JPS6249240A - 分光分析用光学的プロ−ブとしての波動ガイド - 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】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、例えば可視光、紫外光又は赤外光片の電磁気
エネルギーを伝達する波動ガイドに関ｊ５２、このよう
な波動ガイドは、化学的又は生化学的物質の分析用分光
機器中での光学的手段として使用することができ、該化
学的又は４４＝化学的物質番；［該手段と接触ずろと、
ガイド中の前記光の伝達パラメーターのいくつかを変化
させる。例えば光吸収、回折、拡散、波長のシフト、螢
光の発生等のパラメーターの変化を測定すると、分析す
べき物質に直接関連するデータを提供するごとができる
。分析すべき物質は、波動ガイドが接触する液体に溶解
させて測定に分析物全体を含ませるようにＵ２ても、あ
るい４Ｊガイド表面に塗布された特殊なりガントと反応
さｉＪ゛て経時的な成長速度が分析すべき物質の区別で
きる特徴を構成する被覆物を形成させるよう乙１−シ”
ζもよい。

以下余白 〔従来の技術と発明が解決しようとする問題点〕一般に
このような波動ガイドは、薄肉で平坦又はシリンダー状
ファイバーの形を有し、それらは臨界角θＣ（それより
小さいと屈折が起こる）より大きいが一般にそれに極め
ζ近い値の入ル１角θでの多数の内部反射により、光シ
グナルを伝達することを保証する。

この種の波動ガイドをＮ、■み込んだ分析用機器がその
ような装置に関する測定技術とともに最近開示されたく
ヨーロッパ特許用ＴＭＥＰ−Ａ−８４，８１０，６０１
，９号参照）。本発明で開示される波動ガイドは、その
ような装置内で使用することができ、実際に特別に有用
な本発明の実施例を構成する。後述の説明でる才上記出
願書類を直接参照するが、本発明の波動ガイドは該出願
で開示され、その特許請求の範囲に記載された分析装置
の要素として直接使用できるものと考えられる。

該参照出願書類に開示された波動ガイドは、二重の光学
的伝達要素（５Ｌ５２；７Ｌ７ｂ第１−３図参照）から
成り、その配置は、光シグナルを適切な入射角でそこに
投射しそこから現れろジグリール１−集めるために、比
較的′ｌ！Ａ雑な位置関係で配置された光学的手段（ミ
ラー）の使用を必要とする。実際のところ、該光学的要
素の入射及び出１１用プリズムの特殊な位置関係（参照
出願の第１−３図参照）のため、該要素の外部における
光シグナルの経路はむしろ複雑で、波動ガイドの方向に
対して鋭い角度を形成する。従って明白な構造的な理由
から、その光軸に対してほぼ平行、又はこの方向に対し
て実質的に小さな角度で入η・１させる、−とができ、
出射するシグナルもほぼ同様な基準に従う波動ガイドを
提供することが望ましい。

〔問題点を解決するための手段および作用効果〕上記要
請と一致する波動ガイドは、本発明により、ほぼ光軸に
平行である複数の主平面と、切子面を有する両末端部と
、平面又は曲面である側面部を有し、反射角度がガイド
と外界の媒体の屈折率の糺み合わせにより決定される臨
界角θＣよりも大きい角度θである多数の内部反射によ
って、１記切子面の１つからガイドに入射ずろ光シグナ
ルを伝達するために適用される、直線状に形成された下
用で薄肉の波動ガイドにおいて、ガ・イドの少なくとも
１つの末端の近傍において、前記ニド平面が、その間に
楔型斜角部を形成し、該斜角部の背面がガイドの末端部
を形成し７、かつ該斜角部が光シグナルの人！Ｉ・Ｉ川
明イ面を含むように広がり、かつ該切子面は、該シグナ
ルをガイＩ゛の光軸と平行な方向となるように斜角部内
へ屈折させ、該シグナルを楔型の傾斜面に突き７１律Ｃ
１そこからガイドの主部中へ全反射さ」Ｊるよ・うに位
置していることを’Ｌ’＋徴とする波動ガイドとして提
（Ｊｊされる。その好適な実施例乙こよると、波動ガイ
ドの、楔型斜角部の傾斜面と平行な平面との角度（β）
は、βへ０．５（９０６−〇）に対応する。

