JPS6249244A

JPS6249244A - 検体を分光分析する方法および装置ならびにそれを使用する誘電体導波路

Info

Publication number: JPS6249244A
Application number: JP61177921A
Authority: JP
Inventors: ラルフ　アントン　ウエストウィッグ
Original assignee: Corning Glass Works
Current assignee: Corning Glass Works
Priority date: 1985-07-31
Filing date: 1986-07-30
Publication date: 1987-03-03
Also published as: EP0211587B1; CA1295147C; DE3689095D1; DE3689095T2; EP0211587A2; EP0211587A3

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】本発明は流体中の検体についてのスペクトル分光分析に
使用するための新規な二次螢光誘電体導波路（ずなわら
ファイバ・オプティック）むン４」に関する。本明細書
では、特にこのようなセンサを免疫分析に使用する場合
について開示されている。

種々の分析試験において光導波路が用いられている。例
えば、Ｃｌ１ｎ、　Ｃｈｅｍ、　２９　／　９、ｐｐ１
６７８〜１．６８２（１９８３）におけるマイケル・ジ
ェイ・セバニアクほかによる［オプティカル・ファイバ
・フルオロプ「Ｉ−ブス・イン・クリニカル・アナリシ
ス」と題する論文には、単一ファイバ・フルオロプロー
ブ（ｓｉｎｇｌｅ　−ｆｉｂｅｒｆ　１ｕｏｒｏｐｒｏ
ｂｅｓ）を得るために石英光ファイバおよびレーザ励起
を用いることが記載されている。その論文の著者たちは
、皮下注射針内に一木のファイバを入れ込むことにより
、間質性体液内の種々の治療用薬物検体の螢光の生体内
での測定を得ている。その著者たちは、そのプローブで
は螢光励起体としてレーザ光源を用いなｌればならない
と述べている。

１つのフルオロプローブ鰻重では、ザンブリングのため
に毛管作用を用いている。所定の長さの光ファイバから
保護被覆が除去され、そしてその光ファイバが標準のガ
ラス毛細管内に摺り込まされ、この場合、その光ファイ
バは毛細管の壁に任意に接触するが、その管の全ＪｉＳ
にわたって番」延長していないようになされる。この構
体が皮下注射針内に配置される。

光導波路を用いた免疫分析が、ハソトル・メモリアル・
インスティチュートのヨー口・７バ特許出願第８２　２
０１１０７．８号および第８１８１０３８５．５号に開
示されており、後者の出願には、ファイバ・オプティッ
クスを用いた競合反応免疫分析が開示され−こいろ。さ
らに詳細には、センサ・ファイバを形成するために、屈
折率（Ｎ１）のコアと屈１７１率（Ｎ２）のクラッド（
ただしＮ、＞Ｎ２）を有する単一モードまたはマルチモ
ードのガラス光ファイバに抗体（Ａｈ）フィルムが被覆
される。

免疫分析は次の３つのステップで行なわれる。

最初に、センサ・ファイバが、Ａ、に個有の抗原（Ａ９
）検体と既知の星の螢光ラヘルのｌａｂｅｌｌｅｄＡ９
を含有ｊ７た流体内に浸漬される。Ａｑ沼度に比例した
螢光性被覆が１杉成される。次１．５二、セン４Ｉ・コ
ア・イハの二１ア内ｔこ一端から１・”方に励起Ｊ１９
射綿が伝播される。この免疫分析は微小波（“ｅνａｎ
ｅｓｃｅｎ　＋ｗａｖｅ″）現象、すなわら励起放射線
の１つの成分がり（部Ａｂ／標識Ａ９複合体と相ｎ′作
用するためにフラノ［′内Ｇこ短い距離だけ入り込む電
磁場成分に４）とづいている。最後に、励起された複合
体からの螢光が−ｌｌ円内再注入（ｒｅｉｎｇｅｃｔｅ
ｄ）されてそのコア内を下刃に伝播され、コア・イハの
反対側の端部において検知される。その螢光は出力端か
ら反射され、そこで分離、検出されうる。

