(57)【要約】  本発明は、核磁気共鳴ＮＭＲ分光法に基づき、例えば流体といったサンプルの高分解能化学分析を生み出すことができるデバイスに関する。軌道角運動量ＯＡＭ及び可能であれば運動量スピンを搬送する光の焦束されたビームを用いて上記サンプルを順次照射することにより、上記サンプルの核磁気分極が生成される。核磁気共鳴撮像ＭＲＩ又は分光学に関して使用される通常のＮＭＲとは異なり、本発明は、強磁石を使用しない。【特許請求の範囲】
【請求項１】
分子を含むサンプルを解析する方法において、前記解析が、核磁気共鳴分光学に基づかれ、前記方法が、
光源をオンにするステップと、
軌道角運動量を光にもたらすステップと、
軌道角運動量を搬送する集束された光ビームを得るステップと、
前記サンプルの核磁気分極性を得るため、軌道角運動量を搬送する前記焦束された光ビームを用いて前記サンプルを順次照射するステップと、
前記照射から生じる自由誘導減衰信号を得るステップであって、前記自由誘導減衰信号が前記サンプルの特徴を搬送する、ステップとを有する、方法。
【請求項２】
前記光ビームが、角運動量も持つ、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記自由誘導減衰信号が、前記照射を止めた後に得られる、請求項１又は２に記載の方法。
【請求項４】
前記分子の磁子が、前記サンプルの前記照射から生じる第１の方向に整列配置する、請求項１乃至３のいずれかに記載の方法。
【請求項５】
前記光ビームに基本的に垂直な磁場、特定の核と非常に相互作用するよう調整された無線周波数磁場、及び／又は第２の方向へと前記磁子を再整列させるために前記光ビームを回転させる第２の光ビーム、の少なくとも１つを前記サンプルに順次適用するステップを更に有する、請求項４に記載の方法。
【請求項６】
前記焦束された光ビームを取得するステップが、前記光パルスを分散させるステップと、回折光線を得るため前記分散された光パルスをフィルタリングするステップと、鏡を用いて前記ビームを方向付けるステップとを有する、請求項１乃至５のいずれかに記載の方法。
【請求項７】
照射されたサンプルに対応する前記自由誘導減衰信号と、非照射状態のサンプルに対応する別の自由誘導減衰信号とを比較するステップを更に有する、請求項１乃至６のいずれかに記載の方法。
【請求項８】
前記サンプルの前記核磁気分極性が、前記光により搬送される光子を吸収する前記分子により実現され、前記光の前記軌道角運動量が前記相互作用している分子へ移される、請求項１乃至７のいずれかに記載の方法。
【請求項９】
前記吸収の結果として、前記分子の電子状態が、飽和したスピン状態に達し、前記分子の角運動量は、前記光ビームの前記伝搬軸に沿って増加され、及び方向付けられ、前記分子に関連付けられる磁気磁子歳差運動が、前記光ビームの前記伝搬軸に沿って方向付けられる、請求項８に記載の方法。
【請求項１０】
前記自由誘導減衰信号が、前記サンプルの周りに配置されるコイルにより得られる、請求項１乃至９のいずれかに記載の方法。
【請求項１１】
流体解析デバイスのためのコンピュータプログラムであって、解析デバイスのコンピュータ手段でロード及び実行されるとき、請求項１乃至１０のいずれか一項に記載の方法を実現するための命令を有する、プログラム。
【請求項１２】
分子を含むサンプルを解析するデバイスであって、前記解析が、核磁気共鳴分光学に基づかれ、前記デバイスが、
光源と、
軌道角運動量を光にもたらす手段と、
前記サンプルを収容する容器と、
集束された光ビームを得る手段と、
前記サンプルの核磁気分極性を得るため、軌道角運動量を搬送する前記焦束された光ビームを用いて前記サンプルを順次照射する手段と、
前記照射から生じる自由誘導減衰信号を検出する手段であって、前記自由誘導減衰信号が前記サンプルの特徴を搬送する、手段とを有する、デバイス。
【請求項１３】
前記自由誘導減衰信号を周波数領域信号へと変換するフーリエ変換ユニットを更に有する、請求項１２に記載のデバイス。
【請求項１４】
前記焦束された光ビームを得る手段が、前記光パルスを分散させる手段と、回折光ビームを得るため前記分散した光パルスをフィルタリングする手段と、前記光ビームを方向付ける鏡とを有する、請求項１２又は１３に記載のデバイス。
【請求項１５】
前記自由誘導減衰信号を得るため前記サンプルの周りに配置される少なくとも１つのコイルを更に有する、請求項１２乃至１４のいずれか一項に記載のデバイス。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、核磁気共鳴（ＮＭＲ）分光学に基づくサンプル解析方法に関する。本発明は、上記方法を実行する対応するコンピュータプログラム及びデバイスにも関する。
【背景技術】
【０００２】
ＮＭＲは通常、１ｐｐｍ未満の空間変動を持つ非常に一様な静磁場に基づかれるセットアップにおいて行われる。このセットアップは、周波数の対応する狭い周波数帯域での核回転歳差運動を生み出す。しかしながら、このセットアップは、通常は例えば血液サンプル又は組織生検といった検査されるサンプルを囲む、強力で一様な磁石と、無線周波数（ＲＦ）コイルと、グラジエントコイルとを使用する必要性に苦しむ。これらの使用が、斯かるシステムを比較的複雑にし、高コストにする主な原因である。
【０００３】
ＮＭＲは、核磁気共鳴撮像（ＭＲＩ）（組織要素の化学特性に対する感度が、組織特徴化及び軟組織の差別化に関してモダリティの選択を可能にする）、小さな分子及び生体分子の流体化学分析（タンパク質リガンド相互作用、タンパク質フォールディング、タンパク質構造確認、タンパク質構造の決定）、固体状態解析（構造的なもの）、時間可変系の動力学（機能的なＭＲＩ）等において適用される。
【０００４】
「TopSpin Medical」という会社は最近、カテーテルの先端に配置される強い永久磁石により生成される約０．２のテスラの静磁場を持つ静脈内核磁気共鳴撮像（ＩＶＭＲＩ）カテーテルを発表した。この会社は、外部磁石又はコイルを必要とせずに血管の局所的な高分解能撮像を可能にする血管内カテーテルの先端に自己内包される（self contained）「インサイドアウト」小型ＭＲＩプローブを開発した。このプローブは、図１に示される。この技術の利点は、高価な外部のセットアップは必要とされないためシステムを低コストにするという非常に実際的な側面、処置の間の患者に対するアクセスのしやすさ、既存の介入的なツールとの互換性、並びに検査される組織の近傍でプローブにより作成される強い局所グラジエントにより、従来の臨床ＭＲＩでは実現できなかった分解能及び拡散コントラスト能力を提供する点にある。この血管内プローブは、この方法の広範囲にわたる適用の第１の例として機能する。これは、近い将来臨床ＭＲＩの分野に革命をもたらすことができる。この技術に関する医療用途は、例えば前立腺ガン検出及びステージング、大腸、肺及び胸部における腫瘍の撮像、並びに周辺脈管構造の血管内撮像を含む。
【０００５】
マイクロＮＭＲコイルも、当業者には知られる。これらの「マイクロＭＲＩ」デバイスの開発は、高品質受信コイルの存在に依存する。微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）によるブレイクスルーが、ＮＭＲ分光法に関するヘルムホルツ・マイクロコイルの微小製作を可能にし、この新しい技術を可能にした。これらのヘルムホルツ・マイクロコイルは、平面微小コイルと比較してスピン励起一様性に関して優れたＮＭＲパフォーマンスを示す。改良されたスピン励起一様性は、複雑なＲＦパルスシークエンスを使用することにより、高度な化学分析への道を開く。製作されたヘルムホルツコイルは、電気メッキを施されたコイルターン及びビアにより、２０より大きいＱ値を持つ。ビアは、下部及び上部ターンを接続する。生体細胞を解析する場合、サンプル濃度及び強調検出のため、機械フィルタが一体化されることができる。
【０００６】
