(57)【要約】【課題】化学物質および生物剤検知の装置および方法を提供する。【解決手段】フォトニッククリスタルファイバ共振器は、実質的に単一の光学モードの光を誘導するように構成された固体領域５６を有するフォトニッククリスタルファイバ５４のコイルを含む。この固体領域５６は、固体領域の外側を取り囲むクラッド５８と、クラッド内の少なくとも１つの中空コア４６とを有する。フォトニッククリスタルファイバ５８は、検体を含み得る流体を中空コアに導入するように構成され、光が流体と相互作用するように構成される。共振器は、共振周波数を中心とする共振信号を生成するように構成される。共振信号の所定の変化は、ある量の検体が流体中に存在することを示す。【選択図】図２−１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
固体領域と、
前記固体領域の外側を取り囲み、外部ソースからの流体を受け入れるように構成された少なくとも１つの中空チャネルを含むクラッドと、を備えるフォトニッククリスタルファイバ共振器であって、
フォトニッククリスタルファイバは、少なくとも１回の巻数を有するコイル部分と、互いに光学的に連絡するように構成された２つの端部とを有し、前記固体領域は、前記流体を含む前記少なくとも１つの中空チャネルに延びる実質的に単一の光学モードの光を誘導するように構成され、
前記フォトニッククリスタルファイバ共振器は、前記流体を含む前記少なくとも１つの中空チャネルに、前記実質的に単一の光学モードの光を複数回通すように構成され、前記流体に測定可能な量の検体が存在しない場合に、前記実質的に単一の光学モードの光が共振周波数あたりの範囲を周波数走査されると、第１の共振信号に共振するように構成され、前記流体に測定可能な量の前記検体が存在する場合には、前記実質的に単一の光学モードの光が前記共振周波数あたりの前記範囲中を周波数走査されると、前記第１の共振信号と別の第２の共振信号に共振するように構成される、
フォトニッククリスタルファイバ共振器。
【請求項２】
前記フォトニッククリスタルファイバはさらに、前記少なくとも１つの中空チャネルの実質部分に前記流体を通すように構成された入力部および出力部を備える、請求項１に記載のフォトニッククリスタルファイバ共振器。
【請求項３】
前記フォトニッククリスタルファイバはさらに、前記フォトニッククリスタルファイバの外側から前記少なくとも１つの中空チャネルの中に延びる複数の孔を備え、前記複数の孔は、前記少なくとも１つの中空チャネルの実質部分に前記流体を通すように構成される、請求項１に記載のフォトニッククリスタルファイバ共振器。
【発明の詳細な説明】
【背景技術】
【０００１】
化学物質または生体物質の存在は、従来１つまたは複数の化学反応を利用して検出されてきた。これらの化学反応は通常は不可逆である。すなわち、その化学物質または生体物質がデバイスから除去された場合に反応はリセットされない。不可逆化学反応を利用する検出デバイスは、維持するのに一般に時間がかかり、および／または費用がかかる。というのは、ある量の化学物質または生体物質が検出された場合には、デバイスをリセットするために検出デバイスの少なくとも一部分を交換する必要があり、あるいはいくつかの手順を踏む必要があるからである。
【０００２】
別の方法として、検出デバイスを可逆にすることができる。すなわち、検出された化学物質または生体物質が除去された場合に、デバイスを自動的にリセットすることができる。したがって、可逆デバイスは通常、再使用可能である。可逆検出デバイスの１つのタイプでは、物理学をベースとする分光学的解法を用いて、化学反応によらずに物質の存在を決定する。具体的には、光が導波路中に通される。この光は環境中に延び、付近の環境中の少なくとも１つの汚染物質粒子と反応する。検出器を使用して、受光した光の特性に基づき環境中の特定の汚染物質粒子およびその濃度を決定する。
【０００３】
例示的な可逆デバイスでは、導波路として極細ナノワイヤファイバを使用する。このナノワイヤファイバは、光波の一部分がナノワイヤ近傍の環境中に伝搬し、それによってその環境と相互作用できるように十分に細くなっている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】米国特許第７，３３６，８５９号
【特許文献２】米国特許出願公開第２００８／０２１２１０４号
【特許文献３】米国特許出願公開第２００８／０１１６３６１号
【特許文献４】米国特許第５，８０２，２３６号
【特許文献５】米国特許第６，２４３，５２２号
【特許文献６】米国特許第６，３３４，０１７号
