(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
生体試料（１）のスペクトル応答を測定する方法であって、
−  フェムト秒レーザ光源装置（１０）で生成され１００ｆｓ以下のパルス持続時間を有するプローブ光パルス（２）を含み、最低３μｍの波長を含む波長範囲をカバーする一次スペクトルを有するプローブ光を生成する工程を含み、
−  さらに、前記プローブ光と前記試料（１）との相互作用を含む、前記プローブ光を前記試料（１）に照射する工程と、
−  前記プローブ光と前記試料（１）との相互作用の結果としての前記一次スペクトルから逸脱した変形スペクトルであって、前記試料（１）の前記スペクトル応答の特性である変形スペクトルを有する前記プローブ光を、スペクトル分解検出する工程と、
を含み、
−  前記検出する工程が、前記試料（１）との相互作用の後の前記プローブ光パルス（２）の時間的形状（２）を時間領域でサンプリングすることを含み、前記試料（１）の前記スペクトル応答が、前記試料（１）との相互作用の後の前記プローブ光パルス（２）の時間的形状のフーリエ変換に基づいて得られ、
特徴として、
−  前記試料は生体試料（１）を含み、
−  前記プローブ光パルス（２）は、５０ｍＷより大きい平均パワーで生成され、
−  前記生体試料（１）との相互作用後、前記プローブ光パルス（２）の各々は、前記プローブ光パルスの前記一次スペクトルに対応する主要パルスと、前記生体試料（１）の吸収によって誘導され前記主要パルスに続く時間的後尾部とを含み、前記プローブ光パルス（２）の前記時間的形状の時間領域での前記サンプリングは、前記時間的後尾部をサンプリングすることを含むものである、
方法。
【請求項２】
前記プローブ光パルス（２）は、
−  前記プローブ光パルス（２）が、前記変形スペクトルにおいて発生するスペクトル応答特徴を含むスペクトルの周波数幅の逆数より短いパルス持続時間を有し、
−  前記プローブ光パルス（２）が、前記試料（１）への照射前に、５０ｆｓ未満の、特に２０ｆｓ未満の、パルス持続時間を有し、
−  前記プローブ光パルス（２）が、前記試料（１）への照射前に５００ｍＷより大きい平均パワーを有し、
−  前記一次スペクトルが、少なくとも１つの周波数オクターブを、特に少なくとも２つの周波数オクターブを、カバーし、
−  前記一次スペクトルが、５μｍ乃至１５μｍ、特に３μｍ乃至３０μｍ、の波長範囲をカバーし、および
−  前記一次スペクトルが連続または準連続スペクトルである、
という特徴の中の少なくとも１つの特徴を有する、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記スペクトル応答が、前記試料（１）の吸収スペクトルおよび反射スペクトルのうちの少なくとも一方である、請求項１または２に記載の方法。
【請求項４】
−  前記試料（１）は、固体、液体、エアロゾル、ガスおよび蒸気の中の少なくとも１つを含み、および
−  前記試料（１）は、マルチパス・セルまたはエンハンスメント・キャビティ内に配置される、
という特徴の中の少なくとも１つの特徴を有する、請求項１乃至３のいずれかに記載の方法。
【請求項５】
前記フェムト秒レーザ源装置（１０）が、
−  駆動パルスを生成する駆動源（１１）と、
−  前記駆動パルスのパルス内周波数差によって前記プローブ光パルス（２）を生成する差周波数発生（ＤＦＧ）ユニット（１２）と、
を含む、請求項１乃至４のいずれかに記載の方法。
【請求項６】
前記フェムト秒レーザ源装置（１０）が、
−  ファイバ・レーザ、
−  Ｙｂ−ＹＡＧディスク・レーザ、または
−  Ｈｏ−ＹＡＧディスク・レーザ
を含む、請求項１乃至５のいずれかに記載の方法。
【請求項７】
−  前記時間領域でサンプリングする工程が、前記プローブ光パルス（２）を電気光学サンプリングすることを含み、
−  前記プローブ光パルス（２）およびサンプリング・パルス（５）が、前記プローブ光の時間的形状をサンプリングするために電気光学プローブ要素（２１）において変化する時間的関係で重ね合わされる、
請求項１乃至６のいずれかに記載の方法。
【請求項８】
前記サンプリング・パルス（５）が、前記プローブ光パルス（２）の生成に使用される複数の駆動パルス（３）の複数部分を含み、
前記サンプリング・パルス（５）が、前記プローブ光パルス（２）に対して変化する遅延を伴って前記電気光学プローブ要素へと方向付けられる、
請求項７に記載の方法。
【請求項９】
さらに、診断的に関連性のある情報（６）を取得するために調査対象の被検体からの前記試料（１）のスペクトル応答を評価する工程を含む、請求項１乃至８のいずれかに記載の方法。
【請求項１０】
前記評価する工程は、
−  前記変形スペクトルにおける特定の帯域（７）に基づいて診断的に関連性のある物質を識別すること、
−  前記変形スペクトルの少なくとも一部を、調査対象の前記被検体の別の試料（１）で前に収集された保存されたスペクトル応答と比較すること、および
−  前記変形スペクトルの少なくとも一部を、他の被検体の参照データと比較すること、
の中の少なくとも１つを含む、請求項９に記載の方法。
【請求項１１】
生体試料（１）のスペクトル応答を測定するよう構成された分光測定装置であって、
−  フェムト秒レーザ光源装置（１０）で生成され１００ｆｓ以下のパルス持続時間を有するプローブ光パルス（２）を含み、最低３μｍの波長を含む波長範囲をカバーする一次スペクトルを有するプローブ光パルス（２）を前記試料（１）に照射するよう配置されたフェムト秒レーザ源装置（１０）と、
−  前記試料（１）との相互作用後の前記プローブ光パルス（２）をスペクトル分解検出するよう配置され、かつ前記プローブ光パルス（２）の前記一次スペクトルから逸脱した変形スペクトルをスペクトル分解検出するよう構成された検出器装置（２０）と、
を含み、
−  前記検出器装置（２０）が、前記試料（１）との相互作用の後の前記プローブ光パルス（２）の時間的形状（２）を時間領域でサンプリングするよう構成され、前記試料（１）の前記スペクトル応答が、前記試料（１）との相互作用の後の前記プローブ光パルス（２）の時間的形状のフーリエ変換に基づいて得ることができ、
特徴として、
−  前記試料は生体試料（１）を含み、
−  前記プローブ光パルス（２）は、５０ｍＷより大きい平均パワーで生成され、
−  前記生体試料（１）との相互作用後、前記プローブ光パルス（２）の各々は、前記プローブ光パルスの前記一次スペクトルに対応する主要パルスと、前記生体試料（１）の吸収によって誘導され前記主要パルスに続く時間的後尾部とを含み、前記プローブ光パルス（２）の前記時間的形状の時間領域での前記サンプリングは、前記時間的後尾部をサンプリングすることを含むものである、
分光測定装置。
【請求項１２】
前記フェムト秒レーザ源装置（１０）は、
−  前記プローブ光パルス（２）が、前記変形スペクトルにおいて発生するスペクトル応答特徴を含むスペクトルの周波数幅の逆数より短いパルス持続時間を有し、
−  前記プローブ光パルス（２）が、５０ｆｓ未満の、特に２０ｆｓ未満のパルス持続時間を有し、
−  前記プローブ光パルス（２）が、５００ｍＷより大きい平均パワーを有し、
−  前記一次スペクトルが、少なくとも１つの周波数オクターブ、特に少なくとも２つの周波数オクターブをカバーし、
−  前記一次スペクトルが、５μｍ乃至１５μｍ、特に３μｍ乃至３０μｍ、の波長範囲をカバーし、および
−  前記一次スペクトルが連続スペクトルである、
という特徴の中の少なくとも１つの特徴を有する前記プローブ光パルス（２）を生成するよう適合化されたものである、請求項１１に記載の分光測定装置。
【請求項１３】
−  前記試料（１）を収容するよう配置された試料保持器装置（３０）を含み、前記フェムト秒レーザ源装置（１０）、前記試料保持器装置（３０）および前記検出器装置（２０）は、前記検出器装置（２０）が前記試料（１）の吸収スペクトルおよび反射スペクトルのうちの少なくとも１つのスペクトルを検出することができ、および
