JPH03502610A - 固有化学センサーであるファイバーオプティック - Google Patents

Abstract

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Description

【発明の詳細な説明】 固有化学センサーであるファイバーオプティック発明の背景 本発明は一般的に化学種の光学的分析測定に関し、より詳細にはファイバーオプ ティック化学センサーに関する。

化学化合物の特別の化学種或いはクラスの検出及び定量のためのセンサーの研究 及び開発は迅速に成長している技術分野である。しかしながら、払われているあ らゆる努力にも拘らず、開発は極めて断片化している。測定すべき各物理的及び 化学的性質がセンサー設計の基盤を形成する共通の場がないために独立の特別の 課題となる。

ファイバーオプティック化学センサー（ＦＯＣＳ）、ＣＨＥＭＦＥＴ類、圧電性 結晶、及び半導体類などを含む各種の異なったタイプのセンサーが試みられてい る。

各センサーは異なりた化学（或いは化学組成）及び各特定の行われるべき測定に 対して異なったセンサー設計を必要とする。

このように各新機的材料は新しい研究及び開発努力を開始する。従って、単一原 理の採用により広範囲の各種応用に利用することのできるセンサー設計に対する 基本的手法を提供する１：とが極めて望まれている。

典型的ファイバーオプティックセンサーは、ＬｅｈｔＯへの米国特許第４，４９ ２，１２１号明細書及びＨｌ　ｒｓｃＭ−ｅｌｄへの米国特許第４．５４２，９ ８７号明細書に開示いる。

Ｎｅ１ｓｏｎへの米国特許第４．５２３，０９２号明細書は一連の異なった吸収 剤材料がファイバーの末端に取り付けられている同様な配置を例示している。

Ｂｌｊｌｅｎｇａへの米国特許第４．５９２．６６４号明細書は、発光性センサ ー材料が光ガイドのコアである実施態様を含むファイバーの末端に発光性材料を 有する装置を示している。

Ｄａｖｉｄへの米国特許第４．０４０，７４９号明細書は、有機蒸気に感受性で あり、導波管の光伝送能力を変化させる液晶材料をその表面に有する導波管を示 している。

ＭａｃｃｄＯへの米国特許第４，４４３，７００号明細書は、導波管における異 なったモードの伝送性を変化させるように変形された先導波管を示している。

ＢｕｃｋＪｅｓへの米国特許第４．３９９．０９９号明細書は流体中の分析物質 種の反応性種による定量分析のためのファイバー−シース（ｓｈｅａｔｈ）　素 子を示している。この装置は電磁波エネルギーに伝送（ｔｒａｎｓｍｌｓｓｊｖ ｅ）性であり、一つ以上の透過性或いは半透過性シースを設けられているコアを 有する。ファイバー−シース素子に侵入する分析物質は累積物に素子によるエネ ルギー伝送性をこれらのケースバイケースの手法の代りに、大きさを極めて小さ くすることができ、極めて安定且つ頑丈であり、広範囲の成分材料の選択性を有 し、非反応性で、高感度を有し、単純化された測定方法を提供し、広範囲の標釣 橋の任意のものに対して極めて特異的にすることができ、長寿命を有し、選択可 能な熱的性質を有し、選択可能な透過特性を有し且つ極めて低コストであるタイ プのセンサーを製造することが望まれている。このセンサー技術はプロセス制御 及び監視、公害及び環境監視、及び洩れ検出などの広範囲の各種化学種並びにＩ ｎ　ｖｉｖｏ及びｉｎ　ｖｌｔｒｏの医学診断、医薬試験及び薬品使用の測定な どにおける広範囲の生物学釣橋の検出に適用可能であるべきである。

発明の概要 本発明は、ファイバーオプティック素子内での全内部反射により所定波長の光を 伝送させるコア；及びそのコアを包囲し、所定の化学的或いは生物学釣橋に応答 してその屈折率を変化させることによりファイバーオプティック素子内の全内部 反射に対する条件を変化させて所定の化学的或いは生物学釣橋の存在下において 光フアイバー素子を通る光伝送性に測定可能な変化を生じさせる材料により作ら れている第一のクラッド（ｃｌａｄ）を有するファイバーオプティック素子であ る化学的或いは生物学的感知光ファイバーを提供する。

本発明は又上記ファイバーオプティック素子を光源及びファイバーオプティック 素子を通る光源からの光の伝送性の変化を検出する検出器と組合わせて利用する 化学的或いは生物学的センサーも提供する。

もう一つの面において、本発明は所定の化学的或いは生物学釣橋の存在の検出方 法を提供する。

図面の簡単な説明 付属の図面中： 第１図は従来技術のファイバーオプティック化学センサーを図示する。

第２図は本発明に従う反応性クラッドを有するファイバーオプティックセンサー を図示する。

第３図は本発明に従うコア及びクラッド間に反応性層を有するファイバーオプテ ィックセンサーを図示する。

第４Ａ図及び第４Ｂ図は、本発明のファイバーオプティックセンサーを通る光伝 送性変化を測定する二つの方法を図示する。

１５Ａ図及び第５Ｂ図は、第２図及び第３図のセンサーを用いる二つのファイバ ーオプティック診断系を図示する。

好ましい実施態様の詳細な説明 典型的従来技術のファイバーオプティック化学センサー　（ＦＯＣＳ）が、光信 号を光源からコアイノ〈−の末端のセンサ一手段に伝送させ検出器に戻すための 通常の光ファイバーを用いて第１図に図示されている。この先ファイバーはコア ークラッド界面における光の全内部反射によりコアに沿って光を伝送させる。コ アイノく一オプティックを通る光伝送は微小波である。コア及びクラツド光がフ ァイバーを通して伝播するためには、Ｎ１がＮ２より大きいことが必要である。

ＡＣ以上で入射する全ての光は全内部反射されてファイバーコアに沿って伝播す る。開口数ＮＡは次の関係により光の入射角度Ａｍに依ここで、Ｎ　が空気（或 いはその他の周囲媒体）の屈折率である。