入射及び出射シグナルに関しては、出η・１シグナルは
いくつかの場合に、入射シグナルがガイドが位置する媒
体の作用により、ガイドに沿って進む間に修１丁ミされ
（例えば一部吸収され）た後に、入１・１シグナル（又
番：１ぞの残留部）から偵接誘導され、あるいは出射シ
グナルは、励起シグナルのカｙ、退している波動成分と
相互作用した媒体により生ずる宜なった種類の光線（例
えば螢光の発住）から成ることができることは注目すべ
きである。次にこのような螢光は、波動ガイドと分析物
の境界面からガイド中へ戻し、励起シグナルの角度θに
対応してもしなくてもよい内部反射の角度でその中を伝
達さ−ｌる。その差が大きいと、ガイドから現れる螢光
を有する出射シグナルの方向は、入射シグナルの方向か
ら夕（れ（これは例えば入射及び出射用とし、て同じプ
リズムが使用されている場合に重要なことである）、こ
のような状態は構造的に都合の良いことであり、入射源
の位置に対する出射検出装置の位置を角度的に補うこと
が可能になる。

出射プリズムを入射プリズムと一致さ」決ないよ・）製
造でき、ガイドの入射プリズム以外の箇所に位置さセる
ことができることは明らかである。例えば入射プリズム
を波動ガイドの一端に位置させ、出射プリズムを他端に
位置させる、二とができる。

この場合２つのプリズムの傾斜角は同等であ５っても異
なった値を有していてもよく、これは励起及び応答シグ
ナルが異なった角度θで進む場合に特にそうである。

更に、所望の波動ガイ）ξの実施例によっては、ガイド
の楔型部の片面が傾斜し２ていても両面が傾斜していて
もよいことが認められる。換言すると、片面傾斜の場合
、ガイドの主平面の片方のみがガイドの末端に向かって
他方から離れ始め、主平面の第２の面がガイ［−の光軸
と平行であることを維持する。他の場合には、第２の面
も第１の面と対称的に又は非り・ｊ称的に広がる。

本発明の波動ガイドの１つの実施例によると、その構造
は、その末端面が主平面に対して直角である、透明物質
から成る直角の平行六面体の構造（斜ソｊ晶プリズム）
である。このガイドの傾斜した末端部は、２つの辺が９
０°の角度で交差する１又はそれ以上の三角形の楔型プ
リズムから形成される。ブリズ１、ば、ガイドの末端部
の近傍で平行な主平面の１つに向かって位置する傾斜面
によりガイドと一体化されている。プリズムは、斜辺で
ない２つの隣接する辺のうちの自由面がガイドの末端面
又はイーの延長部と平行な方向Ｇこ伸びる、つまりそれ
は通常ガイドの光軸（ぞしてその平行な主平面）に向か
って伸びるよ・）位置（ッている。

従って、ガイｌ：が同じ主゛１人面Ｆに入射プリズム及
び出射プリズムを有し、励起シグナルをプリズムに、通
常該ブリズＪ１の波動ガイドの末端面から伸びる斜辺で
ない２つの辺のうちの１つ（楔型部の背面）の面に入射
させる、つまり励起シグナルがガイドの主平面と平行な
関係となる。Ｌ、　・つに入射する場合には、入射光線
は（内部の傾斜面に突き当たった後）角度θでの多数の
内部全反射によりその中を伝達され、１つ又は両方の主
平面と接触する分析物と相互作用をした後、出射プリズ
ムから依然として同じ方向に進むように現れる。

〔実施例〕

添付図面は、本発明をより良く理解するためのものであ
る。

第１図に示される波動ガイドは、光シグナルＩが交差す
る、例えばガラス、水晶又は成型されたプラスチックス
等の透明材料から成るプＬ−−ト又はスラブ２０から成
っている。成型は射出又は圧縮で行・）ことができる。