１、記バノ１〜ル・メモリアル・インスティチｉ−トが
１９８２年に掃出した−・部継続出願には、検体を含有
した流体内への励起微小波浸入を制御することについて
記載されている。この場合１．コアの屈折率（Ｎ１）は
ｆｌｕｉｄの屈折率（Ｎ　Ｚ）　Ａ、りも人きく、比Ｎ
　ｌ／　Ｎ　２により微小波がＡ　ｂ　／　Ａ　９殉合
体の厚さだけ浸入しうるようになされている。このよう
な複合体の薄い層は、ガラスを排除するファイへの屈折
率を必要とすると汀われている。また、さらＱこ多くの
免疫分析試ネ−１、特に［サン１−イソチｊ　（ｓａｎ
ｄｗｉｃｈ）、リミテソトリエージェンｌ（ｌｉｍｉｔ
ｅｄ　ｒｅａｇｅｎｌ１）　、およびシーツＪンシャル
、　４）チュレーション（ｓｅｑｕｅｎｔｉａｌ　５ａ
ｔｕｒａ日ｏｎ）分析が含まれている。

本発明は、流体内の検体のスペクトル分光による分析に
おいて有用な新規のトープされた誘電体導波路構造を提
供する。また、本発明は、この新規な導波路を用いて検
体をスベク（・十分光によりり（枡する新規な方法をも
提供する。

この誘電体導波路または光ファイバは、■外的にトープ
された′コアと、好ましい形態では幾つかの同心状のコ
ア層を有する。説明のＬｊ的のために、この導波路は、
検体流体よりも大きい屈折率（Ｎ　１）を有するコアを
具備している。非常に重要なこととＬ７て、コアは、溶
液中の検体からの一次信ルＪ放射線（ｐｒｉｍａｒｙ　
５ｉ（Ｈｎａｌ　ｒａｄｉａｔｉｏｎ）と相ｙｌ’作用
し゛Ｃ増幅された一゛１次信号ｈ＆射線（ｓｅｃｏｎｄ
ａｒｙ　ｓｔｇｎａｌｒａｄｉａｔｉｏｎ）を形成しう
る化合物をトープされていこのトープされた導波路は次
の、Ｌうなり様で用いられる。導波路が検体含有流体内
に配置される。

次に、そのファイバが目Ｕ閉内にある状態かあるいはそ
の流体から取り出されて後に、電磁放射線（ｅｌｅｃｔ
ｒｏｍａｇｎｅｔｉｃ　ｒａｄｉａｔｉｏｎ）が導波路
の′コア内を下方に伝播されて検体を照射し、それによ
リー次信号放射線を発ｌｌ−する。コアのドーパントは
この一次信号放射線によって励起され、そして二次信号
放射線を放出する。最後の工程は、そのようにして発生
した二次信号放射線を、導波路のコアをモニターするこ
とにより検出することである。

典型的には、その導波路は、２つの端部を有し、それら
のうちのいずれかの端部をモニターしうるファイバであ
る。

あるいは、最初に伝播された波によって励起され、それ
により検体と相互作用しうる一次信号放射線を放出する
ドーパン］・を選択してもよい。存在する検体のドーパ
ント量が信号の減衰に比例することから一次信号の吸収
またはケンチング（ｑｕｅｎｃｌＩｉｎｇ）をモニター
することができる。他ノ、−５第２の１゛−バント励起
方法は、検体と１−”−パン１の一次信号との相ｑ作用
によって発１１される二次信号をモニターするだけであ
る。勿論、この方法を実施するだめの装置は下記の構成
要素を具備１−２でいるであろう。ずなわち、電（イ１
放射線源、この電磁放射線源からのち、ｈ射線をそれが
伝播される導波路のコアまたはクラッドに案内する手段
、信号放射線検知手段、導波路からの信号放射線をその
検知手段に案内するための手段を具備ｔ７ている。