【特許文献７】米国特許第６，３３４，０１９号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかし、ナノワイヤは一般に非常にもろいので、ナノワイヤファイバの使用は限定される。また、直線経路以外にいくつかの向きを有するナノワイヤコイルを形成することも、ナノワイヤ製造工程に一部は起因して困難である。これらの制約は、デバイスを収容できる基本構造のタイプ、および利用できる構造体に影響を及ぼす。これらの制約は、化学的または生物学的検知デバイスではその度合いが強くなる。というのはナノワイヤファイバは、検出されるべき物質と相互作用するように周囲の環境にさらされる必要があるからである。このような基本構造では、それを支持する必要があるので、その外装環境からの干渉を伴わずに確実に光と物質だけが相互作用するようにすることは困難である。したがって、支持する環境により測定に深刻な支障を来す。なおまた、経路長を増大させると測定の感度が高まるので、センサに使用されるナノワイヤファイバの長さを増大させることが望ましい。しかし、ナノワイヤの長さを増大させると、よりいっそう壊れやすいデバイスになる。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明は、検体の存在を決定するデバイスおよび方法を含む。センサが光源、検出器、共振器およびプロセッサを含む。光源は、共振器に伝達される光を生成する。共振器内を伝搬する光の少なくとも一部分が検出器に伝達される。共振器は、コイル部分を含むフォトニッククリスタルファイバを含む。フォトニッククリスタルファイバは、実質的に単一の光学モードの光を、クラッドを通り誘導するように構成された固体領域を含む。クラッド領域は、少なくとも１つの中空領域を含む。クラッド領域は、少なくとも１つの中空領域が、ある量の検体を含有できる流体を受け入れることができるように構成される。固体領域、光およびクラッドは、光が少なくとも１つの中空領域中に延びるように構成される。光は、共振器中を複数回通る。検出器は、光が共振器を進んでいることを示す共振信号を検出する。プロセッサは、検出器で検出された共振信号に基づいて、測定可能な量の検体が流体に存在するか否かを決定する。プロセッサはまた、共振信号に基づいて検体を特定し、あるいは流体に存在する検体の量を特定することもできる。
【０００７】
本発明の別の態様によれば、共振器は、流体を受け入れるように構成された少なくとも１つの中空領域中に、流体を通すように構成された入力部および出力部を含む。入力部および出力部は、入力部と出力部に圧力差を加えることによって、少なくとも１つの中空領域中に流体を通すことができる。
【０００８】
本発明の別の態様によれば、共振器は、フォトニッククリスタルファイバの外側から、流体を受け入れるように構成された少なくとも１つの中空領域の中へと延びる複数の孔を含む。
【０００９】
本発明のさらに別の態様によれば、検体を検知する方法は、フォトニッククリスタルファイバコイルの少なくとも１つの中空チャネルの少なくとも一部分に、ある量の検体を含有できる流体を通すステップと、その流体を含む少なくとも１つの中空領域へ光波の少なくとも一部分が延びるように光波を共振器の中に通して伝搬させるステップと、検出された共振信号に基づいて流体がその量の検体を含有するか否かを決定するステップとを含む。
【００１０】
本発明のさらに別の態様では、この方法は、検出された共振信号に基づいて流体中の検体の濃度を決定する。
上記の概要から容易に理解されるように、本発明は、検体の存在を決定するデバイスおよび方法を提供する。
【００１１】
本発明の好ましい実施形態および代替実施形態を以下で、次の図面を参照して詳細に説明する。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明の一実施形態により形成された検体検知デバイスの概略図である。
【図２−１】図１に示されたデバイス内に使用される、中空チャネルを備えたフォトニッククリスタルファイバの断面図である。
【図２−２】本発明の一実施形態により形成された複数の孔を含む中空チャネルを備えたフォトニッククリスタルファイバの透視Ｘ線図である。
【図３−１】図１および図２に示されたフォトニッククリスタルファイバを理解するのに役に立つモードフィールド分布図である。
【図３−２】図１に示された共振器の中の通過１回あたりの光の損失を示す分布図である。
【図４−１】ファイバの１つまたは複数の中空チャネル内に検体が検出可能な量で存在しない場合の共振器出力を示すグラフである。
【図４−２】ファイバの１つまたは複数の中空チャネル内に実質的にの量の検体が存在する場合の共振器出力を示すグラフである。
【図５】本発明による検体を検知する方法の流れ図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
１つまたは複数の化学物質または生体物質を検知する装置および方法を提示する。出願人は、米国特許第７，３３６，８５９号、および米国特許出願公開第２００８／０２１２１０４号および第２００８／０１１６３６１号の全体を参照により本明細書に組み込む。
