(57)【要約】本発明は、新世代の旋光測定装置および方法を開示する。これらはキラル分析物を含有する試料を通過する偏光を含み、この分析物は周期変動磁場の影響下にある。この装置は磁場変動周波数の高次高調波にて光学ヘテロダイン検波およびロックイン検出を用いて、キラル分析物の光学特性に対する感度および検出限界を向上させる。
2005524052.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
試料中の分析物の光学特性を検出する方法であって、
キラル分析物を含む試料を、この試料を横切る周期変動磁場に暴露し；
この試料を周期変動磁場の影響下におきつつ、狭い帯域幅を有する入射偏光ビームを前記試料に透過させて、出力光ビームを生じさせ；
実質的に全ての入力偏光を出力ビームから除去し；
出力ビームを検出して出力信号を生じ；次いで
出力信号をロックイン増幅し、ここに、ロックイン信号は、出力信号の振幅および位相を発生する周期変動磁場の周波数またはその高調波周波数であるステップを含む方法。
【請求項２】
周期変動磁場が正弦波変動磁場である請求項１記載の方法。
【請求項３】
狭い帯域幅が、基準周波数を有する光および基準周波数の約１％以内の周波数を有し、かつ、約１％未満の光強度を含む光を含む請求項１記載の方法。
【請求項４】
狭い帯域幅に、基準周波数を有する光および基準周波数の約０．５％以内の周波数を有し、かつ、約０．５％未満の光強度を含む光が含まれている請求項１記載の方法。
【請求項５】
狭い帯域幅に、基準周波数を有する光および基準周波数の約０．１％以内の周波数を有し、かつ、約０．１％未満の光強度を含む光が含まれている請求項１記載の方法。
【請求項６】
狭い帯域幅に、単一の周波数が含まれている請求項１記載の方法。
【請求項７】
光がレーザー光である請求項１記載の方法。
【請求項８】
旋光分析法であって、
キラル分析物を含む試料を、この試料を横切る周期変動磁場に暴露し；
この試料を周期変動磁場の影響下におきつつ、狭い帯域幅を有する入射偏光ビームをこの試料に透過させて出力光ビームを生じさせ；
出力信号を生じるための出力ビームを光学的にヘテロダイン検波し；次いで
出力信号をロックイン増幅し、ここに、ロックイン信号は、出力信号の振幅および位相を発生する周期変動磁場の周波数またはその高調波周波数であるステップを含む旋光分析法。
【請求項９】
分析物の光学特性の加速検出用の装置であって、
狭い帯域幅を有する入射光ビームを生じるように適合された光源；
入射光ビームを偏向して偏光ビームを生じるように適合された第１の偏光板；
キラル分析物を含む試料を含有し、偏光ビームを受光して出力光ビームを生じるように適合された試料セル；
セルを取り巻き、偏光ビームがセルを透過するとき、周期変動磁場に分析物が暴露されるようにセルを横切る周期変動磁場を発生させる磁場発生器；
周期変動する電流を磁場発生器に供給して周期変動磁場を発生するように適合された電源；
第１の偏光板と実質的に逆位相で整列され、実質的に全ての入力偏光を遮断して、分析された出力光ビームを形成する第２の偏光板または分析器；
分析された出力光ビームを受光して出力信号を生じる検出器；および
出力信号を増幅し、出力信号の振幅および位相を発生するように適合されたロックインアンプ、ここに、ロックイン周波数は周期変動磁場の周波数またはその高調波周波数である；
を含む装置。
【請求項１０】
試料セルに受光される前に、偏光ビームの偏向を変調するように適合されたモジュレーターをさらに含む請求項９記載の装置。
【請求項１１】
ロックインアンプが電源の周波数およびモジュレーターの周波数の合成周波数に固定されている請求項１１記載の装置。
【請求項１２】
分析物の光学特性の加速検出用の装置であって、
狭い帯域幅を有する入射光ビームを生じるように適合された光源；
入射光ビームを偏向して偏光ビームを生じるように適合された第１の偏光板；
キラル分析物を含む試料が供給されるフローセルであって、偏光ビームを受光して出力ビームを生じるように適合されたセル；
セルを取り巻き、偏光ビームがセルを透過するとき、周期変動磁場に分析物が暴露されるようにセルを横切る周期変動磁場を発生させる磁場発生器；
周期変動する電流を磁場発生器に供給して周期変動磁場を発生するように適合された電源；
第１の偏光板と実質的に逆位相で整列され、実質的に全ての入力偏光を遮断して、分析された出力光ビームを形成する第２の偏光板または分析器；
分析された出力光ビームを受光して出力信号を生じる検出器；および
出力信号を増幅し、出力信号の振幅および位相を発生するように適合されたロックインアンプ、ここに、ロックイン周波数は周期変動磁場の周波数またはその高調波周波数である；
を含む装置。
【請求項１３】
試料をフローセルに供給するための試料輸送システムをさらに含む請求項１２記載の装置。
【請求項１４】
試料輸送システムが分析用分離装置またはサンプリング装置である請求項１２記載の装置。
【請求項１５】
試料セルに受光される前に、偏光ビームの偏向を変調するように適合されたモジュレーターをさらに含む請求項１２記載の装置。
【請求項１６】
ロックインアンプが電源の周波数およびモジュレーターの周波数の合成周波数に固定されている請求項１５記載の装置。
【請求項１７】
光源が右旋性および左旋性円偏光を発生し、分析物の円二色性を測定し得るように光の旋光性を周期的に変化させる旋光性モジュレーターをさらに含む請求項１２記載の装置。
【請求項１８】
分析物の光学特性の加速検出用の装置であって、
狭い帯域幅を有する光を生じるように適合された光源および、各々が入力光ビームを伝搬するように適合された複数の光ファイバーを含む第１の光伝送システム；
入射光ビームを偏向して偏光ビームを生じるように適合された第１の偏光板；
各々がキラル分析物を含む試料を含有し、各々が偏光ビームを受光して出力光ビームを生じるように適合された複数の試料チャンバーを含む試料セル；
セルを取り巻き、偏光ビームがセルを透過するとき、周期変動磁場にチャンバー中の分析物が暴露されるようにセルの各チャンバーを横切る周期変動磁場を発生させる磁場発生器；
周期変動する電流を磁場発生器に供給して周期変動磁場を発生するように適合された電源；
各々が出力光ビームの一つを受光するように適合された複数の光ファイバーおよび、第１の偏光板と実質的に逆位相で整列され、出力光ビーム中の実質的に全ての入力偏光を遮断して、分析された出力光ビームを形成する第２の偏光板または分析器を含む第２の光伝送システム；
分析された出力光ビームを受光して出力信号を生じる検出器；および
出力信号を増幅し、各出力信号の振幅および位相を発生するように適合されたロックインアンプ、ここに、ロックイン周波数は周期変動磁場の周波数またはその高調波周波数である；
を含む装置。
【請求項１９】
試料セルに受光される前に、偏光ビームの偏向を変調するように適合されたモジュレーターをさらに含む請求項１８記載の装置。
【請求項２０】
ロックインアンプが電源の周波数およびモジュレーターの周波数の合成周波数に固定されている請求項１９記載の装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この出願は、２００１年１０月１日に出願された米国仮特許出願第６０／３２６,３２９号および２００２年５月２１日に出願された米国仮特許出願第６０／３８２,４１３号に対する仮優先権を主張する。
【０００２】
本発明は、キラル分子の高速スクリーニング用の装置、この装置の作製方法およびこの装置を用いてキラル分子、特に、触媒；バイオ触媒；ポリペプチド、たんぱく質、酵素、リボザイム等のごときバイオ分子；またはそれらの組合せをスクリーニングする方法に関する。
【０００３】
より詳しくは、本発明は、試料セル；セル中の試料に偏光を照射する偏光源；セルを取り巻き、セル中の試料に時間変動磁場を与える磁場発生器；試料からの透過光を分析する分析器；分析器の出力を検出し、試料出力信号を生じる検出器；検出器出力信号を受信し、検出器出力信号の振幅および位相を発生するロックインアンプ；および磁場発生器に時間変動電気入力を供給し、参照入力または固定入力をロックインアンプに供給する電源を含む装置に関する。本発明は、この装置を作製し、使用する方法にも関する。
【背景技術】
【０００４】
関連技術の説明
今日なお、有効な治療法のない疾患が数多くある。また、耐性が向上して、新たな治療薬の開発を必要とするものもある。これらの病気には、神経変性病、自己免疫病、ガン、ウイルス性疾患、真菌感染、熱帯寄生虫病があり、さらに、抗菌耐性病原菌株が出現した。多くのそのような病気の治療は、主要酵素または酵素類を阻害することに頼っている。例えば、アルツハイマー病の新規治療としてのカテプシンＤ、リウマチ性関節炎および早期ガンに対するマトリクスメタロプロテアーゼ（ＭＭＰ）、ＡＩＤＳ患者におけるＨＩＶインテグラーゼ、ＨＩＶプロテアーゼ、ＨＩＶ逆転写酵素、真菌感染に対するシトクロムＰ４５０酵素ラノステロール１４α−脱メチル化酵素、マラリアの治療に対するグルタチオンレダクターゼ、トリパノソーマ病であるシャーガス病、アフリカ睡眠病およびナガナの治療に対するクルザインおよびロデシアン、ならびに細菌細胞壁合成、タンパク質合成およびＤＮＡ複製を標的する新規抗菌剤が含まれる。
【０００５】
幸いなことに、コンビナトリアル化学の出現が、これらの疾患を治療する新規リード化合物を開発する医薬工業の能力を高める助けとなった。新規標的を同定するバイオインフォマチックにおける最近の進展と結びつけて考えると、これらの疾患に対してだけではなく、有効な治療法のない病気に対しても有効な小分子治療剤が開発される大きな可能性がある。
【０００６】
医学アプリケーション用のこれらのディスカバリー新薬候補の開発の努力において、重要な観察は、有用な薬剤の大多数が１またはいくつかのキラル中心を持っていることである。残念ながら、誤ったエナンチオマーは有害な副作用を引き起こすので、治療薬の非常に高いエナンチオ純度も重要である。キラリティーが治療剤の毒性および特異性に主要な役割を演じるという観察がカール＝ファイファー(Carl Pfeiffer)によって１９５６年に初めて行われ、この観察は、普通、「・・・ＤおよびＬ異性体間の薬理学的活性の相違が大きいほど、試験される組織の反応に対する活性異性体の特異性が大きい」というファイファー則といわれる。かくして、エナンチオマー的に純粋な組成を生成することおよびエナンチオ純度を試験することの両方が重要である。残念ながら、現在の技術状態における分析機器を用いても、これらの行為のいずれにも明らかな課題が残っている。
【０００７】
エナンチオ純度が薬剤の特異性および毒性において重要な役割を演じるという理解は、米国食品医薬品局 (Food & Drug Administration; FDA) に認可医薬品のエナンチオ純度に対する規制監督を増加させた。最近のＦＤＡポリシーは、組成物全体の１％を超えるいかなる薬剤成分をも分離毒性実験で試験することを要求する。かくして、ラセミ薬物候補は各エナンチオマーへの分離の試みを必要とする。エナンチオ純度はＦＤＡにより義務付けられていないが、現実的には、エナンチオマーを容易に相互転換できなければ、臨床試験の膨大なコストが、医薬会社にエナンチオマー的に純粋な薬物候補を開発することを余儀する。
【０００８】
ラセミ体分割または不斉合成のごとき様々なプロセス解決法は医薬工業分野で用いられ、これらのエナンチオマー的に純粋な薬物を提供する。しかしながら、適当な触媒がなく、また選択性が不十分であるため、これらのエナンチオマーを充分にエナンチオ選択合成するには大きな問題点が残る。その結果、依然として、分割方法が工業製造において支配的である。このことによって、それらを治療の概念から市場でコスト的に有効な薬物に転換することが制限される。
【０００９】
より立体選択的な触媒を提供するバイオ触媒の分野における最近の発展は励みになるが、市販の酵素の数は限定されている。しかしながら、定向進化法や代謝工学の分野における進展はこの状況を変えることを期待させる。いくつかの特別な場合、エナンチオ的に純粋な特異的基質に対するスクリーニングが確立され、定向進化法が酵素のエナンチオ選択性を向上できることが証明された。残念ながら、これらのスクリーニングは高価なまたは修飾された試薬を必要とし、中程度のスループット（数千／日）しか得られない。したがって、興味のある全ての化合物がこれらのアプローチになじむわけではなく、スループットの低さがこの定向進化法の真の有用性を制限する。活性につき大きなライブラリーをスクリーニングして上手くいったキラル触媒を決定するか、または、新規活性につき、環境サンプルをスクリーニングする非酵素的コンビナトリアル化学法にも同じ制限がある。「スクリーニングしたものが得られる」および従来高スループットエナンチオ純度スクリーニングのための一般的に応用可能な方法は研究者に利用可能ではない。