プＩ／−）２（１の主表面２＋ａ及び２１ｂ（才平行で
、ガイドの光軸の全般的なｊｊ向性を限定する。、二の
波動ガイドａ、ｉ一端（他端は図面中に示さない）にお
いて楔型部２２を形成し２、その傾斜面２履よ水平に位
置している平面２目）に対して角度βの傾斜を有してい
る。該楔型部の背面２４は、角度ｉを有する光シグリ・
ルの入射光線が入射する、ガイＦの切子面端を構成して
いる。該切子面は、ガイドの主表面に対して、（ガイド
とり■界、例えば空気のそれぞれの屈折率（ｎｌ及びｎ
２）の値を考慮して）もし２光線Ｉが角度ｉでこの切子
面２４に入射するならば、該光線がガイドの光軸に平行
な方向に角度ｒでｉｉｉむようにガイド中へ屈折するよ
うになるように傾斜している。このような条件ドでは、
屈折し７たシグナルＲは傾斜した斜面２３に角度β（−
１−述した値を有する〉で突き当たり、そして平面２１
ａに向かって屈折して該平面に角度θ（ＩＩ） （θ〉β）で到達し、ぞ（−７てぞ−ごからガイ１゛の
曲線部中へ内部全反射がこの用爪θと４Ｃろ、ｔ、　’
］　ｔ：”、伝達される。

波動ガイ１′２０の図示されていない部分（末、ｌ、ｉ
ｉｉ部）は、４図示された部分に対称的な同一・部分と
−することができ、又は該部分は異なっていて後乙こ示
ず変形例と対応するものであってもよい。

第２図の波動ガイドは、前述の実Ｊｆｉｉ例の場合と同
じように透明＋４料から成るブ［／−１又はスラブ１か
ら成り、それは、その下面の両端に適用されたＬきに、
それぞれｔ綿３の入射及び出射部材として機能する楔型
プリズム２ａ及び２１１午有Ｕ７、該プリズムの屈折率
ば波動ガ・イ１゛の屈折率と同一・である。該光シグナ
ルはガイド内を（入射及び刷射）角度θの多数の内部全
反射に、Ｌ勾進んでいく。プリズム２ａ及び２ｂの斜辺
と波動ガイド−の主下血つまりその光軸とで形成する角
度はβ−ごあり、βは上記の通り史にβ・０．５Ｘ（９
０°−θ）とＬ７て定義さｈる。

従って、光シグナル３が通常のよ・）にガイ１の末端面
（それ自１ガイドの軸に垂直である）の延長であるプリ
ズムの斜辺でない２つの面の１つに入射すると、それは
プリズムの斜辺により角度βで反射し２図中に矢印で示
した経路に従っζ進む。

プリズム２ｈは対称に位置しているので、出射シグナル
は依然とし”ζ波動ガイドの軸に平行である方向にガイ
ドから現れる。

プリズム２ａ及び２ｈば、接合部材間？、こ存在するこ
とのある不連続性が光シグナルの透過を阻害しないよう
波動ガイドの表面に接合されている。従ってその組み立
てはそのｆｆｉで折率がアセンブリ一部材の屈折率にで
きるだけ近いニカワを用いて行うことができる。好まし
くは、プリズムが波動ガイドと一体であること、つまり
全体の組み立てを、例えばポリメタアクリＩ／　−１−
、ポリスチレン、ポリカーボネー１−等の射出成型用プ
ラスチックスを用いて一体成型で行うようにする。

図面−１−では、簡略化及び明確化のために、波動ガイ
ド番よその周囲の操作に必要な部材を除いて歌独で図示
しである。このような全ての周囲の部材は従来からある
ものと理解さＪｌ、そのうらのいく一つかは前述の参照
出願中心ご例示されている。

第３図は、分析用のキヱー、ソト占波動ガイドの複合体
を示すものである。キュベツトの底部５ζ３：１、該底
部プレート５と一体化されその両末端部６，１゜６ｈが
楔型部をり〜えるために傾斜した平行な平面を有する平
らな波動ガイドから成り、全体が一体成型されている。

該楔型部は、第２図の実施例の場合と同じように、矢印
７ａで示される波動エネルギーを、プリズムの斜辺でな
い一辺の末端面に通常のように入射させるように意図さ
れ、これにより該波動エネルギーを角度θで反射して、
ガイド５の平行六面体部分中へ導き、該波動エネルギー
を内部全反射により伝達する。この波動エネルギーはプ
リズト部６ｈ中へ偏向され、矢印’７ｂで示ず）ｍす、
ガイド５の主平１ｍに平行となるようｔこ現れる。