−  前記試料（１）中を前記プローブ光パルスを複数回通過させるよう配置されたマルチパス・セルまたはエンハンスメント・キャビティを含む、
という特徴の中の少なくとも１つの特徴をさらに含む、請求項１１または１２に記載の分光測定装置。
【請求項１４】
前記試料保持器装置（３０）が、固体、液体、エアロゾル、ガスおよび蒸気の中の少なくとも１つとしての前記試料（１）を収容するよう適合化されている、請求項１３に記載の分光測定装置。
【請求項１５】
前記フェムト秒レーザ源装置（１０）は、
−  駆動パルス（３）を生成する駆動源（１１）と、
−  前記駆動パルス（３）のパルス内周波数差によって前記プローブ光パルス（２）を生成する差周波数発生（ＤＦＧ）ユニット（１２）と、
を含むものである、請求項１１乃至１４のいずれかに記載の分光測定装置。
【請求項１６】
前記フェムト秒レーザ源装置（１０）は、
−  ファイバ・レーザ、
−  Ｙｂ−ＹＡＧディスク・レーザ、または
−  Ｈｏ−ＹＡＧディスク・レーザ
を含むものである、請求項１１乃至１５のいずれかに記載の分光測定装置。
【請求項１７】
前記検出器装置（２０）は、前記試料（１）との相互作用後の前記プローブ光の前記時間的形状をサンプリングするための電気光学プローブ要素（２１）を有する電気光学サンプリング・ユニットを含むものである、請求項１１乃至１６のいずれかに記載の分光測定装置。
【請求項１８】
−  前記フェムト秒レーザ源装置（１０）は、サンプリング・パルス（４）として前記プローブ光パルス（２）を生成するのに使用される複数の駆動パルス（３）の複数部分を供給するためのビーム・スプリッタ（１３）を含み、  
−  前記サンプリング・パルスを、前記プローブ光パルス（３）に対する変化する遅延を与えて、前記電気光学プローブ要素（２１）において供給するための遅延ユニットが配置されている、
請求項１７に記載の分光測定装置。
【請求項１９】
さらに、調査対象の被検体からの前記試料（１）の前記スペクトル応答を評価し、医療診断の提供または認証に使用することができる診断的に関連性のある情報（６）を取得するよう構成された計算装置（４０）を含む、請求項１１乃至１８のいずれかに記載の分光測定装置。
【請求項２０】
−  前記変形スペクトルにおける特定の帯域（７）に基づいて診断的に関連性のある物質を識別するフィルタ・ユニット、
−  前記変形スペクトルの少なくとも一部を、調査対象の前記被検体の別の試料（１）で前に収集された保存されたスペクトル応答と比較する第１の比較ユニット、および
−  前記変形スペクトルの少なくとも一部を、他の被検体の参照データと比較する第２の比較ユニット、
の中の少なくとも１つを含む、請求項１９に記載の分光測定装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、生体（生物）試料のスペクトル応答を測定する方法に関する。特に、本発明は、広帯域プローブ光を試料に照射しそのプローブ光と試料の相互作用により得られるそのプローブ光のスペクトル変化を検出することによって、スペクトル応答を測定する方法に関し、例えば、試料におけるそのプローブ光の吸収および／または反射を測定する方法に関する。さらに、本発明は、生体試料のスペクトル応答を測定するための分光測定装置に関し、特に、試料にそのプローブ光を照射するための広帯域光源と、プローブ光と試料の相互作用により得られるそのプローブ光の変化をスペクトル分解検出するための検出器装置とを含む、生体試料のスペクトル応答を測定するための分光測定装置に関する。
【０００２】
本発明の適用例は、特に試料の組成および／または状態を分析するための、試料の分光法において、利用可能である。生体試料には、分析できるものであり、例えば、ヒトまたは動物の有機体に由来する試料、または自然環境から採取された試料が含まれる。
【背景技術】
【０００３】
物質試料、特に診断のための生体試料を分析するための技術に関する背景技術を説明するために、以下の従来技術文献が参照される。
【０００４】
［１］B. de Lacy Costello et al., "A review of the volatiles from the healthy human body", J. Breath Res. 8, 014001 (2014)、
［２］T.H. Risby et al., "Current status of clinical breath analysis", Appl. Phys. B 85, 421-426 (2006)、
［３］W. Cao et al., "Breath analysis: Potential for clin-ical diagnosis and exposure assessment", Clinical Chemistry 52, 800-811 (2006)、
［４］米国特許出願公開第２０１２／０２６６６５３号、
［５］米国特許第７１０１３４０号、
［６］国際公開第２０１１／１１７５７２号、
［７］米国特許第５２２２４９５号、
［８］米国特許第８０２２３６６号、
［９］米国特許第６２３６０４７号、
［１０］米国特許第７４０３８０５号、
［１１］米国特許第７２０３３４５号、
［１２］欧州特許第０６８０２７３号、
［１３］P. Dumas et al., "Adding synchrotron radiation to infrared microspectroscopy: what's new in biomedical applications" TRENDS in Biotechnology 25, 40 (2006)、
［１４］I. Znakovskaya et al., "Dual frequency comb spectroscopy with a single laser", Opt. Lett. 39, 5471 (2014)、
［１５］A. Sponring et al., "Release of volatile organic com-pounds from the lung cancer cell line NCI-H2087 In Vitro", Anticancer Research 29, 419 (2009)、
［１６］M. Diem  et al., "Molecular pathology via IR and Raman spectral imaging", J. Biophoton. 6, 855 (2013)、
［１７］W. Parz et al., "Time-domain spectroscopy of mid-infrared quantum cascade lasers", Semicond. Sci. Technol. 26 (2011) 014020、
［１８］国際公開第２００７／１２１５９８号、
［１９］米国特許出願公開第２０１３／０２２１２２２号、
［２０］B. Bernhardt et al., "Mid-infrared dual-comb spectroscopy with 2.4 μm Cr2+:ZnSe femtosecond lasers", Appl. Phys. B (2010) 3、
［２１］Sh. Liu et al., "Mid-infrared time-domain spectroscopy system with carrier-envelope phase stabilization", Appl. Phys. Lett. 103, 181111 (2013)。
【０００５】