【００１０】
定義によれば、キラル分子は旋光性を示すので（それらは光の偏向を回転させ、その特性は「光学活性」ともいわれる。）、旋光分析は効率的なエナンチオ選択性触媒の調査および最適化のための優れた技術のように見える。しかしながら、現在、旋光分析はキラル触媒の発展における有利な利用に必要ないくつかの特性を欠如している。そのような特性には選択性が含まれる：最善の偏光板は研究室では成長させられない材料（方解石）から構成される。そのため、通常、天然に産出する方解石が用いられるが、それは光学的な品質が完全ではなく、それゆえ、選択性が制限されてしまう。また、旋光分析は一次元であり、唯一のパラメータ（旋光性）を与え、それゆえ、所望よりも弱いインジケータである：多重パラメータ結果がより一層有用である。もう一つの必要とされる特性は、高スループットスクリーニングを実行する能力である：。最善の旋光計は最高品質の方解石結晶を用い、それは、サイズが小さいので（＜２０ｍｍ×２０ｍｍ）一度に一つの試料しか測定できない。さらに、現在の旋光計は長い路長（１００ｍｍ）の試料チャンバー、比較的高い試料濃度（ｍｇ／ｍＬ）および長いデータ獲得時間を必要とするので、１時間に１０ないし２０個の試料しか測定できない。より大きな二色性シート偏光板を用いれば、イメージング法によって一度に〜１００ウェルのスクリーニングが可能であるが、シート偏光板は吸光係数（偏光板が平行なときの透過光に対して、交差しているときの透過光の比；偏光板品質の指標）がかなり低く、この技術は感度が悪い。
【００１１】
かくして、これらの全ての問題を解消し、触媒や、医薬品を含む他のキラル化合物の高速、正確、かつ、大規模スクリーニングに適した次世代の旋光分析装置およびその方法に対する当該分野での要求がある。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
発明の概要
本発明は、次世代の偏光板、ＣＤおよび／またはＯＲＤ装置および、上記全ての問題を解消し、キラル触媒のごときキラル分子の高速、正確、かつ、大規模スクリーニングに適した、新世代偏光板を用いる方法を提供する。本発明は、実験上単純であるが化学的には洗練されたいくつかの光学分光分析を旋光分析に応用する。これらの技術は、ロックイン検出、正弦波変動磁場を用いるファラデー効果および光学ヘテロダイン検波（ＯＨＤ）を含む。本発明は、物質のキラリティー決定を助けるために高次ファラデー効果を用いることも含む。本発明において、ＯＨＤおよびロックイン検出の使用によって、二次ファラデー効果のより感度の高い検出が可能となり、それゆえ、物質のキラリティーの測定が向上した。向上した測定および検出は、試料に振動磁場、好ましくは正弦波変動磁場を与え、振動磁場を与える周波数の第２高調波にて出力信号をロックイン検出することを含む。本発明は、本明細書中、時には、光磁気位相エナンチオマー検出器(Magneto-Optical Phase Enantiomatic Detector; MOPED)装置またはシステムということがある。このＭＯＰＥＤ装置は、簡単な旋光分析で得られるよりも多くの情報を獲得し、劇的に感度を増大させ、かつ、分析時間を短縮する。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本発明は、試料の旋光やその他の関連する光学特性を測定するための新規かつ強力な旋光分析装置であって、それは、向上した感度、より速いデータ獲得および高スループットを有し、キラル触媒を含むキラル分子の高速スクリーニングに適している。
【００１４】
本発明は、試料セル；セル中の試料に偏光を供給する偏光源；セルを取り巻き、セル中の試料に時間変動磁場を供給するための磁場発生器；試料を透過する光を分析する分析器；分析器の出力を分析し、試料検出器出力信号を生じる検出器；検出器出力信号を受信し、検出器出力信号の振幅および位相を発生するロックインアンプ；および時間変動電気入力をコイルに供給し、参照入力または固定入力をロックインアンプに供給する電源を含む装置を提供する。
【００１５】
本発明は、マルチコンパートメント試料セル；セルの各コンパートメント中の試料に偏光を供給する偏光源；セルを取り巻き、時間変動磁場をセル中の試料に供給する磁場発生器；セル中の各コンパートメントを透過する光を分析する分析器；分析器からの各試料出力を検出し、各試料の試料検出器出力信号を生じる検出器；各試料から検出器出力信号を受信し、各試料に対する検出器出力信号の振幅および位相を発生するロックインアンプ；および時間変動電気入力をコイルに供給し、参照入力または固定入力をロックインアンプに供給する電源を含む装置も提供する。
【００１６】
本発明は、キラル分析物を含む試料を含有する試料セルに偏光を透過させ；次いで、振動磁場をセル内部の試料に供給するステップを含む方法を提供する。この方法は、透過光を分析して分析信号を生じ；分析信号を検出して、出力信号を生じ；次いで、出力信号の振幅および位相を発生する振動磁場を発生するのに用いる信号に固定された信号を増幅して、出力信号の振幅および位相を発生するステップも含む。
【００１７】
本発明は、各々がキラル分析物を含む試料を含有する複数の試料コンパートメントを有するセルに偏光を透過させ；次いで、振動磁場をセルの各コンパートメント内部の試料に供給するステップを含む方法を提供する。この方法は、各コンパートメントからの透過光を分析して、各試料からの分析信号を生じ；各分析物からの分析信号を検出して、各分析物に対する出力信号を発生し；次いで、振動磁場を発生するのに用いる信号に固定された信号を増幅して、各分析物に対して出力信号の振幅および位相を発生するステップも含む。
【００１８】
本発明は、添付した例示的な図面と併せて、以下の発明の詳細な説明を参照すればより理解することができる。図面において、同様のエレメントには同じ符号が付されている。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
発明の詳細な説明
本発明者らは、大いに、感度を向上し、検出限界を低下させ、検出時間を短縮し、さらに試料スループットを増大する新規な旋光分析装置およびその装置を用いる方法を構築し、実行し得ることを見出した。この装置および方法は、偏光源および、ヘルムホルツコイルまたはソレノイドのごとき磁場発生器の内部に配置された試料セルを用いる。この発生器は電源によって駆動され、試料は振動磁場に暴露される。それで、偏光は試料中のキラル成分と相互作用する。得られた光は、第１の偏光板に対して実質的に直交する第２の偏光によって分析し、ロックイン増幅および、所望により、物質のキラリティーの感度を向上し、試料中の物質すなわち分析物に対する検出限界を低下させる光学ヘテロダイン検波器で増幅する。振動磁場（試料変調）および固定化増幅は、周波数を駆動する磁場のより高次の高調波（例えば、第２高調波、第３高調波等）の旋光のより精密かつ正確な測定を可能とし、ひいては、分析物のキラル特性のより精密かつ正確な測定を可能とする。
【００２０】
本発明は試料中の分析物の光学特性を検出する方法に広く関係し、定められた帯域幅を有する入射偏光ビームを試料に透過させるステップを含み、ここに、試料は周期変動磁場の影響下にある。次いで、得られた光を入力偏光ビームの偏向角に対して実質的に直交するように配置された分析器を通過させて、得られたビームの強度を低下させ、出力信号を生じる検出器に送る。入射光ビームも偏向角について変調されていれば、光学ヘテロダイン検波システムを同様に用い得、それは少量の入射光を利用してさらに信号検出を向上させる。交差偏光板はわずかに直交しないか、すなわちわずかに漏洩する。次いで、出力信号を磁場の周波数、より高いその高調波、偏光変調周波数またはそれらの混合または組合せに固定されたロックインアンプに送って、振幅および位相を有する増幅された出力を生じる。
【００２１】
本発明は分析物の光学特性の向上した検出のための装置に広く関係し、ここに、この装置は、限定されたおよび／または狭い帯域幅、好ましくはかなり限定されたおよび／または非常に狭い帯域幅を有する光のビーム、特別には、輝線光ビーム、好ましくは、実質的に単色光または２以上の単色光源からの光の組合せ、および最も特別には、レーザーにより発生される単一周波数の光ビームを生じるように適合された光源を含む。この入射光ビームは第１の偏光板によって偏向されて偏光ビームを生じる。次いで、分析物を含む試料セルに、この偏光ビームを方向付ける。試料セルは、試料セルを横切る周期変動磁場を発生するように適合された磁場発生器の内部にあり、偏光がセルを透過するときに分析物は周期変動磁場に暴露される。磁場は、電源により供給される周期変動的に負荷された電流に起因する。次いで、セルを励起する光を第１の偏光板と実質的に逆位相で整列された第２の偏光板に送り、実質的に全ての入射偏光が検出器に達するのを妨害する。検出器は分析されたビームを出力信号に変換し、それをロックインアンプに送り、それは、その信号を増幅し、検出された信号の振幅および位相を発生する。
【００２２】
本発明の装置は、複数の試料チャンバーのあるセルとともに各チャンバーに実質的に単色な光を与え、各チャンバーからの各光ビームを分析器に、次いで、多重エレメント検出器およびロックインアンプに、またはロックインＣＣＤのごとき多重エレメント検出器とロックインアンプとの組合せに通過させる光伝送システムも含み得る。本発明の目的のため、狭い帯域幅は基準周波数周りの光中心として規定され、基準周波数から約１％未満、好ましくは約０．５％未満、特に約０．１％未満だけ異なる周波数を有し、光強度は基準周波数周りを中心とし、異なる周波数を有する光は、ビームの全強度の約１％未満、好ましくは約０．５％未満、特に約０．１％未満を含む。本発明の目的のため、「非常に狭い帯域幅」なる用語は、実質的に単色光を意味し、ここに、「実質的に」とは、光の約１％未満が基準周波数のものではなく、好ましくは約０．５％未満、特に約０．１％未満である。「単色光」なる用語は、単一周波数の光を意味する。本発明の多くのアプリケーションにとって、狭く限定された帯域幅が好ましい。ＣＤその他のアプリケーションにとって、特に、ロックインＣＣＤのごとき多重周波数検出システムまたは複数の個々のロックイン検出器と結合させた場合、広い帯域幅の光が好ましい。
【００２３】
円二色性に対する本発明の好ましい装置および方法は、広範な一連の波長または、当該分析物の吸収スペクトルが既知であれば、その吸収最大のまたはその付近の単一波長を用いる。入力光は時間変動型の円偏光の両方の形態を含み、それは旋光性１／４波長板、光弾性モジュレーター（ＰＥＭ）を用いて、または第１の偏光板の前に光ビームに挿入された円偏光の状態を時間変調する他の方法によって達成し得る。
【００２４】
本発明は、多重周波数ロックインを用いる装置にも関する。典型的に、ロックインアンプは、参照信号の周波数にて検出する。しかしながら、ロックイン検出の本質は、高次の倍周波数や倍周波数プラスマイナス別の変調周波数のごとき１を超える参照周波数に存在する信号に適用し得る。これらの信号の全てを同時に分析し得、１を超える周波数にて二次ファラデー効果のごとき同一の項を検出することはより堅固な信号検出スキームを提供する。なぜならば、各々検出された周波数でのノイズ源は平均化されるからである。多数のロックイン周波数にて複数の信号を検出して、方程式の数が未知数の個数を超えることが特に有利である。
【００２５】
［導入］
エナンチオ的に純粋な有効成分入りの薬物およびエナンチオ的に純粋な中間体に対する必要性が増えている。実際に、将来の薬物は、有効成分により高いエナンチオマーまたはジアステレオマー純度を要求するようである。バイオ触媒はそのようなエナンチオ的に純粋な成分の合成に対して大きな可能性を有する。しかし、バイオ触媒のごとき多数の候補成分を生成できる技術の充分な開発は、新しい高スループットスクリーニング方法および装置を必要とし、それらはいずれも定向進化法のごとき調製技術を用いる環境試料の発見または候補薬物の開発に対するものである。本発明は、そのような開発努力に対する高スループットスクリーニング技術によく適している。
