JPH04262243A - 光学的測定装置 - 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】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は光学的測定装置に関し
、さらに詳細にいえば、光導波路を通して光を伝播させ
ることにより生じるエバネッセント波成分によって光導
波路の反応面近傍に存在させられる測定対象物の光学的
特性の測定を行なう光学的測定装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来から、透明媒質間での光の全反射時
に媒質間界面に局材して存在するエバネッセント波を、
界面の測光用プローブ光として用いることの有用性が多
く報告されている。特に、免疫分析の分野への応用は、
固相側（光導波路表面）に固定された抗体（または抗原
）と液相側の抗原（または抗体）との反応を螢光標識技
術等を用いて実時間で測定できるため、有望な方式と目
されている。

【０００３】図６は従来の光学的測定装置を示す概略図
であり、スラブ型光導波路６１の一面に反応槽６２を一
体形成し、図示しない光源から出射される測定光をダイ
クロイック・ミラー６３を通して光導波路６１に導入し
、標識螢光体から放射される螢光を光導波路６１を通し
て出射させ、ダイクロイック・ミラー６３により反射さ
せ、さらに光学的フィルタ６４を通して受光素子６５に
入射させるようにしている。そして、測定光の光路の所
定位置にビーム・サンプラー６６を配置して測定光の一
部を分岐させ、分岐された測定光を受光素子６７に導い
て測定光の光量を検出し、光源から出射される測定光強
度を一定に制御する。

【０００４】上記の構成を採用した場合には、光導波路
６１の表面に予め抗体６８を固定しておき、この抗体６
８に被検液中の抗原６９を受容させ、さらに、受容され
た抗原６９に螢光体で標識された螢光標識抗体７０を受
容させる。即ち、受容される螢光標識抗体７０の量は被
検液中の抗原６９の量に基づいて定まることになる。そ
して、光導波路６１に測定光を導入することにより生じ
るエバネッセント波成分により上記受容された螢光標識
抗体７０の標識螢光体７０ａのみが励起され、螢光を放
射するので、放射される螢光の強度が被検液中の抗原６
９の量に比例することになる。また、この螢光は信号光
として光導波路６１を導波されることになる。

【０００５】したがって、光導波路６１を導波されてき
た螢光のみをダイクロイック・ミラー６３により反射さ
せ、光学フィルタ６４により励起光成分を遮断して受光
素子６５に入射させることにより免疫反応の有無、免疫
反応の程度を測定することができる。また、受光素子６
７により測定光をモニターし、測定光のドリフトを低減
できるのであるから、非常に微弱な螢光を種々の迷光の
存在下で測定する場合において、光源の経時変化、受光
素子、フィルタ等の光学素子の温度変化等をかなり高精
度に補正でき、ひいてはかなり高精度の螢光免疫測定を
達成できる。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかし、上記構成の光
学的測定装置においては、光学的測定情報を含む信号光
を受光する受光素子６５のほかに分岐された測定光を受
光する受光素子６７が必要であり、両受光素子６５，６
７の特性に類似性があるという保証が全くないのである
から、高精度の光学的測定を達成できるという保証がな
くなってしまうという不都合がある。

【０００７】さらに詳細に説明すると、信号光としての
螢光は著しく微弱であるから、一般的に高感度の受光素
子として光電子増倍管が採用される。そして、この光電
子増倍管は温度依存性が比較的大きいのみならず、印加
電圧、入射光量の履歴によって出力が変動するのである
から、正確な補正を行なうことが著しく困難である。ま
た、同様な特性を有する２つの光電子増倍管を各受光素
子６５，６７として採用することが考えられるが、コス
トアップを招いてしまうのみならず、特性の相似性があ
るという保証がないのであるから、高精度の光学的測定
を達成できるという保証がなくなってしまう。

【０００８】このような不都合を解消するために、分岐
された測定光および信号光を単一の光電子増倍管により
受光させるべく、それぞれの光を光ファイバで導くこと
が考えられる（特開昭６４−９１０３８号公報参照）。 ここで、螢光免疫測定を行なう場合における測定光と信
号光との強度比は１：１０−６程度であり、しかも光電
子増倍管のダイミック・レンジは余り広くないのである
から、分岐された測定光の光量を信号光の光量と同程度
にまで減衰させなければならない。しかし、このように
著しく大きい減衰比を安定に保つことは著しく困難であ
り、到底高精度の光学的測定を達成することができない
。また、特開昭６４−９１０３８号公報に示す構成を採
用した場合には、微弱な信号光が光ファイバにより減衰
されて一層微弱になってしまうという不都合があるのみ
ならず、測定光を信号光に合せて減衰させることが著し
く困難であり、実用化することが著しく困難であるとい
う不都合がある。