医学では、早期の段階（スクリーニング）における疾患の最小限の侵襲性、迅速性、信頼性があり費用効率の高い診断について、および治療に対するその反応の監視について、喫緊のニーズ（必要性）がある。身体から放出された体液およびガス（気体）を含む生体試料の分析は、それ（試料）が人の健康状態に特徴的な多種の化合物を含むので、この目的に良く適していることが、一般的に知られている。約１７６０種のそのような成分が知られており、具体的には、呼気では８７４種、皮膚発疹では５０４種、尿頭部では２７９種、血液では１３０種、糞便では３８１種、唾液では３５３種が知られている［１］。重要なこととして、幾種かの化合物は、気相と液相の双方において、液相中にのみ幾分かが存在する。特に、呼吸エアロゾルは、潜在的に重い化合物が豊富である。
【０００６】
ヒト細胞の複数の分子成分の構造の変化は、常に、細胞自体のまたはその代謝排泄物（metabolic emanations）の中赤外線（ＭＩＲ）吸収スペクトルの変化を生じさせる。結果として、スペクトルの小さい変形または修正が、多くの疾患の早期検出および診断の手段を提供する。統計的に証明された疾患のスペクトル・トレース（traces：形状、軌跡）は、早期診断のための信頼できる“指紋”（fingerprint）情報を提供する。
【０００７】
伝統的または標準的な診断法では、生体試料の化合物は、化学分析によって、または質量分析と組み合わせたガス・クロマトグラフィによって検出される［２、３］。しかし、これらの方法は、ｉ）高速分析が不可能であり、ii）幾種かの化合物を改変するまたは破壊しさえする可能性があり、iii）ＤＮＡの構造の立体構造変化が分かりにくく、それ（変化）は質量の変化なしで重大な疾患を引き起こし得る。
【０００８】
さらに、身体の液体およびガスの検査のために多数の分光法が提案されてきた［４−１２、１６］。文献［４］において、ガス分析だけが提案されているが、一方、実際には全ての相（気体、液体、固体、エアロゾル）が診断知識に寄与できる。文献［５］において、ｃｗ（連続波）レーザによる呼吸のスペクトル分析が示唆されており、従って利用可能なスペクトル・データ点の数とそれらの情報的に有益な値は非常に限られている。文献［６］において、狭い範囲の波長が使用され、３種のガスしか検出されず、各診断の範囲は糖尿病に限定される。
【０００９】
例えば血液または唾液のような体液のスペクトル分析を扱う別の通常の手法が、文献［７］および［８］に記載されている。特許文献［７］は、血液中の２つの近接した波長の吸収を比較することによって、非侵襲的な血液分析を提案している。文献［８］では、血糖（グルコース）および他の血液および体流体の検体を測定するための小型の中赤外線（ＭＩＲ）分光計が提案されている。それは、変調された熱エミッタと、干渉フィルタとして作用する四分の一波長プレートを含む低分解能分光計とからなる。
【００１０】
１１００〜５０００ｎｍの範囲の各帯域の拡散的に反射された放射（電磁線）が、文献［９］で使用されて、ケモメトリックス（chemometric）技術によって血液検体の濃度が決定される。別の技術では、結膜と涙膜のスペクトル変化を調べるために、眼に配置された接触装置が使用される［１０］。このために、眼自体からの熱放射、またはファイバによって供給される外部放射が、用いられる。文献［１１］において、分光法が使用されて、ヒトの組織からの近赤外線射の反射を分析することによって、各個体が識別される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１１】
【特許文献１】米国特許出願公開第２０１２／０２６６６５３号
【特許文献２】米国特許第７１０１３４０号
【特許文献３】国際公開第２０１１／１１７５７２号
【特許文献４】米国特許第５２２２４９５号
【特許文献５】米国特許第８０２２３６６号
【特許文献６】米国特許第６２３６０４７号
【特許文献７】米国特許第７４０３８０５号
【特許文献８】米国特許第７２０３３４５号
【特許文献９】欧州特許第０６８０２７３号
【特許文献１０】国際公開第２００７／１２１５９８号
【特許文献１１】米国特許出願公開第２０１３／０２２１２２２号
【非特許文献】
【００１２】
【非特許文献１】B. de Lacy Costello et al., "A review of the volatiles from the healthy human body", J. Breath Res. 8, 014001 (2014)
【非特許文献２】T.H. Risby et al., "Current status of clinical breath analysis", Appl. Phys. B 85, 421-426 (2006)
【非特許文献３】W. Cao et al., "Breath analysis: Potential for clin-ical diagnosis and exposure assessment", Clinical Chemistry 52, 800-811 (2006)
【非特許文献４】P. Dumas et al., "Adding synchrotron radiation to infrared microspectroscopy: what's new in biomedical applications" TRENDS in Biotechnology 25, 40 (2006)
【非特許文献５】I. Znakovskaya et al., "Dual frequency comb spectroscopy with a single laser", Opt. Lett. 39, 5471 (2014)
【非特許文献６】A. Sponring et al., "Release of volatile organic com-pounds from the lung cancer cell line NCI-H2087 In Vitro", Anticancer Research 29, 419 (2009)
【非特許文献７】M. Diem  et al., "Molecular pathology via IR and Raman spectral imaging", J. Biophoton. 6, 855 (2013)
【非特許文献８】W. Parz et al., "Time-domain spectroscopy of mid-infrared quantum cascade lasers", Semicond. Sci. Technol. 26 (2011) 014020
【非特許文献９】B. Bernhardt et al., "Mid-infrared dual-comb spectroscopy with 2.4 μm Cr2+:ZnSe femtosecond lasers", Appl. Phys. B (2010) 3
【非特許文献１０】Sh. Liu et al., "Mid-infrared time-domain spectroscopy system with carrier-envelope phase stabilization", Appl. Phys. Lett. 103, 181111 (2013)
【発明の開示】
【００１３】
一般的な欠点として、通常の方法のいずれも、原理的に利用可能な人の健康状態に関する完全な情報を提供することができない。通常の技術は、診断のためだけに単一相を使用することに特化されている。さらに、それらは、完全な中赤外線（ＭＩＲ）帯域幅内の狭いスペクトル範囲のみを使用し、疾患を示すスペクトルの微妙な変化を検出するのに充分な感度ではない。換言すれば、既知の手法では、完全な分子指紋（特徴）のうちの僅かな部分のみへのアクセス（のみの取得）を提供するにすぎず、それに、疾患の信頼できる識別および診断を行うには不充分な感度およびＳＮ（信号対ノイズ）比が用いられさえする。
【００１４】
最近、様々な種類の障害を有する細胞の分光画像化（結像）のために、シンクロトロン放射の利用が検討されてきた［１３］。この放射は、広帯域であり、熱源の放射よりも約２のオーダ（桁）の大きさ強い。しかし、日常的な診断のためおよび多数の患者のスクリーニング（検査）のためのシンクロトロンの適用が実用的であることは明らかでない。