ＮＭＲは、選ばれた空間方向に沿って核磁子（スピン）分布の一部を方向付けることを必要とする。方向付けられるときに、分布は分極化状態にある。これは通常強い磁場で実現される。この磁場は、反磁性物質（生物組織、流体等）により減衰されることはない。磁場を用いて実現される正味の分極は、通常５〜２５ｐｐｍのオーダーにある。物質の核スピンは、円偏光された光を用いてサンプルを放射することにより、局所的に方向付けられることができる。円偏光された光を用いる方法は、正しい状況下では、４０％までの高い分極レベルを実現することが可能である。このオーダーの大きさにおける分極は、過分極化と考えられる。高次分極率は、ハイパーファイン（hyperfine）スピンスピン相互作用電子核、電子光子スピン交換、及び分子の電子に適用されるフェルミ排他原理による電子スピン分布飽和を介して得られる。
【０００７】
光学ポンピングは、過分極化されたガスを生産するために用いられる。過分極化されたガスは、ＭＲＩ及びＮＭＲにおいて適用される範囲が着実に増加している。これらのガスは、新しい種類のＭＲ造影剤として、又は材料科学及び生物医学といった多様な領域に関連する処理の測定の時間分解能を非常に強調する方法として、考えられることができる。過分極を生み出す物理学は、Ｎａに関する吸収バンドの１つに対応する波長の強烈な円偏光レーザーを用いて、Ｎａのサンプルを照射することを含む。次に、不活性１２９Ｘｅに対する「機械的な」偏光移動（polarization transfer）が行われる。後者は、ＭＲＩにおける造影剤として、及び低磁場撮像のための他の核種に関する分極移行剤として使用される。
【０００８】
ＮＭＲ効果は、光学方法を用いて観測及び測定されることができる。すべての光学ＮＭＲハイパーファイン相互作用は、フリップフロップスピン散乱を可能にする。これは、他の方向に同時に核を反転させることにより、電子がそのスピンを反転させることができることを意味する。これは、核スピンの動的な分極をもたらす。電子スピンレベルが駆動磁場により飽和される場合、即ち、上位スピン状態の分布が、下位スピン状態の分布と同じようにされる場合、斯かるフリップフロップ処理は、熱平衡を再確立しようとし、結果として核スピン分極を生じさせる。これは、電子ゼーマン分裂（electron Zeeman splitting）が起こる場合、ボルツマン係数により表される。電子分裂は通常、核分裂より１０００倍大きいので、核はそれらの熱平衡値と比較して最高１０００倍強調された分極を生じさせる。これは、オーバーハウザー効果としても知られる。
【０００９】
光角運動量の磁子への更に別の用途は、高感度・高周波磁力計である。これは、ＮＭＲ効果を観測することにより持ち上がる課題の１つを解決する。この磁力計は、核を回転させることにより生み出される磁場の過渡的な反応を測定することが可能である。磁力計は、小さな発振磁場の存在下で整列配置された接地状態の歳差運動による光学回転を検出することにより作動することが示された。投影感度は、約２０ｐＧ／ｐＨｚ（ＲＭＳ）である。
【００１０】
１９９２年のAllenらによる「Optical angular momentum」、ISBN 0 7503 0901 6は、軌道角運動量（ＯＡＭ）を持つ光の存在を確認した。理論的な理解及び実験的な証拠によって、ＯＡＭを持つ光が物質と相互作用する用途がもたらされる。例えば、光学ピンセット、高スループット光学通信チャネル、光学暗号化技術、光学冷却（BoseEinstein縮合物）、ＯＡＭを持つ光子のエンタングルメント、相互作用する光子ＯＡＭと分子量子数とのエンタングルメントなどである。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
マイクロＮＭＲは、ｅＰｉｌｌデバイス又は安価な非侵襲的血液解析装置に含まれる、魅力的な化学分析デバイスである。このデバイスは、低消費電力であり、小さなボリュームで済み、何ら常磁性材料（ＦＤＡ）を含まない。「TopSpin Medical」社のマイクロＮＭＲ又は他の「固定磁石ベースの」ＮＭＲは、この目的には適していない。なぜなら、これらは永久磁石を含み、長い取得時間を必要とし、それ故、電力を消費するからである。ｅＰｉｌｌは、患者の内部の器官の解析を実行するため、患者により飲み込まれる小さな電子デバイスである。
【００１２】
光子電子スピン相互作用は、広範囲で観測及びモデル化されている。これは、ガスの高次分極率に関する光学ポンプ技術の基礎である。残念なことに、熱分子運動及び相互作用が原因で、この技術は、流体の高次分極率を生み出すことができない。
【００１３】
光子ＯＡＭと核との相互作用は、核内のスピンスピン相互作用を制御する方法として最近解析された。それは、高エネルギなＸ線を使用し、「生体内」用途には望ましくない。
【００１４】
更に、Ｎ個の核を含むサンプルに室温で一定の磁場を印加することにより、方向付けられた核の最大数（ボルツマン分布）が計算されることができる。これは、約１０−５Ｎである。かなりの磁気信号をサンプルから抽出するには、高い品質係数のコイルが実現されなければならないか、又はサンプルのサイズが大きくされなければならない。いずれの場合においても、受信機により占められるボリュームは増加する。このことは、永久磁石マイクロＮＭＲがｅＰｉｌｌ内に一体化されることを困難なものにする。
【００１５】
こうして、本発明の目的は、ＮＭＲ分光法に基づくサンプル解析に関して改良された方法及び装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
本発明の第１の側面によれば、分子を含むサンプルを解析する方法が提供される。上記解析が、核磁気共鳴分光学に基づかれる。この方法は、
−  光源をオンにするステップと、
−  上記光に軌道角運動量をもたらすステップと、
−  軌道角運動量を搬送する集束された光ビームを得るステップと、
−  上記サンプルの核磁気分極性を得るため、軌道角運動量を搬送する上記焦束された光ビームを用いて上記サンプルを順次照射するステップと、
−  上記照射から生じる自由誘導減衰信号を得るステップであって、上記自由誘導減衰信号が上記サンプルの特徴を搬送する、ステップとを有する。
【００１７】
これは、明白な利点を提供する。即ち、例えば、得られた自由誘導減衰（ＦＩＤ）信号は、従来のＮＭＲ分光法を使用することにより得られる、対応する信号より非常に強い。こうして、測定技術の感度が非常に改善される。得られたＦＩＤ信号は、よりノイズも少なく、より良好な分解能が実現されることができる。結果として、より小さなサンプルが解析されることができる。
【００１８】
本発明の第２の側面によれば、解析デバイスのコンピュータ手段にロードされて実行されるとき、本発明の第１の側面による方法を実現するための命令を有するコンピュータプログラムが提供される。
【００１９】
本発明の第３の側面によれば、分子を含むサンプルを解析するデバイスが提供される。上記解析が、核磁気共鳴分光学に基づかれる。このデバイスは、
−  光源と、
−  軌道角運動量を光にもたらす手段と、
−  上記サンプルを収容する容器と、
−  集束された光ビームを得る手段と、
−  上記サンプルの核磁気分極性を得るため、軌道角運動量を搬送する上記焦束された光ビームを用いて上記サンプルを順次照射する手段と、
−  上記照射から生じる自由誘導減衰信号を検出する手段であって、上記自由誘導減衰信号が上記サンプルの特徴を搬送する、手段とを有する。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】医療ＩＶＭＲＩプローブの側面表示を示す図である。
【図２】放射座標ρの関数として、ポテンシャルベクトルｆを示すグラフである。
【図３】図２に関して使用されるパラメータとは違う他のパラメータを使用することにより、放射座標ρの関数として、ポテンシャルベクトルｆを示すグラフである。
【図４】可能なＯＡＭ分子相互作用を示す図である。
【図５】本発明の実施形態による流体解析を行うための実験室セットアップのブロック図である。
