JPH0664063B2 - 分光分析測定に用いる導波管およびこれを用いた測定方法 - Google Patents
分光分析測定に用いる導波管およびこれを用いた測定方法Info
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- JPH0664063B2 JPH0664063B2 JP60208548A JP20854885A JPH0664063B2 JP H0664063 B2 JPH0664063 B2 JP H0664063B2 JP 60208548 A JP60208548 A JP 60208548A JP 20854885 A JP20854885 A JP 20854885A JP H0664063 B2 JPH0664063 B2 JP H0664063B2
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- G01N21/75—Systems in which material is subjected to a chemical reaction, the progress or the result of the reaction being investigated
- G01N21/77—Systems in which material is subjected to a chemical reaction, the progress or the result of the reaction being investigated by observing the effect on a chemical indicator
- G01N21/7703—Systems in which material is subjected to a chemical reaction, the progress or the result of the reaction being investigated by observing the effect on a chemical indicator using reagent-clad optical fibres or optical waveguides
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- G01N33/543—Immunoassay; Biospecific binding assay; Materials therefor with an insoluble carrier for immobilising immunochemicals
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Description
【発明の詳細な説明】 （技術分野） この発明は、流体中の分析物質の分光分析的測定に用い
る光導波管（例えば光ファイバ）センサに関するもので
あり、より詳細には、免疫学的測定へのこのセンサの使
用を開示するものである。
る光導波管（例えば光ファイバ）センサに関するもので
あり、より詳細には、免疫学的測定へのこのセンサの使
用を開示するものである。
（従来の技術） 光学的導波管は、種々の分析テストに用いられている。
例えば、ミカエル ジェー セパニアク等の記事「臨床
分析における光ファイバ蛍光分析」Ｃｌｉｎ．Ｃｈｅ
ｍ，第29巻第９号1678〜1682頁（1983）は、石英光学蛍
光分析の使用を述べている。皮下注射針内への単繊維フ
ァイバの使用によって、間質体液中の種々の治療薬の螢
光発光の生体内測定を著者等は可能にした。セパニアク
等は、蛍光励起体として、彼等のプローブにはレーザ光
源を用いねばならないと述べている。
例えば、ミカエル ジェー セパニアク等の記事「臨床
分析における光ファイバ蛍光分析」Ｃｌｉｎ．Ｃｈｅ
ｍ，第29巻第９号1678〜1682頁（1983）は、石英光学蛍
光分析の使用を述べている。皮下注射針内への単繊維フ
ァイバの使用によって、間質体液中の種々の治療薬の螢
光発光の生体内測定を著者等は可能にした。セパニアク
等は、蛍光励起体として、彼等のプローブにはレーザ光
源を用いねばならないと述べている。
種々の蛍光プローブ構成のうちの一つとして、サンプリ
ングのために毛細管作用が用いられている。光ファイバ
の一定長さから保護コートがはぎ取られ、標準のガラス
毛細管に挿入され、これはアトランダムに毛細管壁に接
触しているが、管の全長にわたってではない。このアセ
ンブリが、皮下注射針内に配置される。
ングのために毛細管作用が用いられている。光ファイバ
の一定長さから保護コートがはぎ取られ、標準のガラス
毛細管に挿入され、これはアトランダムに毛細管壁に接
触しているが、管の全長にわたってではない。このアセ
ンブリが、皮下注射針内に配置される。
光導波管を用いる免疫学的測定が、バッテルメモリアル
インステイチュートのヨーロッパ特許出願第82201107.8
号および同第81810385.5号に開示されている。１９８１
年出願の方に光ファイバを用いた競合的な免疫学的測定
が開示されている。さらに詳細には、屈折率Ｎ１の芯
と、屈折率Ｎ２の被覆、Ｎ１＞Ｎ２、を有するガラスの
単一モードあるいはマルチモード光ファイバに、抗体
（Ａｂ）膜が塗布されてセンサファイバを構成してい
る。
インステイチュートのヨーロッパ特許出願第82201107.8
号および同第81810385.5号に開示されている。１９８１
年出願の方に光ファイバを用いた競合的な免疫学的測定
が開示されている。さらに詳細には、屈折率Ｎ１の芯
と、屈折率Ｎ２の被覆、Ｎ１＞Ｎ２、を有するガラスの
単一モードあるいはマルチモード光ファイバに、抗体
（Ａｂ）膜が塗布されてセンサファイバを構成してい
る。
免疫学的測定は、三段階に行なわれる。まずセンサファ
イバは、抗体Ａｂに特異な抗原Ａｇ分析物質と一定量の
蛍光発光を表示された抗体Ａｂとを含む流体中に浸漬さ
れる。蛍光膜がＡｇの濃度に比例して形成される。次い
で、励起力が、センサファイバの芯の一端から伝達され
る。免疫学的測定は、「減衰波」現象、即ち被覆中へ短
い距離だけ浸透し、外部のＡｂ／標識Ａｇの混合体と反
応し、励起させる磁場に頼っている。最後に、励起され
た標識混合体からの蛍光は、ファイバの芯内に「再放
射」されてファイバの他端で検出される。この蛍光は、
出力端で反射、放出され、分離して検出することができ
る。
イバは、抗体Ａｂに特異な抗原Ａｇ分析物質と一定量の
蛍光発光を表示された抗体Ａｂとを含む流体中に浸漬さ