ファイバーオプティック化学センサー（ＦＯＣＳ）への一般的手法は、ファイバ ー先端を対象分析物質と特異ファイバーが最も頻繁に用いられる。これらはそれ らの先端において極めて小さい表面積を有しく７Ｘ１０’〜バー末端において十 分な化学を得ることが困難である。

ファイバーの側面はあらゆる実用的な目的のためには光がクラッドの外表面に到 達せず、或いはクラッドが取除かれた場合には光が側面から出てしまい有効に集 められないために用いることができない。この表面積の欠乏は手法の組合わせよ り克服された。

蛍光反応がそれらの感度のために用いられており、又、ファイバー先端に設けら れた（！Ｌｔｔａｅｈｅｄ）試薬の量を増加させるために表面増幅技術が用いら れる。これは、有機系特に発蛍光団の使用に導いたが、それは多くの理由即ち寿 命、環境的安定性、再現性及び光分解（漂白）などによりセンサー技術を基礎づ ける適当な基盤ではない。

特定の場合には、これが最良の手法であることもあるが、しかし、限られた基礎 に基づくに過ぎない。

本発明は、それ自体固有の化学センサー、即ち基本検出器機構として、ファイバ ーオプティックの操作の基本原理を使用する誂られたファイバオプティックで形 成されたセンサーである。第２図に示されるような、その最も基本的な実施態様 においては、センサー１４はその側面に感知材料クラッド１２を有するコア１０ で形成される。即ち、コア１０は、好ましくは通常の高伝送性光ファイバー（第 ５Ａ及びＢ図に示されるように）によりセンサー１４の一方の末端１３に接続さ れている遠隔源から人力した光線を伝送させる。コア及びクラッドはＮ１及びＮ ２の屈折率を有し、コアークラッド界面１１に八　の角度（前記定ａ）以上で入 射する光が全内部反射され、コアに沿って伝送されるようにＮ１はＮ２より大で ある。クラッドは対象化学種に応答性があり、その化学種の存在下において変化 してファイバーオプティックセンサーの伝送特性に影響を及ぼす材料で作られて いる。

即ちＮ１がＮ２に対して変化するにつれて、角度ＡＣが変化し、それが出射角度 Ａ　（前記定義）を変化させるか、或いはＮ２の変化が十分に大きい （Ｎ　末端のＮ２からＮ１より大きいＮ２へ）場合にはセンサーは伝送性から非 伝送性になることがある。この伝送特性の変化、例えば強度或いは角度の変化、 は以下に更に説明されるように検出され、化学種とクラッド間の公知の関係に相 互関連することができる。出力信号はセンサー１４の他方の末端１５から検出器 に伝送されるか、或いは末端１５が反射性であって、出力信号が光源に戻される 。

次のことを行うことができるように、感知材料を形成するクラッドが先ず選ばれ る： （１）　　目的測定のための最良のクラッド／分析物質相互作用を選ぶこと、 （２）　　クラッド／分析物質相互作用を最適化する材料を選択すること、及び （８）　　所定操作条件下に安定であり、適正に働くクラッドを採用すること。

一度クラッドが選ばれると、次にコアを選択する。コア材料の選択基準としては 次のものが挙げられる＝（１）　　クラッドに最良に「適合する（ｍａｔｃｈｅ ｓ）　Ｊコアを選ぶこと、 （２）　　所定の操作シナリオ下に安定であり、適正に働く材料を採用すること 、及び （３）　　所定波長において最適光伝送性を与えるコアを選択すること。

この手法において、センサーは通常のファイバーの先端に結合されている誂えら れたファイバーオプティックである。それは約１〜５１長である。この極めて短 い光路はセンサーのコア材料が良好な光伝送性のための通常の基準に従わなくて もよいことを意味する。事実、単結晶或いは棒に高圧にプレスされた粉末を用い ることができる。これは次の幾つかの利点を与える。

＜１）　　コア材料の無限の選択性、 （２）　　安定性及び頑丈さ、及び （３）　　選択可能な屈折率、熱的及び光伝送特性。

発蛍光団或いは蛍光体を含ませることにより、コア材料を光源として用いること も可能である。これは特にクラッド（或いは反応性層）の光吸収特性が標的分子 との相互作用の結果変化する吸収タイプの反応においてｑ用である。−例として 、ヨウ素は紫色から白色に変化し、従ってその吸収特性が大きく変化し、又吸収 を伝送性或いは角度として測定することができる。蛍光体或いは発蛍光団をコア 材料として用いて内部光源を生成することにより一定のエネルギー源の目的に合 致する安定な発光特性を与えることができる。

クラッドはコアの側面に蒸着、メッキ或いは被覆或いは任意のその他の公知技術 のいずれかにより設けることができる。これは又次のいくつかの利点を有する。

（１）　　クラッド材料の無限の選択（重合体、無機物質、有機物質、セラミッ ク、反応物質を共有的に結合した［捕獲した（ｔｒａｐ＄）ｅｄ　）　Ｊ或いは その中に溶解して有する重合体など）、 （２）　　反応物質の広範囲の選択、及び（３）　　物性の良好な選択。

このセンサー・ファイバー争オプティックは標準的ファイバーに、 ＜１）　　コア単結晶をファイバー上に直接成長させ、（２）　　標準ファイバ ーを型内に入れ誂えたコア棒をその周りにプレスし、 り３）　　ファイバーオプティックコネクターを用いて或いは （４）　　にかわ付け（適当な波長において透明な光学的セメントを用いて）し て結合される。

通常のファイバーにおいては、微小波は通常クラッド内に余り深く侵入しない（ 少しの単層（ｍｏｎｏ　１ａｙｅｒ）まで）。これは光がファイバーを通して最 適に伝送されるように慎重に行われる。しかしながら、クラッドが感知材料であ る場合においては、より大きい測定可能な反応性面積を与えるためにクラッド中 により深い浸透を行うのが好ましい。これは適当に波長、入射光の角度、Ｎ１及 びＮ　１並びにＮ１及びＮ２間の関係を適当にコント０−ルすることにより行う ことができる。

