JPS63263446A - 無限小波センサ - 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） 本発明は高い数値口径を有することができ、種々の形の
光学に基づいたアッセイに使用できる新しい無限小（Ｅ
　ｖａｎｅｓｃｅｎｔ　）波センサに関する。

従来のファイバ光学デバイスと異なり、本発明のセンサ
は接触点でどんなりラッド法も使用しない。

（従来の技術） 光学に暴づいたアッセイの検出手段として無限小の波現
象を使用することは従来知られている。

マイロン・ブロックの全反射スペクトロスコピー（ＴＲ
ｓ）技術（米国第４，４４７，５４６号および米国第４
，５５８，０１４号）は、蛍光標識を付けた分析体を励
起し、得られた蛍光を検出するため無限小波を使用する
。そこに示されているように、センサは、少なくともフ
ァイバを保持するクラッドによって囲まれたコアを備え
る光学電気通信タイプのファイバからなる。ファイバの
他の部分は、免疫化学的に反応する物質、すなわち、抗
原または抗体で被覆されている裸コアを有する。このベ
ーシックセンサの形状は、ティー・カーターらのＷ　Ｏ
８３１０１１１２号やディー・ケツクらの米国第６５２
，７１４号のような他の刊行物にも見られる。

エネルギー分離を保証するクラッドまたは装置の存在は
正と負の効果がある。正の面ではクラッドはファイバを
保持するモードのストリッピングを防ぐ。これは、ある
場合には、すなわち蛍光測定では１％以下の励起エネル
ギーが信号として戻るので、無限小波検出用センナを使
用する場合、特に重要である。従うて、クラッドは信号
ストリッピングが生じないようにする必要がある。しか
し、このアプローチの負の結果としては、選択的にスト
リップするかまたはファイバにクラッドを加えることが
難しい製法および固有のｉｌｌ限が含まれ、クラッドは
センサの臨界角または数値口径（ＮＡ）を賦課する。

一般に光学繊維または導波デバイス、および特に無限小
波センサの臨界角θＣは、送出装置、伝搬装置、および
周囲ｉｕｔの屈折率間の差によって決定される。導波管
の縦軸に関しては、これは最大角に関連し、光は導波管
に入って、そこに止まり、導波管によって伝搬される。

実際に、この技術は臨界角よりもむしろ導波管の数値口
径（ＮＡ）に関連する場合が多い。数学的には、この関
係は次式で表される。

ＮＡ−ＮｏｓｉｎθＧ＝＜Ｎ＊”　　Ｎ２２）”式中　
Ｎｏ−送出装置の屈折率 Ｎ！−伝搬装置の屈折率 Ｎ２−周囲装置の屈折率 （第１図参照） く問題点を解決するための手段） 本発明はイムノアッセイ、酵素臨床化学アッセイ、分子
プローブ雑種形成アッセイ、セル測定、および色素ベー
スのｐＨ／血液ガスアッセイのようなフォーマットを含
む光学的に検出できるアッセイにおいて有用である無限
小波センサに関する。

しかし、これらのセンサの使用は、水溶液に限られず、
むしろ、気体または非水環境で使用できる。

これらのアッセイのラベルまたは標識は、技術分野で良
く知られている蛍光、化学発光、および吸光化合物を含
む。

センサは２つの部分、光透過部材と保持装置から成る。

前者は多数の形状、例えば円筒状または平面状の電磁波
伝播デバイスである。機能的には、これは光を導波管に
沿って、導波管の伝播表面（および、勿論、これに伴う
無限小波）が光学的に検出でき、あるいはラベルした分
析体に接触する地点まで運ぶ。

本発明の意外な新規性は、光透過部材を波伝播表面と接
触させる保持ｓｎの使用にあり、この光伝導装置は従来
のクラッドまたはエネルギー絶縁装置を取り付ける必要
がない。保持￥ＡＷ１は波伝播表面に接触する。３種の
一般的な場合があり、そのひとつは厚さに依存する。

シール材料が光学的に透過性で、光透過部材を囲む媒体
よりも屈折率（Ｎ３）が大きい場合、モードストリッピ
ング、すなわち接触原因による透過光の損失を、接触点
で厚さをコントロールして最小にする。接触点の厚さは
光学パラメータ（ｆ）によって割ったラムダ（λ）より
も小さく、ラムダは伝播角シータ、（θ）のタンジェッ
トで割った光透過部材の断面厚に等しい。シータは光透
過部材の臨界角より小さ、いかまたは等しく、第２図に
示したように、ｆは波ガイドとシールの界面を横切る光
透過と結合した材料依存パラメータであり、１とＯの間
で変化する。