れる。蛍光膜がＡｇの濃度に比例して形成される。次い
で、励起力が、センサファイバの芯の一端から伝達され
る。免疫学的測定は、「減衰波」現象、即ち被覆中へ短
い距離だけ浸透し、外部のＡｂ／標識Ａｇの混合体と反
応し、励起させる磁場に頼っている。最後に、励起され
た標識混合体からの蛍光は、ファイバの芯内に「再放
射」されてファイバの他端で検出される。この蛍光は、
出力端で反射、放出され、分離して検出することができ
る。
１９８２年に出願された部分的継続出願で、バッテル
は、励起減衰波の分析物質含有流体への浸透を如何にし
て制御するかについて述べている。ここで、芯の屈折率
Ｎ１は、流体の屈折率Ｎ２よりも大きいので、Ｎ１／Ｎ
２の比は、減衰波のＡｂ／Ａｇ複合体の厚さまでのみへ
の浸透を可能にする。このような複合体を薄くすると、
ガラス被覆を無視するだけの屈折率が必要となると言わ
れている。第二のバッテル出願は、光ファイバを用い
た、特に「サンドイッチ」、「制限された反応」、「直
接」および「シーケンス的な飽和」免疫学的測定という
種々のタイプについて述べている。
は、励起減衰波の分析物質含有流体への浸透を如何にし
て制御するかについて述べている。ここで、芯の屈折率
Ｎ１は、流体の屈折率Ｎ２よりも大きいので、Ｎ１／Ｎ
２の比は、減衰波のＡｂ／Ａｇ複合体の厚さまでのみへ
の浸透を可能にする。このような複合体を薄くすると、
ガラス被覆を無視するだけの屈折率が必要となると言わ
れている。第二のバッテル出願は、光ファイバを用い
た、特に「サンドイッチ」、「制限された反応」、「直
接」および「シーケンス的な飽和」免疫学的測定という
種々のタイプについて述べている。
ティー ハーシュフェルドにより開発された免疫学的測
定装置が、１９８４年５月８日に発行された米国特許第
4,447,546号に開示されており、これでは固相と低屈折
率の液相とのインターフェースでの内部全反射が用いら
れて、液相に減衰波を形成している。この波によって励
起された蛍光は、固体内での全反射による、臨界角より
も大きな角度で観察される。固相は、このインターフェ
ースで多数回の内部全反射を生じるように配置されかつ
照明される。特に、固相は、光ファイバの形をとり、こ
れに免疫化学的な反応により形成された複合体の一成分
が固定される。蛍光団が、複合体の他の成分に設けられ
る。蛍光標識成分は、争奪的なあるいははさみ込み測定
が行なわれるかどうかに従って固定化された成分の補体
であるか、類似体であるかすることができる。争奪的な
測定においては、標識成分は、制御された濃度で固定化
された成分に予め付加される。
定装置が、１９８４年５月８日に発行された米国特許第
4,447,546号に開示されており、これでは固相と低屈折
率の液相とのインターフェースでの内部全反射が用いら
れて、液相に減衰波を形成している。この波によって励
起された蛍光は、固体内での全反射による、臨界角より
も大きな角度で観察される。固相は、このインターフェ
ースで多数回の内部全反射を生じるように配置されかつ
照明される。特に、固相は、光ファイバの形をとり、こ
れに免疫化学的な反応により形成された複合体の一成分
が固定される。蛍光団が、複合体の他の成分に設けられ
る。蛍光標識成分は、争奪的なあるいははさみ込み測定
が行なわれるかどうかに従って固定化された成分の補体
であるか、類似体であるかすることができる。争奪的な
測定においては、標識成分は、制御された濃度で固定化
された成分に予め付加される。
ファイバと測定のための付加された構成要素とは、液相
のサンプル中に浸漬され、励起光がファイバの入射端に
放射される。減衰波が、液相中の蛍光励起のために用い
られ、固相中へトンネルをくぐって戻ってくる蛍光（臨
界角よりも大きな角度で伝達される）は、ファイバの入
力端で検出される。
のサンプル中に浸漬され、励起光がファイバの入射端に
放射される。減衰波が、液相中の蛍光励起のために用い
られ、固相中へトンネルをくぐって戻ってくる蛍光（臨
界角よりも大きな角度で伝達される）は、ファイバの入
力端で検出される。
サンプルの観察量は、インターフェースからの距離の関
数としての減衰波の急速な衰えのみではなくて、トンネ
ルの効率の距離と同様に急速な減少によっても制限さ
れ、蛍光団の距離が遠くなると励起の強さも小さくなっ
て蛍光が少なくなるばかりでなく、ファイバにその光放
射が接続される効率も低くなる。結果的に検出される膜
の有効長は、全反射蛍光のみにより観察される領域に比
して大幅に小さくなり、接続効率は領域を大幅にスケー
ルダウンさせることになる。
数としての減衰波の急速な衰えのみではなくて、トンネ
ルの効率の距離と同様に急速な減少によっても制限さ
れ、蛍光団の距離が遠くなると励起の強さも小さくなっ
て蛍光が少なくなるばかりでなく、ファイバにその光放
射が接続される効率も低くなる。結果的に検出される膜
の有効長は、全反射蛍光のみにより観察される領域に比
して大幅に小さくなり、接続効率は領域を大幅にスケー
ルダウンさせることになる。
固相中の多数の内部全反射は、照明ビームによる減衰光
の反覆的な励起を可能にし、これによってサンプル容積
に対して小さな励起光源をより効率的に接続することが
できる。これはまた、検出されるサンプルの量を増加さ
せる。後者は、ファイバ表面を通過するサンプルの拡散
的な循環により補強され、測定されるべき物質は、それ
が通過する際反応によりこのファイバ表面に付着する。
拡散は、実際にサンプルされる膜厚を、薄い表面膜より
もはるかに厚くする。
の反覆的な励起を可能にし、これによってサンプル容積
に対して小さな励起光源をより効率的に接続することが
できる。これはまた、検出されるサンプルの量を増加さ
せる。後者は、ファイバ表面を通過するサンプルの拡散
的な循環により補強され、測定されるべき物質は、それ
が通過する際反応によりこのファイバ表面に付着する。
拡散は、実際にサンプルされる膜厚を、薄い表面膜より
もはるかに厚くする。
ファイバ内にトンネルをくぐって戻ってきた放射光の全
ては、全反射角度内にあって、従ってファイバ内に捕捉
される。蛍光から得られる出力は、蛍光物質内のファイ
バ長に従って増加する。しかしながら、システムの光学
的な処理量（ファイバの口径と開口数とによって定めら
れる）は、一定のままである。ファイバの全ての面から
の全蛍光信号は、拡散によるサンプル容積の増加を乗算
されて、ファイバ内の反射の臨界角によって定められる
制限角度内の角度で入射端においてファイバを励起する
のに使用できる高輝度スポット（これは、直径方向のフ
ァイバ断面である）となる。このような信号は、小さな