【００２６】
コンビナトリアル化学は新規薬物および物質を発見するプロセスを根本的に変えた。コンビナトリアル手法は、（一度に一つ）連続して候補化合物を製造し試験する古典的な手法に対して、研究者が数日または数週間のうちに数百万までの候補化合物を創製することを可能にした。コンビナトリアル化学を本発明の新規高スループットスクリーニング装置および方法に結合すれば、所望の候補化合物を驚くほど加速されたペースで大きなライブラリーから選び出すことが可能になる。
【００２７】
バイオ触媒が関連する分野において、定向進化法の最近の進展は、研究者らが数千もの新規突然変異酵素から数十のものをスクリーニングすることによって、既存の酵素の改良版を作製することを可能にした。酵素触媒が卓越する分野の一つは、高い立体選択性および／または立体特異性を要する反応の分野であり、それは多くの工業プロセスに利益をもたらす。有益な突然変異体の出現は稀なことであるので、本明細書に開示したような高スループットスクリーニング技術は、遺伝子シャッフリング実験から充分な候補を充分に評価して改良された酵素を納得のいく確からしさで見つけることが必要である。本発明を除き、コンビナトリアル化学に大きな進展があったにもかかわらず、今まで、キラル化合物すなわち立体選択性触媒用の高スループットスクリーニング方法は存在せず、特別に標識した基質または代替レポーターシステムを用いたスクリーニングについていくつかの成功例が報告されているだけである。
【００２８】
［キラルにおける高次磁気誘発偏光回転の理論］
時間的正弦波磁場、高次ファラデー効果（磁場に高次依存する磁場誘発偏光回転）、（正弦波変動磁場の高調波にて検出する）高調波ロックイン検出、および（弱い信号と強い入力光場(optical field)との間の干渉項を検出する）光学ヘテロダイン検波のごとき技術を組み合わせて同時使用すれば、一桁を超えて感度を増進するであろう。しかしながら、装置が単純でも、技術のこの洗練された組み合わせの使用は、注意深い分析を必要とする。いくつかの入力パラメータ：局部発振場(local oscillator field)、磁場、試料の濃度およびキラリティーにならびに高調波次数に対してロックイン信号を測定しなければならない。二次ファラデー効果は、例えば、第２高調波ロックイン信号の局部発振強度への二次磁場依存性によって独特に決定され、または平方根依存性からも決定することができる。本発明者らは、これらの方法が非常に感度の高い全濃度測定のみならず、旋光分析に存在する単純旋光よりもかなり多くの情報を提供することを期待する。かくして、このデバイスは旋光計よりもはるかに高い一般性を有する。
【００２９】
理論的には、本発明のシステムは以下の一連の方程式に従う。これらの方程式は、振動磁場Ｂ（ｔ）に対する電場反応、フーリエ変換および簡略化後に得られた周波数ドメイン式、および理論上観測し得る反応を規定する。
【００３０】
［試料中の電場強度の導関数（タイムドメイン）］
以下の方程式は、振動磁場の影響の下で試料の成分が経験する電場強度の導関数を表す。
【００３１】
【数１】
2005524052.tif 000003
【００３２】
［フーリエ変換後のスペクトル方程式の導関数（周波数ドメイン）］
以下の数式は、タイムドメインから周波数ドメインへのフーリエ変換後の上記誘導された変動磁場の影響下で試料の成分が経験する電場強度に対応するスペクトルを表す。
【００３３】
【数２】
2005524052.tif 000004
【００３４】
［検出器反応ベースケース(Base Case)−試料モジュレーションのみ］
実験結果を分析するためか、または様々な課せられた実験条件下でのシステムに対する反応を決定するために、これらの方程式を用いることにおいて、少なくとも５つの実験条件が検出され処理されて、有用な分析データを得ることが可能である。第１の条件は試料モジュレーションのみに付されている試料から誘導されるデータを含む。すなわち、試料は所定のおよび既知の周波数にての変動磁場の影響下にある。反応を以下に示す。
【００３５】
【数３】
2005524052.tif 000005
【００３６】
この場面では、６つの未知数（α、β、υ、Γ、θおよびＥｉｎ）および７つの方程式が存在する。これらの方程式に関し、ＤＣ反応、第１高調波（Ｈ１）反応、第２高調波（Ｈ２）反応および第３高調波（Ｈ３）反応にθ依存性があるのが分かる。θ依存項は、それぞれ、２θβＢ２＋２θ２＋４θα、３／２θΓＢ３＋２θυＢ、θβＢ２、および１／２θΓＢ３である。
【００３７】
［検出器反応−試料および光モジュレーション］
第２の場面は試料モジュレーションおよび入射偏光ビームの偏光モジュレーションを含み、この偏光は関数ｃｏｓ（φｔ）によりθ変調されている。この場面における支配独立方程式を以下に記載する。
【００３８】
【数４】
2005524052.tif 000006
【００３９】
これらの方程式から、再び、６つの未知数（α、β、υ、Γ、θおよびＥｉｎ）およびそれを導き出す１１個の方程式が存在することが分かる。
【００４０】
［検出器反応−検出限界以下のβおよびΓ］
第３の場面において、試料は振動磁場の影響下にはないが、関数ｃｏｓ（φｔ）により値θ周りで振動する偏光源の影響下にある場合、またはβおよびΓが検出器の検出限界より低く、以下に示すような反応を表す方程式を与える。
【００４１】
【数５】
2005524052.tif 000007
【００４２】
これらの方程式から、再び、４つの未知数（α、υ、θおよびＥｉｎ）およびそれらを導き出す６つの方程式が存在することが分かる。これらの方程式から、ＤＣ項はあまり役に立たないことも分かる。
【００４３】
［検出器反応−アキラル種（解α＝β＝Γ＝０）］
第４の場面において、試料はアキラル種についてのみ分析され、キラル種信号は様々なスペクトル分析から決定し得る。支配方程式を以下に列記する：
【００４４】
【数６】
2005524052.tif 000008
【００４５】
これらの方程式から、再び、３つの未知数（υ、θおよびＥｉｎ）およびそれらを導き出す４つの方程式が存在することが分かる。
【００４６】
［検出器反応−光変調のみ］
第３の場面において、試料は振動磁場の影響下にはないが、関数ｃｏｓ（φｔ）により値θ周りで振動する偏光源の影響下にある場合、またはβおよびΓが検出器の検出限界より低く、以下に示すような反応を表す方程式を与える。
【００４７】
【数７】
2005524052.tif 000009
【００４８】
これらの方程式から、再び３つの未知数（α、θおよびＥｉｎ）およびそれらを導き出す２つの方程式が存在することが分かる。したがって、系を完全に示すためには、Ｅｉｎの個別測定をすべきである。
【００４９】
上記の導関数から、ガンマおよびベータ項は、キラル成分からの寄与だけであり、非キラル成分からのものではない。かくして、ガンマおよびベータを決定すれば、非キラル成分からの影響のないキラル成分からの寄与を決定することができる。
【００５０】
［円二色性］
本発明のＭＯＰＥＤシステムにおける旋光の検出に関与する物理的原則を用いて、円二色性（ＣＤ）を持つ化合物を決定することも可能である。装置に求められる変更は至って単純である。この変更は、水晶波長板を光源と第１の偏光板との間で装置に挿入するだけである。さらに、ロックインＣＣＤカメラは、分析のスピードを大いに加速し、分離された波長を分析するために回折格子を用いるダイオードアレイスペクトル分光器と同じように、ＣＤスペクトル測定を可能とする。ＭＯＰＥＤ装置をＣＤに拡張すれば、ほとんどの研究者が現在のところ利用できない高速な方法で、タンパク質の二次構造のごとき現象のルーチン調査を可能とする。ロックインＣＣＤカメラは現在のところ開発中であるが、関連する技術および手段は、対象のスペクトル範囲全体にわたる波長を調査することによって開発し得る。
【００５１】
［高スループット分析スクリーニングのための高速旋光測定］
本発明のＭＯＰＥＤの高スループット能力は、ロックインアンプの高速検出能力にかかっている。概略的に、このシステムは１分間あたり多くの試料、好ましくは１秒間に１試料、特に、１試料を１秒以下で測定することが可能である。これらのスピードは、特に、多重チャンバーセルおよび／または９６ウェルプレートおよび／または３８４ウェルプレートに適合するように調整される。ロックインＣＣＤカメラを用いれば、このシステムは、ウェルプレート毎に、または個々のチャンバー毎に旋光その他の光学特性を検出し得る。この多重エレメント検出器は、複数の波長を調査し、および／または複数の試料を並行して分析することを可能にしつつ、同時に、各検出器エレメントにロックイン検出の利点のすべてを付与する。ＣＣＤカメラに加えて、本発明は、複数の個別検出器およびロックインアンプ、すなわちそれらのアレイを用いて、さまざまなスペクトル周波数および／または様々な試料を同時に測定し得る。
【００５２】
［本発明の装置および方法の利益］
過去数年間で、レーザーベースの旋光分析にある程度の進展が達成されたが、本発明の装置はいくつかの新規かつ革新的な特徴を含む：（１）試料に振動磁場、好ましくは正弦波変動磁場の負荷とともに高調波ロックイン検出の使用、（２）分析感度の向上のための二次ファラデー効果の使用、（３）光学ヘテロダイン検波の使用、（４）ロックインＣＣＤカメラの使用。これらの特徴の組み合わせは、本発明の装置および方法が高スループットを達成することを可能とし、それは何らかのより新しい世代の技術によって生成された化合物をスクリーニングするためのいかなる技術にも必要な特徴である。
【００５３】
本発明の装置および方法は、現行の旋光分析の少なくとも３つの不満に取り組む：（１）約１ミリ度の感度限界、（２）単一試料プロセシングに基づくスループット、（３）単純な旋光測定に対する制限、および（４）エナンチオマーまたは光学活性種の全濃度測定に対する制限。本発明は、単純旋光を精密かつ正確に測定し得るが、他の信頼ある光学特性およびパラメータの測定を提供し、さらに、エナンチオマーまたは光学活性種の全濃度測定を向上させる。本発明は複数の試料を同時にスクリーニングし得る。本発明は１ｃｍ光路長を有する標準セルを用いてこれらの改善を達成し得る。さらに、本発明は、古典的な旋光分析の少なくとも１桁高い感度および古典的な旋光分析よりもかなり良好なエナンチオマー全体の測定を提供する。
【００５４】
ここ数十年の間、旋光分析はあまり進展していない。汎用の分析用旋光計を１桁向上させた最後の改良は、１９５７年にギルマン(Gillman)によるファラデー分離器の導入であった。本発明は、キラル種を含む試料をスクリーニングする上での分析的な課題にレーザー光学における近年の進歩を適用することによって、薬物開発分野での使用に理想的に適した単純で信頼あるレーザー光学ベースの高スループット旋光計に関する。
【００５５】
［キラリティーの歴史］
異方性結晶やキラル分子の一方のエナンチオマーを過剰に含有する試料は、平面偏光の偏向面を回転させる。この現象は、最初に、フランスの物理学者ジャン＝バティスト＝ビオ(Jean-Batiste Biot)により、彼の水晶結晶の研究中に発見された。引き続き、ビオの弟子であるルイ＝パスツール(Louis Pasteur)は、熟成ワイン樽中の酒石沈殿物かららの酒石酸溶液に関わるより有名な一連の観察を行った。この創意に富んだ研究において、パスツールは、パラ酒石酸のナトリウムアンモニウム復塩の二つの結晶形態が観察されたことを記し、それらはラセミ酸（ラテン語の「racemus（葡萄の房）」に由来する。）とも呼ばれる。彼は、これらの結晶を手で分離し、酒石酸結晶の等濃度の分離溶液は、同量であるが反対方向に直線偏光を回転させることを記した。この観察から、パスツールは光学的に不活性なラセミ酸は同量の（＋）および（−）の酒石酸からなると推論した。その後、光学的に不活性な光学異性体同量混合物を記述するために、「ラセミ化合物」なる用語が用いられた。おもしろいことに、ファラデーは、その数年前に、彼の名が冠された磁気誘発回転効果の最初の観察を１８４６年に行い、彼の画期的発見に続けて、パスツールは、１８４８年に、磁場中で結晶成長させてキラリティーを誘発させることを試みたが、失敗に終わった。ケルビン卿(Lord Kelvin)は、科学界に「キラリティー」なる語（ラテン語で「chiro（手）」に由来する。）を導入し、磁気回転はキラリティーの源ではないと記した。