【００１５】
上述の制限は、生体試料を診断目的のためだけに分析することでは生じない。例えば環境試料またはレーザ媒質の、他の分光学的調査は、特に、利用可能な情報の感度、選択性および制限的利用の点で、同様の欠点を有する。
【００１６】
一例として、文献［１７］は、量子カスケード・レーザ（ＱＣＬ）の分光学的調査を開示している。利得および吸収を測定するために、ＱＣＬに中赤外線（ＭＩＲ）領域の波長を有する１０ｆｓレーザ・パルスを照射し、ＱＣＬの分光応答を、電気光学検出を用いた時間領域の分光法配置（設定、装置）を用いて調べる。通常の方法の適用例は、強い吸収性ＱＣＬ材料の調査に限定される。Ｔｉサファイア・レーザの使用により、レーザ・パルスは低い強度を有して、弱い吸収の測定値が除外されるようになっている。さらに、レーザ・パルスは狭帯域特性を有し、その結果として、広い波長範囲の各スペクトル特徴を有する他の材料を調べるには限界がある。
【００１７】
有機材料における光整流によって、６２μｍ乃至２３０μｍの範囲の波長に対応する１．３乃至４．８ＴＨｚの範囲のテラヘルツ放射を生成するためのＴｉサファイア・レーザの別の適用例が、文献［１８］に開示されている。文献［１９］によれば、約６μｍの狭い周波数範囲が、Ｔｉサファイア・レーザを用いて調査される。狭い波長範囲、低い放射強度、およびレーザ配置の限定された安定性に起因して、これらの通常の技術は、材料の効率的なスペクトル広帯域特性評価（解析、測定）には適していない。
【００１８】
ガス試料を調査するための二重コーム（櫛型）分光法が文献［２０］に記載されている。この方法は、２．３μｍ乃至２．６μｍの狭い波長範囲でのＦＴＩＲ測定に限定され、ｐｐｍ範囲の低感度にしか達しない。ここでも、この技術は、広い波長範囲のスペクトル特徴を有する材料を調査するのには適していない。
【００１９】
文献［２１］に開示されているように、１０５０ｎｍ、１３５０ｎｍおよび１５５０ｎｍの３つの波長のＥｒ：ファイバ・レーザ放射に基づいて８μｍ乃至１２μｍの範囲の中赤外線（ＭＩＲ）放射を生成することができる。この技術は、複雑なループ制御を必要とし、その結果、中赤外線（ＭＩＲ）放射の適用可能性が制限される。
【００２０】
本発明の第１の目的は、通常の技術の制限または欠点を回避することができる、試料のスペクトル応答を測定する改良された方法を実現することである。特に、本発明の第１の目的は、増大された感度、改善された信号対ノイズ比（ＳＮＲ）、向上した選択性、および／または、例えば中赤外線スペクトル範囲（ＭＩＲ）のような拡張されたスペクトル範囲をカバー（包含）する改善された能力、を有する測定方法を実現することである。本発明の第２の目的は、プローブ光照射に対する試料のスペクトル応答を測定するよう適合化された改良された分光測定装置を実現することであり、その分光測定装置は、通常の技術の制限および欠点を回避することができるものである。特に、分光測定装置は、感度、ＳＮＲ、選択性および／または広帯域カバレッジ（カバー性、測定可能範囲、対象範囲）の点で改善を実現できるものである。
【００２１】
発明の概要
これらの目的は、独立請求項の特徴をそれぞれ含むスペクトル応答測定方法および分光測定装置によって、それぞれ対応して達成（解決）される。本発明の好ましい実施形態および適用例は、従属請求項に記載されている。
【００２２】
本発明の第１の一般的な態様によれば、上述の目的は、生体試料のスペクトル応答を測定する方法によって達成（解決）され、その方法において、プローブ光パルス（電磁放射線のパルス）が、ｆｓ（フェムト秒）レーザ源装置で生成され、調査されるその試料へと方向付けられ、その試料との相互作用の後で検出される。プローブ光パルスは、プローブ光パルスの複数の周波数成分によって形成される一次スペクトルを有するプローブ光を形成する。“一次スペクトル”（primary spectrum：主スペクトル）という用語は、試料との相互作用の前におけるプローブ光パルスのスペクトル構成（組成）を指す。ｆｓレーザ源装置でのプローブ光パルスの生成に起因して、一次スペクトルは連続または準連続（quasi-continuous）スペクトルであり、その形状は、ｆｓレーザ源装置の出力によって、例えば、ｆｓレーザ源装置によって実装される、任意にＤＦＧおよび／またはパルス圧縮と組み合わせられた、特定の発振器および／または増幅器プロセス（過程）によって、決定される。
【００２３】
ｆｓレーザ源装置でのプローブ光パルスの生成に起因して、一次スペクトルは、関心の対象である複数のスペクトル帯域（スペクトル応答特徴または特性）を含むスペクトル範囲をカバーする広帯域スペクトルである。試料との相互作用に起因して、プローブ光パルスは、一次スペクトルから逸脱した（との差異を含む）変形スペクトルを獲得する。“変形スペクトル”（modified spectrum：変形または（部分的に）修正されたスペクトル）という用語は、試料との相互作用の後におけるプローブ光パルスのスペクトル構成（組成）を指す。変形スペクトルは、試料に含まれる或る成分の少なくとも１つのスペクトル帯域（スペクトル線）によって変化する一次スペクトルのスペクトル形状を含んでいる。変形スペクトルは、試料に含まれる１つまたは複数の成分の複数のスペクトル帯域を含んでいることが好ましい。試料との相互作用後でのプローブ光のスペクトル分解検出によって、少なくとも１つの成分の全てのスペクトル帯域を検出することができる。変形スペクトル、特に、変形スペクトルと一次スペクトルの間の差、好ましくは、試料によって生成された複数のスペクトル帯域の各位置、各相対的振幅および／または各スペクトル位相は、試料のスペクトル応答の特徴（特性）である。
【００２４】
本発明の第２の一般的な態様によれば、上述の目的は、生体試料のスペクトル応答を測定するよう適合化された分光測定装置（分光器）によって達成（解決）され、その分光測定装置は、一次スペクトルを有するプローブ光を調査または検査対象（調査中）の試料に照射するためのプローブ光源と、試料との相互作用後におけるプローブ光パルスのスペクトル分解検出のための検出器装置と、を含んでいる。本発明によれば、プローブ光源は、ｆｓプローブ光パルスを生成するよう構成されたｆｓレーザ源装置を含んでいる。
【００２５】
上述の目的は、有利に、本発明の以下の重要な特徴を組み合わせたｆｓレーザ源装置を実現することによって達成（解決）される。第１に、ｆｓプローブ・パルスの使用によって、特に、例えば診断のために生体試料を調べる場合に、関心の対象であるスペクトル範囲全体をカバーする広帯域放射（電磁線）が供給される。ｆｓプローブ・パルスは、試料成分における、特に試料に含まれる有機分子における、振動的および／または回転的遷移（移行）の励起を可能にするスペクトル範囲をカバーする一次スペクトルを有する。ｆｓプローブ・パルスの広帯域スペクトルに起因して、試料のスペクトル応答を、例えば特定のスペクトル帯域パターン（スペクトル“指紋（特徴）”）を、検出することができる。スペクトル応答は、スペクトル帯域パターンにおける各スペクトル帯域の各スペクトル位置および各スペクトル帯域の相対的強度に関して、各試料成分に固有または特有のものである。第２に、通常の技術と比較して、ｆｓレーザ源装置は、放射の高いパワー（出力）および放射の超短パルスの時間的構造を有するプローブ光パルスを供給し、比類のない感度で狭いスペクトル帯域（分子指紋の複数の成分）の検出を可能にする。ｆｓプローブ光パルスのパワーは、広帯域熱源およびシンクロトロン源のパワーに比べて、それぞれ少なくとも４および２のオーダ（桁）の大きさだけ増大されている。特に、増大したプローブ光パルス・パワーおよび超短パルス持続時間によって、通常の技術と比較して、基本的に低減されたＳＮＲでスペクトル応答の検出が可能になる。第３に、ｆｓレーザ源装置の使用によって、プローブ光の変形スペクトルを検出するための急速な分光技術の適用が可能になる。分析の速さは基本的に増大させることができ、それは特に生体試料を調査する分野において、有利である。さらに、操作の容易性によって、本発明による技術の使用は、例えば病院または医師の診療においても本発明の診断的な適用で、実際的な条件下で管理可能になる。