図示された該アセンブリーは更に、通常の様に底部５上
に立設された縦方向及び横方向の壁体８及び９を有し、
該全アセンブリーは、波動ガイド５の１：、面に接触す
る分析用溶液を収容Ｖるための分析用キ５．＋、へ・ノ
ドを区画している。分析の間、ガイド５内を全反射に、
Ｆ、り伝達される波１１エネルギー７ａ〜７ｈ番、−１
、反１・１点（、乙］旨Ｊる）■と分析物さ−の相互作
用により変化さ・ｌ！られる。ごのよ・うな相互作用は
、：フーロソバ特許出願第８４，８１０，６０１．９−
号及び同第８４，８１０，６００．１号に開示されてい
るようｔこ、伝達されるジグリールの衰弱化、又（、：
目１り折、螢光等の他の光学的現象をη゛じさ−Ｕるこ
とができる。このような変化がどのようなものであろう
と、それらはセルから現れるシグリ′ルアｈに影響を与
え、１ｆｆ３常の手段に従ってこのシグナルを検出し７
、増幅しかつ処理すると所望の分析データを提イｊ（す
る。

木キフ、ベットば、区画壁１０により２゛っコンパート
メント 分析を実施するのに適している。選択用機器（図示しな
いが、例えば置換できろシャッター板や一部ビーム系等
の従来のものである）４１．ｔ，励起光を、前部コンパ
ートメント（図面中に示されろ波動バック７ａ〜７ｂ）
中、又は後部′１１ンバートメント　（波動パンクＩｌ
ａ〜１１１））へ投射さゼることができる。

シグナル（７ｂ．　ｌｌｂ）を検出するため、置換でき
ろシャッター板の場合には、両ジグリール７　ｈ及び１
１ｂを測定するｆｉｔ−の大型検出装置を使用すること
ができる。その他には、２つのシグナルを独立かつ同時
に集める２つの独立した検出装置を使用することもでき
る。該シグナルをイＪ用なデータζこ処理するための手
段及び表示のための１段は既知であり、上記した参照出
願中に例示されている。

一般に本セルは２より大きい数のコンパーＩ・メントを
有することができ、そして対応する数の分析を同時に行
えるよう設計することができる。

第４図に示す変形実施例は、主平面が１１いに平行であ
る波動ガイド３０と、共に前記主平面の方向に対して角
度βだけ傾斜している面３１，　３２により区画された
プリズム部である末端部旧から成っている。本波動ガイ
ドば他端６．二、フィルター３３とミラー３４を有して
いる。図面ば更に、操作上必要ないくつかの周囲の部材
、・つまり励起シダ・ノ・ルｉｌ［ｆ　３　５、参照検
出装置３６、ビームスプリッタ−３７、フィルター３８
及び主検出装置３９をぜ■略的に示し７ている。

入ｎ・１シグナル源から発４トする波ＩＱ２１の入射シ
グリ゛ルＥをビームスプリッタ−３７で反射させた後、
波動ガイドに楔型プリズム旧の前面に垂直に投射すると
、傾斜した壁部３１及び３２により、該シグナルＩ瀉ま
内部反射によりガイＦの直線部に沿って伝達される。ガ
イドが浸されている分ｔＪｉ溶液との相７丁作用により
、励起シグナルｒ暑よ波長λ，の螢光放射を発する。波
動ガイドの末端部で、λ，シグナルは鋭いカットオフフ
ィルター３３によりストップされ、−古詩フイルター３
３は螢光放射綿Ｆ（λ２）は透過させる。後者の螢光放
射線Ｆはミラー３４により逆方向へ反射されてガイド内
へ入り、ビームスプリッタ−３７と狭幅の通過フィルタ
ー３８を通過し７た後、最終的には検出器３８に集めら
れる。励起光の減退する成分と分析物との間の相互作用
により固体／液体境界面で発生する螢光は、逆方向を向
くように一部がガイドに戻され、これによりなくとも一
部の該螢光シグナルが反射ミラーを必要とすることな（
検出器で利用できるようになるため、ミラー３４及びフ
ィルター３３は操作」−必要では（］７） なく、望むならば省略し２“ζもよいことは注目される
べきである。その代わりに、波動ガイド３０をシリンダ
ー状に成型し、截頭円錐状の人！ｌ−Ｉ／出射部から成
るようにすることができる。

