。厚み拡大器に方形電圧を印加するこ とによシ、マイクロレンズＬファイバーに対し位置Ｄ′と１）ＩＩの間を移動す る。距離Ｄ′において、ビームは焦点Ｆ！（たとえば第２図の焦点Ｆ（λ！）　 に相当する）に結像される。同様に、位置Ｄ″にあるレンズ５２を用いて、ビー ムは焦点Ｆ（λ雪）　に相当する点Ｆ。

に結像する。特定の距離Ｄ３で、ビームの厚みは狭いゲートビーム幅と広い測定 ビーム幅との間で変化する。単一検知システムが採用され、これはマイクロレン ズの移動を駆動する同一の方形電圧を供給される。

信号処理回路がこのように配置されているので、先行（又は後行）するゲート半 サイクルでも散乱光が検知されれは、方形波の測定半サイクルからの散乱光のみ が処理される。

他のゲート配置も、もちろんとＤＴｈる。一つの例において、測定ビーム検知は 、検知ゾーンでゲートビームに帰着する位置に通常るるマイクロレンズによって 、不能になる。ゲートビーム（検知ゾーン内の中心位置で粒子の到達を示す）か らの散乱光の検知の際、マイクロレンズは広い測定ビームを生じるために急に動 き、測定ビーム検知器が可能にされる。ビームを横切る粒子の移動時間よシも短 いインターバル内にマイクロレンズの移動が起ることが必要である。

ビームの焦点’ｋｋ方向にシフトする他の方法が、適当な場合に採用される。

第４図はさらに、本発明が同時に幾つかの測定を許容する方法を示している。こ れは１粒子の多くの変秘か存在する生物学的システムの洪４足に対し特に有利で ある。

同図に示すように、検知器３０が熱レンズ効果をモニターするために配置され、 一方、検知器５６は螢光を検知するためにフィルター５８ｔ−その前に設けられ ている。

本発明の二つの波長の実施例において、光ファイバーからの距離Ｄ１のレンズに 対する調整は有用にビーム幅を変える。前記圧を犀み拡大器のような機構を用い て、上記調整を時間遅れなしにすることができる。適当な処理を用いて、検知粒 子の大きさに依存してリアルタイムで測定ビームの幅を最適化することができる 。

また、ビームをＸＹ方向にスキャンさせるために、圧電素子を用いることもでき る。第５図に示すように、圧電効果累子６０が信号発生器によってラスター・ス キャンを生じるように配置されている。検知光学を簡単にするために、円筒レン ズ６２が使われて扇形状検知ゾーンを与えている。

以上の配置は本発明の笑艶ｔ」についてのものであシ、本発明の特許請求の範囲 内で変形例が可能である。二つのビームを生じさせる方法は、例えば他の分析技 術や上記技術の組合せに適用される。ガえは、尤の吸収や散乱の際の粒子の運動 が光学的に検知されるフォトフオレジスや、粒子の光学的トラッピング等である 。

＊ＷＳＳ書にシいて「粒子」という中詰は、糠漬や光学的流れの断絶をも含む広 い意味に解釈されなければならない。

手続補正書 昭和６３年５月２３日 特許庁長官　小　川　邦　夫　殿 １、事件の表示 ＰＣＴ／ＧＢ８７１００６２７ ２、発明の名称 光学分析 ３、補正をする者 事件との関係　特許出願人 名称　パブリックヘルスラボラトリ−サービスポード４、代理人 明４ｖ書及び請求の範囲の罪訳文の浄書（内容に変更なし）手続補正書 昭和６３年７月２２日 特許庁長官　吉　１）文　毅　殴 １、事件の表示 ＰＣＴ／ＧＢ　８７１００６２７ ２、発明の名称 光学分析 ３、補正をする者 事件との関係　特許出願人 名称　パブリックヘルスラボラトリ−サービスポード４、代理人 ６、補正の内容 国際！Ｉｌ香報失 ＋ｍａｍａａａＩＩｗｌａＩＩｅ”ｔｍａ＊Ｎ＠、ＰＣＴ／ＧＢａ７１００６２ ７

Claims (14)