【００２６】
組合せまたは部分組合せ（サブコンビネーション、副結合）で実装可能な本発明の好ましい実施形態では、プローブ光パルスは、以下のパルス特性の中の少なくとも１つを有する。第１の好ましい変形例によれば、プローブ光パルスのパルス持続時間は、試料のスペクトルにおいて即ちプローブ光の変形スペクトルにおいて発生する、スペクトル応答特徴（特性）にわたるスペクトル、特に１つまたは複数のスペクトル帯域、の周波数幅の逆数よりも小さい。この関係に起因して、時間領域計測技法でプローブ光を検出することが容易になる。変形スペクトルを有するプローブ光のスペクトル分解検出が、試料との相互作用後のプローブ光パルスの時間構造の時間的サンプリングに基づく場合、スペクトル応答特徴（特性）の複数の軌跡（trails：経過）は、それらがプローブ光パルスのパルス持続時間の後の時間範囲で発生する場合に、改善されたＳＮＲで、好ましくはノイズの無い背景で、検出することができる。
【００２７】
別の好ましい変形例では、ｆｓプローブ光パルスは、１００ｆｓ以下、好ましくは５０ｆｓ、特に好ましくは２０ｆｓ以下、例えば１０ｆｓのパルス持続時間を有する。利点として、これらのパルス持続時間で、広帯域プローブ光が生成される。さらに、調査対象の典型的な試料のスペクトル応答特徴（特性）は、プローブ光パルス持続時間のみの外側の時間範囲において、プローブ光パルスの時間構造に影響を与える。
【００２８】
さらに、プローブ光パルスの平均パワーは、近赤外線（ＮＩＲ）駆動パルス持続時間を短くすることによって、増大させることができる。従って、本発明の好ましい別の変形例では、プローブ光パルスは、好ましくは、５０ｍＷより大きい、特に好ましくは５００ｍＷより大きい、例えば最大５Ｗの、平均パワーで生成される。
【００２９】
プローブ光パルスの短いパルス持続時間は、さらに、一次スペクトルのスペクトル帯域幅に影響を与える。従って、本発明の別の好ましい変形例では、一次スペクトルは、少なくとも１つの周波数オクターブ、特に好ましくは少なくとも２つの周波数オクターブ、をカバーする（含む）スペクトル帯域幅を有する。従って、試料の特定の分子指紋の検出が容易に行われる。
【００３０】
スペクトル帯域幅は、中赤外線（ＭＩＲ）範囲をカバーすることが好ましい。本発明の特に好ましい実施形態では、一次スペクトルは、最低（下限）５μｍ、特に好ましくは最低３μｍ、および／または、最高（上限）１５μｍ、特に好ましくは最高３０μｍ、の波長を含む波長範囲をカバーする。これらの波長範囲は、調査対象の試料のスペクトル応答特徴（特性）をカバーする周波数範囲に対応する。特に、３μｍ乃至１０μｍ、３μｍ乃至２０μｍ、または３μｍ乃至３０μｍ、の中赤外線（ＭＩＲ）波長範囲のレーザ分光法によって、有機分子の高い放射パワーおよび強い振動的／回転的な吸収帯域に起因して、最小濃度の成分の定量的検出に関して、利点が得られる。
【００３１】
本発明の別の利点として、ｆｓレーザ源装置は、本発明の特定の適用例に応じて選択されるパワーおよびスペクトルおよび時間的特徴（特性）、好ましくは上述の複数のパルス特徴（特性）の中の少なくとも１つの特徴（特性）、を有するｆｓプローブ光パルスを供給することができる任意の利用可能なレーザ源配置（設定）を含んでもよい。本発明の好ましい実施形態によれば、ｆｓレーザ源装置は、駆動パルス（基本波）を生成する駆動源と、駆動パルスのパルス内周波数差によってプローブ光パルスを生成するよう適合化された差周波発生（ＤＦＧ）ユニット（装置）との組合せ、を含んでいる。
【００３２】
駆動源は、例えば１ｐｓ未満の、好ましくは５００ｆｓ未満の、持続時間を有する駆動パルスを放出するレーザ源である。駆動パルスは、パルス内ＤＦＧの影響下にある周波数成分を含み、その結果、駆動パルスと比較して低減された周波数（増大された波長）を有するスペクトル範囲における拡張された数の周波数成分が得られる。ＤＦＧ出力のパワーは、駆動パルスの入力強度の２乗に比例する。ＤＦＧによってプローブ光パルスを生成する基本的な利点として、プローブ光パルスの時間的構造は、駆動パルスの時間的構造と比較して（を越えて）改善される。駆動パルスの時間的構造において最終的に生じる各サテライト（satellite：衛星）ピークは、非線形ＤＦＧプロセスによって抑制される。プローブ光パルスのサテライト無しの時間的構造は、スペクトル試料応答の検出においてＳＮＲを低減するための特別な利点を有する。任意に、ｆｓレーザ源装置で、例えば駆動源とＤＦＧユニットの組合せで、生成されたｆｓプローブ光パルスは、時間的構造における各残留サテライトを抑制するための別のパルス・クリーニング技術で処理させることができる。さらに、エンハンスメント（増強）キャビティ内の基本パルスのリサイクル（再使用）を含むＤＦＧプロセスを使用することができ、従って、その結果、最先端の中赤外線（ＭＩＲ）源の性能をオーダ（桁）の大きさで上回る数ワットのコヒーレントな広帯域中赤外線（ＭＩＲ）放射プローブ光パルスが得られる。
【００３３】
利点として、複数の駆動源が利用可能であり、それ（駆動源）をｆｓレーザ源装置に含めることができる。その駆動源は、ファイバ・レーザと、ディスク・レーザ、例えば Ｙｂ−ＹＡＧディスク・レーザまたはＨｏ−ＹＡＧディスク・レーザ、とのうちの一方を含んでいることが好ましい。これらの種類（タイプ）は、高いパワー（出力）および繰返しレート（周波数）を有する駆動パルスを供給する点に関する利点を有する。一例として、Ｙｂ−ＹＡＧディスク・レーザは、中心波長１０３０ｎｍ、繰返しレート１００ＭＨｚ、およびパルス持続時間３００ｆｓのカー（Kerr）レンズ・モード同期（ロック）によって駆動パルスを生成するＹｂ−ＹＡＧディスクを含むレーザ発振器であり、それによって、２０ｆｓ未満のパルス持続時間および５μｍ乃至１５μｍのスペクトル幅を有するプローブ光パルスの生成が可能になる。別の代替形態として、ｆｓレーザ源装置は、別の発振器と増幅器の組合せ、例えば、非線形結晶における光パラメトリック発生（ＯＰＧ）によってプローブ光パルスを生成するＭＯＰＡ（主発振器パワー増幅器）レーザ・システム、を含んでいてもよい。
【００３４】
２μｍ以上の中心波長を有する駆動パルスを放出する駆動源、特にカー・レンズ・モード同期型（locked：ロック）のＨｏ−ＹＡＧディスク・レーザは、プローブ光パルスの帯域幅および平均パワーを増大させる点に関して、特に有利である。例えばＹｂ−ＹＡＧディスク・レーザと比較して、光子エネルギが減少し、従って、ＤＦＧユニットにおける意図しない２光子吸収の危険性が減少する。従って、ＤＦＧユニットの光学的非線形結晶の厚さを減少させることができて、増大した帯域幅がＤＦＧプロセスの位相整合に利用可能になる。特に、２μｍ以上の平均波長を有する駆動パルスを使用することによって、ＤＦＧプロセスによって生成されたプローブ光パルスが３μｍ乃至３０μｍの範囲の帯域幅を有するような厚さを有するＤＦＧ結晶を、ＤＦＧユニットに設けることが、可能になる。
【００３５】
“スペクトル応答”という用語は、結果的にプローブ光パルスのスペクトル変化を生じさせるプローブ光パルスの照射に対する試料の任意の応答を指す。利点として、利用可能な測定の幾何学的配置および／または試料の状態に応じて選択できる異なる種類（タイプ）のスペクトル応答を検出することができる。本発明の好ましい適用例では、スペクトル応答は、試料の吸収スペクトルおよび反射スペクトルのうちの少なくとも一方を含んでいる。吸収スペクトルは、透過性のまたは透明な試料で、例えば透明な液体で、収集されることが好ましく、一方、反射スペクトルは、固体の非透過性または不透明な試料で収集されることが好ましい。任意に、吸収スペクトルと反射スペクトルの双方は、検出の幾何学的配置を適合化することによって、測定することができる。プローブ光パルスの時間的特徴は、試料との相互作用の影響を受けない。