【００５６】
光学異性体は、より一般的にはエナンチオマーと呼ばれ、薬理学、化学ならびに、精油、フレーバーおよび食品工業の研究を含むいくつかの分野において重要である。この偏光配向におけるこの変化の測定化学を「旋光分析」といい、測定機器を旋光計という
これらの測定は異方性物質の構造の研究やキラル混合物すなわちキラル化合物の純度を調べるのに有用である。
【００５７】
エナンチオマーの等モル化合物を含有する試料は、上記したように、ラセミ化合物と呼ばれ、キラル分子の一方のエナンチオマーのみを含有する試料を光学的に純粋であるという。光の進行方向から見たとき、左すなわち反時計回りに光を旋回させるエナンチオマーを左旋性（ｌ）または（−）エナンチオマーといい、右すなわち時計回りに光を旋回させるエナンチオマーを右旋性（ｄ）または（＋）エナンチオマーという。
【００５８】
光学的に活性な試料は、左および右円偏光に対して異なる屈折率を有するので、旋光という現象が起きる。別の言い方をすれば、左および右円偏光は、光学活性試料を異なる速度で進行する。キラル中心には、各々が異なる電子分極性を有する４つの異なる置換基の特異的幾何配置があるので、このような状態が生じる。媒体中を進行する光と、その光と相互作用する化合物中に存在する電子雲との間で、相互作用が生じる。したがって、左円偏光は、右円偏光とは異なって、異方性媒体と相互作用する。
【００５９】
直線または平面偏光は、同強度の左および右円偏光の重畳として表記し得る。平面偏光が光学活性試料中を伝搬するとき、左および右円偏光成分は異なる速度で伝搬する。この速度差が、二つの円偏光成分が試料から出るときに二つの間に位相ずれを生じる。これら二つの成分の和が、試料に入る光から異なる配向であるが、依然として直線偏光を生じる。
【００６０】
［旋光分析］
エナンチオ的に純粋な薬物を開発する際、合成プロセスの多くの段階で、光学純度を測定し、および／または達成させなければならない。この要求は、光学活性の測定に対して大いなる要求をもたらし；これらの測定は、通常、キラル高速液体クロマトグラフィー、円二色性によって、または旋光分析によってなされる。試料中のキラル分子の分子構造および濃度が旋光量を決定する。各光学活性物質は比旋光度を有し、それはビオ則により規定される。
【００６１】
【数８】
2005524052.tif 000010
式中、［α］Ｔλは特定温度Ｔ、および波長λにおける比旋光度である。濃度ｃはｇ／ｍＬで表され、光路長ｌはｄｍで表される。実測旋光度はαＴλである。歴史的に、旋光分析は、ナトリウムＤ線の５８９ｎｍにて行われており、ほとんどの文献値がこの波長で報告されている。これは、おおいに、ナトリウムランプが明るい単色光源であることによる。しかしながら、近年の機器は向上した光源を含み、旋光測定は５８９ｎｍに制限されない。実際に、近年の旋光計はモノクロメーターと連結され、波長領域全体にわたって旋光度を得ることが可能であり、旋光分散計として知られる。報告されている試料の比旋光度は、特記なければ、慣例として、１ｄｍ光路長を有するものと仮定される。しかしながら、報告された比旋光度の濃度や溶媒条件は任意であり、誤謬を避けるためには調べなければならない。
【００６２】
光学純度は以下の関係によって規定される。
【００６３】
【数９】
2005524052.tif 000011
式中、［α］は混合物の旋光度であって、［α］０は純粋エナンチオマーの比旋光度である。しかしながら、化学純度の異なる溶媒は直接比較できないので、光学純度なる用語は一般的には用いられない。この不明確さのため、鏡像異性体過剰率なる明確な用語が光学純度なる用語に取って代わった。Ｒ＞Ｓのものに対して、鏡像異性体過剰率の定義を下式で示す。
【００６４】
【数１０】
2005524052.tif 000012
Ｒ／Ｓ命名はプレログ(Prelog）則による炭素原子上の置換基の優先順位に基づくが、帰属された化合物の好ましい旋光度についてはなんら情報を与えない。鏡像異性体過剰率（ｅｅ）の計算例として、８０：２０の比率でＳおよびＲを含有する試料はＳエナンチオマーにつき６０％のｅｅを有する。
【００６５】
これらの関係を用いて、旋光分析は、医薬、化学、精油、フレーバー、および食品工業における品質試験、プロセス制御および調査に採用される。米国薬局方および米国食品医薬品局は多数の物質に対して旋光スペックを課すことが十分に確立されている。
【００６６】
［古典的旋光計］
１８１６年頃にビオにより用いられた初期の機器は偏光器と呼ばれ、通常ナトリウムＤ線にて平面偏光のビームを発生し、次いで、試料管を通過させるプリズムを用い、その後、円目盛りが刻まれた別のニコルプリズム偏光板を用いて、そのビームを分析する。機器の可読性および精度を向上させるために、上記の偏光板の前に別のニコルプリズム偏光板を配置して、光の半分を数度旋光することによってスプリットフィールド(a split field)を生じる。次いで、この機器を目視によって調整して、得られた２つの半分のフィールドをぴったりと合わせる。これらのフィールドをぴったりと合わせるのに必要な角度を全旋光度として読み取る。このデバイスの最新版は約０．１度の精度である。
【００６７】
エレクトロニクスの出現によって目視を直接フォトン検出に置き換えることによって旋光計の設計を進化させた。分析器、第２の偏光板は、光源から第１の偏光板を透過する単色偏光に対して実質的に直交させる。この分析器を用いて、検出器に到達する光を最小限化する。次いで、光学活性な溶液を偏光板と分析器との間に配置したとき、検出器にて観察される光束は増加する。これらのエレクトロニクスは分析器を回転させて、この増加を補償し、再度、検出器に対する光束を最小限化する。最小限に戻すために回転させるべき分析器の角度が旋光度αである。このタイプの簡単な旋光計は約０．０１度すなわち１０ミリ度の精度を有する。
【００６８】
この旋光計の精度はファラデー補償板の導入で大いに向上した。このエレメントは直線偏光ビームに、好ましくは、このビームが試料を透過する前に、変調を与える。最大誤差角より大きなビーム角で変調することによって、これは入力出力関係を効率的に線形にし、非常に小さな角度誤差の分解を可能にする。この設計に基づく最近のデバイスは、約０．００１度すなわち１ミリ度の角度分解能を有する。
【００６９】
古典的な旋光計は大量の試料、かなり高濃度の溶質を必要とし、安定な読みに達するまで数分間かかる。これらの要求の全てはキラル分析にとっては不便であり、少量の試料および高速分析が必要とされるコンビナトリアル化学等の高スループット化合物生成技術の分析には非実用的である。
【００７０】
旋光分析におけるより近年の進展はＨＰＬＣシステムでのキラル検出用のレーザーベース旋光計を含む。これらのシステムは、典型的な旋光計の４０倍も高い２５マイクロ度の精度を有し、かつ、たった２２μＬの試料チャンバーしか持たないと報告されている。感度および試料サイズを向上させることによって、これらの検出器は、典型的な旋光計では不十分であったキラル検出にアプリケーションを見いだした。しかしながら、これらの進展があっても、現在の技術水準のレーザー旋光計は連続的分析技術であって、旋光度を測定するのみで、濃度は測定せず、それは別個測定しなければならず、広く利用可能な高スループットキラルスクリーニングに対する必要性には十分に対処していない。
【００７１】
［円二色性（ＣＤ）］
円二色性（ＣＤ）は、右対左円偏光についての系により生じる差吸収（Δε）である、ＣＤ活性を立証するために、系は、吸収を生じる発色団にある方法によって結合された非対称中心を含有しなければならず、かくして、Δεはゼロであってはならない。
【００７２】
【数１１】
2005524052.tif 000013
【００７３】
旋光分析の基礎を形成する効果である旋光分散（ＯＲＤ）において、光学活性系により発せられた左対右円偏光に対する屈折率（Δη）の差違が測定される。非対称中心のある分子はかならずＯＲＤ活性である。すなわち、Δηはゼロであってはならない。
【００７４】
【数１２】
2005524052.tif 000014
【００７５】
化合物の屈折率は、許容遷移のスペクトル領域を除き、波長の関数で非常にゆっくりと変化するので、単一波長光学活性測定が頻繁に用いられる。このモードを旋光分析と称する。
【００７６】
ひとつの有利な旋光分析は円二色性にキラルな分子または触媒のスクリーニングを付与し、汎用的である。分子中の発色団および非対称キラル中心の存在がＣＤ活性には十分ではない。ＣＤ活性であるためには、吸収中心について二つの部分が密接に電子的接触している必要がある。この二つの要求は、全ての光学活性化合物がＣＤ信号を発する訳ではないことを意味する。偏光反応は、分子が非対称中心を持っていることのみを必要とする。偏光検出は現実的に全てのキラル分子に反応を与え、したがって、円二色性による検出よりも汎用的である。
【００７７】
［その他のキラル検出技術］
エナンチオ純度の測定のために、旋光分析や円二色性に加えていくつかの別の技術がある。キラル安定相またはアキラル安定相と誘導化した生成物と連結させた、ＨＰＬＣやガスクロマトグラフィー（ＣＧ）のごとき従来の分析技術がもっともありふれているが、キャピラリー電気泳動（ＣＥ）もある。これらの技術は、一旦方法が確立すれば、鏡像異性体過剰率の決定には優れているが、対象となる全ての化合物が容易に利用可能な適当なキラル安定相を有するわけではなく、いくつかの化合物はアキラル安定相に容易に誘導化されない。クロマトグラフィー分離と連結して、キラル検出器、レーザー旋光分析および円二色性を用いることは、部分的にこれらの懸念に取り組み、物質を誘導化することなく、アキラル安定相の使用を可能とする。しかしながら、これらの技術は、本来、連続法であり、それゆえ、一時間に数十個の試料に対応するのが限界である。
【００７８】
［高スループットスクリーニングにおける近年の進展］
ほとんどのコンビナトリアルおよび定向進化法にとって必要な大きなライブラリーの高速分析に対する必要性が増大していることに鑑み、信頼性ある高スループットスクリーニング法の開発に相当数の調査が行われている。これらの様々なスクリーニング技術の範囲はここで詳細に議論するには広すぎるが、最近のいくつかの論文に十分に概説されている。しかしながら、エナンチオ選択性の問題に対して開発されたスクリーニング技術の数は、より一層限られてしまう。ある最近の例は、ｐＨ計を用いて定向進化法におけるＬ−またはＤ−メチオニンの変換をアッセイし、定向進化による野生型酵素の選択性を反転させた。このアッセイは、両方の物質を別々にアッセイし、それらの結果を所望の活性と比較することを必要とする。この方法は、反転したエナンチオ選択性を持つ突然変異酵素を発見することに成功したが、各回に約１０，０００個のクローンを手作業で分析した。エナンチオ的に純粋な物質の両方を用いる同様の手法が、ペトリ皿手法を含む他のスクリーニング法において用いられている。しかしながら、エナンチオ的に純粋な物質は必ずしも入手可能ではなく、入手できても、通常、ほとんどの研究者にとって、大量スクリーニングに関連するコストが高すぎる。
【００７９】
あるいは、何人かの研究者は、高スループットスクリーニングを実行するための質量分光分析に加えて、上記のＨＰＬＣ、ＣＧおよびＣＥ技術を適用することを試みてきた。しかしながら、分析の本来的な連続性を考慮すると、典型的に最適化したＨＰＬＣまたはＧＣ分析は１０００試料／日まで実行可能であり、改良ＣＤ装置は約７，０００／日を達成する。重水素ラベル化物質に対する高スループット質量分光分析も調査されてきたが、その典型的なスループットは１０００試料／日である。
【００８０】
イメージング法は、並行していくつもの試料をアッセイできるようにして分析を増やす機会を与える。クロモジェニック染料アッセイおよび微生物コロニー周囲ゾーンのクリーニングはそれら自体にイメージング分析としての特徴を付与する。ある企業は、各小コロニー中で起こる酵素反応についてのキネティック情報を提供するように、この技術をさらに開発した。サーマルイメージングもエナンチオ選択反応に適用され、そこでは、反応熱が活性酵素を示す。しかしながら、これらの技術も、２つの別々の反応に与えられる純粋なエナンチオマーを要求する選択性を欠如する。イメージング旋光分析は酵素スクリーニングにつき調査されたが、最終的に、この技術の感度（０．０５度）が重要であるとあまりにも限定して考えられた。