しかしながら、多くの場合において特に高感度が必要とされる場合には、クラッ ドが僅かに少しの単層厚みであるセンサーが合理的である。そのような稀薄クラ ッドの堆積はコントロールされた蒸着或いはメッキのいずれによっても可能であ る。しかしながら、そのような系は可逆的反応が可能である場合以外には、確か に限られｌ：寿命（極めて少しの反応性分子）を有するに過ぎないことを注意す べきである。この単層技術は例えば次の定性的及び定量的測定に適している。

（１）　　水−塩化第一コバルトクラッドが可逆的に青色からピンク色になる、 （２）　　シアナイド−ヨウ素クラッドが可逆的に紫色から無色になる、及び （３）　　サルフェート−塩化バリウムクラッドが不可逆的に透明から白色不透 明になる。

クラッドそれ自体が感知材料となり得ない場合がある。

これは感知試薬がクラッドとしての堆積に適していないか或いは適当なＮ２を得 るのに問題があるために「大きい」反応容積の必要があためである。この状況は 、検出されるべき化学種が生物学的なものである場合′に特に起こりうる。反応 する化学が中間反応性層としてコアとクラッド間に「挟まれている」多層手法が 第３図に図示される。センサー２０はクラッド２２により取囲まれている感知材 料２３の層により取囲まれているコア２１により形成される。層２３はコア上の 反応性材料の中間層を形成し、外部クラッドはファイバーオプティックを形成　 ・する。

この目的は、反応媒体の屈折率Ｎ　を、Ｎ１をＮ２よりも大きく保ちなからＮ　 及びＮ２より大きくすることである。かくして、Ｎ　はＮ　より大きいので光は Ｎ３を通過し、それがＮ２に到達するとコアに送り戻される。

光は数多くＮ３を通過し、屈折率は光がなるべく多くの回数センサー材料を通る ように選ばれるべきである。反応性層において実際におこる任意の反応或いは相 互作用がファイバーを通過する光の角度及び量を変化させる。

これが如何に用いられて化合物の標的分子或いはクラスを検出及び定量するかの 具体例としては次のものが挙げられる。

（１）容積及び異なった重合体クラッドを感知する芳香族−固定化屈折率一適合 重合体： （２）重合体及び異なった重合体クラッドを用いるコア上に固定された感染性病 気−モノクローナル抗体；及び（３）重合体及び異なった重合体クラッドを用い るコア上に固定化された生物学的系（即ち、ＣＫ、胆汁酸、グルコース、等）− 酵素。重合体クラッドは適当なＮ２を有することに、加えて追跡される種がセン サー化学に接近するように十分に多孔性であることが必須であることを注意すべ きである。クラッドは酵素或いはモノクローナルを保護するために膜であり得る が、クラッドは保護及び反射表面を与えるためにコントロールされた大きさの孔 を有する重合体であってよい。多孔性クラッドの多孔度及び化学的特性を選ぶこ とにより、それは又選択的酸いは保護膜としても作用し得る。凝固防止及び／又 は汚染防止剤をクラッドに共有結合的に（或いは静電子的に）固定することがで きる。反応物質をコアに固定することにより感知材料を多孔性重合体クラッドを 通しての「洩れ」により如何なる機会もなくされる。又、いくつかの感知材料（ Ｎ３．Ｎ４等）をコアとクラッド間に積層することにより多重サンドイッチを作 ることもできる。

Ｎ　及びＮ　（及びＮ３）の適当な選択は小濃度の反応標釣橋に対して光透過性 の極めて大きな変化を得ることを可能にする。

非反応性発発行団を種蒔異的吸収剤とファイバーコア上で共固定するか或いは吸 収剤を含有する層により包囲された蛍光性或いは燐光性材料から作られたコアを 用いることにより吸収反応を用いることも可能である。発蛍光団は可逆的吸収反 応が起こるにつれて増大成いは減少する一定の光強度を与える。ｐＨの測定は、 エオシンを発蛍光団として及び各種の吸収染料、例えばメチルバイオレット（ｐ Ｈ１，５〜３．２）、コンゴレッド（ｐＨ３，０〜５．２）、リドマス（ｐＨ４ ，５〜８．３）、フェノールレッド（ｐＨ６，８〜８．４）等、を用いることに より行うことができる。アンモニア、鉄及びアルミニウムも又以下に例示される ような適当な吸収剤により検出することができる。化学発光反応は、化学発光反 応器をクラッド或いは反応性層に入れることにより或いはそれをクラッドとして 用いることにより使用することができる。光は化学反応自体により生成されるの で外部光源は必要でない。−例として、心臓病の診断のためにクレアチンキナー ゼをルシフェラーゼを用いて検出することができる。

ＦＯＣ３は化合物の特定の分子或いはクラスに対する特異性がセンサー化学（即 ち、ファイバーオプティック用材料の選択）に所属されるように設計され、従っ てファイバーから出る光の量及びその角度が測定されればよい。その結果、これ らの測定を行うために極めて簡単な装置を用いることが可能である。第４Ａ及び ４Ｂ図に示されるように、これはＬＥＤ光源３０、ＦＯＣＳ３２及びフォトダイ オード検出器３４により構成される。図示されるように、ＦＯＣＳ３２は１２図 に示されるタイプのコア３１及び反応性クラッド３３を有するが、しかし、或い は又多孔性クラッドを有するファイバー内に中間反応性層を有する第３図に示さ れるようなセンサーよりなることもできる。小さい硬配線データ収集及び処理エ レクトロニクス板、バッテリー（ＡＡ）及び任意のミニチュア記録計（プラスバ ッテリー）は図示されていない。