検出器と適合させられて高い効率と処理量で容易に集め
られる。
ては、全反射角度内にあって、従ってファイバ内に捕捉
される。蛍光から得られる出力は、蛍光物質内のファイ
バ長に従って増加する。しかしながら、システムの光学
的な処理量（ファイバの口径と開口数とによって定めら
れる）は、一定のままである。ファイバの全ての面から
の全蛍光信号は、拡散によるサンプル容積の増加を乗算
されて、ファイバ内の反射の臨界角によって定められる
制限角度内の角度で入射端においてファイバを励起する
のに使用できる高輝度スポット（これは、直径方向のフ
ァイバ断面である）となる。このような信号は、小さな
検出器と適合させられて高い効率と処理量で容易に集め
られる。
（発明の構成の要旨） この発明は、流体中の分析物質の分光分析的測定に用い
ることのできる三つの誘電的光導波管構造からなる。ま
た、これらの新規な導波管を用いた分析物質の分光分析
的測定方法を含むものである。
ることのできる三つの誘電的光導波管構造からなる。ま
た、これらの新規な導波管を用いた分析物質の分光分析
的測定方法を含むものである。
第一の誘電的導波管は、芯と、被覆と、芯上の反応膜と
を有する。特に注目すべきは、芯は少なく共一個の開口
を芯物質に有し、これは分析物質含有の流体に露出さ
れ、芯を貫通する中空体であることができる。説明の都
合上、導波管は、屈折率Ｎ１を有し、好ましくは可視光
である電磁放射線を透過させかつ開口を有する芯からな
るものとする。芯の厚さは、芯を通過する励起光を伝達
するのに充分な厚さを有している。屈折率Ｎ２（屈折率
Ｎ１より小さい）を有する被覆が、芯の外周に設けられ
る。この被覆は、導波管の臨界角以下に出てくる励起光
の殆んど全てを包含するのに充分な厚さを有している
が、反応膜への減衰波の浸透は可能にする。最後に、反
応膜は、芯開口周囲に配置されて、電磁放射の存在の下
に、信号光を形成するように分析物質と相互に作用す
る。
を有する。特に注目すべきは、芯は少なく共一個の開口
を芯物質に有し、これは分析物質含有の流体に露出さ
れ、芯を貫通する中空体であることができる。説明の都
合上、導波管は、屈折率Ｎ１を有し、好ましくは可視光
である電磁放射線を透過させかつ開口を有する芯からな
るものとする。芯の厚さは、芯を通過する励起光を伝達
するのに充分な厚さを有している。屈折率Ｎ２（屈折率
Ｎ１より小さい）を有する被覆が、芯の外周に設けられ
る。この被覆は、導波管の臨界角以下に出てくる励起光
の殆んど全てを包含するのに充分な厚さを有している
が、反応膜への減衰波の浸透は可能にする。最後に、反
応膜は、芯開口周囲に配置されて、電磁放射の存在の下
に、信号光を形成するように分析物質と相互に作用す
る。
議論されるべき上述の導波管および他の導波管構成の光
伝達は、伝達定数βを有し、ＥｅiβZであって、Ｅは
光波の電界振幅、Ｚは導波管に沿った距離としたときの
モードにより構成される。Ｅに対する振動的な解答、即
ち拘束モードは、Ｋ＝２π／λとし、λを光の自由空間
波長としたときＮ２Ｋ＜β＜Ｎ１Ｋについて得られる。
Ｎ３Ｋ＜β＜Ｎ２Ｋに対する漏れモードも得られるが、
長さＺに沿って通常減少する（Ｎ３は、導波管を包囲す
る流体の屈折率である）。スポットサイズと放射角の適
当な組合せによって、分析物質中への光の浸透は制御可
能である。
伝達は、伝達定数βを有し、ＥｅiβZであって、Ｅは
光波の電界振幅、Ｚは導波管に沿った距離としたときの
モードにより構成される。Ｅに対する振動的な解答、即
ち拘束モードは、Ｋ＝２π／λとし、λを光の自由空間
波長としたときＮ２Ｋ＜β＜Ｎ１Ｋについて得られる。
Ｎ３Ｋ＜β＜Ｎ２Ｋに対する漏れモードも得られるが、
長さＺに沿って通常減少する（Ｎ３は、導波管を包囲す
る流体の屈折率である）。スポットサイズと放射角の適
当な組合せによって、分析物質中への光の浸透は制御可
能である。
例えば簡単のため、Ｎ２＝Ｎ３とすると、電界の分析物
質への延長は、Ｅ〜Ｋν（γｒ）、ｒ＞ａで与えられ、
２ａは芯領域の厚さ、γは、モード数であってγ＝（Ｎ
１２Ｋ２−β２）１／２、Ｋは変形されたハンケル関数
である。これは、同心の円形ファイバの場合に厳密に適
用されるが、ここではおよそのものとして扱われる。こ
の減衰電界の芯モード電界との数学的なマッチングは、
γの値を与える。最低のオーダーのモードに対しては
（ν＝０までの）、Ｅ〜ｅ−γｒ／ｒ，ｒ＞ａである。
質への延長は、Ｅ〜Ｋν（γｒ）、ｒ＞ａで与えられ、
２ａは芯領域の厚さ、γは、モード数であってγ＝（Ｎ
１２Ｋ２−β２）１／２、Ｋは変形されたハンケル関数
である。これは、同心の円形ファイバの場合に厳密に適
用されるが、ここではおよそのものとして扱われる。こ
の減衰電界の芯モード電界との数学的なマッチングは、
γの値を与える。最低のオーダーのモードに対しては
（ν＝０までの）、Ｅ〜ｅ−γｒ／ｒ，ｒ＞ａである。
このようにして、光の分析物質への浸透距離は、λ、放
射（初期）条件（ν）によって選択されたモード、導波
管の屈折率（Ｎ１およびＮ２）、分析物質の屈折率（Ｎ
３）および光の波長λによって定まる。
射（初期）条件（ν）によって選択されたモード、導波
管の屈折率（Ｎ１およびＮ２）、分析物質の屈折率（Ｎ
３）および光の波長λによって定まる。
上述の中空導波管は、以下の如くして使用できる。膜付
きの導波管が、分析物質の反応膜との相互作用および電
磁的に検出可能な複合体或いは混合体を形成するのに充
分な時間だけ分析物質を含む流体中に配置される。ファ
イバが未だ流体中にとどまっているか或いは取り出され
た後に、電磁波が導波管の芯に伝達されて相互作用を行
なう混合体を照射して、信号光を発生させる。最後の段
階は、導波管の芯をモニタすることによる発生信号光の
検出である。この導波管は、二つの端部を有するファイ
バであって、いずれかの一方をモニタすることができ
る。
きの導波管が、分析物質の反応膜との相互作用および電
磁的に検出可能な複合体或いは混合体を形成するのに充
分な時間だけ分析物質を含む流体中に配置される。ファ
イバが未だ流体中にとどまっているか或いは取り出され
た後に、電磁波が導波管の芯に伝達されて相互作用を行
なう混合体を照射して、信号光を発生させる。最後の段
階は、導波管の芯をモニタすることによる発生信号光の
検出である。この導波管は、二つの端部を有するファイ
バであって、いずれかの一方をモニタすることができ
る。
他の新規な導波管は、二つの同心ファイバを有してい
る。屈折率がＮＡである支持ファイバは、中空体である
開口を貫通させている。屈折率ＮＢの第二の芯ファイバ