【００８１】
確かに、旋光分析および高スループットスクリーニング技術において進展があったが、本発明は、１秒以下の時間で試料中のキラル化合物を検出し、この時間内で旋光度だけでなく鏡像異性体過剰率（ｅｅ）を測定するための比較的簡単かつ柔軟な技術を使用する点で顕著な改善を示す。かくして、この技術を用い、一日８時間連続して、または、並行試料プロセシングを用いてより高スループットで、数万個の試料をスクリーニングし得る。
【実施例】
【００８２】
実験および実施例
［マンデル酸のエナンチオマーでの線形ファラデー効果］
第１世代の装置は、既存の実験器具、および購入したヘルムホルツコイルおよび電源で構成され、一連の試験が実行され、実験結果と理論的予測値とが一致した。この装置は、１０−６の実測吸光係数を有するグラン＝トンプソン方解石偏光板と組み合わせて、６３３ｎｍにて単色光を発光するＨｅ−Ｎｅレーザーを用いる。このデバイスは、スタンフォードリサーチシステムの信号分析用ロックイン検出器にも用いられる。
【００８３】
ラセミ化合物に加えて、両エナンチオマーが入手可能なので、マンデル酸のエナンチオマーを最初の試験に選んだ。高価でないことに加えて、マンデル酸は医薬工業において汎用的な中間体でもある。エナンチオ純度の試験に対する標準試料の正確な調製は瑣末なものではなく；さらに、マンデル酸の２つの市販エナンチオマーは９９＋％のｅｅを有すると報告されるが、痕跡量の反対のエナンチオマーを含有するようである。したがって、この装置での試験のための正確な標準試料を得るために、ラセミマンデル酸およびＳ−マンデル酸から等濃度（２ｍｇ／ｍＬ）の２つの溶液を調製した。正確な化合物の秤量を保証するために、大量（１００ｍＬ）の溶液を調製した。ラセミ化合物の旋光度は正確にゼロであることが分かっているので、最新のピペッターで少量を正確かつ精密に計り取ることができ、各溶液の分量を１００％のｅｅを有するように設定された市販のＳ−マンデル酸と混合して所望のエナンチオマー比を達成した。したがって、Ｓ−マンデル酸の最終純度が未知であっても、小ｅｅ標準試料には高度の信頼性がある。
【００８４】
ヘルムホルツコイルは８００Ｈｚの周波数で駆動され、ロックインの時定数は１０秒に設定された。機器を読み取るまでに、少なくとも１分半（ロックイン時定数の約１０倍）を経過させた。１ｃｍ光路長の水晶セルを用いて、試料をヘルムホルツコイルの内側に保持した。結果を図１に示す。一次ヴェルデ定数の線形効果が明らかに生じている。この実験は１０秒の時定数を用いたが、１００ミリ秒以下の時定数も本発明の装置で達成可能である。
【００８５】
［二次ファラデー効果］
ヘルムホルツコイル、８００Ｈｚに設定した電源、２ωで検出するように設定したロックイン検出器、および±０．００２５ミリ度に設定した偏光板を備えた５３２ｎｍ２００ｍＷのヴェルデレーザーを用いて、マンデル酸の両方のエナンチオマーについてゼロ点からの測定を行った。図２および３に明確に立証されているように、検出信号にはＢ２依存性がある。さらに、２つのエナンチオマーに関して漏れ設定は等しいが符号が逆であった。データについては２回読み取りを行い、たった±６０ｎＶの誤差（図２および３においてエラーバーをプロットした。）が観察された。これは電源のノブが不正確であるために以前のパワー設定にパワー供給を正確に再設定することが困難であることによる。
【００８６】
［エナンチオマー純度の分析に対する二次ファラデー効果］
一旦、観察されたＢ２信号依存性から、二次ファラデー効果を容易に検出できることを確認されたので、全濃度は一定で（１０ｍｇ／ｍＬ）であるが様々なエナンチオマー比のマンデル酸試料を前記したように調製し、２ωのロックイン設定で検出した。場は最大設定（７５０ｍＡ）のわずかに下に設定し、現行のヘルムホルツコイルが冷却せずに耐えられるようにした。図４は、このような最適化されていない設定でも、これらの様々な混合物が明らかに区別されたことを示す。全ての試料は３回測定した。試料測定後、セルを取り外し、液体を入れ替え、少なくとも３回脱イオン水（ＤＩ）で洗浄し、次いで、新たな試料で少なくとも３回洗浄し、それから、この新たな試料をセルに充填し、その後、次の読み取りを行った。この装置は、１００％ｅｅＲ−マンデル酸（−）試料と９９％ｅｅＲ−マンデル酸（−）試料とを区別することが可能で、観察された信号は、それぞれ、１．７８±０．０１μＶおよび１．８０±０．０１μＶであった。この装置は、１００％ｅｅＳ−マンデル酸（＋）試料と９９％ｅｅＳ−マンデル酸（＋）試料とを区別することが可能で、観察された信号は、それぞれ、３３．８７±０．７６μＶおよび３５．５３±１．０μＶであった。１０ｍｇ／ｍＬのＳ−マンデル酸の実測旋光度は５３２ｎｍにて１．９４度であり、Ｊａｓｃｏ Ｐ−１０１０で、５８９ｎｍにて１０ｃｍを超える光路長で１．５３度であった。すなわち、この濃度にての１％ｅｅ差は、１ｃｍ光路長に対して２．０ミリ度未満に対応する（±１ミリ度の検出限界を有する最善の入手可能な分析用旋光計に非常に近い）。生信号に加えて、図５に示すように位相情報も測定した。この測定での最大実測誤差は＋２５％ｅｅにて２．３度である（全ての点にエラーバーをプロットしているが、小さすぎて見ることができない）。
【００８７】
設計および方法
［光磁気位相エナンチオマー検出器（ＭＯＰＥＤ装置）］
古典的旋光計は方解石偏光板の間にビームエクスパンディングテレスコープを配置して性能を向上させるが、そのような光学素子の追加は感度を犠牲にする。かくして、古典的旋光計は光学装置の単純な追加では改善させられない。本発明の装置は光路中に光学素子を追加する必要がなく、旋光計の能力を著しく増大させる。
【００８８】
本発明は、非線形レーザー分光分析の分野からの方法を用い、これらの方法に旋光分析を適用して、光学素子を追加することなく、新世代の改善された旋光分析機器を提供する。新世代の旋光分析機器は物質のキラリティーの顕示である高次ファラデー効果を利用する。
【００８９】
次に、図６ＡおよびＢを参照すると、好ましい具体例である装置が全体として６００で示され、それは、明るい均一光（好ましくは単色光）の光源６０２を含み、それは入力光ビーム６０４を生じる。次いで、この入力光６０４は第１の偏光板６０６に方向付けられ、それは偏光ビーム６０８を生じる。次いで、この偏光ビーム６０８は試料セル６１０に送られ、それは、セル６１０のいかなる断面をとってもその断面内部の試料成分が時間変動するものの実質的に均一な磁場を経験するように、ヘルムホルツコイル６１２内に配置される。ヘルムホルツコイル６１２は電源６１４によって駆動され、それは振動入力パワー信号６１６を発生し、試料セルを横切る振動磁場を発生させ、そこではセルのいかなる断面も時間変動するが実質的に均一な磁場を経験する。光ビーム６０８が試料を透過するとき、この光ビームは試料セル６１０内の試料中のキラル成分に影響され、それは外部負荷振動磁場のため振動されて出力光ビーム６１８を生じる。次いで、この出力光ビーム６１８は第２の偏光板、分析器６２０に方向付けられ、それは、第１の偏光板に対して実質的に直交して偏光ビーム６０８からの少量の偏光を有する検出器光ビーム６２２を生じる。次いで、この検出器光ビーム６２２は検出器出力信号６２４に方向付けられ、それは検出器光ビーム６２２を検出器出力信号６２６に変換する。次いで、この出力信号６２６はロックインアンプに方向付けられ、それは電源６１４によって生じた入力パワー信号６１６（ロックイン信号）に対して信号６２６を増幅して振幅および位相を有する結果物６３０を生じる。
【００９０】
図６ＡのＭＯＰＥＤ装置６００において、試料を横切って負荷される磁場は既知周期の振動磁場であって、好ましくは正弦波変動磁場である。偏光板６０６および６２０はわずかに直交からはずれビーム６０８の幾分かの光が検出器６２４に進行し、ビーム６１８の偏向回転成分とコヒーレントに足し合わされる。ロックイン検出器６２８は様々な周波数で検出するように設定し得るが、好ましくは、ロックインはヘルムホルツコイル６１２を駆動する入力パワー信号６１６の周波数の第２高調波に設定して、正弦波磁場を発生させる。このように、二次ファラデー効果は高い感度でキラリティーを生じ、ロックイン検出およびヘテロダイン検波の全ての利点をもって測定し得る。図示しないが、装置６００は、第１の偏光板６０６後のビーム６１８の途中に１／４波長板または光弾性モジュレーターを挿入して円二色性に類似するデータを得ることができる。
【００９１】
次に、図６ＣおよびＤを参照すると、好ましい具体例である装置が全体として６５０で示され、それは、明るい不均一光（好ましくは単色光）の光源６５２を含み、それは入力光ビーム６５４を生じる。次いで、この入力光６５４は第１の偏光板６５６に方向付けられ、それは偏光ビーム６５８を生じる。次いで、この偏光ビーム６５８はファラデーモジュレーター６５７に送られ、それは偏光ビーム６５８の偏向を小角で変調して変調偏光ビーム６５９を生じる。この変調偏光ビーム６５９は試料セル６６０に送られ、それは、セル６６０のいかなる断面をとってもその断面内部の試料成分が時間変動するものの実質的に均一な磁場を経験するように、ソレノイド６６２内に配置される。ソレノイド６６２は電源６６４によって駆動され、それは変動入力パワー信号６６６を発生し、試料セルを横切る変動磁場を発生させ、そこではセルのいかなる断面も時間変動するが実質的に均一な磁場を経験する。光ビーム６５９が試料を透過するとき、この光ビームは試料セル６６０内の試料中のキラル成分に影響され、それは外部負荷振動磁場のため振動されて出力光ビーム６６８を生じる。図６Ｃの装置はファラデーモジュレーター６５７を含むが、図６Ａおよび８Ａの装置もファラデーモジュレーターを含み得る。
【００９２】
次いで、この出力光ビーム６６８は第２の偏光板、分析器６７０に方向付けられ、それは、第１の偏光板に対して実質的に交差して変調偏光ビーム６５９からの少量の偏光を有する検出器光ビーム６７２を生じる。次いで、この検出器光ビーム６７２は検出器出力信号６７４に方向付けられ、それは検出器光ビーム６７２を検出器出力信号６７６に変換する。次いで、この出力信号６７６はロックインアンプ６７８に方向付けられ、それは電源６６４によって生じた入力パワー信号６６６（ロックイン信号）に対して信号６７６を増幅して振幅および位相を有する結果物６８０を生じる。
【００９３】
図６ＣのＭＯＰＥＤ装置６５０において、試料を横切って負荷される磁場は既知周期の振動磁場であって、好ましくは正弦波変動磁場である。偏光板６５６および６７０はわずかに直交からはずれビーム６５９のある程度の光が検出器６７４に伝播し、ビーム６６８の偏向回転成分とコヒーレントに足し合わされる。ロックイン検出器６７８は様々な周波数で検出するように設定し得るが、好ましくは、ロックインはソレノイド６６２を駆動する入力パワー信号６６６の周波数の第２高調波に設定して、正弦波磁場を発生させる。このように、二次ファラデー効果は高い感度でキラリティーを生じ、ロックイン検出およびヘテロダイン検波の全ての利点をもって測定し得る。図示しないが、装置６５０は、第１の偏光板６５６後のビーム６５９の途中に１／４波長板または光弾性モジュレーターを挿入して円二色性に類似するデータを得ることができる。
【００９４】
セル６６０は、図６Ｄに示されるようなフローセル６８３でもあり得、ソレノイド６６２内部に配置されたセル筐体６８４を含み、それにはインレット６８８に固定され、試料供給システム６９０に結合された流入フロー管６８６が備えられている。このセル筐体６８４は、試料収集システム６９６に結合された流出フロー管６９６を備えたアウトレット６９２も含む。試料供給システム６９０はＬＣ、ＭＰＬＣ、ＨＰＬＣ、電気泳動機器、キャピラリー電気泳動機器、ＧＣ、もしくは、試料をその成分に分離するように設計されたその他のいずれかの分析機器のごとき分析用分離装置、または生成ストリームを連続的にもしくは周期的に試料採取し、その試料の全てまたは一部を分析用の本発明の装置に送る試料採取装置であり得る。
【００９５】