【図６】空間光変調器パネル上に表示されるコンピュータ生成によるフェーズホログラムを示す図である。
【図７】空間光変調器から３メートル離れて配置されるスクリーン上のホログラム投影を示す図である。
【図８】空間フィルタリング後、選択されたラゲールガウス分布の回析オーダーの投影を示す図である。
【図９】自由誘導減衰（ＦＩＤ）信号が得られることができる例示的な実施形態において使用されるサンプルの化学構造を示す図である。
【図１０】タイムライン及び得られたデジタルＦＩＤ信号に沿って描画される使用された光パルスを示す図である。
【図１１】本発明の実施形態による高分解能流体解析を実行する方法を表すフローチャートである。
【図１２】自由誘導減衰信号のスペクトルを示す図である。
【図１３】本発明の別の実施形態によるサンプル解析を行うための別のセットアップのブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
本発明の他の特徴及び利点が、添付の図面を参照して、非限定的な例示的な実施形態の以下の記載から明らかになるであろう。
【００２２】
以下の記載において、高分解能サンプル解析を行うための本発明の非限定的ないくつかの例示的な実施形態が、更に詳細に説明されることになる。また、対応するデバイスが、例示的なブロック図を用いて説明されることになる。これらは単に例示的な実施形態であるに過ぎず、以下の記載を読むことにより当業者には明らかであるように、多くの変動が可能である点に留意されたい。
【００２３】
本発明は、吸収される光子のＯＡＭが、相互作用する分子に移行され（角運動量保存）、結果として、
−電子状態が、飽和したスピン状態に達する；
−（分子の質量中心の周りの）分子の角運動量が、入射光の伝搬軸に沿って増加する、及び方向付けられる；及び
−分子（電子及び核子を含む）に関連付けられるすべての磁気磁子歳差運動が、入射光の伝搬軸に沿って方向付けられる、という事実に基づかれる。
【００２４】
上記は、ＯＡＭ及び可能であればスピン、即ち角運動量を搬送する光を用いて流体を照射することにより、流体の高次分極率を得ることを可能にし、永久磁石なしでＮＭＲデバイスを実現することを可能にする。
【００２５】
量子電磁力学（ＱＥＤ）の枠組みは、ＯＡＭを持つ光子と物質との相互作用を説明するための開始点として考えられることができる。これは、水素モデル（hydrogenic model）に適用され、入射光のＯＡＭ部分が、光の運動量と同じ運動量の分子の回転を誘導することがわかった。この発見は、ＯＡＭを持つ光のより一般的なベッセルモデルから始める（stating）ことにより確認された。
【００２６】
ＯＡＭを持つ光子の自然発生的な又は刺激された放出は、まだ理解されていない、モデル化されていない、又は、実験的に証明されていない現象である。従って、ＯＡＭを持つビームの生成は、ガウス分布ビームの空間位相変化、干渉及び回折の光学手段を介して実現される。表１において要約されるように、４つの方法（円筒状のレンズを用いる２つの方法が別々の方法と考えられる場合には５つ）が利用可能である。この表において、パワー変換効率は、入力ビームのパワーに対する出力パワー（ＯＡＭを持つビーム）の比率である。現在、実験室において得られる最も高いＯＡＭ数は、光子当たり
2011510288.tif 000002
と同じくらいの大きさである。これは、円筒状のレンズにより焦束される楕円ガウス分布ビームにより得られる。
【表１】
2011510288.tif 000003
【００２７】
ＯＡＭを持つ光と分子との相互作用に注目すると、電気的な双極子移行（dipole transition）における軌道角運動量の交換が、光と質量運動中心との間にだけ発生することが分かる。言い換えると、内部の「電子タイプの」運動は、双極子移行における軌道角運動量の任意の交換には貢献しない。照射される分子の回転／振動がＯＡＭの値と共に増加することが証明された。光子ＯＡＭが核子磁子と相互作用することが更に示された。斯かる移行は、高い角運動量を持つ光子を必要とし、核多極性移行の処理を微調整するのに使用されることができる。
【００２８】
ＮＭＲ解析技術は、以下のステップを持つ。
【００２９】
１．サンプル核磁気運動量が、選択された空間方向に沿って方向付けられる（歳差運動）。これは通常、強い磁場を用いて実現され、より最近の用途では、偏光を用いて実現される。
【００３０】
２．核分極化状態にある間、一連の磁場がサンプルに印加される。これは、自由誘導減衰（ＦＩＤ）磁気信号を発生させる。この自由誘導減衰は、磁気シーケンス状態から分極化状態までの核磁気緩和時間を表す。
【００３１】
３．核磁気共鳴（ＮＭＲ）ＦＩＤ信号におけるパラメータは、生物学的及び生医学的用途及び研究において役立つ情報を含む。
【００３２】
一定の磁場ＮＭＲとは対照的に、光学ポンプは、サンプルの約１００％の高次分極率を実現することができる。即ち、約Ｎ個の核が、ポンピング光の伝搬方向に沿って方向付けられる磁気運動量の歳差運動を持つことになる。これはサンプル及び受信コイルの削減を可能にし、従って、このデバイスはｅＰｉｌｌ内に一体化されることができる。従って、信号対ノイズ比は、低ノイズアンプ（ＬＮＡ）コイル受信機に関して、パワーバジェットだけでなく光学ポンピングにより改良される。
【００３３】
本発明のメインの概念は、ＯＡＭを持つ光と分子との相互作用を用いて、選択された空間方向に沿ってサンプルの核を方向付けるための新しい方法に関する。以下の部分は、この相互作用の理論的な説明と、この概念の実験的な証明に焦点をあてる。
【００３４】
以下の表記及びシンボルは、残りの記載にわたり使用される。
2011510288.tif 000004
は、複素数ｚの実部、虚部及び絶対値である。
2011510288.tif 000005
は、デカルト座標系（Ｏｘｙｚ）に対する線形独立単位ベクトルである。
2011510288.tif 000006
は、デカルト座標系（Ｏρθｚ）に対する線形独立単位ベクトルである。
2011510288.tif 000007
は、円筒状の座標系におけるその線形成分を持つインデックスｍのベクトルであり、
2011510288.tif 000008
が成り立つ。
2011510288.tif 000009
は、
2011510288.tif 000010
である。ｃは、真空における光速である。
2011510288.tif 000011
は、Ｐｌａｎｋ定数（ｈ／２π）である。
2011510288.tif 000012
は、電磁気ポテンシャルベクトルである。
2011510288.tif 000013
は、電磁気ポテンシャルベクトル分極である。
2011510288.tif 000014
は、電場強度ベクトルである。
2011510288.tif 000015
は、磁場強度ベクトルである。νは、周波数である。λは、波長（ｃ／ν）である。ωは、角周波数２πλである。
2011510288.tif 000016
は、波動ベクトル
2011510288.tif 000017
であり、
2011510288.tif 000018
が成り立つ。ｉは、複素単位
2011510288.tif 000019
である。
2011510288.tif 000020
は、ｚ＝０でのビーム半径（ウエスト）である。ｚＲは、Raileight範囲、即ち、ビーム断面領域が２倍になる距離ｚである。ｗ（ｚ）は、ビーム半径
2011510288.tif 000021
である。
2011510288.tif 000022
は、ｘで評価されるパラメータｋを持つｎ次のオーダーの一般化されたラゲール多項式であり、
2011510288.tif 000023
が成り立つ。
2011510288.tif 000024
は、オーダーｌ及びパラメータｐのラゲールガウス電磁波に関連付けられるベクトルである。
2011510288.tif 000025
は、電荷ｍｎを持つ粒子に関するボーア磁子である。
【００３５】
ラゲールガウスビームに関する電磁式
（マクスウェルの式から得られる）ポテンシャルベクトル