本発明は、本発明を限定するものでない次の実施例によ
り更に例示される。第３図に示される型のキュベットを
使用して血液成分の分析を行い、測定は２つの異なった
成分の分析を目的として、２つの成分のそれぞれの組成
をセルの分離されたコンパートメント中で決定した。こ
の分析はヨーロッパ特許出願第８４，８１０，６００．
１号の出願ＰＺ類の実施例５に詳述されている測定法と
へ致し２、・方では全ヘモグロビン分析に関し、他方で
はＩＩｂＡＩＣのようなグリコシド化されたファクター
に関する。

このテストのために、予めキブ，ヘットの前部コンパ−
１−メントの底部をｌＩｂＡ］ｃ特貰性のある抗体で被
覆し、他のコンバートメン１−は処理しないま１トの状
態とする。パイレックスガラス製でその屈折率（ｎ，）
が１．５１である、射出成型で一体成型されたキュベツ
ト（楔型末端を含む）を使用した。分折物（水溶液）の
屈折率（ｎ２）は１．３４であ−２た。

この場合計算された全反射臨界角θＣは、既知の式θｃ
　＝　ｓ　ｉ　ｎ−’　（ｎ２／ｎ＋）から４算すると
約６２．６　’である。従って傾斜角βば最大限度の値
である１３．７°より僅かに低い値である１２°に選択
された。

セルの大きさは次のｊｍりとした。長さ３０ｍｍ、幅１
０ｍｍ、　各コンバートメン１−の幅約５　ｍｍ、　各
ｍｌンバートメンｌ−の容量０．５−（１，７ｍｌ、波
動ガイドの厚さ０．５　ｍｍ、　ＩＱ、型部の高さ１．
２２ｍｍ、ｌ＋Ｊｊ斜部の長さ５．６　ｍｍ。

ヨーロッパ’ＩＭ許出願第８４，８１０，６０１．９号
の出願書類に与えられたデータに対応する残りの操作用
要素には次の修正を施した。シグナル源からのビームは
セルの外側にある検出器とともにキュベツトの底部に平
行な直線上に位置させ、楔６ａ及び６ｂの背面の切子面
を通過さセる。操作条件と結果は上述の出願書類に開示
されたものに類似していた。

他の実験では、本発明による波動ガイドを使用する際の
、射出成型された要素の製造時の偏差から４トず；り結
果を確認した６ｊハ択しまたキ１、・＼、・（・（３１
第３図のものと類似ｉ７、ポリメタクリル酸メチルを使
用１．７て押出成型で製造した。セルの底部（波動ガ・
イト）の厚さは０．５ｍｍ、楔の角ｒｘ′＋ｘ１２°及
び喫の長さは５ｍｍとしプこ。テスト用分！Ｉ■＃勿は
１０ｍｇ／ｍ＋のヘモグロビン溶液とした。テストの間
、入射プリズムへの入射角を反射角の限ｙＩ！条件にで
きるだけ近付くまで変化さゼた。実際に、入射角を９０
°から他の値−２変化させるこｅ’＝　（直角プリズム
を使用）は本発明の範囲夕（であイ）（、−のよ・）に
変化さ・ｌると、屈折したビームがもはやガ・イ１゛の
光軸と平行°こなくなる方向にミー／ブトさｔする）が
、それば傾斜角として選択されたイ直（、−の場合ば１
２６）が適切であるか、あるいは工業的な成型に固有の
寸法十の許容範囲内ζ４二ないか（成型二■−程の間の
温度変化に起因する縮み等の変形）を容易に決定するこ
とを可能にする。

入射角を変化させた場合の伝達値（４１’：　、Ｅユニ
・）１）は次の通りであ、、た。

以１％！白 入射−月−υ−）　　　　　　イに達−１直Ｂｇ　　　
　　　　　　　２６９４ ９０　　　　　　　　　　２５１　］ 成型した傾斜角を１２６とした上記結果は、通常の場合
がそうであるように最適の入射角は８８゜であり９０６
でないことを示している。従って本発明の範囲内におけ
る効率を最大にするためには、実施できる限度内（１２
°及び１．３．８５　°の間、上限は臨界角により制′
４１１する）で傾斜角を僅かに増加させることが望まし
い。

