JP4771545B2 - 蛍光測定器 - Google Patents

Description

本発明は、強度判定または時間分解測定のいずかを使用して、蛍光を生成し測定するための装置である、蛍光測定器に関する。

エピフロレッセンス顕微鏡は、従来、試料位置、ビームスプリッタおよび検出器が、たとえば第１の方向の共通軸に沿って垂直に隔置されて配置され、励起光源が片側に離れている、直線的な光学的構成にされている。この構成では、試料位置から放出された蛍光が、レンズシステムによって平行にされ、ビームスプリッタを通過し、その蛍光の波長以外の波長を除去するようにフィルタされて、最終的に検出器上に合焦される空間を設けることに対し、高さを最小にするという制約が、課せられる。以下でより詳細に議論するように、図１に、そのような従来の構成を示す。蛍光の応用には、放出される蛍光の強度は、通常不十分である。さらに、蛍光プローブが、皮膚などの光散乱媒体中に置かれた場合、蛍光は、等方性で、またはランバート型放射パターンに従って放出される。いずれのケースでも、検出される蛍光は、光学システムの開口数とともに増加する。通常のエピフロレッセンス設定では、大開口数が、通常、いくつかのレンズを使用することによって得られ、それは、コーティングレンズの場合でさえ反射損および光散乱をもたらす。

試料位置から測定した装置の必要な高さを低減するために使用することができる、複雑さが低減された代替の汎用光学的構成を開発することは、望ましいはずである。

したがって、ここで、本発明は、第１の態様において、表面またはその下で蛍光を生成し検出するための装置を提供する。前記装置は、
前記表面上に亘って延びる光路に沿って蛍光励起光を誘導するための光源と、
光源から前記光路の一部分に沿って前記表面の上を通過する光を受光し、照明ゾーンで蛍光を刺激するために、前記表面またはその下にある前記照明ゾーン上に前記光を合焦するために、前記光路の前記一部分に対して前記光を横方向に反射し、前記ゾーンで放出された蛍光を集光して、前記光を反射し少なくとも部分的に平行化し、光路の前記一部分に沿って送り返すように配置された、３次元的に湾曲したシェル状の光反射インターフェースを有した反射器と、
前記インターフェースで反射された後、蛍光として放出された前記光を受光するための検出器とを含む。

上記で言及された「表面」は、２つの異なる材料間のインターフェースによって画定される物理的な表面とすることができ、または装置に対して画定可能な仮想表面とすることができる。

装置は、前記光源が放出した光を反射して前記反射器に送り、前記反射器から蛍光を受光し、前記蛍光を前記検出器に送る、ビームスプリッタをさらに含むことができる。

前記反射器、光源および検出器は、実質的に同一平面にあるように構成することが好ましく、前記ビームスプリッタは、反射器、光源および検出器の共平面に対して直交する面上にある、平面反射インターフェースを有することが好ましい。

装置は、光源が放出した光から励起波長を選択して前記反射器へ送る、励起フィルタをさらに含むことができる。

装置は、放出された蛍光波長を選択して前記検出器へ送る、放出フィルタをさらに含むことができる。

装置は、前記検出器上に蛍光を合焦する、レンズを含むことができる。あるいは、他の合焦用反射インターフェースを使用することができる。

該または各前記反射器インターフェースは、実質的に、部分的な放物面、非球面、トロイダルやバイコニカルの表面の形を取ることができる。そのような反射器のインターフェースは、放物面、非球面、トロイダルやバイコニカルの表面とすることができる。双曲線、放物線、楕円および偏楕円などの球面および非球面の表面の反射器インターフェースは、次の方程式によって、定義することができる。

ここで、ｃは、０．０７から０．５であり、ｋは−１．５から−０．７であり、ｚは回転軸に沿ったｚ座標の「たるみ」であり、ｃは曲率（半径Ｒの逆数）であり、ｋは円錐定数であり、ｒは動径座標である。他の表面は追加のテーラー展開を含み、同様の方程式で記述することができる。同様に、方程式は、トロイド、たとえばファセットトロイドまたは区分的に線形のトロイドについて、ならびにバイコニカル表面について得られる。

照明ゾーンへ光を誘導する反射器の反射器インターフェースは、照明ゾーン上で中心に直立した直円柱によって放物面、非球面、トロイダルやバイコニカルの表面を切断することによって生成される、放物面、非球面、トロイダルやバイコニカルの表面のその部分を含むことができる。

前記反射器インターフェースは、実質的に半放物面の一部分の形を取ることが好ましい。

装置は、光源、反射器および検出器を収納したハウジングをさらに含むことができ、そのハウジングは、ハウジングから励起光を送り出し、ハウジングに入る蛍光を受け入れるためのウインドウを収納するベース表面であって、使用時、前記蛍光が起こるところ、またはその下にある前記表面と係合するためのベース表面を有する。