【００１４】
図１は、検体センサ１０を示す。本明細書では、「検体」とは、検出されるべく探索される特定の化学物質または生体物質を意味する。検体センサ１０は、検出器１８、光源２２、第１のファイバ２０、および共振器３６を含む。光源２２と検出器１８は、第１のファイバ２０を介して光学的に連絡している。第１のファイバ２０はまた、共振器３６とも光学的に連絡している。第１のファイバ２０と共振器３６の間の光学的接続部は、結合接合部２６によって画定される。
【００１５】
光源２２は、制限されないが、レーザダイオードなどの波長可変単色光源を含む。一実施形態では、光源２２は、ある時間にわたって周波数を走査する。したがって、得られる光波の周波数は、どの単一の時点においても単一の値になりうるが、この周波数は、検知のための所望の周波数に応じて高く、または低く調整することができる。
【００１６】
共振器３６は、コイル３８を形成する第２のファイバ３０を含む。第２のファイバ３０は２つの端部を有し、これらは、機械的接続、融着接合または自由空間光学部品を利用するなどの従来の方法によって、閉光路を形成するように光学的に接続される。あるいは、第２のファイバ３０の一方の端部から出て第２のファイバ３０の他方の端部に至る光の実質部分を再導入する任意の光学素子を使用して、２つの端部を光学的に接続することもできる。第２のファイバ３０に導入された光は、その中を複数回伝搬する。
【００１７】
第２のファイバ３０は、１つまたは複数の中空チャネルを備えた単一モードフォトニッククリスタルファイバ（ＰＣＦ）を含む。図２は、第２のファイバ３０内に含まれるＰＣＦ  ５４の一実施形態の断面図を示す。ＰＣＦは当技術分野で知られている。例えば、ＤｉＧｉｏｖａｎｎｉらの米国特許第５，８０２，２３６号、Ａｌｌｅｎらの米国特許第６，２４３，５２２号、Ｗｅｓｔらの米国特許第６，３３４，０１７号、およびＢｉｒｋｓらの米国特許第６，３３４，０１９号を参照されたい。これらはすべて、その全体を参照により本明細書に組み込む。
【００１８】
ＰＣＦ  ５４は、クラッド領域５８、３つの円形断面中空チャネル４６、および光フィールド５０をそこに誘導できる固体領域５６を含む。固体領域５６および中空チャネル４６は、クラッド領域５８の内部にある。各中空チャネル４６は自由空間孔である。中空チャネル４６は、固体領域５６の屈折率よりも低い屈折率を有する。クラッド領域５８は、固体領域５６の中と通常は同じ材料であるガラス材料からなる。各中空チャネル４６は、互いに交差しない。中空チャネル４６は、各中空チャネル４６の間の固体領域５６が、光フィールド５０内の光を固体領域５６内の光の一部分、および中空チャネル４６内で誘導される光の一部分とともに誘導できるようにする屈折率断面輪郭を形成するように配置される。
【００１９】
一実施形態では、固体領域５６の直径５２は、光源２２から放出される光の波長よりも小さい。本明細書でより詳細に論じるように、光は、光フィールド５０を伝搬し、その光強度の少なくとも一部分が中空チャネル４６の中を通る。クラッド領域５８および／または中空チャネル４６内に延長すべき光強度の量は、様々な要素（例えば、クラッド領域の屈折率、クラッド領域の厚さ、または中空チャネルの数およびサイズ）に基づいて変化できる。ＰＣＦ  ５４は、様々な形状を備え様々な構成物を有して形成することができ、また様々な数量および構成の中空領域４６およびクラッド領域５８を含むことができることを理解されたい。
【００２０】
一実施形態では、共振器３６は、共振器３６のコイル部分３８が実質的に小さな区域の周りで比較的多くの巻数を有するように、曲げ損失が極めて低いＰＣＦを用いて形成される。曲げ損失とは、曲がり部でファイバを出て行く光量をいう。一実施形態では、コイル部分３８は、１センチメートルの直径の周りに約２０〜４０巻数を有する。より多いまたは少ない巻数を、検体センサ１０のパッケージサイズ、コスト、および信号対雑音比など様々な要素に応じて利用することができる。ナノワイヤで製作される従来技術のデバイスと比較して、共振器３６は、有効経路長の増大とパッケージの小型化の両方を可能にする。有効経路長を増大させることは、それがデバイス感度の増大（すなわち、より大きい信号対雑音比）ならびに堅牢性の向上を可能にするので望ましい。
【００２１】
光は、第１のファイバ２０と第２のファイバ３０の間を結合接合部２６のところで伝達する。様々な技法および構成物によって光を第１のファイバ２０と第２のファイバ３０の間で伝達して、光を共振器３６の中に結合し、および／または光を共振器３６（すなわち第２のファイバ３０）から第１のファイバ２０に結合する意図した機能を実現できることが、当業者には理解されよう。
【００２２】