従って同じデザインの新しいセルの製造時に型の傾斜角
を修正して、任意に１４°及び１６°にセットした。そ
の結犀により、成型角度が約１４゜であるときにより良
い結果が達成され、１６°では良い結果が得られないこ
とが示された。これは、上記した製造時の偏差から見て
、成型角度をｉＪｎ常の場合を僅かにト回る４ｆｉと１
，７たききに最適の結果が得られたことを意味している
。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明に係わる波動ガ・イドの概略断面図、 第２図は、他の変形例の断面図、 第３図は、第２図に示されたガイドの変形例を構成する
二重の光学的部材を有する分析用キ２丁、・＼ットの斜
視図、 第４図は、操作のために含まれる傾斜部材を有する他の
変形例の概略断面図である。 １・・・プレート、　　　２ａ、　２ｈ・・・楔型ブリ
ズＪ１．３・・・光シグナル、　　　４・・・傾斜面、
５・・・底部、　　　　　６ａ、　６ｔ−＋・・・末端
部、７ａ、　７ｂ・・・波動エネルギー、

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、ほぼ光軸に平行である複数の主平面と、切子面を有
   する両末端部と、平面又は曲面である側面部を有し、反
   則角度がガイドと外界の媒体の屈折率の組み合わせによ
   り決定される臨界角θ＿Ｃよりも大きい角度θである多
   数の内部反射によって、上記切子面の１つからガイドに
   入射する光シグナルを伝達するために適用される、直線
   状に形成された平坦で薄肉の波動ガイドにおいて、ガイ
   ドの少なくとも１つの末端の近傍において、前記主平面
   が、その間に楔型斜角部を形成し、該斜角部の背面がガ
   イドの末端部を形成し、かつ光該斜角部が光シグナルの
   入射用切子面を含むように広がり、かつ該切子面は、該
   シグナルをガイドの光軸と平行な方向となるように斜角
   部内へ屈折させ、該シグナルを楔型の傾斜面に突き当て
   、そこからガイドの主部中へ全反射させるように位置し
   ていることを特徴とする波動ガイド。 ２、傾斜面の、ガイドの光軸方向に対する角度βが、β
   ＝０．５×（９０°−θ）であることを特徴とする特許
   請求の範囲第１項に記載の波動ガイド。 ３、平行な主平面に対して垂直方向を向く一端面を有す
   る透明材料から成る直角な平行六面体から成る波動ガイ
   ドにおいて、その末端斜角部のうちの１つが、斜辺でな
   い２つの辺のなす角が直角である三角形の楔型プリズム
   から成り、斜辺でない２つの辺の隣接面の１つの面がガ
   イドの主平面の１つに向かって位置し、他の面がそれに
   向かって正常に広がりかつ該面が楔型プリズムの背面を
   構成することを特徴とする特許請求の範囲第１項に記載
   の波動ガイド。 ４、第２の末端部も傾斜して、第１のプリズムと対称な
   位置に他のプリズムを構成することを特徴とする特許請
   求の範囲第３項に記載の波動ガイド。 ５、波動ガイドが、複数の主平面のうちの第２の主平面
   上に位置し、かつ第１のプリズムの位置と対称の位置に
   ある他のプリズムを有することを特徴とする特許請求の
   範囲第３項に記載の波動ガイド。 ６、三角形のプリズムが、屈折率が波動ガイド体の屈折
   率と同じ材料で製造されていることを特徴とする特許請
   求の範囲第３項から第５項のいずれか１項に記載の波動
   ガイド。 ７、波動ガイドが分析用キュベットの底壁を構成し、そ
   の主平面の１つが空気と接触し、他が分析媒体と接触し
   ていることを特徴とする特許請求の範囲第３項から第５
   項のいずれか１項に記載の波動ガイド。 ８、キュベットが好適な壁部により２又はそれ以上の縦
   方向のコンパートメントに区画され、各コンパートメン
   トのキュベット底部の各平行部を独立した光シグナルが
   進むようにしたことを特徴とする特許請求の範囲第７項
   に記載の波動ガイド。