は、前記の支持ファイバ開口に軸方向に同心に配置され
ている。この軸方向位置を維持するための手段が、マル
チエレメント誘電体導波管を構成するように働く。ＮＡ
／ＮＢの関係は、アセンブリ中でどのように導波管を使
用するかによって定まる。ＮＢは、ＮＡより大きくも、
等しくもあるいは小さくもすることができる。材料の選
択および厚さの如き導波管設計上のパラメータは、従来
から知られているあるいは上述した原理に基づいて定め
られる。
る。屈折率がＮＡである支持ファイバは、中空体である
開口を貫通させている。屈折率ＮＢの第二の芯ファイバ
は、前記の支持ファイバ開口に軸方向に同心に配置され
ている。この軸方向位置を維持するための手段が、マル
チエレメント誘電体導波管を構成するように働く。ＮＡ
／ＮＢの関係は、アセンブリ中でどのように導波管を使
用するかによって定まる。ＮＢは、ＮＡより大きくも、
等しくもあるいは小さくもすることができる。材料の選
択および厚さの如き導波管設計上のパラメータは、従来
から知られているあるいは上述した原理に基づいて定め
られる。
マルチエレメント誘電体導波管を使用するのに三つの一
般的な方法がある。まず、励起光が、芯ファイバから伝
達される。この伝達光の減衰波は、分析物質それ自身或
いは分析物質とファイバのいずれかに設けた反応膜の組
合せと相互作用して、信号光を発生させる。芯ファイバ
あるいは支持ファイバのいずれかが、モニタされて信号
光を検出できることとなるが、検出導波管は、励起用導
波管に等しいかそれを上回る屈折率のものでなければな
らない。
般的な方法がある。まず、励起光が、芯ファイバから伝
達される。この伝達光の減衰波は、分析物質それ自身或
いは分析物質とファイバのいずれかに設けた反応膜の組
合せと相互作用して、信号光を発生させる。芯ファイバ
あるいは支持ファイバのいずれかが、モニタされて信号
光を検出できることとなるが、検出導波管は、励起用導
波管に等しいかそれを上回る屈折率のものでなければな
らない。
他の方法として、励起光の伝達のために中空の支持ファ
イバを用いるものがある。この場合にも、いずれかの導
波管が検出用に使用できるが、検出用導波管は、励起用
導波管に等しいかそれを上回る屈折率を有していなけれ
ばならない。
イバを用いるものがある。この場合にも、いずれかの導
波管が検出用に使用できるが、検出用導波管は、励起用
導波管に等しいかそれを上回る屈折率を有していなけれ
ばならない。
第三の方法は、励起手段として導波管を用いないもので
ある。むしろ、分析物質を含む流体が、励起光の伝達媒
体として用いられる。いずれかの導波管が、検出のため
に用いられる。もちろん、流体は、励起光を伝達できる
ものでなければならない。
ある。むしろ、分析物質を含む流体が、励起光の伝達媒
体として用いられる。いずれかの導波管が、検出のため
に用いられる。もちろん、流体は、励起光を伝達できる
ものでなければならない。
第三の誘電体導波管は、中空の芯を包囲する一連の被覆
を有する細長い部材である。特に、屈折率ＮＸを有する
芯は、これを貫通する開口、即ち中空体を有している。
一連の被覆は、屈折率Ｎ２、屈折率Ｎ１を交互に有し
（Ｎ２はＮ１より小さく、いずれか一方がＮＸと等しい
ことができる）、芯の周囲に配置される。このような構
成により、様々な分析物質および様々な信号放射線に対
して分析を行うことが可能になり、また臨界角以下の放
射線をほぼ完全に捕捉することが可能になる。被覆の数
と厚さは、中空芯内での電磁波の伝達に充分なものにさ
れている。このような構成は、ブラッグ導波管として周
知である。材料の選択および厚さの如き設計パラメータ
は、従来周知の或いは上述の原理に従って定められる。
を有する細長い部材である。特に、屈折率ＮＸを有する
芯は、これを貫通する開口、即ち中空体を有している。
一連の被覆は、屈折率Ｎ２、屈折率Ｎ１を交互に有し
（Ｎ２はＮ１より小さく、いずれか一方がＮＸと等しい
ことができる）、芯の周囲に配置される。このような構
成により、様々な分析物質および様々な信号放射線に対
して分析を行うことが可能になり、また臨界角以下の放
射線をほぼ完全に捕捉することが可能になる。被覆の数
と厚さは、中空芯内での電磁波の伝達に充分なものにさ
れている。このような構成は、ブラッグ導波管として周
知である。材料の選択および厚さの如き設計パラメータ
は、従来周知の或いは上述の原理に従って定められる。
組立ての都合上、ブラッグ導波管の芯内面を、電磁波の
存在の下で、分析物質と相互作用して検出可能な信号光
を形成するように反応物質で被覆する。
存在の下で、分析物質と相互作用して検出可能な信号光
を形成するように反応物質で被覆する。
この被覆されたブラッグ導波管は、第一の中空導波管と
同じような方法でアセンブリ中で使用されるが、励起光
と信号光は共に、ファイバそれ自身ではなくて芯ファイ
バの開口に放射され、伝達される。
同じような方法でアセンブリ中で使用されるが、励起光
と信号光は共に、ファイバそれ自身ではなくて芯ファイ
バの開口に放射され、伝達される。
上述の方法を実施するのに用いられる装置は、当然以下
の部材を有している。電磁波光源、この光源から導波管
内部に光を導く手段、信号光検出手段および導波管から
検出手段に信号光を導く手段がそれである。これらの手
段の全ては、通常のものであり、当業者に周知の構成で
ある。
の部材を有している。電磁波光源、この光源から導波管
内部に光を導く手段、信号光検出手段および導波管から
検出手段に信号光を導く手段がそれである。これらの手
段の全ては、通常のものであり、当業者に周知の構成で
ある。
（実施例の説明） 第１図は、中空の導波管の一実施例を示すものである。
導波管10は、屈折率Ｎ１、約100ミクロンの芯内径およ
び約250ミクロンの厚さを有する中空のガラス円筒状の
芯12を有している。この芯は、屈折率Ｎ２（Ｎ１＞Ｎ
２）と、約250ミクロンの厚さを有するガラス被覆14に
よって外側を被覆されている。光ファイバについての技
術者は、ガラス或いはプラスチックの如き適当な光透過
材料の選択の仕方を知っておりかつこのような構成の製
造の仕方をも熟知している。従って、様々なプロセスの
詳細な説明は、むだである。しかしながら以下の開示技
術をマルチモードおよび単一モード導波管構造の例とし
て掲げる。マウラー等に対する米国特許第3,695,915号
明細書、ケック等の同第3,711,262号明細書、ケック等
の同第3,775,075号明細書およびカーペンターの同第3,8
23,995号がそれである。
導波管10は、屈折率Ｎ１、約100ミクロンの芯内径およ