以下図面にボす本発明の実施例につい°ｒ説明する。

同心状のマルチプル・コアを有するトープされた導波路
が第１図に示されている。導波路１０は、屈折率Ｎ１を
有する円柱状の一次コア１２を有ｔ−７ており、このコ
ア１２の列側には、屈折率Ｎ２を有する二次コア１４と
、屈折率Ｎ、（ただしＮ。

≦Ｎｌ　＞Ｎ２）を有する三次コア１８が被覆されてい
る。適当な光学材ｌ：ｔ　（例えばガラスおよびプラス
チック）を選んでそのような構造を作成することは当業
者には周知であるから、種々の製造方法についての詳細
な説明し、１不必要である。しかしながら、多モードお
よび単一モード導波路構造についての参考文献として、
米国特許第３６９５９１５号、第３７１．１２６２号、第３７７５
０７５号および第３８２３９９５号をあげておくことに
する。

一次コアは全体にわたってドーパント１６をドープされ
ている。このドーパントは、ｉｉｉ独であるいは電磁的
に検知可能な複合体の一部分として存在する検体を励起
することＣ１″、よってｌ■゛じた一次信号放射線と相
互作用して二次信号放射線を生ずるように選択される。

ドープされた導波路：１７をモニターすることによって
、そのコア内を伝播される二次信ηを検知し、従って検
体濃■を検知することができる。

ガラスコアに適当な螢光性有機染料をドープする１つの
方法はイ［（温ガラスを用いることである。

米国特許第４３１４０３１号および第４３７９０７０ｍには、有機化合物の混入を許容するの
に十分なだけ低い融屯を有オイ、すず・リンオキシ・フ
ッ化物ガラスに−）いて記載、され−ｒいる。

二次螢尤熔起お、Ｉ、び／ｉ（？出の７５−めの特定の
１゛−ベントのｉＫ択は、検体単独であるいは添加され
た反Ｌ１＼、物との組合・１！で発生される一次信号に
括づいている。例えば、検体が６２５十ツメ−Ｈ，ｎ（
ｎ　ｒｎ　’１の波長で・次信ｉｉ−（螢光）をｆｉｂ
出すると、に２５ｎｍ放射綿によって励起される化合物
４」アに１−ブする。例えば６７５ｎｍにおけるそのド
ーバン■・からの−二次螢光を干二ターする、′、１に
よ−、で、存在する検体のりを決定することができる。

検体が免疫分析の、１、ろな複合体の一部う（である場
合の用途Ｑこ対しては、導波路のり→７１−は固定され
た反応物被Ｆｉｆ１９で被われる。、゛の被覆の化学組
成は、検出され・９つある検体の種類、ｊ：、発生ｊ−
２ようとＵ、ている−次信号の種類に１５１；て変化す
る。検体に関しては、反応物被覆が検体を直接結合する
ことができ、かつある種の場合には結合された検体を選
択的に釈放するこ２−ができるということが士たる要（
−１である。例えば、検体が免疫学的物質（ずなわら、
抗体、抗原またはハプテン）である場合には、反応物被
覆は免疫学的物質よりなり、ぞし、てそればまだ検体に
結合し７うるコアに固着される。従って、抗原検体は、
相補性抗体がコアに固定されること４必要とするであろ
う。当該分野では、［サンドイッチ−１，１−ダイレク
ト」、「リミテッド・リエージエント」および「サチュ
レータ９フ十分析を創出するためにこれらの選択的結合
特性を応用している。当業者に１１、これらの分析にお
いてド・−ブされた導波路を用いるのに適した反応物被
覆および螢光［タッグ−１に対Ｊる適切な免疫学的物質
４選択しかつ準備する方法については明らかである・）
。

他方、他の実施例においては、検体信号の化学ルミネセ
ンスの生成が所望される場合には、反応物被覆は、検体
が存在しでいる状態で、この信号の発生を生ずる固定さ
れた化学ルミネセンス前駆体または反応物よりなる。し
かしながら、この場合には、ファイバに励起波長を入射
さセる必要から、導波路：、、■−一次光の検知器古し
て用いｒ）才１・）る。