【０００９】さらに、ダイクロイック・ミラー６３が裏
面反射型のものである場合には、裏面反射がハロー・ゴ
ーストの原因になる。そして、ハロー・ゴーストが生じ
ると、光導波路に結合されなかった測定光が単に損失に
なるだけでなく、光導波路の入射端での測定光反射が信
号光に重畳し、または光導波路に放射モードで測定光が
入射する等の不都合があり、この不都合を解消するため
には、ダイクロイック・ミラー６３に厳密な反射防止コ
ーティングを施すことが必要になるという不都合がある
。また、反射防止コーティングを施しても一般的に０．
１〜０．３％程度の反射が残ってしまうので、ゴースト
に起因する迷光を完全には排除できない。

【００１０】

【発明の目的】この発明は上記の問題点に鑑みてなされ
たものであり、ドリフトを高精度に補正して高精度の光
学的測定を達成することができる光学的測定装置を提供
することを目的としている。

【００１１】

【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
めの、請求項１の光学的測定装置は、測定光の光量を検
出して測定光量変動補正等を行なうために測定光の一部
を分岐させるビーム・サンプラーと、光学的測定情報を
含む信号光および分岐された測定光を受光する共通の受
光手段と、分岐された測定光を受光手段に導く光ファイ
バと、信号光の受光手段への入射光路を遮断するととも
に、分岐された測定光の受光手段への入射光路を遮断す
る光路遮断手段とを含んでいる。

【００１２】請求項２の光学的測定装置は、光ファイバ
が中継点を含んでいるとともに、中継点における光ファ
イバ端面同士の距離を制御する距離制御手段をも含んで
いる。

【００１３】請求項３の光学的測定装置は、測定光の光
軸と信号光の光軸とが一致している。

【００１４】請求項４の光学的測定装置は、測定光を反
射させることによりビーム・サンプラーに導くダイクロ
イック・ミラーをさらに含んでいるとともに、ダイクロ
イック・ミラーが前面反射型のものであるとともに、ダ
イクロイック・ミラーの有効厚みが、光導波路の入射端
の外側にダイクロイック・ミラーの望まれない面からの
反射によるゴースト像を結像すべく設定されている。

【００１５】

【作用】請求項１の光学的測定装置であれば、光導波路
に測定光を導入することにより生じるエバネッセント波
成分によって光導波路の反応面としての表面近傍に存在
させられる測定対象物の光学的特性の測定を行なう場合
において、ビーム・サンプラーにより測定光の一部を分
岐させ、測定光の残部を光導波路に結合させることがで
きる。そして、分岐された測定光を光ファイバを通して
共通の受光手段に導くことにより測定光の光量を検出し
て光源に対するフィードバック制御、信号光量測定値の
数値補正等の測定光量変動補正を行なう。また、光学的
測定情報を含む信号光を共通の受光手段に導くことによ
り光学的測定を行なうことができる。尚、これらの場合
において、分岐された測定光については光ファイバによ
り大巾に減衰されているのであるから、共通の受光手段
のダイナミック・レンジを特に広くすることなく何れの
光をも受光でき、しかも、信号光の受光手段への入射光
路および分岐された測定光の受光手段への入射光路は光
路遮断手段により遮断できるのであるから、光路遮断手
段の動作と同期させて測定光量変動補正、信号光に基づ
く測定を行なわせることにより高精度の光学的測定を達
成できる。

【００１６】請求項２の光学的測定装置であれば、光フ
ァイバが中継点を含んでいるとともに、中継点における
光ファイバ端面同士の距離を制御する距離制御手段をも
含んでいるのであるから、距離制御手段により光ファイ
バ端面同士の距離を制御することにより分岐された測定
光の減衰比を簡単に設定でき、分岐された測定光を信号
光と同程度に減衰できる。この結果、高精度の光学的測
定を達成できる。

【００１７】請求項３の光学的測定装置であれば、測定
光の光軸と信号光の光軸とが一致しているのであるから
、測定光用の光学系と信号光用の光学系とをかなりの部
分において共用でき、光学的測定装置全体としての構成
を簡素化できる。

【００１８】請求項４の光学的測定装置であれば、測定
光がダイクロイック・ミラーの前面により反射されてビ
ーム・サンプラーに導かれるとともに、ダイクロイック
・ミラーの有効厚みにより、光導波路の入射端の外側に
ダイクロイック・ミラーの望まれない面からの反射によ
るゴースト像が結像されるのであるから、ハロー・ゴー
ストの影響を排除して高精度の光学的測定を達成できる
。