ロックイン増幅および位相感受性検出としても知られるロックイン検出の使用は、全ての周波数にノイズが存在し、他の検出器は全ての周波数を検出し、かくして、全てのノイズを観察しているという事実を利用して、ノイズを低減し、感度を向上する。しかしながら、周波数の狭い範囲のみを検出すれば、ノイズは劇的に低減し得る。ロックイン検出は、装置のある局面を周期的（通常、正弦波状）に変調させることを伴い、信号に正弦波変調をもたらす。その後、ロックイン検出器は、信号に同一周波数の正弦波（その「参照波」）を乗じ、次いで、それは、（正弦波の多数の区間にわたるが）短時間で積分する。正確な周期で特定の信号が生じるならば、また、それがロックイン正弦波と同位相であれば、それは大きな結果をもたらす。他方、間違った周期（または間違った位相）のいかなる信号（またはノイズ）は、それが負のときノイズ信号とロックイン正弦波の積がしばしば正なので、積分するとゼロになる。かくして、正しい周期（および位相）のノイズのみが寄与する。換言すれば、検出信号に寄与するノイズはより一層少ない。それゆえ、より一層弱い信号レベルを検出できる。典型的に、ロックイン検出は１０６のノイズ低減をもたらし、同程度の感度向上をもたらす。実際に、ナノボルトやフェムトアンペアの信号感度を達成することは普通である。さらに、ロックイン検出器は、参照正弦と信号正弦との間の相対位相の非常に高い感度での検出を可能にする。
【００９６】
ファラデー効果は、負荷された磁気が試料媒体中で光学活性を誘発する性質である。試料セルを取り巻くヘルムホルツコイルまたはソレノイドなどのような磁場発生器に正弦波電流を負荷すると、試料に正弦波変動磁場を生じ、媒体中に光学活性を誘発し、時間正弦波的ではあるが、その電流と同一周波数の正弦信号を生じる。負荷電流を（ロックイン検出の周波数および位相を決定する）ロックイン参照波として用いて、信号を容易にロックイン検出できる。これは試料媒体によく知られた（線形の）ファラデー効果を生じ、その効果が強ければ強いほど、透過光の正弦変動がより強く、ロックイン検出器での信号がより大きくなる。
【００９７】
試料および溶媒（例えば、水）の線形ファラデー効果は興味がないが、ほとんどの溶媒および物質が、ヴェルデ定数で測定すると線形ファラデー効果を有し、誘発された光学活性はヴェルデ定数、負荷磁場および媒体長の積である。幸運なことに、本発明の方法は二次ファラデー効果であり、偏向回転は、三次項を無視した次式に従って磁場の二乗に比例する。
【００９８】
【数１３】
2005524052.tif 000015
式中、Ｂは磁場；ａはキラリティー；ｂはヴェルデ定数；ｃは二次ファラデー効果の係数、すなわち、二次ヴェルデ定数である。定数ｃは物質のキラリティーと等価であるかまたは正比例する。かくして、水とある程度のキラル分子を含有するセルの二次ファラデー効果はキラル分子にのみによるものである。磁気誘発光学活性を磁場の二乗として検出して、溶質のキラリティーを得る。
【００９９】
近年、二次ファラデー効果（および三次ファラデー効果）が超高ＤＣ磁場（＞１０テスラ）でのみ観察されたが、以下により十分に説明する本発明の装置に示されるヘテロダイン検波およびロックイン増幅を用いることによって、二次のおよび／またはより高次のファラデー効果が、より一層低い磁場にて容易にかつ明確に検出し得る。
【０１００】
二次ファラデー効果を検出するために、本発明は好ましくは光学ヘテロダイン検波（optical heterodyne detection; OHD）を用いる。ＯＨＤは、信号光と少量の入力光との干渉的重ね合わせを慎重に生じさせるために、複数の偏光板をわずかに交差させないことを要件とし、それは通常「局部発振器」と呼ばれる。Ｅｓｉｇを信号電場とし、Ｅｌｏを局部発振器電場とすると、検出強度Ｉｄｅｔは、これらの場の大きさの平方和：
【０１０１】
【数１４】
2005524052.tif 000016
に等しく、式中、設計により、｜Ｅｌｏ（ｔ）｜２＞＞｜Ｅｓｉｇ（ｔ）｜２であり、Ｅｌｏは非常に安定である。この式を展開して、
【０１０２】
【数１５】
2005524052.tif 000017
を得、｜Ｅｌｏ（ｔ）｜２＞＞｜Ｅｓｉｇ（ｔ）｜２なので、｜Ｅｓｉｇ（ｔ）｜２は｜Ｅｌｏ（ｔ）｜２に比べて無視でき、Ｉｄｅｔ（ｔ）は次式：
【０１０３】
【数１６】
2005524052.tif 000018
で近似できる。
【０１０４】
この式は、信号場を含む項を一つだけ残し、それは、通常の信号項である｜Ｅｓｉｇ（ｔ）｜２よりもかなり大きな交差項である。かくして、ＯＨＤは信号を増幅する。その結果、ＯＨＤは信号雑音比も著しく向上させ、ＯＨＤは信号場を生じ、それはその信号場に線形依存し、それゆえ、小さな信号の平方に依拠する検出器よりもかなり高感度である。
【０１０５】
ＯＨＤおよびロックイン検出の組合せが特に強力であり、ここでは、信号ビームが切断され、局部発振器ではないので、交差項が検出される唯一の項である。これは、｜Ｅｌｏ（ｔ）｜２項が一定で、それゆえ、切断周期で信号を生じないという事実に起因する。かくして、ＯＨＤおよびロックイン検出の組合せが増幅と向上した感度を同時にもたらし、試料を横切る正弦波磁場を負荷することによって、本発明の装置および方法の優れた性能をもたらす。これらの条件下、信号場は旋光度［α］：
【０１０６】
【数１７】
2005524052.tif 000019
に比例し、検出強度Ｉｄｅｔ（ｔ）は次式：
【０１０７】
【数１８】
2005524052.tif 000020
で与えられる。
【０１０８】
第２高調波として（すなわち、Ｂ２として）変化する上式中の唯一項が二次ファラデー効果（ｃ・Ｂ２）なので、負荷磁場の第２高調波にてのロックイン検出によって容易に検出される。試料セル中の望まない複屈折の存在は信号強度に振動成分を付与しないので、基本的にこれらの測定には関係しないことを特記する。これは非常に便利である。
【０１０９】
さらに、ＯＨＤは別の有用な利益をもたらす。それは、信号光波電場を与え、その強度（すなわち、電場の平方の大きさ）ではない。これは、ＯＨＤが「同相」および「直交相」（９０゜位相はずれ）信号を識別し得ることを意味する。単に偏光板を交差させないだけで、（ロックイン参照波位相と混同されない）同一光波位相の局部発振器を生じ、信号光波の同相成分を生じる。あるいは、１／４波長板をビーム内に配置して、直交相局部発振器を導入し、それは、円二色性を表す信号光波の直交相成分の検出を可能にする。１−４波長板は高光学品質のものであり、感度を低下させずにビーム路に挿入し得ることを特記する。
【０１１０】
かくして、向上した感度に加えて、ＯＨＤは、本発明のＭＯＰＥＤ装置の有用な結果にさらなる測定パラメータ ― 入力光に対する信号光の相対位相を付加する。このさらなるパラメータを用いて、発色団共鳴の近接を決定する。
【０１１１】
最後に、図６Ａの装置は単一チャネル機器であるが、ロックインアンプのアレイを持つ配列された多重チャネル機器を用いて構成されるか、または現時点では開発中のロックインＣＣＤカメラを用いて構成される。このロックインＣＣＤカメラのすべてのピクセルがロックイン検出器である。ロックインＣＣＤカメラまたは標準ロックインアンプのアレイの使用は、ＭＯＰＥＤのスループットを大いに高め、同時に数百、数千の試料を並行して測定することを可能とする。
【０１１２】
興味深いことに、本発明の装置は試料キラリティーの大きさを高感度で得るだけではなく、その符号も得る。これは、次の議論によって理解される。試料（溶質）光学活性は、偏向回転および偏光板漏れの相対符号に応じて加算減算する
【０１１３】
様々な操作モードでのＭＯＰＥＤシステムの操作で得られた信号波形解析を図７Ａ〜Ｄに示す。４つの全ての図において、大きな振幅の正弦波曲線は磁場対時間であり、小さな曲線は（偏光板漏れが全く存在しない）出力光強度である。図７Ａを見ると、キラリティーが存在しても、一定出力信号はファラデー効果を生じない。図７Ｂを見ると、キラリティーの不存在下、線形ファラデー効果は正弦波出力光を含む。図７Ｃを見ると、キラリティーの不存在下、線形ファラデー効果は正弦波出力光を含む。図７Ｃを見ると、キラリティーおよびファラデー効果の両方の存在は位相ずれ信号強度を生じる。図７Ｄを見ると、高次ファラデー効果の存在は強度時間曲線に歪みを生じる。この場合、より高いロックイン周波数にての検出がより高い次元の項をもたらす。二次ファラデー項はキラリティーの顕示であって、単一キラリティーよりも高感度で検出され得、それはロックイン検出に役立たない。第３のモードはロックイン検出信号の位相ずれを用いることを要件とし、溶質によるファラデー効果ではなく、実際のキラリティー（およびその符号）を得る。いくつかのキラル溶質が存在する場合、負荷された磁場に依存せず、図７Ｃに示すように、信号波における参照波の位相に対する位相ずれを得る。
【０１１４】
例えば、磁場誘発光学活性が溶媒光学活性のものとは反対符号であれば、溶質キラリティーを打ち消すために、ある磁場が必要であろう。逆が真ならば、溶質キラリティーを打ち消すために、反対符号のある磁場が必要であろう。かくして、信号波および参照波間の位相ずれは（ロックインにより高感度で測定され）、水の線形ファラデー効果に対する溶質キラリティーをもたらす。水の線形ヴェルデ定数はよく知られているので、溶質のキラリティーをその符号も含めて抽出するのは簡単なことである。
【０１１５】
ＭＯＰＥＤ装置および方法はより大きな汎用性ももたらす。古典的旋光測定は所定の溶媒に対してたった一つのパラメータ、キラリティーしか与えないが、本発明は、キラリティーおよび媒体のキャラクタリゼーションの助けとなるその他のパラメータ決定することができ、本発明の装置および方法により大きな予測力を与える。さらなるパラメータまたは実測特性が、ＭＯＰＥＤ機器の感度に応じたいくつかの高調波にて試料を検出する簡単なやり方で本発明の装置を用いて得られる。かくして、ＭＯＰＥＤ装置および方法はキラリティーのみならず、様々なより高次のファラデー効果も得ることが可能である。試料のこれらのさらなるデータ、パラメータまたは特性が利用可能である。なぜならば、本発明の装置は負荷された磁場の周波数のより高次の高調波にロックインし得、誘発活性対磁場のフーリエ級数展開のより高次項を与えるからである。これらの高次項は全旋光に寄与するいくつかの種との混合物を測定するのに特に有用である。
【０１１６】
次に、図８Ａ〜Ｅを参照すると、本発明の別の好ましい装置が全体として８００で示され、それは単色光源８２０を含む。光源８０２からの光は図８Ｂに示される第１の光ファイバー束８０４に方向付けられ、各ファイバー８０５は光ビームを通す。第１の光ファイバー束８０４は第１の偏光板で終端し、それは束８０４中の各光ファイバーからの各光ビームを偏向する。得られた偏光ビームは第２の光ファイバー束８０８に方向付けられ、それは束８０８中の各光ファイバー８０９に対応する試料チャンバー８１１を含む試料セル８１０にビームを送る。多重チャンバーセル８１０は、セル８１０中のチャンバー８１１の全てのいかなる断面をとってもその断面内部の試料成分が時間変動するものの実質的に均一な磁場を経験するように、ヘルムホルツコイル８１２内に配置される。ヘルムホルツコイル８１２は電源８１４によって駆動され、それは振動入力パワー信号８１６を発生し、試料セルを横切る振動磁場を発生させ、そこではセルのいかなる断面も時間変動するが実質的に均一な磁場を経験する。束８０８によって伝送される各偏光ビームがその対応する試料を通過するとき、この偏光ビームは対応する試料中のキラル成分によって影響され、一方、試料成分は外部負荷振動磁場のため振動されて出力光ビームを生じ、それらは第３の光ファイバー束８１８に方向付けられる。次いで、束８１８中の対応する光ファイバー８１９を通る出力光ビームは第２の偏光板、分析器８２０に方向付けられ、それは第１の偏光板に対して実質的に直交してファイバー８２３の第４の光ファイバー束８２２を通る検出器光ビームを生じる。偏光板８０６と８２０とは、逆位相からわずかにはずれているため、検出器光ビームは束８０８によって通される偏光ビーム由来の少量の偏光を含むことになる。次いで、束８２２によって通される検出器光ビームは検出器８２４に方向付けられ、それは、各検出器光ビームをワイヤー束８２６を通る検出器出力信号に変換する。次いで、束８２６を通る出力信号はロックインアンプ８２８に方向付けられ、それは電源８１４によって生じた入力パワー信号８１６（ロックイン信号またはその高調波）に対して各信号を増幅して振幅および位相を有する各アンプル(ample)８３０という結果物を生じる。図８Ｃを見ると、好ましい具体例である多重チャンバーセル８４０がシリンダー状セル８１１を持つ実質的に矩形のセル８１０として示されている。図８ＢおよびＣから、あるタイプのインターフェースは光ファイバーの束フォーマットをその対応するチャンバーフォーマットに適合させることが必要なことが明らかである。そのようなインターフェースまたはマニフォールド８５０は図８Ｄに示され、このマニフォールド８５０はセル８４０の末端８４２に整合する矩形筐体８５２を含み、また、光ファイバーを各チャンバー８１１の開口８４４に対して中心合わせする光ファイバーホルダー８５４を含む。図８Ｅを見ると、別のセル８６０が示され、ダイヤ型筐体８１０およびシリンダー状チャンバー８１１を含んでいる。もちろん、このセルのサンプルはいかなる形状のものであり得、制限されずに、円形、楕円形、方形、矩形、三角形、五角形等を含む。