好ましいのは、前記光路が、前記ベース表面によって画定される面と１０°より大きくない角度をなすことである。

本発明は、添付図面を参照して、さらに記述し示される。

図１に、エピフロレッセンス測定のための通常の設定を示す。それは、試料位置１０において蛍光を生成し検出するように設計され、それは、たとえば本体または物品の表面またはその下にと、たとえば顕微鏡スライド上にとすることができるはずである。通常、そのような表面は、水平になり、便宜上、そのように装置の以下の記述で仮定される。ＬＥＤなどの励起光源１２は、試料位置１０の片側に対して離れて、試料位置上の高さｈに配置される。ＬＥＤは、励起光１６を放出し、その励起光１６は、所望の励起波長を選択するために、励起フィルタ１４を経由して送られる。励起光は、平行側面のある二色性ビームスプリッタ１８など、角度を付けて配置されたビームスプリッタ１８に向かって進む。励起光の一部分は、直角で下に試料位置に向けて反射され、１つまたは複数の単レンズまたは複合レンズを含んだ合焦レンズシステム２０を通過する。

試料位置から生じた蛍光および反射された励起光は、レンズシステム２０によって捕捉され、平行化されて平行ビームになり、それは、ビームスプリッタ１８を通過して放出フィルタ２２に進み、それは、理想的には、蛍光波長以外すべてを除去し、そこから、蛍光を検出器２６上に合焦する第２のレンズシステム２４に進む。レンズシステム２０のように、レンズシステム２４は、１つまたは複数の単レンズまたは複合レンズを含むことができる。

装置全体は、全高が試料から上にｈ’であり、それは約３×ｈである。

蛍光ベース技術によって、人または動物の体の中の化学種の濃度を監視することが、提案されている。これらには、励起光を皮膚上に誘導し、皮膚からの蛍光放出を検出することが含まれる。関連した教示には、国際公開第ＷＯ００／０２０４８号および第ＷＯ０２／３０２７５号が含まれる。

そのような状況やその他の状況下で、使用される蛍光検出装置の寸法ｈ’を低減することが、望ましいことになるはずであることに注目した。

図２に、本発明による装置の実施形態を示す。ここで、装置は、蛍光が、検出される皮膚の表面、または同様の表面に置かれて示されている。以下の記述で便宜的に、皮膚の面は水平であるとして扱われる。光源３２は、皮膚表面に平行な経路に沿って、光を放出し、そのデバイスの全高ｈ’にほぼ等しいように装置のための高さｈが決定される。

光は、励起フィルタ３４を通過して、垂直面上に配置された二色性ビームスプリッタ３８に進み、従来の装置のレンズシステム２０に置き換わった半放物面形状のミラー反射器４０に向けて方向転換される。反射器は、光を下に皮膚表面上の照明ゾーン３０上へまたは皮膚表面のちょうど下にある照明ゾーンに向けて、合焦する。反射器は、照明ゾーンからの蛍光放出を集めて平行化し、放出光をビームスプリッタに誘導して戻し、その光は、ビームスプリッタを通過して放出フィルタ４２に到達する。そこから、光は、レンズシステム２４と同じタイプのレンズシステム４４によって合焦され、検出器４６で検出される。

装置の垂直高さが、図１の約３×ｈから図２のちょうどｈに低減されたことを理解することができる。

一般に、干渉フィルタが、励起および放出フィルタとして、蛍光測定器中に使用される。これらには、望むように、波長通過特性を得ようとする場合、入射光がフィルタ面に直交することが要求される。というのは、斜めに入射した光に対して、フィルタの通過域がより短い波長に向けてシフトされるからである。したがって、これらのフィルタ上に入射する光ビームの視準が必要である。

放物面反射器４０は、所望の形状の反射インターフェースを生成するように、いくつかの方法で構築することができる。たとえば、インターフェースは、放物面内部の空気と体の反射凹部内側表面の間とすることができる。あるいは、インターフェースは、剛体の半放物面部材の凸部外側表面、たとえばガラスまたはプラスチックの半放物面ブロックの銀メッキされた外部で、形成することができる。

例示された装置全体は、光学構成要素をほこりや湿度から保護し、照明ゾーン中の試料と行き来する励起光および蛍光の通路を設けるための透明ウインドウ（ガラス、シリカまたはいくつかの用途ではプラスチックから適切に構成される）でふさぐことができる、開口部を含んだ底面を有した（図６に見られるような）ハウジングまたは鋳造物が境界になる。したがって、前記装置は、鋳造物中の単なる開口部または光学的ウインドウとすることができる。