加えて、遠隔感知は標準的ファイバーをＦＯＣ５に結合させて光をセンサーに伝 送させ、発光した光を検出器に戻すことにより行うことができる。又、ＦＯＣ６ を有する検出器を置き、電気信号を出力装置に戻すことも可能である。第４Ａ図 において、検出器は軸上に示されており、その結果それはより多くの発光された 光を見、光出力の変化に対する最大の感度を有する。第４Ｂ図に示される位置は 軸外れ検出器を用い、より少しの光を見るものであるが、しかし光の出力角度の 変化により感受性である。このように、第４Ｂ図において示される設定は、Ａ　 における変化が測定に対する鍵である場合に、例外的に有用である。

完全な、コンパクトな、手で持つセンサー系が第５Ａ図及び第５Ｂ図にそれぞれ ｉｎ　ｖｉｖｏ及びｉｎ　ｖｉｔｒｏ応用として示されている。第２図及び第３ 図に示されているタイプの、対象特定標釣橋のために選ばれた材料により作られ ているセンサー４０が、他方の末端において発光源並びに検出手段及びデータ処 理手段を含むモニターユニット４４に接続されている標準的伝送ファイバー・オ プティック４２の一方の末端に接続されている。モニターユニット４４は単純化 された読出し４６を有する。１ｎｖｌｖｏ診断測定のために、センサー４０は体 内への挿入を容易にするために棒／針４８内に含まれてよいのに対し、１ｎ　ｖ ｉｔｒｏ或いは標準的化学的測定の場合には、センサーは単に試料或いは環境内 に置かれる。当業者に明らかであるように、本発明のファイバーオプティックセ ンサーには任意の形状の光源（例、レーザー）、検出器及び信号処理を用いるこ とが可能である。

従って、このＦＯＣＳへの新しい手法は多くの利益を有する。鍵となる利益のい くつかとして、次のものが挙げられる。

（１）　　多くのＦＯＣＳが基づくことのできる単一の技術、（２）　　本質的 に安定、長寿命及び安全である薬品及び成分の使用、 （３）　　低コスト（センサー当り５ドル末端の製造コスト）での大量生産が可 能であるＦＯＣＳ、及び（４）　　単純、廉価且つ製造が容易である（ユニット 当り３５０ドル末端の製造コスト）読取り器。、基本的センサーの感度はｐｐｍ 未満範囲であるのに対し、サンドイッチ実施態様はコントロールされた量の反応 性層及び選ばれた励起路長を有するように作ることができるようにｐｐｍ未満か らパーセント範囲まで操作するようにすることができる。

例　　　Ｉ 水を検出するためにファイバー・オプティック・センサーを適当なコア（より大 きな屈折率）上の塩化第一コバルトクラッドにより形成する。水は塩化第一コバ ルトを可逆的に青色からピンク色に変化させる。即ち青色光がセンサーコアを通 して伝送される。水の不存在下においては、青色光はクラッド（青色）により全 内部反射される。水の存在下においては、クラッドはピンク（青色光を吸収する ）になり、青色光信号が減少する。測定は、定性的或いは定量的のいずれであっ てもよい。感度を高めるために、多重波長源を使用してもよい。

例　　■ シアナイドを検出するために、ファイバー・オプティック・センサーを適当なコ ア（より大きな屈折率）上のヨウ素クラッドにより形成する。シアナイドはヨウ 素を可逆的に紫色から無色に変化させる。即ち、紫色光がセンサーコアを通して 伝送される。シアナイドの不存在下においては、紫色光はクラッド（紫色）によ って全内部反射される。シアナイドの存在下においては、クラッドは無色（全光 を吸収する）になり、紫色光信号が減少する。、ｉＩＪ定は定性的或いは定量的 のいずれであってもよい。

例　　　■ サルフェートを検出するために、ファイバー・オプティック・センサーを適当な コア（より大きな屈折率）上の塩化バリウムクラッドにより形成する。サルフェ ートは塩化バリウムを可逆的に透明から白色不透明に変化させる。即ち、白色光 がセンサーコアを通して伝送される。

サルフェートの不存在下においては、白色光はクラッド（透明）により全内部反 射される。サルフェートの存在下においては、クラッドは白色不透明（全光を散 乱する）になり、白色光信号が減少する。測定は定性的或いは定量的のいずれで あってもよい。

例　　　■ 胆汁酸を検出するために、ファイバー・オプティック・センサーを、その屈折率 がコアよりも大きい重合体を用いてガラスコア上に共固定化された酵素３α−ヒ ドロキシステロイドデヒドロゲナーゼ及び助酵素ＮＡＤにより形成する。典型的 に０．２ミクロン孔径ををする多孔性重合体クラッドを酵素に結合し、又保護膜 としても作用する。胆汁酸が酵素と反応する際に、水素が放出され、非蛍光性Ｎ ＡＤを蛍光性ＮＡＤＨに転換する。励起は３４０ｎｍにおいて行われ、及び検出 は４８０ｎｍにおいて行われる。７α、１２α等の酵素を用いても単−胆汁酸同 定及び定量に対する特異性を増大することもできる。酵素或いは助酵素なしに第 二の同一のファイバーを用いて自然に存在するＮＡＤＨを追跡し、それを胆汁酸 の読取りから差引くことができる。

この一般的手法は、多くの単−或いは混合酵素系の用途に適用可能である。一種 以上の酵素を単−反応性層或いは多重反応性層に共有的に結合することができる 。アルコールセンサーは、アルコール酵素（例、アルコールデヒドロゲナーゼ） に基づくことができ、及びグリコースセンサーはグルコース酵素グルコースオキ シダーゼに基づくことができる。

例　　　Ｖ （感染性）病気を検出するために、ファイバー・・オプティックセンサーをその 屈折率がコアよりも大きい重合体を用いてガラスコア上に固定された種特異性モ ノクローナル抗体を用いて形成する。多孔性重合体クラッドがモノクローナル抗 体に結合され、又保ｙＨとして作用する。

抗原（病気）がモノクローナル抗体と反応する際に、その屈折率が変化し、従っ てファイバーを通して伝送される白色光の量及び角度を変化させる。モノクロー ナルは標釣橋に対して超特異的であり、同定を明確にするのに対し、光強度及び 角度は求められる定量的情報に関連することができる。