2011510288.tif 000026
に対する古典的な電磁波動方程式は、
2011510288.tif 000027
であり、ここで
2011510288.tif 000028
が成り立つ。空間におけるヌル電荷分布
2011510288.tif 000029
を仮定すると、対応する電磁場強度は、
2011510288.tif 000030
となる。
【００３６】
式
2011510288.tif 000031
の
2011510288.tif 000032
軸に沿って伝搬する波動方程式の解を探してみる。
【００３７】
（１：１）における置換を行い、
2011510288.tif 000033
が空間及び時間から独立していると仮定すると、空間分布
2011510288.tif 000034
に関する式
2011510288.tif 000035
が得られる。
【００３８】
ガウス分布ビームに関する近軸近似内の空間対称性は、円筒状の座標
2011510288.tif 000036
を弁護する（plead for）。ラゲールガウスビームに対して、（１：４）の解は、
2011510288.tif 000037
であり、ここで、
2011510288.tif 000038
は、正常化定数であり、
2011510288.tif 000039
が成り立つ。
【００３９】
よく平行化されたビーム（長距離でも維持されるコリメーション）のため、
2011510288.tif 000040
が仮定されることができる。（１：５）で
2011510288.tif 000041
とすれば、
2011510288.tif 000042
が成り立つことが分かる。
【００４０】
円筒状の座標、近軸近似、ラゲールガウス同形における、ポテンシャルベクトルに関する波動方程式の解は、
2011510288.tif 000043
である。
【００４１】
ポテンシャルベクトルは、関数
2011510288.tif 000044
を介する放射座標ρの関数である。
【００４２】
はっきりした役に立つ解は、ｐ＝０の場合である。即ち、
2011510288.tif 000045
である。
【００４３】
ここで、
2011510288.tif 000046
は、
2011510288.tif 000047
に対して０であり、
2011510288.tif 000048
に対して唯一の最大を持つ。任意の点での値は、１／ｗ０に比例する。この関数は、電磁波の（ｗ０及びｌ以外の）任意の物理パラメタに依存しない。図２は、
2011510288.tif 000049
に関するプロットを与える。この図では、
2011510288.tif 000050
及びｗ０＝１である。ｌの増加は、
2011510288.tif 000051
と共にビームウエストの増加をもたらす。
【００４４】
ラゲールガウスビームに関連付けられる角運動量は、
2011510288.tif 000052
である。ｌが一定に保たれ、ｐがポジティブな実数として増加する場合、関数
2011510288.tif 000053
は、増加する数の局所極値点を持つ。図３は、曲線ファミリーをプロットする。ここで、
2011510288.tif 000054
である。このグラフに対して、関数
2011510288.tif 000055
は、
2011510288.tif 000056
へと正規化された。大きいｐの原点に向かってグラジエントが増加し、同様に、ピーク間の距離が減少する点は興味深い。これは、小さなＲに対するより高磁場のグラジエントだけでなく、連続的なピークに対する磁場の意味における変化を記録する。
【００４５】
式（１：２）及び（１：７）から、電場及び磁場強度が得られることができ、
2011510288.tif 000057
となる。ここで、
2011510288.tif 000058
である。等方的な線形媒体における伝搬に関して、電場強度は、
2011510288.tif 000059
に平行なベクトルである。これは、磁場強度にはあてはまらない。
2011510288.tif 000060
に平行な
2011510288.tif 000061
を考えることにする。円筒状の座標において、
2011510288.tif 000062
が得られ、ここで、
2011510288.tif 000063
となる。円筒状の座標におけるグラジエント演算子は、
2011510288.tif 000064
である。
【００４６】
磁場は、
2011510288.tif 000065
であり、ここで
2011510288.tif 000066
である。計算によれば、
2011510288.tif 000067
となる。
【００４７】
この関係は、磁場強度が、
2011510288.tif 000068
方向だけでなく、
2011510288.tif 000069
方向にも成分を持つことを示す。後者の方向の振幅は、ｌに比例し、原点からの距離と共に減衰する。
【００４８】
ポインティングベクトルは、電磁波により搬送されるエネルギ流量の古典的尺度であり、
2011510288.tif 000070
である。
【００４９】
（１：３）及び（１：１２）からの分解式を見れば、
2011510288.tif 000071
が得られる。
【００５０】
円筒状の座標は
2011510288.tif 000072
を満たし、
2011510288.tif 000073
に関する以前の式は、
2011510288.tif 000074
となる。
【００５１】
これは、２つの成分を持つ電磁気エネルギの流れが存在することを示す。１つは、
2011510288.tif 000075
方向成分であり、これは、（平面波に関する）ビーム伝搬に沿ってポテンシャルベクトルの空間導関数に比例する。もう１つは、
2011510288.tif 000076
方向成分であり、これは、ビーム伝搬の軸に関する。この成分は、ビーム伝搬周辺のポテンシャルベクトルの角変化に比例する。ポインティングベクトルは、ビーム伝搬軸の周りで回転する。
【００５２】
最後の式において
2011510288.tif 000077
の値を置換すれば、
2011510288.tif 000078
となる。
【００５３】
この関係は、回転エネルギ流がｌに比例することを示す。それら２つの成分の比率を見つけることは、興味深く、
2011510288.tif 000079
である。
【００５４】
比率
2011510288.tif 000080
は、時間独立である。これも、ｌと共に線形であり、従って、ビーム伝搬軸の周りの電磁気エネルギ流は、ｌに比例して増加する。光と相互作用する分子に移される回転エネルギは、ｌと共に増加する。λ／ｗ０が異なるｌに関して一定に保たれる場合、これが成立する。
2011510288.tif 000081
の大きさは、小さなｗ０に関してより高い値に達する。これは、しっかりと焦束されたビームに関して、前述の依存性の観測をより容易にする。
【００５５】
理論：分子との光子ＯＡＭの相互作用
ねじれたビームと物質との相互作用におけるＯＡＭの出現が、理論的に調査された。これは、光誘発トルクが原子の回転運動を制御するために使用されることができるという予測をもたらした。ＯＡＭが規定される軸の選択とは独立して、ＯＡＭが、全てのタイプの方位角の位相ベアリング光の固有の特性であることが示された。ねじれたビームＯＡＭの係合は、固有及び外部の相互作用、即ち電子移行に関連する相互作用及び質量運動の中心に関連する相互作用の観点から分類されることができる。
【００５６】
斯かる理由から、例えば自由原子又は分子といった電子的に特異で分離された系との相互作用において、光子スピン角運動量が、円偏光された光の相互作用に関連付けられる選択規則においてちょうど現れるとき、光と物質との間の軌道角運動量の交換を介して、固有のＯＡＭが出現するべきであることが論じられることができる。
【００５７】