第１のファイバ２０と第２のファイバ３０の間で光の伝達が行われるのは、一部には、２つのファイバの各コア領域を、多くの場合クラッド領域５８を薄くして、または研磨して近接させるからである。一実施形態では、第１のファイバ２０と第２のファイバ３０は、ファイバからファイバへの光の伝達を容易にするために、互いに隣接して配置される。あるいは、第１のファイバ２０および第２のファイバ３０のクラッドを従来の技法によって削り落とし、薄くし、または研磨し、それによってファイバ２０および３０の内部が互いに付着できるようにしてもよい。一例として、付着は光接点またはエポキシを用いて実施することができる。
【００２３】
第１のファイバ２０と第２のファイバ３０の間を結合接合部２６のところで伝達する光の百分率は、制限されないが、ファイバ２０および３０の中を進む光の速度、第１のファイバ２０内の光フィールドと第２のファイバ３０内の光フィールドとの間の距離、中空チャネル４６のサイズおよび構成、ならびにクラッド領域５８の組成などのいくつもの要素によって決まる。
【００２４】
図２−２は、第２のファイバ３０の一実施形態を示し、ここで第２のファイバ３０は、ＰＣＦ  ５４の外側からクラッド領域６８の少なくとも一部分を貫通して中空コア４６の中へと延びる複数の孔４４を含む。一実施形態では、複数の孔４４は中空チャネル４６で終端になる。すなわち孔４４は中空チャネル４６の中まで延びない。複数の孔４４は、従来のレーザ穴あけ／ボーリング技法を用いて形成することができる。孔４４により、中空チャネル４６が付近の環境にさらされる。動作の際、検体３２を含有できる流体は、付近の環境から複数の孔４４を介して中空チャネル４６の中へ拡散し、または別様に浸透する。本明細書で「流体」とは、実質的に気相の物質、実質的に液相の物質、または気相と液相の間の平衡状態にある物質を意味する。
【００２５】
別の実施形態では、第２のファイバ３０の中空チャネル４６は、入力部４０および出力部４２（図１）を含むように構成される。入力部４０および出力部４２は、中空チャネル４６内外のクラッド領域５８を貫通する１つまたは複数の経路を画定する。孔４４は、入力部４０であり出力部４２である。検体３２を含有できる流体は、入力部４０で中空チャネル４６の中に導入される。一例として、流体は、付近の環境の試料であることもあり、あるいは別の環境からの試料であることもある。ある圧力差が入力部４０と出力部４２に従来の方法を用いて加えられる。この圧力差は、中空チャネル４６の中に、および／または中に通して流体を「差し入れる」。一実施形態では、入力部４０および出力部４２は、中空チャネル４６の１つだけに、またはそのすべてではないがいくつかに流体を導入するように構成することができる。
【００２６】
動作の際、光源２２からの光は、共振器３６の中を一方向に複数回通って伝搬する。光源２２からの光の周波数は、光が共振周波数で伝搬するように調整または走査される。光源２２からの光の波長は、検体３２が特有の光学特性の変化を有する対象範囲、または予想される吸収応答を有する対象範囲を通過するように調整される。共振信号は、共振周波数の範囲内を進む光から生成される。共振器３６を通って伝搬する光の一部分は、結合接合部２６のところで第２のファイバ３０から第１のファイバ２０へと通される。共振器３６の中を通過する光に対応する共振信号は、検出器１８で検出される。検出器１８は一般に、使用される光の波長に応じてシリコンまたはＩｎＧａＡｓＰから作製されるものなどの、半導体フォトダイオードである。
【００２７】
検体検知は、検体３２を含有する流体を中空チャネル４６の中に導入することによって実施される。検体３２が流体中に存在しない場合、第１の共振信号が検出器１８で検出される。検体３２が流体中に存在する場合には、検体３２は、ファイバ３０内を伝搬する光の一部分と相互作用（例えば吸収）する。光と検体３２の間の相互作用により、第２の共振信号が生成される。すなわち、所与の波長で第１の共振信号が変わる。言い換えると、共振器３６で生成される一定の共振信号は、中空チャネル４６内の検体３２の存在によって決まる。
【００２８】
プロセッサ１４は、検出器１８で検出された信号に基づいて流体中に検体３２が存在することを決定し、および／またはその量を決定する。一実施形態では、プロセッサ１４は、検出器１８で検出された信号に基づいて流体中の検体３２の濃度を決定するように構成される。
【００２９】
図３−１は、図１および図２に示されたＰＣＦ  ５４を理解するのに役に立つ例示的なモードフィールド分布である。詳細には、光源２２から放出される光のモードフィールド分布は、一般に減衰末端８２を伴う形をとるガウス形の光エネルギー空間分布を有する。各中空チャネル４６の中間の、光フィールド５０が内在する固体領域５６（図２−１）のサイズは、光源２２から放出される光の波長に比べて小さいので、光強度の実質量が中空チャネル４６の中に延びる。