シールの光学力損は、シールまたは光透過部材の接触表
面が光学的に透過するかまたは光学的に反射する材料か
ら作られている場合には、厚さに依存しない。前者の場
合、シールは光透過部材と試料の両者よりも小さい反射
率を有する材料から作られる。これに対して後者の場合
、シールまたは光透過部材は両者の間の界面に反射表面
を有′？ｆる。

従来のタイプのクラッドがない場合、これらセンサのＮ
Ａは、光透過部材と周囲の媒体、例えば空気や水の屈折
率間の差に依存することになる。

従って、水をペースとしたアッセイでは、センサＮＡ領
域の高い所は、約０．３に制限されず、０．６まで広が
る。

容易に製造できるという要求と可能性を広げることとの
組合せは、本発明において無限小波センサを選択させる
。従来のクラッド工程は除かれ、ＮＡの平均が大きくな
ると、センサの感度も大きくなる。フリーなフルオレセ
インと結合した蛍光信号は非常に変化し、ｓｉｎ　”θ
ＩａＸに等しく、このときのθＩａＸは光透過部材に進
入する光に対する最大角であることが実験的に決定され
た。

（実　施　例） 本発明のセンサは広範囲の材料から選択して作ることが
できる。光学ガラスとプラスチックは、光透過部材とし
て好ましい。この選択は、選ばれた励起　と検出波長、
およびこれらの波長で可能な吸収または内部蛍光干渉に
基づく。特に、本発明の目的のために、「光」は紫外と
赤外領域を含む可視スペクトルの外側の波長を示す。

同様に、保持装置も種々の材料から作ることができるが
、材料の選択は、最小の光摂動に対し接触点で必要な厚
さに影響を及ぼす、光透過部材内の光透過率（Ｔ）は次
式で与えられる。

Ｔ−１−（ｔｆ）　／λ 式中のｔはシール厚、■は０〜１である。

Ｎｓ、ＮｚおよびＮ３　（Ｎ３はシールの屈折率である
）の相対的な大きさによって、幾つかのケースが生じる
。

色−ユ 乞２　　　ｌｊ」Ｌｌ　　　到塑刊匹塁阻Ｉ　　　Ｔ＝
１　　ｆ−ＯＮｌ＞Ｎ２＞Ｎ３　　ｊは機能しない２　
　０＜Ｔ＜Ｉ　　Ｑｄ　＜　１ Ｎｓ　＞Ｎ３ｆ％　　　　（ｔ　／λ）ｆべ１３　　０
＜Ｔ＜１　　ｆ−１ Ｎｓ−Ｎｉ＞Ｎｚ　　　（ｔ／λ）べ１４　　０＜Ｔ＜
１　０＜ｆ　＜１ Ｎ３＞Ｎｓ　＞Ｎ＋ｅ　　　（ｔ　／λ）ｆへ１５　　
　ＴＡｌｌ　　１’、ｓｏ　　Ｎｔ＞Ｎｚ　　　　　ｔ
は本質的に機能しない 機工の第１のケースでは、ｔはｎ能しない。従ってシー
ル厚は、シールが光透過部材内の電磁放射を維持するの
で、木質的に重要でない。実際に周囲媒体の屈折率より
も小さいがまたは等しい屈折率をもつシール材料が選ば
れる。残りのケースは、多分、光透過部材に使用される
材料としてシール材料が選ばれ、しかも材料の選択範囲
も大きいので、実用性が大きい。第２のケースでは、光
学ガラスから作られて水溶液に囲まれている光透過装置
にポリフッ素化炭化水素（例えば登録商標テフロン）が
使用される。このようなシールは、テフロンの屈折率が
水溶液の屈折率と一致するため好ましい。

ラテックスのような他の材料または光透過材料自体をシ
ールに使用する場合、Ｎ３はＮ２より大きいかまたは等
しいので、シール厚は表■の第３と第４のケースに示さ
れる条件に制限されなければならない。例えば、ゴムシ
ールを光学ガラスから作られた光透過部材に使用する場
合、力損はシールの厚さに大きく依存する。