内部の電子タイプの運動が、多極子結合のこのリーディングオーダーにおける光ビームとは任意のＯＡＭを交換しないことが更に示された。詳細な解析において、より弱い電気四重極相互作用においてのみ、又は更により高いオーダーの多極子において、光、原子質量中心及び内部運動の３つ全てのサブシステムに関する交換が存在することが明らかになる。電気的な四重極の場合、軌道角運動量の１つの単位が、光ビームと内部運動との間で交換され、（ｌ±１）ＯＡＭの光ビーム取得が生じる。これは、次に、質量中心運動に移行される。
【００５８】
理論：ＯＡＭビームに関するＱＥＤ遷移行列
ここでは、ｎｍｏｌの粒子から作られる分子を考える。質量はｍｎであり、電荷はｅｎであり、線形運動量は
2011510288.tif 000082
であり、スピンは
2011510288.tif 000083
であり、ここで
2011510288.tif 000084
である。ｎｅ個の電子とｎｍｏｌ−ｎｅ個の核子とを持つ。
【００５９】
この分子は、Ｏｚ軸に沿って伝搬する光ビームと相互作用する。ここで、エネルギは
2011510288.tif 000085
であり、線形運動量は
2011510288.tif 000086
であり、軌道角運動量は
2011510288.tif 000087
である。上述したように、参照フレームの原点は、光ビームのビームウエストで選択される。
【００６０】
初期状態
2011510288.tif 000088
から最終状態
2011510288.tif 000089
までの分子の移行レートが表されることになる。これにより、この移行に対する軌道角運動量の貢献が強調される。フェルミ黄金律によれば、移行レートＷｆｉ（分子当たりの秒当たりの移行）は、
2011510288.tif 000090
である。
【００６１】
ここで、
2011510288.tif 000091
は、摂動ポテンシャル（ハミルトン関数）
2011510288.tif 000092
と
2011510288.tif 000093
（ここで、
2011510288.tif 000094
が成り立つ）の状態の密度とにより規定される電磁励起の下、状態
2011510288.tif 000095
（エネルギＥｉ）から状態
2011510288.tif 000096
（エネルギＥｆ）への移行の確率である。
【００６２】
移行
2011510288.tif 000097
に対する行列要素を表してみる。分子光系のハミルトン関数は、
2011510288.tif 000098
であり、ここで、
ＶＮＮ：核子に関する総相互作用エネルギであり、
ＶＮＥ：総電子核子相互作用エネルギであり、及び、
ＶＥＥ：電子に関する総相互作用エネルギである。
【００６３】
「摂動していない」ハミルトン関数は、上記の項のみを含む。これは、
2011510288.tif 000099
とは独立しており、光ビームに依存しない。式（３：３）に示される式Ｈｎ（ｔ）は、分子を構成する各粒子と光との高エネルギな相互作用を説明する。光と相互作用している粒子ｎに関するハミルトン関数は、
2011510288.tif 000100
である。
【００６４】
ポテンシャルは一回だけ機能するというＱＥＤ規則のため、項
2011510288.tif 000101
は、この問題には関係がない。ここで、
2011510288.tif 000102
（電子に関して、μｎは、「ボーア磁子」を表す）を用いて、その量子演算子
2011510288.tif 000103
で線形運動量ベクトルを置換することにより、ハミルトン関数は、
2011510288.tif 000104
と変形される。
【００６５】
インデックス（０）は、時間独立のハミルトン関数を示し、一方、インデックス（１）は、光分子相互作用ハミルトン関数（摂動）を表す。すると
2011510288.tif 000105
となる。
【００６６】
時間依存のシュレーディンガー式は、
2011510288.tif 000106
となる。
【００６７】
静止状態の固有関数
2011510288.tif 000107
及び固有値Ｅｋを用いると、
2011510288.tif 000108
が満たされる。
【００６８】
一般的な解は、
2011510288.tif 000109
である。
【００６９】
１次の摂動理論は、
2011510288.tif 000110
を与え、ここで、
2011510288.tif 000111
及び
2011510288.tif 000112
となる。初期条件は、相互作用の前に、分子が状態
2011510288.tif 000113
にあり、最終的な状態
2011510288.tif 000114
は占有されていない、即ち
2011510288.tif 000115
と仮定される。それらを（３：９）で置換すると、
2011510288.tif 000116
（δｋａ：クロネッカーシンボル）及び
2011510288.tif 000117
が得られる。
【００７０】
ラゲールガウス（ＬＧ）ビームに関する、時間依存の摂動
2011510288.tif 000118
を表現してみる。（３：４）から、粒子ｎに関する電磁内部作用摂動ハミルトン関数は
2011510288.tif 000119
である。
【００７１】
ＬＧ波（１：１０〜１：１４）を表す式に対して、可変分離（時間）を適用すると、
2011510288.tif 000120
となる。
【００７２】
磁場は一様でないので、Coulomb Gaugeは適用されず、
2011510288.tif 000121
となる。
【００７３】
円筒状の座標において▽ｎに関する表現を含む何らかの代数学の後、ハミルトン関数演算子は
2011510288.tif 000122
となる。
【００７４】
ここで、
2011510288.tif 000123
は、摂動したハミルトン関数に関連付けられる時間独立の演算子である。（３：９）及び（３：１５）から、移行確率の値が、
2011510288.tif 000124
として見つけられることができる。ｈ．ｃ．は、移行マトリックスの複素高調共役であり、
2011510288.tif 000125
である。
【００７５】
分子の最終的なエネルギが初期の値
2011510288.tif 000126
を超えるとき、光子吸収が発生する。この条件は、ｈ．ｃ．項をゼロにする。吸収に関する移行確率は、
2011510288.tif 000127
に比例する。（３：１７）における指数関数積分の絶対値が、ωｂａの近くの周波数を除けばおよそヌルであることを観測することにより、この式が更に簡略化されることができる。以前の式における行列要素は、ωの周りでのみ、ωｂａの周りでのみ意味ある値を持ち、
2011510288.tif 000128
が成り立つ。
【００７６】
時間及び周波数の二重積分は、
2011510288.tif 000129
を生み出す。
【００７７】
すると一般的な結果が得られる。時間ｔで状態ｂにある系に対する確率は、この系の初期の状態がａであると仮定すると、
2011510288.tif 000130
に等しい。
【００７８】
（３：１）を用いると、移行レートは
2011510288.tif 000131
である。
【００７９】
従って、光子吸収処理に含まれるすべての粒子に関して行列要素が表され、それらの合計の絶対値が計算される。
【００８０】
粒子ｎに関する行列要素（１次の摂動理論）は
2011510288.tif 000132
である。
【００８１】
この結果は、正確である。
【００８２】
理論：遷移行列の解釈
行列要素は、４つの項の合計であり、
2011510288.tif 000133
が成り立つ。
【００８３】
移行
2011510288.tif 000134
について。
【００８４】
第１の項
2011510288.tif 000135
は、粒子の運動エネルギ貢献を説明し、
2011510288.tif 000136
が成り立つ。
【００８５】
今、
2011510288.tif 000137
は、
2011510288.tif 000138
に比例し、ビーム伝搬に垂直な平面における分子の非一様性に比例する。