検出器からの信号は、既知の方法で解析するために、適切な電気回路に供給することができる。ＬＥＤは、既知のように適切な電気回路から給電することができ、ＬＥＤ電源回路および検出信号処理回路は、一般に、蛍光の強度ベースまたは時分解（周波数領域）の測定値を生成する、たとえばＦＲＥＴ（fluorescence resonance energy transfer：蛍光共振エネルギー伝達）ベースで分析するために、集積回路の一部分になる。

例示した装置には、スペースが特別価値を有するところ、たとえば体の上に装着される装置中での使用に適するような、コンパクトな光学的幾何形状を可能にしながら、照明ゾーンから蛍光を捕捉するために、高開口数が設けられる。

良好な結果を得るためには、例示された放物面表面のすべてが、必要ではない。放物面は、ここに示すように、その上で装置が使用される表面と一致するように、その軸を配置する必要はないが、検出器の光学構成要素のために表面の上にいくらか追加の高さが得られるように、その軸を上に傾けることができる。蛍光ビームは、反射器によって完全に平行にしなくてもよいが、補助レンズシステムによっていくぶん平行化してもよい。装置の物理的照明ゾーンは、反射器の焦点にある必要はない。反射器インターフェースは、真の放物面の形である必要はない。これらの考え方は、その後の図面でさらに示される。

図３に示すように、照明ゾーンから放出された蛍光の大部分を受光し平行化し検出器へ送る放物面表面の領域Ｍは、照明ゾーン上で中心部にある直円柱Ｃと放物面表面自体との交差によって画定される領域になる。したがって、放物面表面の残された部分は存在する必要がない。明らかに、円柱が小さければ小さいほど、捕捉される光は少なくなり、したがって好ましいのは、原点から放物面の焦点までのｆで印された距離の５０％より小さくない、好ましくは７５％より小さくない、より好ましくは９０％より小さくない半径ｒの円柱との交差によって画定される放物面と、少なくとも同じぐらいの放物面が存在することである。円柱の半径ｒは、放物線ミラーの焦点距離より小さい必要はないが、図３に示すケースのように、大きくすることはできる。

図２に、レンズシステムが、検出器上に光を合焦して、示されているが、これは、その代わりに反射器システムとしてもよいはずであり、それは、励起光を照明ゾーン上に合焦するために使用される反射器システムに適切に似てもよいはずであることを理解されたい。そのようなシステムは、図４から６に示す。

例示された装置では、例示の構成要素が、ミラー４０と似ているがここでは検出器４６が配置された側へ蛍光を合焦するように構成された部分的放物面ミラー４５に、レンズシステム４４が置き換えられていること除き、図２に同様である。図６から分かるように、装置は皮膚上にあり前記に述べたように、照明ゾーン３０を画定するウインドウ５４を収容したベースプレート５２を有したハウジング５０を含む。ハウジングは、光学的構成要素を受けて支持する内部構造を有した、上側および下側の半シェル構造を含み、シェル構造は、ここに示すようにねじで互いにしっかりと固定される。

図７に示すように、ハウジングのベース表面は、放物面表面の軸に対する角度αが好ましくは１０°を超えない、より好ましくは５°を超えないで位置することができる。これは、光学的および電気的構成要素のためのある程度追加のスペースをもたらすことになるが、装置の検出器末端部においていくらか高さが追加されることにもなる。この修正形態は、ここに示したような各末端部においてミラーを使用する実施形態に関して、および図２の実施形態に関して、両方に使用することができる。さらに、ミラー４０の焦点は、皮膚の下で蛍光を検出するケースでのように、試料または囲繞する媒体の放射パターンおよび散乱特性を補償するために、図７に示すように距離δだけ試料位置から異なることができる。

図８に示すように、１つまたは複数の単レンズまたは複合レンズ４１を含み、ミラー４０の前に配置された補助レンズシステムを使用してさらに平行化を実施することができる。

同様に、反射器の形状は、皮膚の下で蛍光を検出するケースでのように、試料または囲繞する媒体の放射パターンおよび散乱特性に適応するように、放物面の形状から逸脱することができる。これが、不完全な蛍光放出の平行化につながる場合、図示のように、補助レンズシステム４１を使用してさらなる平行化を実施することができる。

使用することができる代替湾曲表面には、トロイダル、非球面およびバイコニカルの表面が含まれる。

非球面表面は、次の方程式で定義される。

ここで、ｃは好ましくは０．０７から０．５の範囲内であり、ｋは好ましくは−１．５から−０．７の範囲内であり、ｚは回転軸に沿ったｚ座標の「たるみ」であり、ｃは曲率（半径Ｒの逆数）であり、ｋは円錐定数であり、ｒは動径座標である。ミラーの他の形状は、円錐定数の様々な値について図９に示されている。