び約250ミクロンの厚さを有する中空のガラス円筒状の
芯12を有している。この芯は、屈折率Ｎ２（Ｎ１＞Ｎ
２）と、約250ミクロンの厚さを有するガラス被覆14に
よって外側を被覆されている。光ファイバについての技
術者は、ガラス或いはプラスチックの如き適当な光透過
材料の選択の仕方を知っておりかつこのような構成の製
造の仕方をも熟知している。従って、様々なプロセスの
詳細な説明は、むだである。しかしながら以下の開示技
術をマルチモードおよび単一モード導波管構造の例とし
て掲げる。マウラー等に対する米国特許第3,695,915号
明細書、ケック等の同第3,711,262号明細書、ケック等
の同第3,775,075号明細書およびカーペンターの同第3,8
23,995号がそれである。
導波管の芯の内面は、固定化された反応膜16で被覆され
ている。この膜の化学的組成は、検出しようとする分析
物質のタイプおよび発生させようと試みる信号光のタイ
プの応じて変化する。この発明の導波管を用いて検出す
ることのできる分析物質のための、主な必要性は、反応
膜が直接分析物質と結合可能であることである。例え
ば、分析物質が免疫学的な物質（即ち抗体、抗原あるい
はハプテン）であるときは、反応膜は、分析物質となお
結合可能な芯に固定された相補的な免疫学的物質であ
る。かくして、抗原Ａｇである分析物質は、反応膜とし
て芯に対して固定化された成分である相補的な抗体Ａｂ
を必要とする。
ている。この膜の化学的組成は、検出しようとする分析
物質のタイプおよび発生させようと試みる信号光のタイ
プの応じて変化する。この発明の導波管を用いて検出す
ることのできる分析物質のための、主な必要性は、反応
膜が直接分析物質と結合可能であることである。例え
ば、分析物質が免疫学的な物質（即ち抗体、抗原あるい
はハプテン）であるときは、反応膜は、分析物質となお
結合可能な芯に固定された相補的な免疫学的物質であ
る。かくして、抗原Ａｇである分析物質は、反応膜とし
て芯に対して固定化された成分である相補的な抗体Ａｂ
を必要とする。
免疫学的測定の技術者であれば、抗体の選択的な結合特
性を応用して、「サンドイッチ」、「直接」、「制限さ
れた反応」および「飽和」測定などとして知られている
種々のタイプの免疫学的測定を創造することを知ってい
る。米国特許第4,380,580号を参照せよ。さらにこれら
の技術者は、適切な免疫学的物質を、この発明の被覆さ
れた中空の導波管に用いるのに適した反応膜のために選
択することによって免疫学的測定を設計することを知っ
ているであろう。
性を応用して、「サンドイッチ」、「直接」、「制限さ
れた反応」および「飽和」測定などとして知られている
種々のタイプの免疫学的測定を創造することを知ってい
る。米国特許第4,380,580号を参照せよ。さらにこれら
の技術者は、適切な免疫学的物質を、この発明の被覆さ
れた中空の導波管に用いるのに適した反応膜のために選
択することによって免疫学的測定を設計することを知っ
ているであろう。
信号光の選択は、同様に反応膜の選択にも影響を与え
る。例えば、特定の信号の化学ルミネッセンスの形成
が、免疫学的測定において必要なときは、反応膜はこの
とき、固定化された化学ルミネッセント前駆体あるいは
反応体からなることができ、分析物質の存在下で、この
ような信号を発生する。或いは、この前駆体は、米国特
許第4,380,580号に記載されている方法に従って用いる
ことができ、ここで化学ルミネッセンス前駆体は、膜と
反応する抗体か抗原のいずれかに付着させられる。これ
らの構成は、蛍光がモニタされるべき信号であって、技
術者が、反応膜の形成に影響を与えることなく分析物質
あるいは争奪的分析物質（あるいはこれに類似する物
質）のいずれかに如何にして蛍光「標識」を付けるかを
知っている場合の免疫学的測定と対照的なものである。
る。例えば、特定の信号の化学ルミネッセンスの形成
が、免疫学的測定において必要なときは、反応膜はこの
とき、固定化された化学ルミネッセント前駆体あるいは
反応体からなることができ、分析物質の存在下で、この
ような信号を発生する。或いは、この前駆体は、米国特
許第4,380,580号に記載されている方法に従って用いる
ことができ、ここで化学ルミネッセンス前駆体は、膜と
反応する抗体か抗原のいずれかに付着させられる。これ
らの構成は、蛍光がモニタされるべき信号であって、技
術者が、反応膜の形成に影響を与えることなく分析物質
あるいは争奪的分析物質（あるいはこれに類似する物
質）のいずれかに如何にして蛍光「標識」を付けるかを
知っている場合の免疫学的測定と対照的なものである。
必要あれば、反射鏡膜（図示せず）を被覆の外側に設け
ることも可能である。その効果は、等方性の信号光を反
射してより多くの信号を導波管に戻すことであろう。
ることも可能である。その効果は、等方性の信号光を反
射してより多くの信号を導波管に戻すことであろう。
マルチエレメント導波管が、第２図に示されている。導
波管は、二つの間隔を置いたファイバからなることが好
ましい。屈折率ＮＡ、内径1000ミクロンおよび厚さ250
ミクロンの中間円筒型支持ファイバが反射ミラー層24に
より被覆されている。支持ファイバの内部には、屈折率
ＮＢおよび厚さ250ミクロンの芯ファイバ25が位置して
おり、屈折率ＮＣおよび厚さ50ミクロンの被覆26を周囲
に有している。芯ファイバを検出用に用いるときは、Ｎ
Ｂは、ＮＡより大きくかつＮＣより小さい、スペーサ27
は、少なく共環状のリングとして構成されて、芯ファイ
バを軸方向に支持しかつ中空支持ファイバの長手方向内
に同心的に位置せしめられている。
波管は、二つの間隔を置いたファイバからなることが好
ましい。屈折率ＮＡ、内径1000ミクロンおよび厚さ250
ミクロンの中間円筒型支持ファイバが反射ミラー層24に
より被覆されている。支持ファイバの内部には、屈折率
ＮＢおよび厚さ250ミクロンの芯ファイバ25が位置して
おり、屈折率ＮＣおよび厚さ50ミクロンの被覆26を周囲
に有している。芯ファイバを検出用に用いるときは、Ｎ
Ｂは、ＮＡより大きくかつＮＣより小さい、スペーサ27
は、少なく共環状のリングとして構成されて、芯ファイ
バを軸方向に支持しかつ中空支持ファイバの長手方向内
に同心的に位置せしめられている。
最後に、反応膜28が、芯ファイバの被覆の表面を覆って
いる。再び、上述した如く、この膜は組成を変更するこ
とができる。
いる。再び、上述した如く、この膜は組成を変更するこ
とができる。
第３図に示す如く、第三のブラッグ導波管30が、内径10
00ミクロンおよび屈折率ＮＸのガラス中空円筒型芯32
