(57)【要約】本発明は、非実験室条件で手持ち式または携帯用ユニットを使用して、化学物質または生物物質を同定するための装置及び方法を提供する。より具体的には、このシステムは、デジタルコントローラによって安定化させた、可変波長チューナブルレーザーのアレイを含む携帯用ユニットを使用する。この装置は、蛍光を励起するのに使用した狭周波数帯の光源で、試験用のサンプルを励起する。蛍光応答は、広帯域検出器で検出され、デジタル化される。この情報は、その後、サンプルの同定の決定に使用される適切なシグニチャのデータベースを収容しているリモートサーバに無線手段を介して送られる。その結果は、携帯用ユニットまたは携帯情報端末（ＰＤＡ）に送り返される。
2006528782.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
可変波長チューナブルレーザーアレイ（５０１−５０４）と、
光ヘッド（５０５）と、
試料ホルダー（５０６）と、
光検出器（５０７）と、
熱冷却素子（５０８）と、
コントローラー及びチューナー（５０９）と、
バッテリー及び電力供給ユニット（５１０）と、
無線送信機（５１１）と、
を備える生化学センサー（３０１）であって、
該センサー（３０１）は化学物質及び生物物質を検出するために必要な結合及び機能性を提供する、生化学センサー。
【請求項２】
前記センサーは、携帯用かつ手持ち式の用途に適合するコンポーネントを含む、請求項１に記載の生化学センサー。
【請求項３】
蛍光を供給するために狭周波数帯レーザー励起源を使用する、化学物質または生物物質を検知する方法。
【請求項４】
検知した情報は、分析のために離れた位置に無線手段を通して送られる、請求項３に記載の方法。
【請求項５】
前記分析は、リモートサーバに収容しているデータベースを使用して行われる、請求項４に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光学的方法を使用して生物物質及び化合物を検出するために使用されるセンサー装置及び一連の方法に関する。この検知装置は、可変波長チューナブルレーザー、光検出器、デジタルコントローラ、及び、無線送信機、を含む、幾つかの電気及び光学の素子で構成される。この方法は、レーザー波長調整、光検出器制御、データ調節、及び、伝送プロトコルソフトウエアを含む、センサーの制御を必要とする幾つかの工程で構成される。
【背景技術】
【０００２】
物質や薬物の検出に使用された典型的なアプローチは、レーザー誘起ブレークダウン分光法（Laser Induced Breakdown Spectroscopy:LIBS）を使用する。強い強度のレーザー光がサンプルに照射され、それはプラズマに気化する。サンプルが気化するときに、多重電子遷移によって光の広周波数帯スペクトルが放出される。そしてこの光は、解析されたサンプルの強度に対する波長の外形を順に決定する、光スペクトル解析器に送信される。そのスペクトルデータは、スペクトル中のノイズを除去するためにコンピュータ中のデジタル信号処理（digital signal processing：ＤＳＰ）によってその後処理される。最終的に、得られたフィルター処理したスペクトルは、既知の生物物質及び化学物質の識別シグニチャのデータベースと比較される。このＬＩＢＳアプローチの幾つかの不利な点は、
１．ＬＩＢＳは、サンプルをプラズマに変えるため、分析工程でサンプルを破壊する。
２．サンプルを破壊することにより現れたスペクトルが、サンプルの一部であり有機分子の一部を通常形成する複合分子に必ずしも必要ではない構成要素（エレメント）に対応する。
３．多数の原子エネルギー準位の電子遷移が一度に発生するため、得られた広帯域スペクトルは実質的な量のノイズを有する。広ノイズスペクトルは、様々な化合物の存在を決定するために、有意な量のデジタル信号処理を必要とする。この状態は、得られたデータの信頼性を低下させる。
４．要求されるＤＳＰの有意水準及び多大な形跡のデータベースによって、有意な処理能力及びメモリを有するコンピュータが必要とされる。これは、センサーを持ち運ぶために、パッケージのサイズを増大させ、また、大きなバッテリーを必要とする。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