【００１９】

【実施例】以下、実施例を示す添付図面によって詳細に
説明する。

【００２０】図１はこの発明の光学的測定装置の一実施
例としての免疫測定装置を示す概略図であり、ハロゲン
ランプ１から出射される測定光を熱線吸収フィルタ２、
両凸レンズ３および干渉フィルタ４を通して単色化した
状態で測定光投影用スリット５に導き、測定光投影用ス
リット５により絞り込まれた測定光をアクロマート・レ
ンズ６を通して表面反射型のダイクロイック・ミラー７
に導いて測定光の光軸を９０度だけ変化させ、スラブ型
光導波路１０の屈折型結合プリズム１１に所定の入射角
度で入射する。上記スラブ型光導波路１０の少なくとも
一面に反応槽１２を形成し、反応槽１２に臨む面に抗体
１３を固定している。さらに、ビーム・サンプラー８に
より分岐された測定光を光電子増倍管１６に導く光ファ
イバ１７を有しているとともに、ビーム・サンプラー８
と位置決め治具９との間およびビーム・サンプラー８と
光ファイバ１７との間において選択的に光路を遮断する
回転シャッタ１８を有している。尚、屈折型結合プリズ
ム１１から出射される信号光を位置決め治具９およびビ
ーム・サンプラー８を通してダイクロイック・ミラー７
に導き、ダイクロイック・ミラー７を透過した信号光を
平凸レンズ１４および色ガラス・フィルタ１５を通して
光電子増倍管１６に導く。

【００２１】また、上記ダイクロイック・ミラー７は測
定光を反射し、信号光を透過させるものであり、裏面に
反射防止コーティングを施すことによりゴーストの低減
を図っているとともに、ダイクロイック・ミラー７の有
効厚みに基づいて定まるゴースト結像位置が屈折型結合
プリズム１１の入射面の外側になるようにして完全には
防止し得ない反射に起因するゴーストの影響を完全に排
除している。ここで、ダイクロイック・ミラー７の裏面
反射によるゴースト結像位置のぶれδは、図２に示すよ
うに屈折率をｎ、有効厚みをｔ、反射角をθｉとすれば
、δ＝２ｔ・ｔａｎθ０・ｃｏｓθｉとなる。但し、θ
０＝ｓｉｎ−１（ｓｉｎθｉ／ｎ）である。具体的には
、ダイクロイック・ミラー７の材質を石英（屈折率が１
．４６３）、反射角を４５度とすれば、δ＝０．７８ｔ
となる。したがって、結像位置がぶれて屈折型結合プリ
ズム１１の入射面の外側になるように有効厚みｔを定め
ればよい。

【００２２】さらに、高純度石英を基板材料として用い
ることにより螢光が励起される不都合を解消できるのみ
ならず、測定光を表面反射させることに伴なって基板内
部の螢光性不純物等の励起をも防止できる。

【００２３】上記ビーム・サンプラー８は、測定光の一
部を分岐させて測定光の光量を検出し、ハロゲンランプ
１からの出射光量を制御し、測定光量を一定に保持する
ため、信号光量測定値の数値補正を行なうため等に用い
られる。したがって、ビーム・サンプラー８は測定光の
光軸に対して斜交されているのであるが、斜交角度が測
定光の光軸に対する屈折型結合プリズム１１の入射面の
斜交角度と逆向きに設定されているとともに、ビーム・
サンプラーの屈折率および厚みがそれぞれ所定値に設定
されて、屈折型結合プリズムの収差を補償するようにし
ている。また、ビーム・サンプラー８は温度依存性が小
さいものでなければならないのであるから、基板上に誘
電体多層膜または金属薄膜を形成してなるものよりも透
明基板の表面反射のみを用いるものの方が好ましく、低
損失、高温度安定性を簡単に達成できる。また、ビーム
・サンプラー８は非螢光性でなければならないのである
から、高純度石英等で透明基板を形成し、一面に反射防
止コーティングを施すことが好ましい。

【００２４】さらに、測定光と信号光とが重なる領域に
おいては、測定光が垂直入射する光学素子を全く配置し
ていないので、測定光の表面反射成分が信号光に影響を
及ぼすことを回避できる。

【００２５】上記構成の光学的測定装置の作用は次のと
おりである。

【００２６】スラブ型光導波路１０の表面に固定した抗
体１３に被検液中の抗原を受容させ、さらに受容された
抗原に螢光標識抗体を受容させる点は従来の螢光標識技
術を用いた免疫測定装置と同様である。