と、複数構成の芯外側の被覆34および前述したものと同
様の反応膜36を有している。反応膜36は、芯32の内部に
設けられている。被覆34は、屈折率Ｎ１，Ｎ２を有する
交互層からなり、Ｎ２＜Ｎ１であって、Ｎ２あるいはＮ
１のいずれかのみが、ＮＸと等しくなることができるよ
うにされている。被覆の厚さは、前述した如く、屈折率
に応じて変化する。
00ミクロンおよび屈折率ＮＸのガラス中空円筒型芯32
と、複数構成の芯外側の被覆34および前述したものと同
様の反応膜36を有している。反応膜36は、芯32の内部に
設けられている。被覆34は、屈折率Ｎ１，Ｎ２を有する
交互層からなり、Ｎ２＜Ｎ１であって、Ｎ２あるいはＮ
１のいずれかのみが、ＮＸと等しくなることができるよ
うにされている。被覆の厚さは、前述した如く、屈折率
に応じて変化する。
第４図に示す如く、一般に、分光分析測定装置に導波管
を用いる装置40は、五つの構成要素からなっている。こ
れらは、電磁波光源42、励起光を導波管46の、芯、被覆
あるいは中空の内部に導くための手段44、信号光検出手
段48、同じ手段44を用いる導波管から信号検出手段に信
号光を導く手段および集めることのできたデータを永久
的な形で記録し、処理する手段49からなる。
を用いる装置40は、五つの構成要素からなっている。こ
れらは、電磁波光源42、励起光を導波管46の、芯、被覆
あるいは中空の内部に導くための手段44、信号光検出手
段48、同じ手段44を用いる導波管から信号検出手段に信
号光を導く手段および集めることのできたデータを永久
的な形で記録し、処理する手段49からなる。
これらの構成要素の大部分は、分光分析装置においては
標準的な構成である。例えば、励起光は、チューン可能
なダイレーザか或いはタングステン電球であることがで
きる。また手段44は、結像レンズ、モノクロメータの格
子、反射鏡および波長選択性のあるビームスプリッタか
らなることができる。最後に検出手段および記録手段
は、フォトマルあるいはフォトダイオードと記憶および
表示機能を備えたマイクロプロセッサであることができ
る。この種の装置の設計は、光学技術者の設計技術の範
囲内で行なえるものであろう。
標準的な構成である。例えば、励起光は、チューン可能
なダイレーザか或いはタングステン電球であることがで
きる。また手段44は、結像レンズ、モノクロメータの格
子、反射鏡および波長選択性のあるビームスプリッタか
らなることができる。最後に検出手段および記録手段
は、フォトマルあるいはフォトダイオードと記憶および
表示機能を備えたマイクロプロセッサであることができ
る。この種の装置の設計は、光学技術者の設計技術の範
囲内で行なえるものであろう。
この発明による導波管を用いる装置の重要な特徴は、導
波管整合手段にある。すなわち、光を導く手段の果すべ
き役割は、励起光が導波管内を伝達されることを保証す
ることにある。従って、周知の光学的な原理に従って、
導波管は、この光と適切に整合しなければならず、さも
ないと拘束された分析物質は、適当な波長の減衰波によ
っては励起されないことになる。単純な適合性円筒ガイ
ドシースに変えてより複雑な精密な成型グリップを備え
た可動の向き合ったあごを有する複数の握持機能を用い
てもよい。
波管整合手段にある。すなわち、光を導く手段の果すべ
き役割は、励起光が導波管内を伝達されることを保証す
ることにある。従って、周知の光学的な原理に従って、
導波管は、この光と適切に整合しなければならず、さも
ないと拘束された分析物質は、適当な波長の減衰波によ
っては励起されないことになる。単純な適合性円筒ガイ
ドシースに変えてより複雑な精密な成型グリップを備え
た可動の向き合ったあごを有する複数の握持機能を用い
てもよい。
第１図は、中空の導波管の断面図、第２図は、マルチエ
レメント導波管の断面図、第３図は、ブラッグ導波管の
断面図および第４図は、上述の導波管を用いる装置のブ
ロック図をそれぞれ示す。 10,20,46……導波管、30……ブラッグ導波管 12,25,32……芯、14,26,34……被覆 16,28,36……反応膜、40……測定装置 42……光源、44……光導入手段 48……信号光検出手段、49……記録手段 22……支持ファイバ、Ｎ１，ＮＸ……芯の屈折率 Ｎ２……被覆の屈折率 ＮＡ……支持ファイバの屈折率 ＮＢ……芯の屈折率 ＮＣ……被覆の屈折率
レメント導波管の断面図、第３図は、ブラッグ導波管の
断面図および第４図は、上述の導波管を用いる装置のブ
ロック図をそれぞれ示す。 10,20,46……導波管、30……ブラッグ導波管 12,25,32……芯、14,26,34……被覆 16,28,36……反応膜、40……測定装置 42……光源、44……光導入手段 48……信号光検出手段、49……記録手段 22……支持ファイバ、Ｎ１，ＮＸ……芯の屈折率 Ｎ２……被覆の屈折率 ＮＡ……支持ファイバの屈折率 ＮＢ……芯の屈折率 ＮＣ……被覆の屈折率
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭51−70694（ＪＰ，Ａ) 特開 昭57−142546（ＪＰ，Ａ) 特開 昭59−81560（ＪＰ，Ａ) 特表 昭56−501297（ＪＰ，Ａ) 特表 昭58−501481（ＪＰ，Ａ)
Claims (19)
- 【請求項１】流体中の分析物質の螢光分析測定に用いる
誘電体導波管において、 a)屈折率Ｎ１を有し、開口を備える中空の芯と、 b)Ｎ１よりも小さな屈折率Ｎ２を有する前記芯周囲の被
覆と、 c)前記開口の周囲に設けられた反応膜とからなり、該反
応膜は前記分析物質に結合可能な物質からなり、前記芯
は螢光標識の螢光を励起する放射線に透過性であるとと
もに前記螢光標識からの螢光放射線に透過性であること
を特徴とする導波管。 - 【請求項２】前記芯がその全長を貫通する中空の開口を
備えている特許請求の範囲第１項記載の誘電体導波管。 - 【請求項３】導波管が、二つの端部を備えるファイバの
形をとり、その一方が反射膜を有している特許請求の範
囲第１項記載の誘電体導波管。 - 【請求項４】導波管がファイバの形をとり、被覆上に反
射膜を有している特許請求の範囲第１項記載の誘電体導
波管。 - 【請求項５】反応膜が、固定化された抗体である特許請
求の範囲第１項記載の誘電体導波管。 - 【請求項６】反応膜が、固定化された抗原である特許請
求の範囲第１項記載の誘電体導波管。 - 【請求項７】反応膜が、酵素である特許請求の範囲第１
項記載の誘電体導波管。 - 【請求項８】流体中の分析物質を分光分析により測定す