図１０に、検出される光学的パワーに対する円錐定数の影響を示す。

照明ゾーンは点または円形領域である必要はないが、非放物面の反射器形状の使用による影響によって、反射器の軸の横または縦方向いずれかに引き延ばされることがある。

本明細書では、他に特別に示されていない限り、言葉「または」は、条件の１つだけが満足されることを要求するオペレータ「排他的または」と対比して、述べられた条件のどちらかが、またはその両方が満足されたとき、真値を返すオペレータの意味で使用される。言葉「含む（comprising）」は、「のみから構成される（consisting of）」を言う意味ではなく、「含む（include）」という意味で使用される。

従来のエピフロレッセンス測定装置の概略側方立面図である。 本発明による装置の第１の実施形態の透視図である。 光が、放物線ミラーの位置する表面から放出されたとき、大部分のエネルギーが集められる放物線ミラーのゾーンを示す図である。 本発明による第２の実施形態の、上から見た平面図である。 図４の装置の透視図である。 図４に印されたラインＶＩ−ＶＩ’上の断面図である。 図４の装置の修正形態を示す図である。 本発明による第３の実施形態の、上から見た平面図である。 円錐定数による放物線ミラーの形の変動のグラフの図である。 円錐定数を変更することによる、検出される光学的パワーと照明パワーの比の変動を表すグラフの図である。

Claims (12)

1. 表面またはその下で蛍光を生成し検出するための装置であって、
   前記表面上に亘って延びる光路に沿って蛍光励起光を誘導するための光源と、
   前記光源から前記光路の一部分に沿って前記表面の上を通過する光を受光し、そして、前記光を、前記光路の前記一部分に対して横方向に反射して、照明ゾーンにおいて蛍光を刺激するために、前記表面またはその下にある前記照明ゾーン上に前記光を合焦し、そして、前記ゾーンで放出された蛍光を集光し、そして、前記光を反射し、少なくとも部分的に平行にして、前記光路の前記一部分に沿って送り返すように配置された、３次元的に湾曲したシェル状の光反射インターフェースを有する反射器と、
   前記インターフェースで反射された後、蛍光として放出された前記光を受光するための検出器と、
   前記光源、反射器および検出器を収納するハウジングであって、人または動物に装着されるように構成されたハウジングと
   を含み、
   前記光源及び反射器の相対位置は、使用時において固定されていることを特徴とする装置。
2. 前記光源によって放出される光を反射して、前記反射器に送り、そして、前記反射器からの蛍光を受光し、そして、前記蛍光を前記検出器へ送るビームスプリッタをさらに含む、請求項１に記載の装置。
3. 前記反射器、光源および検出器が、実質的に同一平面上に配置され、
   前記ビームスプリッタが、前記反射器、光源および検出器の共平面に直交する平面上に存在する平面反射インターフェースを有する、請求項２に記載の装置。
4. 前記光源が放出する光から励起波長を選択して、前記反射器へ送る励起フィルタをさらに含む、請求項１から３のいずれか１つに記載の装置。
5. 放出された蛍光波長を選択して、前記検出器へ送る放出フィルタをさらに含む、請求項１から４のいずれか１つに記載の装置。
6. 前記検出器上に蛍光を合焦するレンズまたは第２の反射器を含む、請求項１から５のいずれか１つに記載の装置。
7. 前記反射器インターフェースが、実質的に、部分的な放物面、非球面、トロイダルまたはバイコニカルの表面形状を有している、請求項１から６のいずれか１つに記載の装置。
8. 前記反射器インターフェースが、次の方程式によって定義され、
   

   

   ここで、ｃは０．０７から０．５であり、ｋは−１．５から−０．７であり、ｚは回転軸に沿ったｚ座標の「たるみ」であり、ｃは曲率（半径Ｒの逆数）であり、ｋは円錐定数であり、ｒが動径座標である、請求項７に記載の装置。
9. 前記反射器インターフェースが、放物面、非球面、トロイダルまたはバイコニカルの表面の一部を含み、前記一部は、前記照明ゾーン上で中心に直立した直円柱によって、放物面、非球面、トロイダルまたはバイコニカルの表面を切断することによって形成される、請求項７または８に記載の装置。
10. 前記反射器インターフェースが、実質的に半放物面の一部の形状を有する、請求項７または８に記載の装置。
11. 前記光源、反射器および検出器を収納するハウジングが、ベース表面を有しており、前記ベース表面は、前記ハウジングから励起光を送り出し、そして、前記ハウジングに入る蛍光を受け入れるためのウインドウを有し、そして、前記ベース表面は、使用時に、前記蛍光が起こる部分、またはその下にある前記表面と係合する、請求項１から１０のいずれか１つに記載の装置。
12. 前記光路が、前記ベース表面によって画定される面に対して、１０°未満の角度をなす、請求項１から１１のいずれか１つに記載の装置。

Images