【００８６】
ビームウエストを表すｗ０の影響を観測しよう。
−  大きいｗ０に関しては、
2011510288.tif 000139
となる。
−  小さいｗ０に関しては、
2011510288.tif 000140
となる。
−  
2011510288.tif 000141
の最大は、
2011510288.tif 000142
に対して
2011510288.tif 000143
で発生する。
−  
2011510288.tif 000144
の最大は、
2011510288.tif 000145
に対して
2011510288.tif 000146
で発生する。
【００８７】
最大限観察可能な効果領域が、エアリーディスクにより与えられると結論付けることができる。
【００８８】
１．分子とのＯＡＭ相互作用の確率は、光ビームの中心から離れて配置される空間位置において、又は光ビームの中央においてゼロである。
【００８９】
２．分子とのＯＡＭ相互作用の確率は、
2011510288.tif 000147
に配置される空間点で最大に達する。
【００９０】
３．分子とのＯＡＭ相互作用の確率は、
2011510288.tif 000148
に配置される空間点で最大に達する。
【００９１】
４．エアリーディスクの近くの円に関して、最大相互作用確率は、最大磁場分布に対応する半径上で発生する。
【００９２】
移行
2011510288.tif 000149
について。
【００９３】
第２の項
2011510288.tif 000150
に関して、
2011510288.tif 000151
が成り立ち、
2011510288.tif 000152
は、
2011510288.tif 000153
を用いて（１：８）により与えられる。
2011510288.tif 000154
の放射導関数は、
2011510288.tif 000155
である。
【００９４】
直交多項式の反復特性から、ラゲール多項式に関する導関数が、
2011510288.tif 000156
として計算されることができる。
【００９５】
ここで、
2011510288.tif 000157
の放射導関数に関して、この式における最新のものを置換することで、
2011510288.tif 000158
が得られる。
【００９６】
ラゲール多項式反復規定（１：８）を用いると、オーダーｐの関数として、オーダーｐ−ｌが
2011510288.tif 000159
として表される。
【００９７】
これは、最終的に
2011510288.tif 000160
となる。
【００９８】
行列要素は、
2011510288.tif 000161
である。
【００９９】
ｐ＝０の特定の場合に関して、単純化すると、
2011510288.tif 000162
となる。
【０１００】
これは、行列要素
2011510288.tif 000163
がｌに関して線形従属であることを示す。
【０１０１】
移行
2011510288.tif 000164
について。
【０１０２】
第３の項は、
2011510288.tif 000165
である。
【０１０３】
行列要素
2011510288.tif 000166
は、電子（及び核子）スピンとＯＡＭとの相互作用を表す。
【０１０４】
移行
2011510288.tif 000167
について。
【０１０５】
第４の項は、主要な関心対象である。なぜなら、この項は、周波数又はスピン以外の、入射光のパラメータに関する移行確率の線形従属を表すからである。この項に関して、
2011510288.tif 000168
が成り立つ。
【０１０６】
ここで、
2011510288.tif 000169
は、光ビーム
2011510288.tif 000170
の方向に平行な動力学的運動量
2011510288.tif 000171
成分とＯＡＭを搬送する光との相互作用が存在することを示す。この相互作用は、光ｌのＯＡＭに比例し、低いρｎ（回折限界エアリーディスクの最小に近いビームウエスト）に対して、より起こりやすい。同じコメントは、電子磁子を持つ光搬送スピン
2011510288.tif 000172
の相互作用に関してもあてはまる。
【０１０７】
これは、光ビームの伝搬の方向
2011510288.tif 000173
に沿って過分極を持つ流体を生産する基礎となる。
【０１０８】
−上記の式は、全てのタイプのスピンを持つ光により搬送される運動量と分子構成要素により搬送される軌道運動量との相互作用が存在することを示す。
【０１０９】
−同じ式は、いくつかの場合には、遷移行列係数がｌに比例し、従って、より高い相互作用が大きいＯＡＭを搬送する光に対して起こりうることも示す。
【０１１０】
−遷移行列係数
2011510288.tif 000174
及び
2011510288.tif 000175
は、
2011510288.tif 000176
及び
2011510288.tif 000177
に比例する項を含む。これは、これらの係数が小さなＲｎ及びρｎに関してより高い値に達することを意味する。以前の部分から「最大観察可能な効果領域」基準が与えられると、遷移行列係数
2011510288.tif 000178
及び
2011510288.tif 000179
の最大値は、エアリーディスク半径にできるだけ近い半径を持つ光ビームを用いて得られる。
【０１１１】
−これらの係数は、光子に適用される。即ち、分子吸収、放出及び準移行に関して適用される。
【０１１２】
−これらの係数は総選択規則を参照する。これは、特定のタイプの移行を示すことができるよう、分子が備えていなければならない特性に関する記載である。
【０１１３】
特定の選択規則（斯かる移行の間発生することができる量子数における変化）は、この理論では予測されておらず、図４において質的に言及される。
【０１１４】
分子光相互作用に関する特定の選択規則
【０１１５】
吸収
光搬送スピン
2011510288.tif 000180
及びＯＡＭｌは、分子により吸収される。角運動量が保存された量であるので、この系（放射線及び物質）の総角運動量は、放射線の吸収及び放出の間、変化されることができない。従って光子が原子又は分子により吸収されるとき、その角運動量は、原子に移されなければならない。結果として生じる原子の角運動量は、その初期角運動量と吸収される光子の角運動量とのベクトル和に等しい。
【０１１６】
原子及び分子は、異なるタイプの角運動量を含むことができる。最も重要な貯蔵部は、電子の軌道角運動量、分子の回転運動、並びに電子及び核のスピン角運動量を含む。これらのタイプの角運動量がすべて、放射線照射野に直接結合されるというわけではない。自由原子においては、電子の軌道角運動量だけが、光学移行に直接結合される。しかしながら、図４に概略的に示されるように、異なるタイプの角運動量が、光子スピン貯蔵部から電子軌道を通り他のすべての貯蔵部まで分極が流れることを可能にする様々な相互作用により、一般に互いに結合される。
上記により、ＯＡＭの可能性が理論的に示された。即ち、図４に示されるＯＡＭ回転移行を可能にする分子相互作用を示した。相互作用が光ビームにより搬送されるＯＡＭの値に比例することも示された。
【０１１７】
従って、（ｌに比例して）以下のことが起こりやすい。
【０１１８】
−吸収処理の間に励起される軌道の電子スピン分布だけでなく、分子のＯＡＭをも移行／整列配置させる。
【０１１９】
−分子回転値及び（エアリーディスクの周辺上で）ビーム軸伝搬に平行な運動量に向かう方向を変化させる。
【０１２０】
−分子核を直接移行／整列配置させる。
【０１２１】
透明な分子
これらは「準移行」の場合である。準移行では、光子は、軌道と相互作用するが、励起された分子状態を生み出すのに十分なエネルギを持たない。光子は、ほぼ同時に分子により吸収及び放出される（短「準状態」寿命）。これらは、入射する及び放出された光子運動量及びエネルギ内での変化である（例えば、ラマン後退散乱）。従って、ＯＡＭを持つ光は同様に透明な分子と相互作用することになる。これにより、光子角運動量が、分子の回転運動量に移される。