る方法において、 a)1)屈折率Ｎ１を有し、開口を備える芯と 2)Ｎ１よりも小さな屈折率Ｎ２を有する前記芯の周囲の
被覆と 3)前記開口の周囲に設けられた反応膜とからなり、該反
応膜は前記分析物質に結合可能な物質からなり、前記芯
は螢光標識の螢光を励起する放射線に透過性であるとと
もに前記螢光標識からの螢光放射線に透過性である誘電
体導波管を形成し、 b)前記分析物質と前記分析物質に結合可能な物質が相互
に作用し得るのに充分な時間だけ前記導波管を流体に接
触させ、 c)相互作用をする前記分析物質と前記分析物質に結合可
能な物質とを螢光標識の存在下に照射するように前記導
波管の前記芯に放射線を伝達し、 d)前記導波管をモニタすることによって相互作用をする
前記分析物質の照射から生じる螢光放射線を検出するこ
とからなる測定方法。 - 【請求項９】放射線源と、螢光放射線を検出する検出手
段とを備え、流体中の分析物質を分光分析測定する装置
において、 a)1)屈折率Ｎ１を有しかつ開口を備える中空の芯と、 2)Ｎ１より小さな屈折率Ｎ２を有する前記芯の周囲の被
覆と、 3)前記開口の周囲に設けられた反応膜とからなり、該反
応膜は前記分析物質に結合可能な物質からなり、前記芯
は螢光標識の螢光を励起する放射線に透過性であるとと
もに前記螢光標識からの螢光放射線に透過性である誘電
体導波管と、 b)前記放射線源から前記導波管に放射線を導いて前記導
波管にこれを伝達する手段と、 c)前記導波管から検出手段に螢光信号放射線を導く手段
とからなる測定装置。 - 【請求項１０】流体中の分析物質の螢光分析測定に用い
るマルチエレメント誘電体導波管において、 a)屈折率ＮＡを有しかつ開口が貫通している支持ファイ
バと、 b)前記支持ファイバの前記開口内に軸方向に配置されか
つ屈折率ＮＢを有する第二の芯ファイバと、 c)前記支持ファイバ内の前記芯ファイバの軸方向位置を
維持する手段と、 d)前記支持ファイバもしくは芯ファイバに設けられた反
応膜とからなり、該反応膜は前記分析物質に結合可能な
物質からなり、前記支持ファイバおよび前記芯ファイバ
は螢光標識の螢光を励起する放射線に透過性であるとと
もに前記螢光標識からの螢光放射線に透過性であること
を特徴とする導波管。 - 【請求項１１】ＮＢが、ＮＡよりも大きい特許請求の範
囲第10項記載の誘電体導波管。 - 【請求項１２】ＮＢがＮＡに等しい特許請求の範囲第10
項記載の誘電体導波管。 - 【請求項１３】ＮＢがＮＡよりも小さい特許請求の範囲
第10項記載の誘電体導波管。 - 【請求項１４】反射膜が、支持ファイバの内部に設けら
れる特許請求の範囲第10項記載の誘電体導波管。 - 【請求項１５】反射膜が、支持ファイバの外側に設けら
れる特許請求の範囲第10項記載の誘電体導波管。 - 【請求項１６】支持ファイバが、ＮＢよりも大きな屈折
率ＮＣの被覆を外側に有する特許請求の範囲第10項記載
の誘電体導波管。 - 【請求項１７】芯ファイバが、電磁波の存在下に分析物
質と相互に作用して信号光を形成する反応膜を備えてい
る特許請求の範囲第10項記載の誘電体導波管。 - 【請求項１８】支持ファイバが、電磁波の存在下に分析
物質と相互に作用して信号光を形成する反応膜を備えて
いる特許請求の範囲第10項記載の誘電体導波管。 - 【請求項１９】流体内の分析物質の螢光分析に用いる誘
電体導波管において、 a)屈折率ＮＸを有しかつ開口が貫通した芯と、 b)Ｎ２がＮ１より小さな屈折率Ｎ１およびＮ２の被覆を
交互に前記芯周囲に配置した被覆であって、そのいずれ
かの屈折率がＮＸに等しいことができ、螢光体標識の螢
光を励起する放射線の前記芯開口内の伝達を可能にする
とともに前記螢光体標識からの螢光放射線の前記芯開口
内の伝達を可能にする数および形状の被覆と、 c)前記分析物質に結合可能な物質からなる前記芯表面上
の反応膜とを有する導波管。
Applications Claiming Priority (4)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| US65271484A | 1984-09-21 | 1984-09-21 | |
| US77307485A | 1985-09-06 | 1985-09-06 | |
| US652714 | 1985-09-06 | ||
| US773074 | 1985-09-06 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPS6189528A JPS6189528A (ja) | 1986-05-07 |
| JPH0664063B2 true JPH0664063B2 (ja) | 1994-08-22 |
Family
ID=27096347
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP60208548A Expired - Lifetime JPH0664063B2 (ja) | 1984-09-21 | 1985-09-20 | 分光分析測定に用いる導波管およびこれを用いた測定方法 |
Country Status (5)
| Country | Link |
|---|---|
| EP (1) | EP0175585B1 (ja) |
| JP (1) | JPH0664063B2 (ja) |
| AU (1) | AU583053B2 (ja) |
| CA (1) | CA1266998A (ja) |
| DE (1) | DE3584210D1 (ja) |
Families Citing this family (11)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US4852967A (en) * | 1986-03-25 | 1989-08-01 | Ciba Corning Diagnostics Corp. | Evanescent wave sensors |
| EP0245206A1 (en) * | 1986-05-05 | 1987-11-11 | IntraCel Corporation | Analytical method for detecting and measuring specifically sequenced nucleic acid |
| BE1000572A4 (fr) * | 1987-05-20 | 1989-02-07 | Block Myron J | Cellule rta, appareil et procede pour titrer un polynucleotide dans un liquide. |