【００３６】
本発明は、試料の或る物理的状態に限定されない。本発明の好ましい適用例によれば、試料は、固体、例えば生体細胞、細胞群または細胞培養物、または、生命体の組織、液体、例えば血液または他の体液、任意に希釈された、エアロゾル、例えば生物有機体（生命体）から生じる、例えば微量（痕跡）の液体小滴、気体または蒸気を含む呼気である。本発明による方法の高い感度に起因して、たとえ、極めて薄く希釈された試料、例えば、エアロゾル、気体または蒸気、および／または極めて小さい試料、例えば単一の生体細胞、であっても、スペクトル応答を測定することができる。
【００３７】
分光測定装置は、試料を収容するよう構成された試料保持器装置を含んでいることが好ましい。試料保持器装置は、調査される試料の状態に応じて選択された形状および構造を有する。好ましい例では、固体または液体試料を収容するための試料保持器装置は、通常の分光測定で使用されるような、キュベット（cuvette）を含んでいてもよい。プローブ光パルスと試料との相互作用が弱い場合、例えば気相試料または希釈液体では、ＳＮＲを改善するために、複数のプローブ光パルスを１つの試料中に複数（回）通過させる必要があり得る。これは、その試料をマルチパス（複数通過）セル内に配置することによって得ることができる。マルチパス・セルは、ＳＮＲを大幅に改善するためにビーム経路に含ませてもよい。代替的な可能な改良として、試料をエンハンスメント・キャビティ（増強空洞共振器）内に配置することができる。エンハンスメント・キャビティは、かなりより小さい容積で長い経路長を設けることができ、関連する気体試料の有効な収集を大幅または充分に改善する。一方、凝縮相では、吸収種（species）の密度は、多オーダ（桁）の大きさ分、より高い。結果として、吸収長さは短く、典型的には１ｍｍの分数（数分の１）または一部分の長さである。この場合、試料保持装置は、例えば、５０μｍ未満の、特に２０μｍ未満の、層厚さを有する層状のキュベット内に、好ましくは１ｍｍ以下の層厚さを有する層状の試料を収容するよう構成される。固体または液体試料は、薄い赤外線（ＩＲ）透過性基板上に被着または堆積された（固体試料の場合）または２つの赤外線透過性基板の間に挟まれた（例えば血液または唾液のような液体試料の場合）大きい開孔のサブｍｍ（０．１〜１ｍｍ）の薄いシート（薄膜）の形態で、作成または調製することができる。別の代替形態では、試料保持装置は、エバネッセント波（evanescent wave）と試料との相互作用が得られるように、プローブ光の全反射に適合化させることができる。
【００３８】
照射された試料体積の横方向のサイズ（大きさ）は、特に凝縮相の試料において、ＳＮＲを最大化するように選択してもよい。疾患を示す物質は、典型的に、非常に低い平均濃度で存在する。しかし、それらの濃度は、罹患した細胞において相当の濃度であり得る。結果として、ＳＮＲは、疾患を示す細胞の大きさ（インジケータ、指標）に接近するようにプローブ光パルス・ビームを強く集束させること、また、試料の開孔部を横切ってレーザ・ビームを走査することによって、劇的に増強されてもよい。このようにして、照射された試料体積における健常細胞の数に対するインジケータ（指標）の数の比が最大化され、ＳＮＲも最大になる。
【００３９】
留意すべきこととして、試料保持器装置は、本発明を実装するのに厳密には必要ではない。試料は、本発明により試料のスペクトル応答を測定する期間において、生命体または技術プロセスまたは環境条件に含まれてもよい。特に、細胞または組織のスペクトル応答は、生命体の一部、例えば皮膚または呼気、を直接照射することによって、および吸収または反射におけるスペクトル応答を検出することによって、検出することができる。
【００４０】
試料との相互作用後のプローブ光パルスをスペクトル分解検出するために、種々の分光技術を使用することができる。検出器装置は、分散素子（要素）、例えばモノクロメータ、およびスペクトル応答データを連続収集するよう配置されたセンサ、を含んでおり、一方、スペクトル応答データを並列収集で検出することが好ましい。標準的な手法は、例えばフーリエ変換赤外線分光法（ＦＴＩＲ）であるが、それは、それ（ＦＴＩＲ）が分子吸収スペクトルを捕捉するために広く使用されているからである。平衡検出との組合せで、また二重周波数コーム（櫛）（単一のレーザ源から入手可能、参考文献［１４］を参照）で実装されて、試料中を透過したまたは試料によって反射された広帯域プローブ光パルスのスペクトル成分の振幅の小さな変化を迅速または急速に測定することができる。
【００４１】
本発明の好ましい実施形態によれば、検出工程（ステップ）は、プローブ光パルスを時間領域サンプリングしてその時間的形状を取得することを、その時間的形状のフーリエ変換との組み合わせで、含んでいる。利点として、プローブ光パルスの時間的形状のフーリエ変換は、試料のスペクトル応答を直接供給する。時間領域でのサンプリングは、試料のスペクトル応答における複数のスペクトル成分の各振幅だけでなく、複数のスペクトル成分に関する位相情報も供給する。この位相情報は、スペクトル応答に関する重要な相補的情報、例えば試料の吸収特性、を搬送する。その時間領域サンプリングは、例えば、プローブ光パルスの電気光学サンプリング（ＥＯＳ）を含んでいる。ＥＯＳ分光法は、試料中を透過したまたは試料によって反射された中赤外線（ＭＩＲ）プローブ・パルスの電界波形への直接的な時間分解によるアクセス（受信）を提供し、フーリエ変換時に、送信または反射された信号における共鳴（共振）吸収によって生じるスペクトル変化の振幅と位相の双方を生成する。
【００４２】
別の利点として、時間領域サンプリングは、スペクトル応答のノイズなし（背景のない）測定を提供する。時間領域において、分子遷移の狭い吸収線は、送信信号における主要パルスの後尾に続く（tailing）長い波を誘導する。この後尾部は、吸収線に関する全ての（振幅と位相の双方の）情報を含んでおり、ゼロ・ノイズ（zero background）（ゼロ・ノイズ背景）に対して測定することができ、その測定は、（ｉ）吸収で誘導された後尾信号の長さ／持続時間の微小部分に閉じ込められた入力放射（プローブ光パルス）からの完全な時間的分離と、（ii）時間領域サンプリング、特にＥＯＳ、における時間分解検出と、によるものである。
【００４３】
本発明の特に好ましい適用例によれば、調査される試料は、ヒトまたは動物の生命体由来の生体試料を含んでいる。その生命体に関する診断的に関連性のある情報を取得するために、その試料のスペクトル応答が測定される。“診断的に関連性のある情報”という用語は、医療診断の提供または認証に使用することができる試料に関する任意の情報、特に、その組成、参照試料と比較したときの差、または試料の時間的変化、を指す。従って、本発明の好ましい実施形態では、測定方法は、診断的に関連性のある情報を得るために、試料のスペクトル応答を評価する工程（ステップ）を含んでいる。装置の特徴に関して、分光測定装置の好ましい実施形態は、スペクトル応答を処理し診断的に関連性のある情報を供給するよう適合化された計算装置を含むことが好ましい。利点として、診断的に関連性のある情報は、本発明による技術のユーザ、例えば医師、に対して出力することができる。その後、ユーザは、診断的に関連性のある情報を考慮して診断を提供することができる。
【００４４】