抗原が反応する際に、追出される抗体にエオシンなどの蛍光性標本を結合させる ことも可能である。エオシンは４７５ｎｍにおける蛍光に対して励起され、５５ ２ｎｍで発光する。発蛍光団追出しによる蛍光の減少は良好な定量的測定である 。このように４７５ｎｍにおける強度及び角度の変化並びに５５２ｎｍにおける 強度の変化を測定することができる。

未ｍ識或いは蛍光性化合物で標識されたこの一般的手法は、特異的モノクローナ ルが存在するあらゆる化合物に対する直接的な分析評価に適したものである。そ れは又ポリクローナル抗体にも適用可能である。

例　　　■ 特別のクラス、群或いは個々の有機化合物を検出するために、その屈折率が標的 材料に対して対象バックグラウンドマトリックスにおけるその濃度範囲、例えば 空気中のガソリン１〜１．００ｐｐｍ、或いは水中のガソリン０．１〜１０ｐｐ ｍｌ二わたって適合されている材料、通常は重合体或いはシリル化合物を用いて 形成する。この場合において、その屈折率が提供される最大の屈折率よりも大き いコア材料が次いで選択される。標的分子がクラッドと相互作用するにつれて、 それは屈折率を変化させて光伝送性及び光出射角度を減少及び／又は増大させる 。

屈折率適合を用いて測定される種を同定し、光強度及び角度を用いて定量を行う 。クラッド屈折率の適当な選択を用いても種濃度が超過する場合に“オフ／オン ”スイッチを提供することができる。この技術は空気及び水中の有機化合物及び 有機化合物の混合物を測定する際に、特別の応用を有する。この手法により検出 することのできる特別の化合物或いは材料は、ガソリン、灯油、ジェット燃料（ ＪＰ４）、脂肪族及び芳香族炭化水素類である。

例　　　■ アンモニアは試薬インドフェノールを用いて検出することができる。インドフェ ノール、及びエオシンなどの発蛍光団はクラッド或いは反応性層のいずれかとし て共固定される。エオシンはレーザー源により４７５ｎｍにおいて励起され、そ れ自身の蛍光を５５２ｎｍにおいて発光する。エオシンはｐＨ依存性であり、有 効な安定光源であるので選ばれる。アンモニアがインドフェノールと反応するに つれて、エオシン発光を吸収するインドフェノール青色が形成される。蛍光信号 における減少は、インドフェノールと接触するアンモニアの量と関係して定量的 情報を与える。

同様に、鉄を１．１０フエナントロリンを用いて検出することができる。エオシ ン発光に対してより吸収性である赤色が形成される。アルミニウムは始めは紫色 であり、強い吸収剤であるピロカテコールを用いて検出することができる。反応 が起こるにつれて、紫色はエオシン発光の吸収減少及び伝送信号の増大と共に退 色する。

生物学的病原体或いは病気の検出及び定量は感知材料としてのモノクローナル抗 体の使用に基づく。クラッドにおけるいずれの立体配置、モノクローナル及びコ ア及びクラッド間に挾まれたモノクローナルのいずれを用いてもよい。汚染物質 、感染性病源体、化学試薬、薬品、癌診断及び医療化合物及びその他の医学的及 び毒薬学的材料などの標的分子（抗原特異性）に対する範囲を網羅する数多くの モノクローナル抗体が市販されており、その他の特別のモノクローナルをセンサ ー用途に作ることができる。本発明に従えばセンサー設計及び化学は固定されて おり、唯一の変数はモノクローナル抗体である。

しかしながらモノクローナル抗体における相異に適合するように抗体をファイバ ーに結合させる方法を調整する必要がある。モノクローナル抗体の高い特異性の ために各病源体或いは病気に対して異なったセンサーが必要とされる。し５かし 、特異性をより少ないセンサーに変換することができるならば、ポリクローナル 、酵素などを用いることができる。

いずれの実施！！様においても、抗体は化学的安定性を確実にするためにコア材 料に共有的に結合されるガラス繊維が好ましい。モノクローナルは又その他の介 在薬品を用いてその他の表面上に固定化することもできる。抗体（及び酵素）を ガラス繊維にカップリングさせる手法は、モノクローナル抗体を結合させるため の活性化部位を用いて分岐ポリエチレンオキシド（ＰＥＯ）を合成することであ る。ＰＥＯは、水及び有機溶媒に対する可溶性、合成及び他の分子への結合の容 品さ、及びＰＥＯ−抗体複合体の増大した生物学的安定性などの幾つかの望まし い性質を有する。これはモノクローナル抗体の反応性及び特異性の保持を保障す る。

好ま１．い重合体は、ある種のグリシドールアニオンをエチレンオキシド重合に おい°Ｃ含ませることにより作られた分岐ＰＥＯである。

この合成は、３０００ｇ１モルまでのＭｗの重合体の製造に有効である。以下に 説明するように、ヒドロキシル末端重合体は、次いで求核結合に灼して活性化さ せ（工程１）、ガラス表面上のアミ、ノ基に結合させ（工程２）、及び次いでモ ノクロ−・ナル抗体上のアミノ基とカフプリングさせることができる。

最初の重合体は三つの共重合体を含ませることにより変成される。第一番目に、 グリシダールのジエチルアセタールが重合に際して含ませられる。この重合体は 、（アセタールの加水分解後に）鎖に沿ってアルデヒド基を有し、斯くして、ア ミン類（例えばモノクローナルタンパク質リジン類及びアミノ−ガラス）による 還元的アミノ化に対する機会を提供する。第二番目に、ブタジェンエポキシドを 含ませて架橋を導入する。第三番目に、プロピレンオキシドを疎水性のために含 ませる（約７５％のプロピレンオキシドの導入は水不溶性重合体を与える）。