【０１１７】
次に、図９Ａ〜Ｄを参照すると、光ファイバー―偏光板構成の２つの好ましい具体例が示されている。図９ＡおよびＢを見ると、光ファイバー―第１の偏光板構成が全体として９００で示され、その対応する光ファイバー―第２の偏光板構成が全体として９０２で示されている。構成９００および９０２は第１の光ファイバー９０４および第２の光ファイバー９０６および、その間に配置された偏光板９０８または９１０を含み、これら偏光板９０８および９１０は、光ファイバー９０４および９０６と実質的に同一サイズであり、直交または実質的に直交した配置に向けられている。図９ＣおよびＤを見ると、光ファイバー―第１の偏光板構成が全体として９５０で示され、その対応する光ファイバー―第２の偏光板構成が全体として９５２で示されている。構成９５０および９５２は第１の光ファイバー９５４および第２の光ファイバー９５６および、その間に配置された偏光板９５８または９６０を含み、これら偏光板９５８および９６０は、光ファイバー９５４および９５６と同一サイズよりも大きく、直交または実質的に直交した配置に向けられている。
【０１１８】
次いで、図１０Ａ〜Ｄを参照すると、光ファイバー―偏光板構成の別の２つの好ましい具体例が示されている。図１０ＡおよびＢを見ると、光ファイバー―第１の偏光板構成が全体として１０００で示され、その対応する光ファイバー―第２の偏光板構成が全体として１００２で示されている。構成１０００および１００２は第１の複数の光ファイバー１００４および第２の複数の光ファイバー１００６および、その間に配置された偏光板１００８または１０１０を含み、これら偏光板１００８および１０１０は、全てのファイバー１００４および１００６を取り込むのに十分なサイズであり、直交または実質的に直交した配置に向けられている。図１０ＣおよびＤを見ると、面１０１０および１０１１が見えるように構成１０００および１００２が示され、個々のファイバー１０１２は、それぞれ、偏光板１００８および１００９の面１０１４および１０１５に接触している。
【０１１９】
本発明の装置および方法について、必要とされる負荷された磁場の値に関連するいくつかの実施上の問題点が試料中の分析物に対する変動反応を誘発する。負荷場は通常比較的低い強度のものであり、それは標準電源およびヘルムホルツコイルおよびソレノイドおよびトロイダルコイルで容易に発生し得る。ロックインおよびヘテロダイン検波は非常に感度が高いので、通常数テスラの高い磁場強度を必要とする大きな値の誘発光学活性を達成する必要がない。市販のヘルムホルツコイルおよびソレノイドは、数アンペアの電流から、好ましい高い磁場強度で数ガウスの磁場を発生することができ、また、９６ウェルプレートの全体を覆うのに十分なサイズであって、そのプレートがヘルムホルツコイル内に挿入され、別個にまたは図８Ａに示されるように偏光が各ウェルに方向付けられるようにする。ヘルムホルツコイルの業者はMagnetic Instrumentation Inc.を含み、または場変調を駆動するKentronixから入手可能なもののごとき電源を用いるLake Shore Cryotronicsが簡単に見つかる。本発明の目的のため、ヘルムホルツコイルは、２つの同一半径の同心円電流ループを含み、それらは半径一つ分隔てられている。換言すれば、これらのループは距離ｌだけ隔てられ、ここに、ｌはこれらのコイルの半径である。すなわち、ヘルムホルツコイル配置は、２つの円形コイルが、コイルの半径に等しい距離だけ隔てられたものである。ソレノイドは、単純な電磁石であり、単一コイルを含み、電流がそのコイルを流れるときコイル内部に実質的に均一な磁場を発生する。トロイダルコイルは、ドーナツまたはトーラス状の巻き線のコイルを含むものである。
【０１２０】
最後に、旋光分析試料に負荷される磁場を正弦波変動させることは、実際に、ロックインおよびヘテロダイン検波の理想的な応用であり、それゆえ、図６Ａ〜Ｄに示すように、非常に簡単に行える。これらの技術は、ビーム路になんら部品を付け加えず、高品質方解石偏光板の完全性を損なわず、達成された感度をおおいに付加しつつ、高スループット記録を可能にする。さらに、ロックイン検出のみごとな感度のため、線形および非線形ファラデー効果は、常に、通常行われる光学活性のＤＣ−検出よりもかなり高い感度のようである。向上した感度のおかげで、より小さな試料サイズおよび／またはより低い濃度での分析が容易になり、旋光分析の可能性のあるアプリケーションを広く拡張する。
【０１２１】
光源モジュレーション［θ（ｔ）＝ｃｏｓ（φｔ）］および複数の試料チャンバーを有する試料セルを含む本発明のシステムにおいて、光伝送システムは、発光用の光ファイバー束、チャンバー毎に一本の光ファイバー、を含み得、透過光は、第２の光ファイバー束、チャンバー毎に一本の光ファイバー、を通って分析器に移送される。次いで、得られた分析光を検出用の第３の光ファイバー束、チャンバー毎に一本の光ファイバー、を通って検出器にポート(port)される。次いで、検出された信号のアレイを分析用の平行ロックインアンプまたはロックインＣＣＤに渡す。通常の光ファイバーを用い得るが、偏光に悪影響を与えない光ファイバーを用いることが好ましい。すなわち、これらの光ファイバーは出力光として、実質的に同一の入力光の偏向を維持する。もちろん、変化がないことが好ましい。しかしながら、現実の世界では、初期偏光と最終偏光との差異は約１０，０００分の１、好ましくは１００，０００分の１、特に１，０００，０００分の１未満であるべきである。
【０１２２】
一つの好ましい光ファイバー光伝送システムは第１のファイバー束、各チャンバーに一本のファイバー、を含み、各ファイバーは第１の長さのファイバーおよび第２の長さのファイバーをそれらの間に置かれた第１の偏光板とともに含み、第１の長さの近位端は実質的な単色光源から入射光を受光し、第２の長さの遠位端は第２の偏光を有する光を出射し、伝送システムはこの偏光板の後に配置される偏光モジュレーターも含み得る。次いで、この第１の束を配列してセルの各試料チャンバー内の試料を照射する。この光伝送システムは第２のファイバー束、各チャンバーに一本のファイバー、を含み、各ファイバーは第１の長さのファイバーおよび第２の長さのファイバーをそれらの間に置かれた第２の偏光板とともに含み、第１の長さの近位端はチャンバーを通過した光を受光し、第２の長さの遠位端は第２の偏光板からアレイ検出器、分析された各光線用の一つの検出エレメントまたは各ファイバーからの光の全てを独立して検出できる検出器へと通過する光を出射する。特定の好ましい光ファイバー伝送システムは、ファイバー自体と実質的に同一かまたはわずかに大きな偏光板を含む。
【０１２３】
［可能性のある危険と代替方法］
非線形ファラデー効果を検出することは、本質的に線形ファラデー効果に影響されないが、分析装置のいかなる部分においても開発の一つの懸念は、感度を低減し、分析を妨害するノイズ源である。ロックイン検出器の一つの利点はノイズ除去であるが妨害し得るいくつかの潜在的効果が存在する。磁気コイルはロックインにおいて電磁妨害（ピックアップ）をその周波数にて誘発するが、幸いなことに高調波にては誘発しない。しかしながら、そのような効果は、当該分野でよく知られているように、磁場からのアンプの充分な遮蔽によって低減または除去し得る。磁場周波数にて非常に正確な測定を得るための一つの代替方法は、レーザービームを独立して変調し、磁場とレーザー変調の周波数の総和に固定された別のロックインアンプを用いることである。各々が独立したノイズ源を持つこれらの２つのロックイン増幅信号は合成信号におけるノイズ低減を可能とする。
【０１２４】
別のノイズ源は液体容器の壁の材料の複屈折である。しかしながら、複屈折は磁場によって変調されないので、検出されない。磁気誘発複屈折が存在すれば、同位相成分のみを検出することによって、この効果を分離するようにＯＨＤを設計する。どの測定の前にもこの容器のＤＣ寄与をなくすようにこれらの偏光板をゼロにして、この効果を最小限にする。材料のストレスに由来する複屈折を回避するためのこの最善策は、分析ビームを試料底から反射させることであって、透明ウィンドウにそれを透過させることではない：まず、光ビームを試料の底に方向付けることによって、材料全体のいかなるストレスをも回避し、次に、試料にビームを２回通すことによって路長を２倍にして生信号を増やす。
【０１２５】
ロックイン検出は、溶媒やその他いずれのｄｃ効果にも影響されない。溶媒効果は、線形ヴェルデ効果のみの測定をもたらす条件下で作動する変形ＭＯＰＥＤ装置において大きな役割を演じる。格好の溶媒である水の線形ヴェルデ定数は非常に小さいが、相対濃度は多き（純水で５５．６Ｍ）。しかしながら、本発明は、二次ファラデー効果にて分析されたロックイン検出を用いるように設計され、特に、磁場周波数の高調波での操作は、本来的に、標準旋光分析の命取りであるこれらＤＣおよび一次効果の全てを回避する。
【０１２６】
吸収、粒子からの散乱、およびレーザーによる局所加熱のごときさらなる溶媒効果が問題であれば、スペクトルの非吸収領域にあるレーザー波長を用いる、試料を濾過する、および／または低強度（しかし高パワー）レーザーを用いるなどの改善策によって、最小限にし得る。信号バックグラウンドへのキラル生体試料の寄与はこれらの成分のブランク試料によって回避または低減して、スペクトルを差し引くことができ、または、ブランク信号を逆位相フォーマットでフィードバックループにおいて用いて、バックグラウンドを打ち消すか、低減し得る。これらの効果のどれも正弦変調寄与を生じないので、ロックインはそれらを無視する。
【０１２７】
分析物の光介在ラセミ化または分解が懸念される別の効果であるが、現行の旋光計以上の問題ではない。マンデル酸は光感応性であり、多くの治療剤として知られている。適当な分析波長を選ぶか、未知分析物であれば、分析ビームの光強度を最小限にして、そのような誤差を減らす。低強度広幅ビーム（直径ｄが約１ｍｍ）を用いてこれらの効果を最小限化することと、同一強度の狭幅ビーム（直径ｄが約０．１ｍｍ）を用いてウィンドウ複屈折の寄与を最小限化することとの間のトレードオフは知られていない。
【０１２８】
本発明の一つの特徴は、磁場発生器および、磁場に周期変動パワー（電流および／または電圧）を供給して、試料を周期変動磁場の影響下に置くことができる電源の使用である。周期変動磁場を発生することができればいずれの電源を用い得るが、好ましい発生器はヘルムホルツコイル、ソレノイドおよびトロイダルコイルである。標準ヘルムホルツコイルを用い得るが、以下の参考文献に開示されているような新しいヘルムホルツコイルを用い得る："J. Wang, S. She and S. Zhang, Review of Scientific Instruments, 73, 2175-2179 (2002); "Magnetic Field Calibration: Unwinding The Helmholtz Coil," I. Straus, Curtis-Straus LLC Littleton, MA, Conformity, 4044 (May 2002)、これらは出典明示して本明細書の一部と見なされる。ソレノイドを用いる図６ＣおよびＤに開示された本発明は、試料を入れるために試料チャンバーを取り外す必要のないＨＰＬＣフロースルー検出機器の場合にも有用であるように設計されている。ヘルムホルツコイルを用いる本発明の機器の一つの特徴は、その機器がオープンフォーマットおよび二つのコイル間に非常に均一な磁場を有することである。しかしながら、理想からの乖離が知られ、シミュレートされ、または実測されていれば、ある程度の不均一性を平均化する。好ましくは、磁場は、試料セルのどの断面をとってもどの所定の時刻であっても実質的に均質または均一であり、いずれの不均質も約５％以下、好ましくは約２％以下、特に約１％以下であるべきである。