診断における本発明の適用例は、以下の特定の利点を有する。本発明によって、全ての可能な試料相における、即ち、気体、液体、固体およびエアロゾルにおける疾患のスペクトル・トレース（形状）を決定または測定することができる。発明者たちが見出したこととして、通常の技術とは対照的に、本発明は、疾患を示す各化合物の分子指紋全体にアクセスすることができ、従って、身体の健康状態に関連する全ての気体、流体および固体を検査することができる汎用的に適用可能な技術を実現する。それは、フェムト秒レーザで実装されて、試料の（爪、毛髪、皮膚、血液、尿、等の）加熱またはアブレーション（焼灼）を実現して、それによって気相における測定が可能になり、ここで、分子構造の変化に起因して線強度または位置の最小の変形（変化）を検出することができる。顕著な適用例として、血液中に含まれる癌性細胞（例えば、文献［１５］に記載のものに類似した装置による）によって放出される揮発性の有機化合物を、分析して、本発明による早期癌検出に利用することができる。その高速性によって、本発明では、化合物が相異なる瞬間の時間に放出されるときに重要な、短い時間スケールでの時間依存測定が、可能になる。また、分光器の高速動作は、急速な蒸発分光測定にも有益である（文献［１６］）。
【００４５】
この診断手法は、いかなる危険性をも完全に伴わず、いったん有効と（認証）されれば、種々の慢性疾患の早期（即ち頻繁な）スクリーニングに理想的に適している。その非侵襲性の性質によって、それ（診断手法）により、治療の継続的な監視が容易になり、その有効性に関する重要な情報が得られる。その方法は、医学的診断に費やされる時間および労力をかなり低減するとともに、患者の不便さを低減することができる。それは、例えば、肺疾患、様々な種類の癌、腎不全および代謝障害のような広範な病気に適用可能である。本発明で提案された診断技術の速さ、利便性および比較的低いコストによって、それが多数の人々の日常的な検査に適したものになり、従って集団または母集団全体の健康状態を改善し得る。スペクトル応答が特定の指紋に基づいてその存在を識別するのに充分である場合、試料中の各単一物質を化学的に分析する必要はない。
【００４６】
利点として、スペクトル応答評価は、別々にまたは組合せで実装することができる種々の手段を含んでもよい。第１の変形例によれば、診断的に関連のある物質は、変形スペクトルにおいて生じる複数の特定のスペクトル帯域（位置、振幅および／または位相）に基づいて識別することができる。この目的のために、計算装置は、変形スペクトルにおける特定の各帯域の出現および特徴を分析するよう適合化されたフィルタ（濾波）ユニットを含んでもよい。
【００４７】
別の変形例によれば、評価工程（ステップ）は、変形スペクトルの少なくとも一部を、調査対象の同じ被検体（subject：対象）の別の試料で前に収集された保存された試料応答と比較する工程を含んでもよい。換言すれば、時系列の変形スペクトルを収集することができ、時系列の変形スペクトルにおける特定の変化を識別することによって、その診断的に関連性のある情報を得ることができる。このために、計算ユニットは、現在検出される変形スペクトルの少なくとも一部を、前に検出された少なくとも１つの保存された試料応答と比較するよう適合化された第１の比較ユニットを含んでもよい。
【００４８】
さらに別の変形例によれば、評価工程は、変形スペクトルの少なくとも一部を他の被検体（subjects）の参照（基準）データと比較する工程を含んでもよい。他の被検体は、例えば、健常なまたは非健常な生命体を含んでもよく、参照データは、健常状態または病的状態のスペクトル応答特徴をそれぞれ表してもよい。従って、計算ユニットは、現在検出された変形スペクトルの少なくとも一部を参照データと比較するよう適合化された第２の比較ユニットを含んでもよい。特に、患者から抽出された多数の試料に対して測定を行い、それ（測定値）を健康な人々の収集物（被検体）から捕捉した対応データと比較することができる。２つの群（グループ）の間に統計的に有意な偏差があれば、監視下にある疾患の信頼できる指標（インジケータ）の確立が可能になる。次いで、例えば主成分分析（ＰＣＡ）を使用しての、患者の試料の注意深い統計分析によって、短期間で彼／彼女の状態に関する診断的な関連性のある情報を決定することができる。
【００４９】
本発明の特に好ましい特徴は、以下のように要約することができる。（ａ）数オーダ（桁）の大きさだけ中赤外線（ＭＩＲ）シンクロトロン源のパワー・レベルを超えるパワー・レベルの３μｍ乃至３０μｍの分子指紋領域全体をカバーするフェムト秒複数オクターブ中赤外線（ＭＩＲ）連続体（continuum）の発生、および、（ｂ）ＶＩＳ（可視）／ＮＩＲ（近赤外線）サンプリング信号を測定する低ノイズ検出器の使用のお陰もあって、技術水準のＦＴＩＲ分光計のパワー・レベルを数オーダ（桁）の大きさだけ超える感度および信号対ノイズ比を有する完全な吸収誘導（induced：誘発、誘起）信号（振幅および位相情報を含む信号）のノイズなし測定へのその使用は、本発明によって提供される重要な革新（イノベーション）を構成する。利点として、本発明は、ノイズ抑制および迅速なデータ捕捉（例えば、それぞれ、平衡検出および二重コーム（櫛型）照射）のための確立された技術と組み合わせることができ、単一測定における初めての完全な振動分子指紋の記録を改善する。
【００５０】
本発明の他の利点および詳細を、図面を参照して以下説明する。
【図面の簡単な説明】
【００５１】
【図１】図１は、本発明による分光測定装置の第１の実施形態を示す図である。
【図２】図２は、本発明による分光測定装置の他の実施形態の特徴を示している。
【図３】図３は、試料のスペクトル応答を検出（感知）するのに使用される電気光学サンプリングの概略図である。
【図４】図４は、試料の複数のスペクトル帯域を含む変形されたプローブ光パルス・スペクトルの概略図である。
【図５】図５は、試料のスペクトル応答を検出するためのノイズなし（無背景）検出（検知）の時間経過（軌跡）の図である
【発明を実施するための形態】
【００５２】
本発明の好ましい複数の実施形態を、ｆｓ（フェムト秒）レーザ源装置および電気光学（electro-optic）（Ｅ−Ｏ）サンプリング（ＥＯＳ）の適用例の特定の例を参照して、以下説明する。本発明は、記載した実施形態に限定されないものであることを強調する。特に、ｆｓレーザ源装置は、本明細書で特定されるプローブ光パルスを供給するように変形することができる。さらに、ＥＯＳ方法は、例えばＦＴＩＲ（フーリエ変換赤外）分光法のような別の分光技術で置き換えることができる。診断的に関連性のある情報を供給するための本発明の好ましい適用例を、例示的に参照する。本発明は、生体試料の調査に限定されることなく、例えば環境試料のような他の試料で実現することができることを強調する。
【００５３】
図１は、本発明による分光測定装置１００の第１の実施形態を概略的に示しており、それ（装置）は、ｆｓレーザ源装置１０、試料保持器装置３０、検出器装置２０および計算装置４０を含んでいる。ｆｓレーザ源装置１０は、ファイバ広帯域化段およびチャープ・ミラー圧縮器と組み合わされた例えばＹｂ−ＹＡＧディスク・レーザ共振器のような駆動源１１と、ＤＦＧ（差周波発生）ユニット１２とを含んでいる。駆動源１１は、例えば、中心波長１０３０ｎｍ、パルス持続時間３００ｆｓおよび繰返しレート（周波数）１００ＭＨｚを有する駆動パルス３を生成する。ＤＦＧユニット１２は、例えばＬｉＧａＳ系結晶のような光学的非線形結晶を含み、それ（結晶）はパルス内差周波数発生用に配置される。プローブ光パルス２は、ＤＦＧユニット１２で出力され、駆動パルス３のパルス内周波数成分相互間の差周波数に応じた周波数成分で形成される一次スペクトルを有する。上述の例では、プローブ光パルス２は、３μｍ乃至３０μｍの範囲の一次スペクトルを有する。
【００５４】
試料保持装置３０は、調査される試料１を収容する。好ましい例では、試料保持装置は、試料１を収容する単一通過（single-pass：シングルパス）または複数通過（multi-pass：マルチパス）用のキュベットを含んでいる。試料保持装置３０は、試料供給および／または温度制御（調整）装置を含む通常の分光技術で既知の試料保持器（ホルダ）を含んでもよい。