| GB2227089A (en) * | 1989-01-11 | 1990-07-18 | Plessey Co Plc | An optical biosensor |
| US5144690A (en) * | 1990-12-03 | 1992-09-01 | Corning Incorporated | Optical fiber sensor with localized sensing regions |
| GB9212305D0 (en) * | 1992-06-10 | 1992-07-22 | Applied Research Systems | Sensor for optical assay |
| CA2108705A1 (en) * | 1992-11-06 | 1994-05-07 | Richard Barner | Biologically recognizing layers on new ti02 waveguide for biosensors |
| US5922534A (en) | 1995-03-28 | 1999-07-13 | Hewlett-Packard Company | Dry biochemical assay plate and method for making the same |
| GB9508559D0 (en) * | 1995-04-27 | 1995-06-14 | Polytech Transfer Ltd | Surface second harmonic and sum-frequency generation immuno and enzyme assays |
| US6320991B1 (en) * | 1998-10-16 | 2001-11-20 | Imation Corp. | Optical sensor having dielectric film stack |
| EP2929325B1 (en) * | 2012-12-04 | 2020-06-24 | The University of Queensland | Method for the detection of analytes via luminescence quenching |
Family Cites Families (8)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US3966580A (en) * | 1974-09-16 | 1976-06-29 | The University Of Utah | Novel protein-immobilizing hydrophobic polymeric membrane, process for producing same and apparatus employing same |
| CA1058414A (en) * | 1974-11-11 | 1979-07-17 | Monsanto Company | Optical analytical device, waveguide and method |
| US4341957A (en) * | 1975-11-26 | 1982-07-27 | Analytical Radiation Corporation | Fluorescent antibody composition for immunofluorometric assay |
| US4399099A (en) * | 1979-09-20 | 1983-08-16 | Buckles Richard G | Optical fiber apparatus for quantitative analysis |
| US4402819A (en) * | 1980-03-17 | 1983-09-06 | University Of Delaware | Antibody-selective membrane electrodes |
| JPS57142546A (en) * | 1981-02-28 | 1982-09-03 | Shimadzu Corp | Infrared multiple reflection type oil concentration measuring apparatus |
| DE3215484A1 (de) * | 1982-04-26 | 1983-11-03 | Sagax Instrument AB, 18302 Täby | Aus mehreren schichten bestehender schichtkoerper und verfahren zum nachweis und/oder messen der konzentration einer chemischen substanz, insbesondere biologischer herkunft |
| US4447546A (en) * | 1982-08-23 | 1984-05-08 | Myron J. Block | Fluorescent immunoassay employing optical fiber in capillary tube |
-
1985
- 1985-09-20 CA CA000491277A patent/CA1266998A/en not_active Expired
- 1985-09-20 JP JP60208548A patent/JPH0664063B2/ja not_active Expired - Lifetime
- 1985-09-20 DE DE8585306711T patent/DE3584210D1/de not_active Expired - Lifetime
- 1985-09-20 AU AU47639/85A patent/AU583053B2/en not_active Ceased
- 1985-09-20 EP EP85306711A patent/EP0175585B1/en not_active Expired
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| AU583053B2 (en) | 1989-04-20 |
| AU4763985A (en) | 1986-03-27 |
| JPS6189528A (ja) | 1986-05-07 |
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