【００２７】そして、ハロゲンランプ１を点灯すれば、
測定光が測定光投影用スリット５により絞り込まれ、表
面反射型のダイクロイック・ミラー７により光軸が９０
度だけ変化され、ビーム・サンプラー８を透過して屈折
型結合プリズム１１に入射される。また、エバネッセン
ト波成分により励起された螢光は信号光として屈折型結
合プリズム１１から出射され、ビーム・サンプラー８、
ダイクロイック・ミラー７、平凸レンズ１４および色ガ
ラス・フィルタ１５を通して光電子増倍管１６に入射さ
れるのであるから、光電子増倍管１６により得られる信
号に基づいて免疫反応の有無、免疫反応の程度等を測定
できる。

【００２８】この場合において、屈折型結合プリズム１
１に起因するぼけと逆方向にぼけが生じるようにビーム
・サンプラー８の斜交角度、屈折率、厚みが設定されて
いるのであるから、両者に起因するぼけがキャンセルし
合ってシャープな結像を達成でき、光学的測定に寄与し
得る測定光の光量を測定光投影用スリット５の大きさに
基づいて定まる最大量にでき、測定精度を高めることが
できる。

【００２９】また、ビーム・サンプラー８により分岐さ
れた測定光は光ファイバ１７を通して光電子増倍管１６
に導かれるので、測定光の光量をモニターでき、モニタ
ー結果に基づいてハロゲンランプ１をフィードバック制
御すること等により光源変動のみならず、レンズ、フィ
ルタ、ミラー等による変動をも補正でき、測定精度を高
めることができる。この場合において、光電子増倍管１
６に入射される測定光の光量については、光ファイバ１
７のコア径が０．０１〜１ｍｍと小さいのであるからビ
ーム・サンプラー８により分岐される測定光との結合状
態を変化させることにより大巾に減衰させることができ
るほか、光ファイバからの出射光が発散光である関係上
、光ファイバ１７の出射端と光電子増倍管１６との距離
を変化させることによっても大巾に減衰させることがで
き、さらに開口数、入射角度等を適宜設定することによ
っても大巾に減衰させることができる。したがって、簡
単な構成で安定性の高い減光を実現でき、信号光の光量
とほぼ等しい光量にまで減光できるのみならず、構成上
の自由度を大きくできるという利点を有する。さらに、
図３に示すように、光ファイバ１７の中間部に中継部１
７ａを設けて中継部の内部において光ファイバの端面を
対峙させるとともに、操作摘み等の調整部１７ｂにより
端面間距離を変化させるようにしてもよく、また、図４
に示すように中継部１７ａの内部で対峙する光ファイバ
の端面を相対的に回転させるようにしてもよく、大巾か
つ安定な減光を達成できる。

【００３０】したがって、スリット５により絞り込まれ
た測定光の殆どがシャープに結像して十分な測定光量を
確保でき、しかも屈折型結合プリズム１１に対する測定
光の導入を簡単に達成できる。この結果、免疫反応の有
無、免疫反応の程度を高精度に測定できる。

【００３１】尚、この実施例の場合には、回転シャッタ
１８の動作に伴なって測定光モニター信号と信号光測定
信号（および該当する場合には測定光および信号光が共
に遮断された状態に対応するブランク信号）が時分割さ
れた状態で得られる。そして、時分割された測定光モニ
ター信号、信号光測定信号と、それぞれブランクを差し
引いた後、平均または移動処理されて取り出される。こ
れらの処理はアナログ処理で行なうことができるが、デ
ィジタル処理で行なうことが好ましく、処理を容易化で
きる。

【００３２】したがって、信号光の測定時間と比較して
ドリフトの時定数が十分に大きい場合には、信号光測定
の前後での測定光モニター信号に基づいて信号光測定値
を補正するだけで十分な精度の光学的測定を達成できる
。但し、精度を一層高める必要がある場合には、信号光
測定中の信号光測定値を、信号光測定前後の測定光モニ
ター値から所定の補間式（直線補間、指数関数・線形多
項式等の回帰式による補間等）で得た値に基づいて補正
すればよい。

【００３３】逆に、信号光測定時間内で測定光が著しく
変動する場合には、回転シャッタ１８による光路選択を
測定光の変動周期よりも十分高速に行ない、ロックイン
法的な処理を行なうことにより実時間で補正を行なうこ
とができる。

【００３４】

【実施例２】図５はこの発明の光学的測定装置の他の実
施例を示す概略図であり、実施例１と異なる点は、測定
光を透過させるとともに、信号光を反射させるダイクロ
イック・ミラー７を用いた点のみである。