ＲｖＩｔに、表■の最侵のケースは、最初のケースのよ
うにｔがゼロに近いセンサに関連している。

しかし、シール材料の選択は屈折率には依存しない。こ
こでは、シールは反射するが、光学的に透過しない。例
えばシール接触面は鏡様コーティングから成る。コーテ
ィングは、光透過部−材の接触表面またはシール表面に
被覆される。

センサ装置の形状はひとつの形態に限られない。

光透過部材は一定の厚さを有する中実または中空または
円筒または平面であってよい。従来の電気通信ファイバ
センサと異なり、厚さは容易に１０００ミクロンを超え
ることができる。保持装置は、光透過部材および保護シ
ールドまたは試料容量シールド、ロッキング装置等のよ
うな結合センサ構造物の両方に適合する。勿論、かぎと
なる特色は、接触点の厚さが前記範囲を超えないことで
ある。

この接触点は、別個にするか、または、つかみフランジ
リングに没入させる。

保持装置は、光透過部材の′Ｗｉ磁放射送出端からセッ
ト距離（Ｘ　＞内で光透過部材に接触することが好まし
い。これは、送出した光点が光透過部材の断面よりも小
さい場合、シールの動揺（ｐｅｒｔｕｂａｔｉｏｎ　）
効果を減らす。数式で表わすと、０この距離は次式で定
義される。

ｘ　−（Ｒｆ　−Ｒｓ　）　／ｔａｎθ式中のＲ「一部
材の断面厚の１／２、 Ｒｓ−送出された光学スポットの断面厚の１／２　（Ｒ
ｆ　＞Ｒｓ　）、 θ−角シータ（上記と同じ）である。

実際に、代表的なイムノアッセイセンサは第３図に示し
たような形態である。

センサ１０は光学ガラス（ｎ　−１，４６）から作られ
、直径５００ミクロン、長さ７αの光透過部材または導
波管（ｔ２）を含む。導波管のファイバの周りには、直
径が大きく長さが短い（５α）入口および出口装置（ｔ
６）を有する管状試料チャンバ（ｔ４）を設置する。ま
た、試料チャンバに凹んだファイバを用い長くして、キ
ャップはファイバをつかむように内側に延ばづことがで
きる。保持装置は、テフロン（ｎ　−１，３４＞から作
られた成形端ヤヤップ（ｔ８）を含む、チャンバ端をつ
かむように設計された形状であり、気密シールを形成し
、最小の動揺となるような小さい接触距離で光透過部材
に周囲で接触させる（表■参照）。

当業古はこの種のセンサの広範囲の用途を認める。例え
ば、無限小波のＩＲまたはＵｖ吸収は多くの有機液体を
同定し濃度を測定し、化学プロセスコントロールのため
のモニターとしてセンサは役立つ。

過度に厚い接触点の彰青は次表から容易に認められ、観
察された蛍光信号は０．１４〜２．００　ａｓｓのシー
ル厚の増加と共に９００ｃｐＳから５１ｃｐｓに減少す
る。

表　　　　π 無限小波センサシール材料 ゴ　ム　ラテックス　テフロン （登録商標） 屈折率　　　　　１．５１　　　１．５１　　　１．３
４シール厚（＃ｌ＠　）　　　２，００　　　０．１４
　　　０．２５蛍光信丹（ＣＩ）Ｓ　）　　５１　　　
９００　　　８０００テフロンのような低屈折率材料と
薄い接触距離の両方を使用すると、極めて良く最適化さ
れた信号を与える。（上記の結果は１０４モルでフルオ
レセインの水溶液を使用して得られた。）本発明の無限
小波センサの使用は、下記の２実施例に示され、両例共
に第４図に示したような光学装置を使用した。

溶液蛍光シ］ 第５図において、フルオレセインイソチオシアネート（
ＦＩＴＣ）を種々のａ度で含有する水溶液を、ファイバ
の周りの試料チャンバに入れた。

４９０ｒｖの励起光を用い、光ｍ子カウンタでｃｐｓと
して５２５ｎＩｌｌ蛍光発光を検出し、蛍光信号とＦＩ
ＴＣｖａ度との間の関係を確立した。これは、市販の従
来の溶液キュベツト蛍光計（パーキンエルマーモデル６
５０−４０）で観察された濃度曲線に対する蛍光と良く
一致している。