【０１２９】
第１の偏光板から出射する偏光ビームのモジュレーションは機械的および電気光学的の両方で達成し得る。機械的には、このビームは偏光角周りに揺動して、１／２波長板を用いてその角度周りの小角モジュレーションを生じる。しかしながら、好ましいモジュレーションは、ファラデーモジュレーターを用いて電気光学的に達成し、これはファラデーローテーターおよび、所望により、"Precision synchronous polarimeter with linear response fro the measurement of small rotation angles, "A. Arnaud, F. Silveira, E. M. Frins, A. Dubra, C. D. Perciante, and J. A. Ferrari, Applied Optics, 39, 2601-2604 (2000)に記載される低帯域透過フィルター（精密同位相）を含む。
【０１３０】
本発明に用いるのに適した光源は、制限なく、発光ダイオードのごとき高強度単色偏光レーザー光源、Ｈｅ−Ｎｅレーザーのごときガスレーザー、固体レーザー等を含む。好ましい光源は高強度単色偏光レーザー光源である。本発明の装置は異なる発光周波数（波長）の数個のレーザーでも作動し得る。この多重周波数光が試料を通過した後、この光を分析器に、次いで、異なる波長にプローブ光を分割するための回折格子に送り、次いで、これらの光を別々の検出器に送る。あるいは、イオンレーザーのごとき複数の発光線を生じるレーザー源を多重レーザーと同じようにして用い得る。ファイバーレーザーのごとき広い波長および可変のレーザー源も用い得る。これらの広い帯域光源は、特に、ＣＣＤロックイン検出器またはロックイン検出器のアレイを用いて、可変または複数波長についての情報を得るのに非常に適している。さらに、タングステンまたはハロゲンランプのごとき高強度広帯域の光源は、第１の偏光板の前で分析偏光板の後ろで光学フィルターとともに用いるか、または回折格子によって波長スペクトルに分離し得る。キセノンフラッシュ源も用い得、それは高強度広帯域法を発生させることができ、次いで、それを所定の帯域幅にフィルターするか、またはそのまま用いて回折格子で波長分離し、分離波長をＣＣＤロックイン検出器またはロックイン検出器のアレイに送るかのいずれかを行い得る。
【０１３１】
適した入力光変調は、制限なく、ファラデーモジュレーター、どの選んだ波形の信号をも電気光学的に変調する能力のため好ましい方法である；回転、振動または揺動１／２波長板装置；カーセル；またはポッケルスセル等を含む。これらのモジュレーターは光源と第１の偏光板との間に挿入するように設計される。回転、振動または揺動波長板は、基準周りのビームの直線偏光の状態を変調し、かくして、ファラデーモジュレーターの場合に達成されたように漏れを時間変動させる。揺動は回転よりも好ましい。なぜならば、最大透過を通過するとき、導入された光の大きな漏れが検出器飽和問題を生じるかもしれないからである。カーセルは入射偏光に垂直な電場を変動し、このセルを１０Ｅ１０Ｈｚまでの周波数応答で可変波長板として機能させる。ポッケルスセルは横方向または縦方向フォーマットで作動し、線形電気光学効果であり、負荷電圧は、電圧が負荷されたときプレート間の材料に複屈折を誘発する。これらのポッケルスセルモジュレーターは約２５×１０９Ｈｚまで光を変動させる。
【０１３２】
本発明に用いるのに適した偏光板は、制限なく、天然の方解石偏光板（これが好ましく、最高の消光比（１０−６）を有する。）、アルファ−ＢＢＯのごとき合成偏光板、規定された波長域（４００〜７００ｎｍ）で高い消光係数を有することが知られている合成結晶、消光値が約１０−５であり、もっと安価で入手が容易な二色性シート偏光板、またはその他いずれかの偏光板を含む。
【０１３３】
【表１】
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【０１３４】
【表２】
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【０１３５】
【表３】
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【０１３６】
【表４】
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【０１３７】
【表５】
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【０１３８】
【表６】
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【０１３９】
本明細書で引用された全ての参考文献は、出典明示して本明細書に含まれるものとみなす。本発明は十分かつ完全に説明されたが、特許請求の範囲の中で、本発明は具体的に記載されたもの以外でも実施することができるものと理解すべきである。本発明はその好ましい具体例に関して開示されたが、この明細書を読むことにより、当業者は、上記した、および、特許請求した発明の範疇および精神から逸脱することのない変形および修飾を認識するであろう。
【図面の簡単な説明】
【０１４０】
【図１】検出ロックイン信号（ｎｖ）対Ｓ−（＋）−マンデル酸（２ｍｇ／ｍＬ）の鏡像異性体過剰率（ｅｅ％）のプロット。
【図２】Ｓ−マンデル酸（２０ｍｇ／ｍＬ）の信号（μＶ）対２ω（５３２ｎｍ、２００ｍＷ、ゼロからの偏光板設定  −０．０２５ミリ度）にて検出された磁場強度のプロット。
【図３】Ｓ−マンデル酸塩（２０ｍｇ／ｍＬ）の信号（μＶ）対２ω（５３２ｎｍ、２００ｍＷ、ゼロからの偏光板設定  ＋０．０２５ミリ度）にて検出された磁場強度のプロット。
【図４】様々な鏡像異性率でのＳ−マンデル酸（２０ｍｇ／ｍＬ）のプロット（５３２ｎｍ、２００ｍＷ、ゼロからの偏光板設定  −０．０２５ミリ度、１４．５ガウス）。
【図５】様々な鏡像異性率でのＳ−マンデル酸（２０ｍｇ／ｍＬ）のプロット（５３２ｎｍ、２００ｍＷ、ゼロからの偏光板設定  −０．０２５ミリ度、１４．５ガウス）。
【図６Ａ】本発明のＭＯＰＥＤ装置の好ましい具体例のブロック図。
【図６Ｂ】拡張した好ましいヘルムホルツコイルおよび図６Ａに示した本発明のＭＯＰＥＤ装置の試料セル配置のブロック図。
【図６Ｃ】本発明のＭＯＰＥＤ装置の別の好ましい具体例のブロック図。
【図６Ｄ】図６Ａまたは６Ｃに示した装置のいずれかにおいて使用するためのソレノイド内部に取り囲まれるフローセルのブロック図。
【図７Ａ】本発明の装置を様々な条件下で操作して得られた信号波形、ここに、大きな正弦波曲線は負荷された外部磁場対時間であり、他の重ね合わされた曲線は出力光強度であり；キラル種が試料内に存在したとしても、一定出力信号でファラデー効果を生じない。
【図７Ｂ】本発明の装置を様々な条件下で操作して得られた信号波形、ここに、大きな正弦波曲線は負荷された外部磁場対時間であり、他の重ね合わされた曲線は出力光強度であり；キラル種の不存在下、線形ファラデー効果は正弦波出力信号を誘発する。
【図７Ｃ】本発明の装置を様々な条件下で操作して得られた信号波形、ここに、大きな正弦波曲線は負荷された外部磁場対時間であり、他の重ね合わされた曲線は出力光強度であり；キラリティーおよび線形ファラデー効果の両方の存在下、位相ずれ出力信号を示す。
【図７Ｄ】本発明の装置を様々な条件下で操作して得られた信号波形、ここに、大きな正弦波曲線は負荷された外部磁場対時間であり、他の重ね合わされた曲線は出力光強度であり；高次ファラデー効果の存在下、歪出力信号を示し、高次ロックイン周波数での検出は高次項を与え；二次ファラデー項はキラリティーの顕示であり、より多くのノイズ源にさらされる単純キラリティーよりもより高い感度で検出し得る。
【図８Ａ】多重チャンバーセルを含む本発明のＭＯＰＥＤ装置のもう一つの好ましい具体例。
【図８Ｂ】好ましい光ファイバー光伝送システムおよび関連する多重チャンバー試料セルおよび、関連する各光ファイバーとその対応する試料チャンバー用のマニフォールドを示す図。
【図８Ｃ】好ましい光ファイバー光伝送システムおよび関連する多重チャンバー試料セルおよび、関連する各光ファイバーとその対応する試料チャンバー用のマニフォールドを示す図。
【図８Ｄ】好ましい光ファイバー光伝送システムおよび関連する多重チャンバー試料セルおよび、関連する各光ファイバーとその対応する試料チャンバー用のマニフォールドを示す図。
【図８Ｅ】本発明の多重チャンバー試料セルのもう一つの好ましい具体例を示す図。
【図９Ａ】光ファイバー／第１の偏光板構成の好ましい具体例。
【図９Ｂ】光ファイバー／第２の偏光板構成の好ましい具体例。
【図９Ｃ】光ファイバー／第２の偏光板構成のもう一つの好ましい具体例。
【図９Ｄ】光ファイバー／第２の偏光板構成のもう一つの好ましい具体例。
【図１０Ａ】光ファイバー／第１の偏光板構成のもう一つの好ましい具体例。
【図１０Ｂ】光ファイバー／第２の偏光板構成のもう一つの好ましい具体例。
【図１０Ｃ】光ファイバー／第２の偏光板構成のもう一つの好ましい具体例。
【図１０Ｄ】光ファイバー／第２の偏光板構成のもう一つの好ましい具体例。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６Ａ】
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【図６Ｂ】
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【図６Ｃ】
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【図６Ｄ】
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【図７Ａ】
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【図７Ｂ】
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【図７Ｃ】
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【図７Ｄ】
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【図８Ａ】
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【図８Ｂ】
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【図８Ｃ】
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【図８Ｄ】
2005524052.tif 000043
【図８Ｅ】
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【図９Ａ】
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【図９Ｂ】
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【図９Ｃ】
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【図９Ｄ】
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【図１０Ａ】
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【図１０Ｂ】
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【図１０Ｃ】
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【図１０Ｄ】
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【国際調査報告】
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