【００５５】
検出器装置２０は一般的に近赤外線検出器を含み、それ（検出器）は、プローブ光パルス２と試料１との相互作用に起因する変形スペクトルを有するプローブ光パルス２’をスペクトル分解検出するよう構成されている。検出器装置２０は、例えばＦＴＩＲまたはＥＯＳ技術を用いて、スペクトル応答データの並列収集に適合化されることが好ましい（図２参照）。
【００５６】
計算装置４０は、一般的に、計算ユニットおよび任意に濾波ユニットおよび／または比較ユニットを有するマイクロコンピュータ・ベースの制御部を含んでいる。さらに、計算装置４０は、健常または非健常参照被検体からの参照データを有するデータベースを含んでもよい。検出装置２０で検出されたスペクトル応答４は、診断的に関連性のある情報６、例えば試料１中の所定の物質の有無に関する情報、を供給するための計算装置４０で評価される。
【００５７】
図２は、本発明による分光測定装置１００の好ましい実施形態の他の特徴を概略的に示し、それ（装置）は、ｆｓレーザ源装置１０、試料保持装置３０、検出器装置２０および計算装置４０を含んでいる。図２の実施形態は、試料１との相互作用後のプローブ光パルス２’の時間的形状を電気光学サンプリングするよう適合化されている。この目的のために、ｆｓレーザ源装置１０は、半透明ビーム・スプリッタ要素１３、例えば半透明ビーム・スプリット（分割）ミラー、を含み、それ（要素）は、サンプリング・パルス５としての駆動パルス３の一部を、遅延線１４を介して、検出器装置２０へと方向付ける。検出器装置２０は、サンプリング・パルス５を用いてプローブ光パルス２’の時間的形状を電気光学サンプリングするよう構成されている（図３参照）。
【００５８】
任意に、図２に破線で示されているように、駆動パルス３の一部を試料１へと方向付ける、例えば半透明ビーム・スプリット・ミラーのような別のビーム・スプリッタ要素１５を設けることができる。駆動パルス３のこの部分を用いて、液体または固体試料をパルス状に加熱して、試料物質をアブレーション（焼灼）して蒸気相に変換することができ、それにプローブ光パルス２が照射される。このアブレーション技術には、生命体から採取した試料、即ち生命体の外部に取り出された試料を用いることができる。
【００５９】
図３は、プローブ光パルス２’の時間的形状の電気光学サンプリングの他の詳細を示している。駆動源１１で生成された近赤外線（ＮＩＲ）駆動パルス３は、２つの部分に分割される。主要部分（パワーの９０％より多い部分）は、固定遅延線１６を介してＤＦＧユニット１２に偏向される。固定遅延線１６は、サンプリング・パルス５の増大されたビーム経路長を補償するよう配置される。ＤＦＧユニット１２で、駆動パルス３は、広帯域中赤外線（ＭＩＲ）特性を有するプローブ光パルス２に変換される。プローブ光パルス２は、吸収性試料１を通過し、検出器装置２０の電気光学結晶２１に向けて方向付けられる。電気光学結晶２１は、光学的非線形結晶、例えばχ２非線形性を有するＧａＳｅである。
【００６０】
駆動パルス３の他の部分は、サンプリング・パルス５として、可動遅延線１４を介して電気光学結晶２１へと方向付けられる。変形スペクトルを有するプローブ光パルス２’とサンプリング・パルス５は、電気光学結晶２１において、変化する時間遅延を伴って重ね合わされる。電気光学結晶２１を通過するサンプリング・パルス５の偏光状態は、プローブ光パルス２’の電界によって変化させられる。遅延駆動ユニット（図示せず）でその２つのパルス間の遅延を変化させることによって、プローブ光パルス２’は電気光学結晶２１においてサンプリング（標本化）される。変形または修正された偏光状態を有するサンプリング・パルス５は、ウォラストン（Wollaston）プリズム２２を通過して、サンプリング・パルス５の直交偏光された２つの偏光成分を有するサブ（部分）パルス５．１および５．２に分離する。異なる偏光成分を搬送するサブ（部分）パルス５．１および５．２は、例えば複数のフォトダイオードを含む検出器素子２３および２４で検出される。検出器素子２３および２４は、平衡状態に（バランス）され、即ち、検出器素子２３および２４の検出器信号間の差がプローブ光パルス２’の電界に比例するように、較正される。従って、可動遅延線１４を用いて相互の遅延を変化させることによって、検出器信号の差が、プローブ光パルス２’の時間的形状を直接形成する。
【００６１】
時間的形状のフーリエ変換、即ち検出器信号差のフーリエ変換は、図４および５に示されているような、試料１のスペクトル応答を生成する。遅延線１４における相互遅延を変化させる遅延駆動ユニットを制御し、検出器素子２３、２４の検出器信号を較正し、各検出器信号を収集し、フーリエ変換を計算する手順を、ＥＯＳ方法の通常の適用例で知られているように、制御ユニットによって行うことができる。制御ユニットは、別個の回路（図示せず）としてまたは計算ユニット４０の１つのセクション（部分）として設けることができる（図１、２参照）。
【００６２】
図４および５は、それぞれＥＯＳ方法で得られた周波数領域スペクトルおよび時間領域信号の例を示している。図４には、吸収性試料の通過の後における、５００乃至２０００ｃｍ−１（波長範囲２０μｍ乃至５μｍ）の周波数範囲（frequency range）におけるプローブ光パルス２’の変形スペクトル（中赤外線（ＭＩＲ）レーザ・スペクトル）が、表示されている。その原理を示すために、２つの吸収線７だけが示されている。次いで、電気光学サンプリングは、図５Ａに示されているように、基本的にスペクトルのフーリエ変換である時間領域におけるパルス場（フィールド）を生成する。それは、プローブ光パルスの広い一次スペクトルに対応する所謂中心バースト８と、それに後続する狭い吸収線７から結果的に得られる長いテール（尾部）９とで構成される。図５Ｂは、テール９の特徴を示すためのスケール（目盛）からはみ出た中心バースト８を有する信号を示している。利点として、この信号の逆フーリエ変換は、複素数（complex）であり、通常のフーリエ変換分光法におけるような吸収線７のパワー・スペクトルだけでなく、スペクトル位相をも含んでいる。図示のパルスは、時間遅延２０ｐｓにわたってサンプリングされ、これは１．７ｃｍ−１のスペクトル分解能と等価である。両図の垂直スケール（尺度、目盛）（縦軸）は任意の単位（ａ．ｕ．）である。
【００６３】
図５は、本発明によるノイズなし（背景なし）の測定結果を示している。時間範囲が中心バーストの後でサンプリングされるので、ゼロ・ノイズ（ゼロ背景ノイズ）で、即ちプローブ光パルスによって生じるノイズなしで、検出が行われる。この利点は、ｐｓ（ピコ秒）範囲のパルス持続時間を有する広帯域シンクロトロン放射では得ることができない。従って、時間的形状における各スペクトル帯域の各軌跡（trails）は、シンクロトロン・プローブ光によって互いに重ね合わされるであろう。
【００６４】
サンプリングされた時間的形状のフーリエ変換の後で、試料１のスペクトル応答は、診断的に関連性のある情報６を得るために更に処理することができる（図１、２参照）。この更なる処理は、計算装置４０によって行うことができる。吸収線７のスペクトル特徴は、スペクトル応答を濾波処理することによって得ることができる。人の健康状態に特徴的な複数の化合物の特定の帯域を特定することができる。さらに、スペクトル応答は、同じ生命体で前に収集されたデータおよび／または他の健常または非健常の被検体で収集された参照データと比較することができる。
【００６５】
以上の説明、図面および特許請求の範囲における本発明の各特徴は、個々にもまたは組合せまたは部分的組合せでも、本発明を種々の実施形態で実現のために、重要であり得る。
【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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