【００３５】したがって、この実施例の場合にも、実施
例１と同様の作用を達成できる。

【００３６】尚、この実施例においては、ダイクロイッ
ク・ミラー７の反射、好ましくはダイクロイック・ミラ
ー７の裏面反射でビーム・サンプラー８を兼ねさせるこ
とができ、ビーム・サンプラー８を省略して構成を簡素
化できる。特に、ダイクロイック・ミラー７の裏面反射
を用いる場合には、波長選択性がないか、または余り急
峻でないから、測定光分岐比が温度等により変動しない
という利点を有することになる。

【００３７】尚、この発明は上記の実施例に限定される
ものではなく、例えば、ハロゲンランプ以外の光源を採
用することが可能であるほか、回転シャッタに代えて液
晶シャッタ等を採用することが可能であり、その他、こ
の発明の要旨を変更しない範囲内において種々の設計変
更を施すことが可能である。

【００３８】

【発明の効果】請求項１の発明は、分岐された測定光を
光ファイバを通して共通の受光手段に導くことにより測
定光の光量を検出して光源に対するフィードバック制御
を行なうとともに、光学的測定情報を含む信号光を共通
の受光手段に導くことにより光学的測定を行なうことが
でき、しかも両光の強度を同程度に揃えることができる
のであるから、ドリフトを高精度に補正して高精度の光
学的測定を達成できるという特有の効果を奏する。

【００３９】請求項２の発明は、請求項１の効果に加え
、分岐された測定光の減衰比を簡単に設定でき、分岐さ
れた測定光を信号光と同程度に減衰できるという特有の
効果を奏する。

【００４０】請求項３の発明は、請求項１の効果に加え
、測定光の光軸と信号光の光軸とが一致しているのであ
るから、測定光用の光学系と信号光用の光学系とをかな
りの部分において共用でき、光学的測定装置全体として
の構成を簡素化できるという特有の効果を奏する。

【００４１】請求項４の発明は、請求項１の効果に加え
、ダイクロイック・ミラーの望まれない面からの反射に
よるハロー・ゴーストの影響を排除して高精度の光学的
測定を達成できるという特有の効果を奏する。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の光学的測定装置の一実施例としての
免疫測定装置を示す概略図である。

【図２】ダイクロイック・ミラーの裏面反射によるゴー
ストを説明する概略図である。

【図３】光ファイバの中継点の構成の一例を示す概略図
である。

【図４】光ファイバの中継点の構成の他の例を示す概略
図である。

【図５】この発明の光学的測定装置の他の実施例を示す
概略図である。

【図６】光学的測定装置の従来例を示す概略図である。

【符号の説明】

１　　ハロゲンランプ　　　　７　　ダイクロイック・
ミラー８　　ビーム・サンプラー　　　　１０　　スラ
ブ型光導波路　　　　１６　　光電子増倍管 １７　　光ファイバ　　　　１７ａ　　中継部　　　　
１７ｂ　　調整部 １８　　回転シャッタ

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】　　光導波路（１０）に測定光を導入する
   ことにより生じるエバネッセント波成分によって光導波
   路（１０）の反応面としての表面近傍に存在させられる
   測定対象物の光学的特性の測定を行なう光学的測定装置
   において、測定光の光量を検出して測定光量変動補正を
   行なうために測定光の一部を分岐させるビーム・サンプ
   ラー（８）と、光学的測定情報を含む信号光および分岐
   された測定光を受光する共通の受光手段（１６）と、分
   岐された測定光を受光手段（１６）に導く光ファイバ（
   １７）と、信号光の受光手段（１６）への入射光路を遮
   断するとともに、分岐された測定光の受光手段（１６）
   への入射光路を遮断する光路遮断手段（１８）とを含む
   ことを特徴とする光学的測定装置。
2. 【請求項２】　　光ファイバ（１７）が中継点（１７ａ
   ）を含んでいるとともに、中継点における光ファイバ端
   面同士の相対位置を制御する距離制御手段（１７ｂ）を
   も含んでいる請求項１に記載の光学的測定装置。
3. 【請求項３】　　測定光の光軸と信号光の光軸とが一致
   している請求項１に記載の光学的測定装置。
4. 【請求項４】　　測定光を反射させることによりビーム
   ・サンプラー（８）に導くダイクロイック・ミラー（７
   ）をさらに含んでいるとともに、ダイクロイック・ミラ
   ー（７）が前面反射型のものであるとともに、ダイクロ
   イック・ミラー（７）の有効厚みが、光導波路（１０）
   の入射端の外側にダイクロイック・ミラー（７）の望ま
   れない面からの反射によるゴースト像を結像すべく設定
   されている請求項１に記載の光学的測定装置。