【０１２２】
分子運動量が変化されると結論付けられることができる。即ち、方向に関して、入射するビーム伝搬軸に整列配置され、大きさにおいて、スピン及びＯＡＭを持つ光により、光のＯＡＭ量に比例して修正される。
【０１２３】
光ポンピングは、光搬送スピン（円形分極光）を用いて分子が過分極化されることができることを示す。ＭＲＩにおける用途において、過分極化されたガスを得るために、この方法は上手に利用される。
【０１２４】
本発明は、ＯＡＭに光子を加える。従って、光の伝搬方向に沿って分子運動量の方向が増加され、流体に含まれる過分極化された分子を得る確率が増加される。こうして、流体のＮＭＲ解析が可能になる。
【０１２５】
この概念は、実験室セットアップにより実験的に証明された。この点が次に説明されることになる。
【０１２６】
実験室セットアップの説明
図５は、本発明の教示による流体を解析するための例示的なセットアップを示す。この白色光は、ＨＰ水銀、１００Ｗの白色光源５０１を用いて生成され、ビームの直径がおよそ１ｍｍであるよう平行化される。コリメート光、即ちビームは、ビームエキスパンダ（１：２０）５０３に送られる。ビームエキスパンダ５０３と光源５０１との間に、ここでは回転輪である機械的なシャッタ５０５が存在する。シャッタの開口部に同期化される電気信号が生成されることができる。手動シャッタ５０７も存在するが、機械的なシャッタ５０５は、動作可能である。測定が「暗い」状態で実行される間、このシャッタは光をブロックする。一方、全体のシステムは、「明るい」状態で作動する。すべての測定された状態に関して同じノイズ環境を維持することが要求される。ビームエキスパンダ５０３を通過した後、光は、４分の１の波長板５１１が後に続く直線偏光子５０９を用いて円形偏光される。
【０１２７】
ここでは、１２８０ｘ７２０、２０ｘ２０μｍ２、４５ＴＮのＬＣ効果、１μｍのセルギャップを持つ、液晶オンシリコン（ＬＣｏＳ）パネルである空間光モジュレータ（ＳＬＭ）５１３が、ＯＡＭ及びスピンを搬送するラゲールガウス分布（ＬＧ）ビームへとガウス分布入射ビームを変化させるよう設計されたコンピュータ生成によるフェーズホログラムを生産する。ＯＡＭの値ｌは、ホログラムのパラメータであり、４０まで値が増加されることができるが、空間フィルタリングに関連付けられる実際的な問題が原因で、これ以上の増加は容易ではない。
【０１２８】
図６は、以下のパラメータｌ＝１０、ｗｓ＝５及びｐ＝０を用いてＳＬＭパネル上に表示された、コンピュータ生成によるフェーズホログラムを示す。一方図７は、ＳＭＬからおよそ３ｍの所に配置されるスクリーン５１５上に入射するＨｅＮｅレーザー（６１８ｎｍ）を用いたホログラム投影を表す。この図の中央の明るいスポットは、ＯＡＭを搬送していないゼロ次の回折を表す。一方、それから北西及び南東方向における円は、それぞれｌ＝｛１０、１１、１２...｝及びｌ＝｛−１０、−１１、−１２...｝でＯＡＭを搬送するＬＧモードビームにより生成される。
【０１２９】
同じホログラムが異なる波長を用いて照射されるとき、ゼロ次のオーダー回折スポットはその位置を保存するが、その隣接するＬＧ回折ビームは通常の回折格子分散法則に従う。同じホログラムは、異なる波長に関する
2011510288.tif 000181
のＯＡＭを搬送するＬＧビームを生み出す。
【０１３０】
実験室セットアップにおいて、スクリーン、即ち空間フィルタ５１７はゼロ次のオーダーをブロックするために用いられ、ＯＡＭ及びスピンを搬送する回析されたＬＧビームが選択される。この結果は、図８に示される。
【０１３１】
分散された回析ＬＧビームは、凹鏡５１９及び高速顕微鏡対物レンズ５２１を用いてサンプル上へ集められる及び焦束される。エアリーディスクサイズにできるだけ近いビームウエストの条件を満たすため、高いｆ値が必要とされる。
【０１３２】
対物レンズを通過した後、ｌ＝１９のスピン（円偏光）及びＯＡＭを搬送する白色光のしっかりと焦束されたビームが得られる。このビームはその後、サンプルキュベット５２３に配置される流体サンプルに印加される。この実験のため、図９に示される構造を持つ光学油が選択された。
【０１３３】
照射されるサンプルは、流体水中の銅コイル５２５により囲まれる。このコイルは、この例では以下の特性を持つ。即ち、内径２ｍｍ、外径１０ｍｍ、コイル長１０ｍｍ、銅の巻線の直径０．７５ｍｍである。コイル５２５は、５０ＭＨｚの帯域幅、５ＫＨｚでのハイパスフィルタ及び４０ｄＢのゲインを持つ５０個の低ノイズアンプ（ＬＮＡ）５２７の入力に電気的に接続される。
【０１３４】
増幅出力、即ち、コイル端子での電圧に比例する、従ってコイルを介する磁気流量変動に比例する電圧が、測定デバイスにより記録される。測定デバイスは、この場合、テクトロニクスＴＤＫ７００シリーズのスコープであり、５ｍＶの入力スケール範囲、２５ＭＨｚのサンプリング周波数、２０ＭＨｚの入力ローパスフィルタ（ＬＰＦ）、１６ビットの分解能（高分解能）、リアルタイム取得、２００Ｋのサンプルに対応する。
【０１３５】
図５において、サンプル周辺で磁場を作成する電磁気磁石５２６も示される。サンプルにおいて誘導される核磁気分極性が変化されることができるよう、この磁石は光ビームを方向付けるのに使用される。Ｂ磁場の方向が、ＯＡＭ光ビームの伝搬方向に垂直であるよう、静磁場がサンプルに印加されることができる。初期実験において、０．１テスラの磁場が使用された。図１０に示されるようにＯＡＭ光がスイッチオフされるとき、磁場は、組織化されたＦＩＤを作成するのに役立つ。この図から、一旦光がオフにされると、結果として生じるＦＩＤ信号が、アナログデジタル変換器（ＡＤＣ）を用いてサンプリングされることが分かる。トリガーイベントは、機械的なシャッタ５０５の同期出力により提供された。光ダイオード（ピンデバイス）、即ち図５における光検出器５２９は、トリガ信号遅延推定デバイスとして使用された。このデバイスは、機械的なシャッタ５０５により生成される同期化信号とサンプルを通過する光の立ち上がり時間との間の遅延を測定する。この値は、一度計量されると、測定の残りの間のトリガ遅延値として使用される。
【０１３６】
取得されたデータセットは、高速フーリエ変換アルゴリズム（ハミングウィンドウ、−３５ｄＢのフェーズリジェクション、平均係数が２０）を実行する高速フーリエ変換器（ＦＦＴ）５３１に渡される。この変換器は、自由誘導減衰（ＦＩＤ）信号の周波数領域に関する振幅を生み出す。図５において、制御ユニット５３３も示される。このユニットは、得られたＦＩＤ信号を処理するパーソナルコンピュータ（ＰＣ）とすることができる。制御ユニット５３３は、ドライバボード５３５に接続されることができる。このボードは、ＳＬＭユニット５１３の動作を制御する。
データ取得セットアップに関するまとめが、表２に与えられる。取得時間及びサンプル数は、流体サンプル内に存在する化学種の決定を求める実験において改善される。コンセプトの証明のためには、上述されたセットアップで十分である。なぜなら、それが、ＯＡＭを持つ光により照射されるサンプルに対するＦＩＤスペクトルと、ＯＡＭなしの（ｌ＝０）光により照射されるサンプルと、何ら光により照射されない（垂直なＢ磁場はそれでも存在）サンプルとの間の明確な差を示すからである。
【表２】
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【０１３７】
実験の流れの説明
上述のセットアップは、
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のスピン及びＯＡＭを持つ光で照射されるサンプルの磁気ＦＩＤの取得、及び照射されていないサンプルから生じる同じＦＩＤをそのＦＩＤと比較することを可能にする。最後の場合は不必要に思われるかもしれない。なぜなら、分極されていないサンプルのＦＩＤは、取得システムのノイズレベル以下の振幅を生み出すからである。しかしながら、照射されたサンプルと「暗い」サンプルとの間の差を生成することは、すべてのエルゴード的環境ノイズ源を減らすために有益である。同様に、「暗い」測定は、手動シャッタ５０７を閉めることによってのみ実行される（光源及び機械的なシャッタ５０５は、「暗い」測定の間でも作動し続ける）。