【特許請求の範囲】
1. １．検知ゾーンと、 同時に起り異なつた波長を有する第一と第二の光ビームを連ぶための共通の光フ ァイバーと、前記検知ゾーンにおいて前記二つのビームの横方向の広がりが予め 定められた比内にあるように検知ゾーンを通して伸びる軸の縦方向におかれた各 焦点に二つのビームを結像させる共通の結像用レンズと、検知ゾーンで焦点を合 わされ、それぞれ第一と第二のビームから散乱された光を区別することのできる 一対の光検知器とからなる、 光学分析のための装置。
2. ２．第二ビームの横方向の広がりが第一ビームのそれよりも明らかに小さく、検 知ゾーン内の粒子が一般に第一ビームの中心に位置しているという指示を、第二 ビームからの散乱光の検知が与える、請求の範囲１項記載の装置。
3. ３．共通の結像用レンズが光ファイバーの自由端に結合されている、請求の範囲 １又は２項記載の装置。
4. ４．共通の結像用レンズが勾配率レンズからなる、請求の範囲１〜３項のいづれ か１項記載の装置。
5. ５．検知ゾーンの縦方向に一致してビーム焦点を移動させることにより検知ゾー ンでの各ビームの横方向の広がりを変えるための手段が設けられている、請求の 範囲１〜４項のいづれか１項記載の装置。
6. ６．ビームを発生するための光源手段と、測定位置とトリガー位相との間で、ビ ーム軸上の検知ゾーンでトリガー位相のビームの横方向の広がりが測定位相にお けるよりも明らかに小さいように、ビームが軸の縦方向におかれた各焦点に結像 され、検知ゾーンを通る粒子の移動時間に比べて速い率でスイッチ可能なビーム 結像手段と、 検知点に焦点が合わされ、ビーム結像手段のスィッチングと同期して、検知点の 粒子が後続の測定位相のビームの一般に中心に位置しているという指示を、トリ ガー位相での散乱光の検知が与える散乱光検知手段とからなる、 検知ゾーンで単一粒子から散乱された光を用いる粒子分析のための装置。
7. ７．トリガー位相での散乱光の検知が、結像手段の測定位相へのスイッチングを トリガーするために与えられる、請求の範囲６項記載の装置。
8. ８．光源手段が光ファイバーからなり、共通の結像手段が光ファイバーの自由端 に関し位置を相対的に移動できるレンズからなる、請求の範囲６又は７項記載の 装置。
9. ９．前記レンズが圧電素子によつて光ファイバーの自由端に装着されている、請 求の範囲８項記載の装置。
10. １０．光ファイバーと、異なる波長の各ビームをファイバー内に進入させるため の手段と、各ビームを縦方向に間隔をおかれた焦点で結像させるために光ファイ バーの自由端に装着されたレンズとからなり、選択された比のビーム径を対象の 横方向面内に有する同心光ビームを生ずるための光源。
11. １１．レンズが勾配率マイクロレンズからなる、請求の範囲１０項記載の装置。
12. １２．同時に起り異なる波長を有する測定およびゲート光ビームを遅ぶための光 ファイバー手段と、検知ゾーンにおいてゲートビームの横方向の広がりが明らか に測定ビームのそれよりも小さいように検知ゾーンを通して伸びる軸の縦方向に おかれた各焦点に二つのビームを結像するように配置された共通の結像用レンズ と、 検知ゾーンに焦点を合わされ、それぞれ測定ビームとゲートビームから散乱され た光を区別することができ、検知ゾーンにおける粒子が一般に測定ビームの中心 に位置するという指示を、ゲートビームからの散乱光の検知が与える散乱光検知 手段とからなる、検知ゾーン内の単一粒子から散乱された光を利用する粒子分析 のための装置。
13. １３．共通の光ファイバーを通して一粒子以外には粒子を含まない検知ゾーンへ 各波長の光を同時に送り、前記波長を区別し得る検知手段を用いて検知ゾーンか ら出た光を検知するステツプからなる、光の異なつた波長での同時測定を利用す る粒子の光学分析の方法。
14. １４．ポンプビームを測定ビームと同時に光ファイバーを通して送り、 測定ビームの偏同を検知するステツプからなる、ポンプビームの吸収の際屈折率 の局所的な変化を受けるサンプルの熱レンズ分析の方法。