一般的に、スペクトル分光６）折装置２０で、てれらの
導波路を用いるための装置は、第２図１＝概略的に示さ
れた５つの構成要素４有している。イ才′ＩＣ″−）の
構成要素は、励起放！・ｉ線源２２、励起放射線２４を
それが伝播される導波路２６に案内する１″段、信号放
射Ａ′、！ｉ！検知Ｔ段２８、導波路からの信号放射線
（２４をも）信号放射線検知手段ζこ案内４−る手段、
および好ま１−＜は、検知データをより永久的な形で成
果する、でとので八る記録および処理−１段２９である
。

、−れらの構成要素のは１℃・んどは、スペクトル分光
器に対する標準的な要素である。例えば、励起体はダイ
・チノ、−ナブル・１／−ザ（ｄｙｅ−ｔ、ｕｎａｈｌ
ｅｌａｓｅｒ）またはタングステン球でありうる。案内
−１”段は四重Ｉノンズ、モノクロマメータ回折格子、
ミラー、および波長−選択じ−ｌ、分割器で構成さ１１
うる。最後に、検知器および記録器は、二次電子増倍管
またばフォ１ダイオ・−ドと記憶お、Ｊ、び表示機能を
有するマイク【１ブｊＪセツサでありうる。この種の装
置の設５ｔｉｒ当業：＃ｔｔニーは容易であろ・）。

本発明に、１、る導波路を用いる装置の重要な１〜゛僧
は、導波路心合手段である。ずなわら、案内ｆ段の機能
の一部は、励起ｔ１ケ射線が導波路内を伝播されるよ’
＋　！、：、することである。従って、公知の化学的原
理によれば、導波路はこの！Ｉ々躬線Ｃ，′適切Ｃ，二
心合されな＋Ｊればならず、さもなｔＪわば、結合され
゛た検体が適切な波長の微小波１．によっ−（励起され
ない。整合用の筒状ガイ１．・シースのような簡単なも
のから、精密成形されたグリップを自する１１１動対向
ジ９−のような複雑なもの：ｒ：での１−）以］の把持
構成が用いら第１うる。

これらの１゛−プされた導波路溝１６における光伝掲は
伝捕定数βを有するモーｌよ幻なり１、−の場合ｐ　＞
　ｅｉ戸ノとなるよ・うになされ、■）は光波電界振幅
、Ｚは導波路に沿った距離である。［侃、″、ついての
発振解すなわら結合子−１′は、Ｎ、ｋ＜β（Ｎ　、　
ｋ　４：ｍつき得られる。ただし、ｋ＝２π／〕であり
、これは光の自由空間波長である。Ｎ、ｋ　＜β〜’：
Ｎ、にとなる漏洩上−１も得１”）相るが、それｔ）は
一般に１辷さ２ととも１．テ消失す−る。スボソ［・４
１イズと入射角のｉｎな郭ＩＨ〜（弓こよっ１検体内へ
の光の浸入が制御されうろ。

引金ば、籠中のムコめにＮ、−・Ｎ、であるとすると、
検体内・＼の電界のり１：長は［？、へにν　（γｒ）　　　　γ＞ａの場合によって
！、７えられる。ただし、？ａ１．ｔコア領域のｌソさ
を表わし２、蓼・は干−トナンバ・−、ン−（Ｎ　＋　
”　ｋ　２　　β”）””　、、には修正されたハンノ
ｙル関数である。これは、同心状の円形フγ・イハの場
合に厳密（５，：該当するが、ここでは概略的に用いら
れ・うる。この微小電界の数学的整合がγの４ｈを）ｊ
えるゆ最低次子−１゛′、ν・−０の場合には、ｌ尤〜
　−−−−−−−−−−−（ｒ＞ａ）きなる。従って、
検体内−５の光の浸入距離はλに依存し７、そしてそれ
は入射（初回）条件によって選択されるモート（ν）、
導波路の屈折率（Ｎ　＋およびＮ１）と検体の屈折率（
Ｎｓ）、１よび尤の波長（λ）に依存゛１ろ。