【０１３８】
高分解能流体解析を実行する方法のある実施形態が、図１１のフローチャートを参照して、次に説明される。ステップ１１０１において最初に、光源５０１がスイッチオンされる。ステップ１１０３において、光が偏光子５０９、４分の１波長板５１１及びＳＬＭ装置５１３を通過すれば、光がＯＡＭ及び可能であればスピンを取得する。
【０１３９】
ステップ１１０５において、光は分散され、ステップ１１０７において、光は特定された偏光及びＯＡＭを用いてフィルタリングされる。２次オーダー効果として光分散を持つ方法によりＯＡＭが生成される場合、ステップ１１０５だけが必要とされる点に留意されたい。回析格子を用いてＯＡＭが生成されるときのみ、分散が発生する。分散が生成される場合、１次回折ビームを得るため、更なるフィルタリングが必要とされる。この場合、分散は、ＳＬＭユニット５１３により行われる。フィルタリングは、開口５１７を用いて行われる。
【０１４０】
ステップ１１０９において、光ビームは、凹鏡５１９及び顕微鏡対物レンズ５２１を用いてサンプル上へ焦束される。ＯＡＭを持つ光がサンプルに印加されるとき、分子軌道（電子スピン）、角運動量及び核は、光ビーム伝搬軸周辺で方向付けられることになる（ラーモア歳差運動）。この処理は、検出可能なＦＩＤ信号を生産する。このＦＩＤ信号は、ポジティブなエッジ起動による取得を、ＦＩＤスペクトルにおけるピークに反映させる。ポジティブなエッジは、「光がサンプルを通過し始めた」イベントに対応する。流体における水中コイル５２５は、ＦＩＤ検出器として機能する。コイル対称軸は、ビーム伝搬方向に重なる。一方、コイル５２５の中心は、対物レンズの仮想焦点上に配置される。
【０１４１】
ステップ１１１１において、光は、ＦＩＤ信号を得る（ステップ１１１５）ため、オン／オフに順次切り替えられる。より制御されたＦＩＤ信号を持つため、ステップ１１１３において、一連の磁場がコイル５２６により作成される。これらの磁場は、光の方向に垂直である。光がオフにされるとき、磁場が作成され、熱核が、それらの方向を緩和し、及び多かれ少なかれ磁場と整列配置されるよう方向付けられることになる。こうして、核は２つの方向に方向付けられる。第１の方向は、光の方向により決定され、第２の方向は、磁場の方向により決定される。この例では、パルス周期は約７０ｍｓであり、デューティ比は５０％である。印加磁場は、静磁場とすることができるか、又は、特定の核と非常に相互作用するよう調整されるＲＦ磁場とすることができる。代替的に、これは、第１のビームに垂直な別の光ビームを印加することにより実行されることができる。最終的に、ステップ１１１７において、得られたＦＩＤ信号が、測定コイル５２３により測定される。ＯＡＭ無しの光（ｌ＝０）が使用されるか、又は光が使用されないとき、ＦＩＤ信号は検出されず、従って、ノイズだけが記録されることができる。
【０１４２】
より発展する実験的なセットアップは、異なるＮＭＲＦＩＤ励起シーケンスに関する垂直コイル、白色光を生み出すためのより効率的な方法、サンプルに送られる光スペクトルを修正するための手段、ＯＡＭを変調するためのより効率的な方法、及びより好適なデータ取得システム（より長い取得シーケンス、より高感度でのより高いデータレート）を必要とする。
【０１４３】
しかし、実験的なセットアップの適当な手段を用いてさえ、概念の有効性を証明する結果を得ることが可能だった。図１２は、ＦＦＴユニット５３１により周波数領域変換を行った後、図１０に示されるようにネガティブな光エッジにより起動される取得でＦＩＤから得られるスペクトルの一部を示す。この図は、全く光が照射されないとき（長方形付きの実線）、ＯＡＭ無しの光により照射されるとき（円付きの破線）、ＯＡＭ有りの光により照射されるとき（ｌ＝１９、三角形付きの実線）、サンプルにより生成されるスペクトルを含む。上述したように、これらのＦＩＤの全ては、およそ０．１テスラに等しい垂直なＢ磁場がある場合に集められる。図に表されるスペクトルの部分は、７．７８５ＭＨｚで中心化される。これは、およそ、０．１テスラでの水素原子のＮＭＲサインが見られると予想される所である。光がない場合、又はｌ＝０の光である場合、ピークは生成されない。スペクトルは役立つ。なぜなら、特定のタイプの原子及び分子は、周波数ピークの特定の分布により特徴づけられるからである。光の周波数及び光により実行されるＯＡＭは、ピークの位置に影響を及ぼす点に留意されたい。
【０１４４】
光搬送ＯＡＭ及びスピンが、流体状態に含まれる核の方向を生み出すことができると結論付けられることができる。従って、ＮＭＲＦＩＤは、サンプル核磁気運動量分極のための高磁場を生成する必要なしに、ＮＭＲ信号解析技術を用いて監視されることができる。
【０１４５】
図１３は、図５の構成をわずかに修正した構成を示す。図１３に示される装置は、ＮＭＲ分光法に基づき高分解能サンプル解析を実行するよう等しく構成される。図５に示される構成と比較すると、図１３では、スクリーン５１５がなく、ＳＬＭ５１３は、スピン及びＯＡＭを持つ所望のタイプの光を生産するためのホログラフィプレート１３０３で置換される。ＬＮＡ５２７、光検出器５２９、ＦＦＴ変換ユニット５３１、コントローラ５３３及びドライバボード５３５は、図１１には示されない。しかし、それらの機能は、ＮＭＲ特有の信号プロセッサ１３０５に一体化される。
【０１４６】
上記に、いくつかの実施形態が説明された。本発明は、ＮＭＲ化学サンプル解析が必要とされるすべての状況において適用可能である。特に、「生体内」用途に関して使用されることができ、例えばｅＰｉｌｌ、インテリジェントカテーテル等である。本発明の実施形態は、過分極化された流体を得るための任意の磁気物質を含まない。従って、「生体内での」動作に適している。
【０１４７】
本発明は、上述のデバイスのコンピュータ手段でロード及び実行されるとき、本発明の実施形態の方法ステップのいずれかを実行することができるコンピュータプログラムにも同様に関する。コンピュータプログラムは、他のハードウェアと共に又はその一部として供給される適切な媒体に格納／配布されることができるが、例えばインターネット又は他の有線若しくは無線通信システムを介してといった他の形式で配布されることもできる。
【０１４８】
本発明は、本発明の実施形態による方法ステップのいずれかを実行するよう構成される集積回路にも同様に関する。
【０１４９】
本発明が図面及び前述の説明において詳細に図示され及び説明されたが、斯かる図示及び説明は、説明的又は例示的であると考えられ、本発明を限定するものではない。即ち、本発明は、開示された実施形態に限定されるものではない。
【０１５０】
図面、開示及び添付の特許請求の範囲の研究から、開示された実施形態に対する他の変形が、請求項に記載された発明を実施する当業者により理解され及び遂行されることができる。請求項において、単語「有する」は他の要素又はステップを除外するものではなく、不定冠詞「ａ」又は「ａｎ」は複数性を除外するものではない。単一のプロセッサ又は他のユニットが、請求項に記載される複数のアイテムの機能を満たすことができる。異なる特徴が相互に異なる従属項に記載されるという単なる事実は、これらの特徴の組合せが有利に使用されることができないことを示すものではない。請求項における任意の参照符号は、本発明の範囲を限定するものとして解釈されるべきではない。
【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６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【国際調査報告】
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