重合方法における二つの変化も又用いることができる。

開始剤としてのメトキシドに加えて、重合をガラス表面上のアミノ基によって直 接に開始することができる。表面上の直接重合の利益は分岐重合体が一点におい てのみ結合してモノクローナル抗体を結合するために利用可能なより多くの部位 を作ることである。アミノ−官能性化表面に活性化重合体を結合する他のルート はモノクローナル抗体の結合にも又役立ち得る部位において多重結合を与える。

加えて、Ｖａｎｄｅｎｂｅｒｇタイプのアルミニウムアルコキシド触媒による開 始を使用することができる。これらの触媒は良く特性化され且つ極めて万能的で あり、クラウン−ベース開始により与えられるものよりもより多くのコントロー ルを与える。

重合体をガラス及びモノクローナル抗体にカップリングさせる第一の工程は、重 合体をアミンによる求核的攻撃に対して活性化することである。用いられる活性 化誘導体としてはシアヌル−クロライド誘導体、カルボニルジイミダゾール誘導 体、トレシレート、及びスクシニミジルスクシネートなどが挙げられる。これら はいずれも活性モノクローナル抗体複合体を与えるが、トレシレートが比較的安 定なアミン結合を介してカップリングを与えるので好ましい。アミノ−ガラス上 の直接重合により調製される重合体は次いでガラス上で活性化することができる 。

活性化重合体は、その表面に共有的に結合したアミン基を有するようになったガ ラスにカップリングすることができる。このアミノ−ガラスはトリアルコキシル アミノプロピルシラン或いはアンモニアとプラズマ放電内で反応させることによ り調製することができる。重合体は又直接アミノ−ガラス上で成長させることも できる。

モノクローナル抗体、ポリクローナル抗体及び酵素を包含するタンパク質感知物 質（ＰＳＭ）の固定化／表面増幅調製において二つの特別の手法をとることがで きる。

両合成において出発点は分岐ポリエチレングリコール、Ｂ−ＰＥＧ　： に対するＰＥＯの重合である。分岐程度はＣＨ２−ＣＨ２ の重合に含まれる の量によりコントロールされる。Ｂ−ＰＥＧは求電子的に下記の如く活性化され る： ｌ それを次いでＰ　Ｓ　Ｍと反応させる：（式中、ＰＳＭ上の−ＮＨ２はリジンサ ブユニットに由来する）。

Ｂ−ＰＥＧ−ＰＳＭをファイバーオプティックに結合するのに利用可能な部位が あるように、過剰の求電子的活性化Ｂ−ＰＥＧを用いる。

シリカファイバーオプティックはシリル化合物を用０て求核的に活性化するニ シリカ＋（ＭｅＯ）３Ｓ１（ＣＨ２）３ＮＨ２Ｂ−ＰＥＧ−ＰＳＭを次いで次の ように結合する二シリカ−５ｉ　　（ＣＨ２）　３−Ｎ 晶 第二の手法はアミノ分岐ＰＥＧ をシリル：Ａ製シリカ（式３）から作られた求電子的活性化ファイバーオプティ ックに結合させるものである：ｌ これは分岐重合体をシリカに単一共有結合で結合させる利点を有する。表面結合 重合体を次いで式１に示すように活性化することができ、又酵素を活性化重合体 に式２に示すように結合することができる。

モノクローナル抗体（ＭＡ）のガラスへの結合はセンサー形成の雌部分である。

ＭＡ／Ｂ−ＰＥＧがクラッドである場合には、コアの屈折率はＭＡ／Ｂ−ＰＥＧ のそれよりも大きくなければならない。ＭＡ／Ｂ−ＰＥＧがコアとクラッドの間 に挟まれている場合には、コアの屈折率はＭＡ／Ｂ−ＰＥＧよりも小さくなけれ ばならず、又クラッドのそれはコアのそれよりも小さくなければならない。

モノクローナル抗体は−Ｎ　Ｈ２に終る相当数のサブユニットを有するのでモノ クローナル抗体の活性化、ガラス結合重合体へのカップリングは直裁的である。

加えて、モノクローナル抗体リジンサブユニットをシアノホウ水素化ナトリウム により還元的アミノ化によりグリシダール含有重合体にカップリングさせること ができる。

抗原−モノクローナル抗体反応の直接測定は必要な診断に対して十分な感度を有 すべきである。しがしながら、更に感度が必要である場合には、蛍光標識を用い ることができる。抗体相互作用から生ずる蛍光強度、スペクトルシフトなどの変 化が測定される。標識は同様にしてモノクローナルに結合される。エオシンなど の発蛍光団は良好な量子効率を有し、又生理学的領域においてｐＨ感受性でない ので好ましい。エオシンはモノクローナルに結合されるか或いはＰＥＯを用いて モノクローナルに共固定されることができる。活性化重合体との反応のためのア ミン誘導体は標準的操作、例えば水素化リチウムアルミニウムによるイソシアネ ート（例、エオシンイソシアネート）の還元などにより調製することができる。

特別に説明された実施、ｇ様におＩする変更及び修正は以下に掲げる請求の範囲 によってのみ制限される本発明の範囲から離れることなく行うことができる。

補正書の翻訳文提出書（特許法第１８４条の８）平成　１　年　１１月　６　日 特許庁長官　吉　１）文　毅　殿 １、　特許出願の表示 ＰＣＴ／ＵＳ　　　８８１０１４８８ ２６　　発明の名称 固有化学センサーであるファイバーオプティック３、特許出願人 住　所　　アメリカ合衆国ニューメキシコ用、アルパカーク、シュアン、タボ、 エヌ、イー、３９０４名　称　　　ファイバーケム、インコーホレーテッド４、 代理人 （郵便番号１００） 東京都千代田区丸の内三丁目２番３号 ５、　補正書の提出年月日 １９８９年６月２３日 １、　明細書第１１頁下から４行「である。」の次に次の文章を挿入する。

「それがＮ　に到達する時に、それは又ＮｌがＮ３より小さいのでＮ３により反 射して戻される。このように反応性ＭＮ３が実際にそれを通して光が透過される ファイバーオプティッククラッドを外部及び内部両表面上に有するファイバーオ プティックコアとなる。」２゜　明細書第１４頁下から３行「有する。」の次に 次の文章を加入する。