イムノアッセイ 第６図では、蛍光計イムノアッセイを７？イバセンサを
用いる臨床上適切な分析フェリチンに対して構成し、こ
のセンサにおいてガラスファイバ成分をあらかじめ、ウ
ィートオールによる米国特許第３，６５２，２７１号に
記載された技術によって抗フェリチン抗体にカップルさ
せた。次にセンサを種々の°８１度の７エリチンとイン
キュベートし、（免疫結合反応を生じさせ）、洗浄し、
次にＦＩＴＣでラベルされた第２の７工リチン抗体でイ
ンキュベートした。結合したラベル抗体のｖ１合は、試
ｒｌ中のフェリチン澁に比例して、蛍光信号のレベル（
ｃｐｓで表わされる）が上がるまで増加する。アッセイ
範囲は臨床に関連してアッセイを２０分またはそれ以下
で行うことができた。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明センサのシールの断面図であり、第２図
は角シータ（θ）を示す本発明センサの断面図であり、 第３図は本発明センサの好適な形状を示寸断面図であり
、 第４図は本発明センサに使用する光学装置の線図であり
、 第５図は本発明センサと従来の溶液蛍光計の感度を比較
したグラフであり、 第６ＦＡは本発明センサで実施した蛍光イムノアッセイ
を示すグラフである。 １０・・・セ　　　　ン　　　サ　　１２・・・導　　
　波　　　管１４・・・試料チャンバ　　１６・・・出
　　　　　口［Ｍ　ＦＩＴＣＩ　　　　Ｆ７ｇ、５ ｎｇ　７工リ干ン／ｍｌ　　り１おジ Ｆ々、６ 第１頁の読き ■Ｉｎｔ、ＣＩ、’　　　　　　　識別記号　　　庁内
整理番−［Ｆ］発　明　者　　ラドルフ　イー　ス口　
　アメリカ合考バセク　　　　　　　　　　−ク　キン
ク−国　マサチューセッツ州　０２０５６　　ノーフオ
′　ストリート　６０

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １）ａ）屈折率（Ｎ＿２）を有する媒体によって囲まれ
   た屈折率（Ｎ＿１）を有し、Ｎ＿１がＮ＿２よりも大き
   い光透過部材、および ｂ）屈折率（Ｎ＿３）を有し、Ｎ＿３はＮ＿２よりも小
   さく、波伝播表面で光透過部材に接触するようにデザイ
   ンした形状である保持装置 を含む無限小波センサ。 ２）光透過部材が円筒状または平面形状を有する特許請
   求の範囲第１項記載のセンサ。 ３）ａ）光透過部材、および ｂ）ｉ）波伝播表面で光透過部材に接触し、ｉｉ）接触
   点で光学パラメータ（ｆ）によって割ったラムダ（λ）
   よりも小さい厚さを有し、λは角シータ（θ）のタンジ
   ェットで割つた光透過部材の断面に等しく、θは光透過
   部材の臨界角よりも小さいか等しくなるようにデザイン
   した形状である保持手段 含む無限小波センサ。 ４）ｆが１であり、保持装置に対する接触距離（ｔ）が
   λよりも小さい特許請求の範囲第３項記載のセンサ。 ５）保持装置が光透過部材の送出端から距離（ｘ）内で
   光透過部材に接触し、 ｘ＝（Ｒｆ−Ｒｓ）／ｔａｎθであり、 Ｒｆは光透過部材の断面厚の１／２に等しく、ＲｓはＲ
   ｆがＲｓよりも大きい導波管で伝播されるため送出され
   た光学スポットの断面厚の１／２に等しい特許請求の範
   囲第３項記載のセンサ。 ６）光透過部材が円筒状または平面形状である特許請求
   の範囲第３項記載のセンサ。 ７）ａ）光透過部材、および ｂ）波伝播表面で光透過部材に接触し、このような接触
   で反射するようにデザインした形状である保持装置を含
   む無限小波センサ。 ８）光透過部材が円筒状または平面形状である特許請求
   の範囲第７項記載のセンサ。 ９）ａ）少なくとも１の反射表面を有する光透過部材、
   および ｂ）反射表面で光透過部材に接触するようにデザインし
   た形状である保持装置を含む無限小波センサ。 １０）光透過部材が円筒状または平面形状である特許請
   求の範囲第９項記載のセンサ。