【００３０】
図３−２は、第２のファイバ３０内のある量の検体の存在と関連付けられた、通過あたりの損失８６（εで示す）を表すグラフである。通過あたりの損失８６は、共振器３６の中を通過するごとに検体によって吸収される光エネルギーを表す。通過あたりの損失８６は、検体の濃度に比例する。
【００３１】
図４−１は、検出器１８で検出された信号に基づいてプロセッサ１４によって決定された第１の共振線形９０を示す。第１の共振線形９０は幅が狭いプロファイルを含む。第１の共振線形９０は、共振器３６の中で光エネルギーが実質的に吸収されなかったこと、すなわち有意の損失がなかったことを示す。したがって、第１の共振線形９０は、検出可能または測定可能な量の検体３２が中空チャネル４６内に存在しないことを示す。
【００３２】
図４−２は第２の共振走査を示し、検出器１８で検出された共振信号に基づいてプロセッサ１４によって決定された走査内の１つの周波数に第１の狭線形９２がある。走査内の第２の線形９４は、くぼみが浅い幅広の線形を含む。第２の線形９４は、一部の光エネルギーが、共振器３６を通過する間に吸収されたことを示す。したがって、第２の共振線形の９２から９４への変化は、ある量の検体３２が中空チャネル４６内に存在することを示す。プロセッサ１４は、線形９２および９４に対応する信号に基づいて、流体に存在する化学物質の具体的な量を決定することができる。
【００３３】
図５は、環境内の１つまたは複数の化学物質／生物剤を検知するプロセス９８の流れ図である。このプロセスは、ブロック１００から始まる。ブロック１０４で、検体３２を含有できる流体が第２のファイバ３０の中に通される。上記でより詳細に論じたように、この流体は、ＰＣＦ  ５４の外側から中空チャネル４６の中へと延びる複数の孔４４を通して、付近の環境から中に拡散することによって中空チャネル４６の中に通される。別の方法として、流体は、入力部４０と出力部４２に加える圧力差によって、入力部４０および出力部４２を介して中空チャネル４６の中に導入され、または通される。ブロック１０６で、光源２２からの光が共振器３６を通して伝搬される。光源２２は、検体３２が分子吸収共鳴線を有する、またはある一定の特性を示すことが知られている、対象の波長または波長範囲中を走査される。一実施形態では、光は、広い範囲の波長にわたって走査される。ブロック１０８で、共振器３６を伝搬する光に基づいて、共振器１８で共振信号が検出される。ブロック１１２で、プロセッサ１４は検出された共振信号に基づいて、存在する検体３２の量を（あれば）決定する。一実施形態では、プロセッサ１４は、流体に存在する個別の化学物質または生体物質を共振信号に基づいて特定する。別の実施形態では、プロセッサ１４は、流体の検体３２の濃度を一部は共振信号に基づいて決定する。ブロック１１６でプロセス９８は終了する。
【００３４】
プロセス９８は、たとえある量の検体３２が流体に存在すると前もって決定されても、ファイバ３０に何らの調整も加えずに再開することができる。言い換えると、プロセス９８は可逆的である。
【００３５】
本発明の好ましい実施形態を図示し説明してきたが、上記のように、本発明の主旨および範囲から逸脱することなく多くの変更を加えることができる。したがって、本発明の範囲は、好ましい実施形態の開示によっては限定されない。そうではなく、本発明は、添付の特許請求の範囲を参照することによって完全に確定されるべきものである。
【符号の説明】
【００３６】
１０  検体センサ
１４  プロセッサ
１８  検出器
２０  第１のファイバ
２２  光源
２６  結合接合部
３０  第２のファイバ
３２  検体
３６  共振器
３８  コイル
４０  入力部
４２  出力部
４４  孔
４６  中空チャネル
５０  光フィールド
５２  直径
５４  ＰＣＦ
５６  固体領域
５８  クラッド領域
６８  クラッド領域
８２  減衰末端
【図１】
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【図２−１】
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【図２−２】
2010261958.tif 000005
【図３−１】
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【図３−２】
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【図４−１】
2010261958.tif 000008
【図４−２】
2010261958.tif 000009
【図５】
2010261958.tif 000010
【外国語明細書】
2010261958000001.pdf