「中心穴３６を有するビームストープ３５をＦＯＣＳと検出器の間に配置して軸 上光を通し、及び軸外れ光を遮断する。」 ３、　明細書第１５頁１行「ある。」の次に次の文章を挿入する。

「軸上ビームストップ３７は軸上光を遮断する。」請求の範囲 １、　所定波長の光をファイバーオプティック素子内の全内部反射により伝送さ せるコア； そのコアを包囲し、所定の化学的或いは生物学釣橋に応答してその屈折率を変化 させることによりファイバーオプティック素子内の全内部反射に対する条件を変 化させて所定の化学的或いは生物学釣橋の存在下において光フアイバー素子を通 る光伝送性に測定可能な変化を生じさせる材料により作られている反応性層；及 び所定の化学的或いは生物学釣橋に対して多孔性である反応性層を包囲し、及び 反応性層がコアより大きい屈折率を有し、及びコアがファイバーオプティックク ラッドより大きい屈折率を有するファイバーオプティッククラッドを、 含むファイバーオプティック素子を含んでなることを特徴とする、化学的或いは 生物学的感知光ファイバー。

２、　反応性層が塩化第一コバルト、ヨウ素、及び塩化バリウムよりなる群から 選ばれる請求項１に記載の光ファイバー。

３、　ガソリン、ケロシン、ジェット燃料、脂肪族及び芳香族炭化水素類を包含 する標的有機化合物を検知するための請求項１に記載の光ファイバーであって、 反応性層がその屈折率が所定の濃度範囲に亘って標的化合物に適合されている材 料から形成され、及びコアが反応性層の最大の屈折率よりも大きい屈折率を有す る材料で形成されている光ファイバー。

４、　反応性層がモノクローナル抗体、ポリクローナル抗体及び酵素よりなる群 から選ばれるタンパク質感知材料を含む請求項１に記載の光ファイバー。

５、　反応性層が所定の抗原に特異性の結合モノクローナル抗体を有する重合体 を含んでなる所定抗原を検出するための請求項１に記載の光ファイバー。

６、　反応性層が結合酵素を有する第一の重合体を含んでなる請求項１に記載の 光ファイバー。

７、　酵素がＮＡＤと組合わされた３α−ヒドロキシステロイドヒドロゲナーゼ 、アルコールデヒドロゲナーゼ、及びグルコースオキシダーゼよりなる群から選 ばれる請求項６に記載の光ファイバー。

８、　素子が更に蛍光体及び発蛍光団よりなる群から選ばれる内部光源を更に含 む請求項１に記載の光ファイバー。

９、　反応性層が所定の化学的或いは生物学釣橋と反応性であり、蛍光体及び発 蛍光団により生成される光のその吸収を変成する吸収剤材料を更に含む請求項８ に記載の光ファイバー。

１０、　　発蛍光団がエオシンであり、及び吸収剤がインドフェノール、１．１ ０フエナントロリン、及びピロカテコールよりなる群から選ばれる請求項９に記 載の光ファイバー。

１１、　　所定波長の光を透過させるコア及びコアを包囲し、コアより小さい屈 折率を有し、所定の化学的或いは生物学釣橋と反応して所定の化学的或いは生物 学釣橋の存在下において光ファイバーを通る光の伝送性に測定可能な変化を生じ させる材料で作られたファイバーオプティッククラッドを有する化学的或いは生 物学的感知光ファイバーの形成方法であって、その方法が、先ず、所定の化学的 或いは生物学釣橋とのその反応特性のためにクラッド材料を選択し； 光ファイバーを形成するためにクラッドに対して有効に屈折率を適合されたコア 材料を選択し；及びこのように選択されたコア及びクラッド材料からファイバー オプティック素子を形成する、 ことを特徴とする方法。

１２、　　コアが単結晶により形成されている請求項１１に記載の方法。

１３、　　コアがプレス粉末枠により形成されている請求項１１に記載の方法。

１４、　感知光ファイバーが約１〜５ｍｍの長さで形成されている請求項１１に 記載の方法。

１５、　　更に、モノクローナル抗体、ポリクローナル抗体及び酵素よりなる群 から選ばれるタンパク質感知材料（ＰＳＭ）のクラッドを形成することをＳＣ３ 求項１１に記載の方法。

ユ６．　更に、分岐ポリエチレングリコール（ＰＥＧ）を形成し、分岐ＰＥＧの 表面を活性化してＰＳＭを結合するための部位を提供し、及び活性化ＰＥＧをＰ ＳＭと反応させることを含む請求項１５に記載の方法。

１７、　　　（ａ）先ず所定の化学的或いは生物学釣橋とのその反応特性のため にクラッド材料を選択し、（ｂ）次いで光ファイバーを形成するためにクラッド に対して有効に屈折率を適合されたコア材料を選択し、（ｅ）このように選択さ れたコア及びクラッド材料からファイバーオプティック素子を形成する工程によ り、所定波長の光を透過させるコア及びそのコアを包囲し、コアより小さい屈折 率を有し且つ所定の化学的或いは生物学的挿と反応１．５で所定の化学的或いは 生物学釣橋の存在下において光フアイバー素子を通る光伝送性に測定可能な変化 を生じさせる材料により作られているファイバー・オプティッククラッドを有す る化学的或いは生物学的感知光コア・イバーを形成し： 所定の波長の光線を感知光フアイバー中に透過させ；及び クラッドと所定の化学的或いは生物学的の種の反応により引起こされた感知光フ ァイバーを通る光線の伝送性における変化を検出する、 ことを特徴とする所定の化学的或いは生物学釣橋の存在の検出方法。