１ソト本発明の好、ｅ　Ｌ、い実施例について説明し７
だが、本発明はそれにＩ（１！定されるものＣはなく、
請求の範囲内で神々の変形変更が可能であり、それらの
変形変形も本発明の範囲に属するものであることが容易
に理解されるであろう。

【図面の簡単な説明】

第１図はトープされた導波路の断面図、第２図は）−記
導波路に使用するための装置の概略図である。図面において、１０は導波路、１２は一次コア、１４は
一次二Ｊア、１日は三次コア、］　９　＋；＋反応物被
覆、２０はスペクトル分光分析装置、２２は励起放射線
源、２４は励起放射線、２６は導波路、２８は（ｉｊ−
号ｈシ射線検知手段、２９は記録および処理°ｒ段をそ
れぞれ示す。

Claims

【特許請求の範囲】１、流体内の検体をスペクトル分光により分析する方法
であって、ａ）前記流体を、ｉ）その流体の屈折率よりも大きい屈折率を有するコア
と、ｉｉ）このコア内に配されていて、前記検体によって放
出された一次信号放射線により励起されて二次信号放射
線を発生しうるドーパントを有する導波路と接触させ、ｂ）前記検体と反応物が相互作用しうるのに十分な時間
のあいだ前記導波路を前記流体と接触させ、ｃ）前記導波路のコア内に下方に放射線を伝播させて前
記相互作用する検体および反応物に照射させかつ前記一
次信号放射線を形成し、ｄ）前記コアに前記一次信号放射線を照射することによ
って生じた前記二次信号放射線を検知することよりなる
方法。２、流体内の検体をスペクトル分光により分析する方法
であって、ａ）前記流体を、ｉ）その流体の屈折率よりも大きい屈折率（Ｎ＿１）を有するコアと、ｉｉ）前記検体によって放出されうる一次信号放射線に
よって励起されうるとともにその一次信号放射線をケン
チング（ｑｕｅｎｃｈｉｎｇ）しうるドーパントを有す
る誘電体導波路と接触させ、ｂ）前記導波路のコア内を下方に電磁放射線を伝播させ
て一次信号放射線を放出する検体のすべてに照射させ、ｃ）前記一次信号放射線のケンチングの程度を検知する
ことよりなる方法。３、電磁放射線源と、電磁放射線を検知する手段を有し
ており、流体内の検体をスペクトル分光により分析する
装置であって、ａ）誘電体導波路であって、ｉ）前記流体の屈折率よりも大きい屈折率（Ｎ＿１）を
有するコアと、ｉｉ）前記コア内に配され、前記検体によって放出され
た一次信号放射線により励起されて二次信号放射線を発
生しうるドーパントを有する誘電体導波路と、ｂ）前記電磁波放射線源からの電磁放射線を、それが前
記導波路内を下方に伝播されるように、その導波路に案
内する手段と、ｃ）前記導波路のコアから二次信号放射線を前記検知手
段に案内する手段を具備する装置。４、流体内の検体をスペクトル分光により分析するのに
使用するための誘電体導波路であって、ａ）前記流体の
屈折率よりも大きい屈折率（Ｎ＿１）を有するコアと、ｂ）前記コア内に配されていて、前記検体によって放出
された一次信号放射線により励起されて二次信号放射線
を放出しうるドーパントを具備した誘電体導波路。５、特許請求の範囲第４項記載の誘電体導波路において
、前記流体の屈折率よりも大きい屈折率（Ｎ＿３）を有し
、かつ前記コアの少なくとも一部分を包囲するがそれに
接触しない寸法および形状となされた外装要素をさらに
具備した前記導波路。６、特許請求の範囲第４または５項記載の誘電体導波路
において、前記コアが反応物被覆を有しており、その反
応物被覆は、電磁放射線の存在するもとで、前記検体と
相互作用して一次信号放射線を形成するようになされた
前記導波路。７、特許請求の範囲第４または５項記載の誘電体導波路
において、２つの端部を有し、一方の端部がミラー被覆
を有するファイバー形成を有している前記導波路。