１８、　　請求項１１の方法により形成された化学的或いは生物学的感知光ファ イバー。

１９、　　感知光ファイバーに操作的に連結された所定波長の光源； 光源からの光の光ファイバーを通る伝送性の変化を検出するための感知光ファイ バーに操作的に連結された検出手段； を更に含んでなる請求項１又は１８に記載の化学的或いは生物学的感知光ファイ バー。

２０、　　所定波長の光を伝送させるコア、コアを包囲し、所定の化学的或いは 生物学釣橋と反応して所定の化学的或いは生物学釣橋の存在下において光ファイ バーを通る光の伝送性に測定可能な変化を生じさせる材料から作られた反応性層 、及び反応性層を包囲し１、所定の化学的或いは生物学釣橋に対して多孔性であ るファイバーオプティッククラッドを有し、反応性層がコアより大きい屈折率を 有し、及びコアがクラッドより大きい屈折率を有する化学的或いは生物学的感知 光ファイバーを形成１．７二所定波長の光線を感知光コア・イド−中に伝送させ ；及び クラ１ドと所定の化学的或いは生物学釣橋どの反応により引起こされた感知光フ ァイバーを通る光線の伝送性の変化を検知する； ことを特徴とする所定の化学的或いは生物学釣橋の存在の検出方法。

国際調査報告

Claims (16)

【特許請求の範囲】
1. １．所定波長の光をファイバーオブティック素子内の全内部反射により伝送させ るコア；及びそのコアを包囲し、所定の化学的或いは生物学的種に応答してその 屈折率を変化させることによりファイバーオブティック素子内の全内部反射に対 する条件を変化させて所定の化学的或いは生物学的種の存在下において光ファイ バー素子を通る光伝送性に測定可能な変化を生じさせる材料により作られている 第一のクラッド；を含むファイバーオブティック素子を含んでなることを特徴と する化学的或いは生物学的感知光ファイバー。
2. ２．コアが第一のクラッドより大きい屈折率を有する請求項１に記載の光ファイ バー。
3. ３．更に所定の化学的或いは生物学的種に対して多孔性である第一のクラッドを 包囲する第二のクラッドを含み、且つ第一のクラッドがコアより大きい屈折率を 有し、及びコアが第二のクラッドより大きい屈折率を有する請求項１に記載の光 ファイバー。
4. ４．第一のクラッドが塩化第一コバルト、ヨウ素、及び塩化バリウムよりなる群 から選ばれる請求項１に記載の光ファイバー。
5. ５．ガソリン、ケロシン、ジェット燃料、脂肪族及び芳香族炭化水素類を包含す る標的有機化合物を検知するための請求項１に記載の光ファイバーであって、第 一のクラッドがその屈折率が所定の濃度範囲に亘って標的化合物に適合されてい る材料から形成され、及びコアが第一のクラッドの最大の屈折率よりも大きい屈 折率を有する材料で形成されている光ファイバー。
6. ６．第一のクラッドがモノクローナル抗体、ポリクローナル抗体及び酵素よりな る群から選ばれるタンパク質感知材料を含む請求項１に記載の光ファイバー。
7. ７．第一のクラッドが所定の抗原に特異性の結合モノクローナル抗体を有する重 合体を含んでなる所定抗原を検出するための請求項１又は３に記載の光ファイバ ー。
8. ８．第一のクラッドが結合酵素を有する第一の重合体を含んでなる請求項１に記 載の光ファイバー。
9. ９．酵素がＮＡＤと組合わされた３α−ヒドロキシステロイドヒドロゲナーゼ、 アルコールデヒドロゲナーゼ、及びグルコースオキシダーゼよりなる群から選ば れる請求項８に記載の光ファイバー。
10. １０．素子が更に蛍光体及び発蛍光団よりなる群から選ばれる内部光源を更に含 む請求項１に記載の光ファイバー。
11. １１．第一のクラッドが所定の化学的或いは生物学的種と反応性であり、蛍光体 及び発蛍光団により生成される光のその吸収を変成する吸収剤材料を更に含む請 求項１０に記載の光ファイバー。
12. １２．発蛍光団がエオシンであり、及び吸収剤がインドフェノール、１、１０フ ェナントロリン、及びピロカテコールよりなる群から選ばれる請求項１２に記載 の光ファイバー。
13. １３．所定波長の光をファイバーオブティック素子内の全内部反射により伝送さ せるコア及びそのコアを包囲し所定の化学的或いは生物学的種に応答してその屈 折率を変化させることによりファイバーオブティック素子内の全内部反射に対す る条件を変化させて所定の化学的或いは生物学的種の存在下において光ファイバ ー素子を通る光伝送性に測定可能な変化を生じさせる材料により作られている第 一のクラッドを含むファイバーオブティック素子を含んでなる化学的或いは生物 学的感知光ファイバー； 感知光ファイバー素子に操作的に連結された所定波長の光源； この光源からの光の光ファイバーを通る伝送性の変化を検出するための感知光フ ァイバー素子に操作的に連結された検出手段； を含んでなることを特徴とする化学的或いは生物学的センサー。
14. １４．所定波長の光をファイバーオブティック素子内の全内部反射により伝送さ せるコア、及びそのコアを包囲し所定の化学的或いは生物学的種に応答してその 屈折率を変化させることによりファイバーオブティック素子内の全内部反射に対 する条件を変化させて所定の化学的或いは生物学的種の存在下において光ファイ バー素子を通る光伝送性に測定可能な変化を生じさせる材料により作られている 第一のクラッドを含むファイバーオプティック素子を含む化学的或いは生物学的 感知光ファイバーを形成し； 所定波長の光線を感知光ファイバー中に伝送させ；第一のクラッドの屈折率の変 化により引起こされた感知光ファイバーを通る光線の伝送性の変化を検出する； ことを特徴とする所定化学的或いは生物学的種の存在の検出方法。
15. １５．ファイバーの伝送性の変化を検出する工程が光線の強度の変化を測定する ことにより行われる請求項１４に記載の方法。
16. １６．ファイバーの伝送性の変化を検出する工程がファイバーからの光線の出射 角の変化を測定することにより行われる請求項１４に記載の方法。