図１（１００）は、物質を検知する現在の方法を示す。図示したこの方法は、赤外線照明技術を含む他のアプローチと同様に、ＬＩＢＳのアプローチを含む。広帯域光源（１０１）は、光線（１０２）を発生させて、未知な物質（１０３）に光をあてるために使用される。この未知な物質（１０３）の原料は、光を吸収して、光学スペクトル分析器で構成される検出器（１０５）により検出される放射光（１０４）を生み出すことによって、順に反応する。この方法の問題は、広帯域数帯の光源（１０１）がサンプルの原子中の多数の殻の中で一度に電子遷移を生み出すために、放射光（１０４）がかなりの量のノイズをも含む広帯域の広いスペクトル（１０６）を有すること、である。
【０００４】
図２（２００）は、未知の物質（１０３）を検知するのに使用される装置を示す。光源（１０１）及び検出器（１０５）は、未知の物質（１０３）から広いスペクトル（１０６）を捉えるのに使用される。装置は、バッテリー及び電源（２０１）を含む。加えて、一旦広いスペクトル（１０６）が得られたら、ラップトップコンピュータ（２０２）を使用してデジタル信号処理を実行する必要性が生じる。このコンピュータは、デジタル信号処理アルゴリズムを遂行するために要求される全ての数学的計算を実行するために高い処理能力を備えることを必要とする。加えて、ラップトップコンピュータ（２０２）は、既知の化学及び生物サンプルの識別シグニチャの情報を蓄えるために、大きな外部ディスクドライブを含むことを必要とする。全体の装置は、大きく、重く、そして、非常にコストがかかるものである。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明は、未知な物質の検出方法及び装置で構成される。この感知装置は、センサーとＰＤＡ電話機とで構成される。本発明で使用される方法は、レーザー誘起分光法（Laser Induced Spectroscopy）と称される。しかしながら、本発明では、可変波長チューナブルレーザーは結果を向上させるために使用される。センサーは可変波長チューナブルレーザーのアレイを含む。センサー中に含まれるデジタルコントローラーは、各レーザーを制御する。デジタルコントローラは、レーザーが光振動数の狭帯域の光を放射することを、確実にする。
【０００６】
化学物質及び生物物質を解析するための典型的な領域は、光の波長の３００ナノメートルから９００ナノメートルである。それぞれのレーザーは、光の狭い波長に調整される。そのレーザーの強度もまた所定の水準に制御される。
【０００７】
波長及び強度は、未知な物質から強い放射スペクトルを得るために、適切に設定される。光源の波長は、強く信頼できるスペクトルを検出するために、適当な強度のスペクトルのある領域から他の領域に、連続的に変化する。我々が適切なレーザーの波長及び強度を変化させる度に、検出されたスペクトルはデジタル化される。情報がデジタル化された後、それは格納のための携帯情報端末（Personal Digital Assistant）及び電話ユニット（PDA-unit）に送られる。一旦、デジタル化され格納された対応する放射スペクトルで波長及び強度の全掃引が実行されると、そのＰＤＡ電話は、そのデータをリモートサーバに無線手段を通して送信する。そのリモートサーバは、その情報をフィルターするために使用するデジタル信号処理プログラムを含むことができる。そのサーバーは、その化学物質または物質が何であるかを決定するための解析ツール及びデータベースを含むこともできる。そのサーバは、インターネットまたは他の手段を通して研究所のデータベースに接続することもできる。一旦その物質が同定されると、そのシステムは、物質の同定、または、物質が操作者に危険をもたらす場合の進め方の指示に関連する情報を、ＰＤＡ電話に送信できる。イオンを描写するセンサーのアレイの本発明はファイルされた中に置かれ得る。アレイからのデータは、ハブを使用することによって無線手段を通して収集することができる。
【０００８】
本発明の利点は、検出されたスペクトル（３０５）が高い信号対雑音比を示すことである。これは、検出の信頼性を増大させるであろう。
【０００９】
本発明の別の利点は、検出工程がサンプルを破壊しないということである。
【００１０】
さらに、本発明の別の利点は、リモートサーバ（４０３）のデータベースの使用によって、センサーが携帯可能で、精度が向上することである。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
この発明の詳細、及びその好適な実施形態は、図面を参照してさらに理解されるであろう。図１は物質の感知のための現在の方法を示す。図２は現状の方法で物質の同定のために使用される装置である。図３はこの発明で使用される方法を示す。図４は本発明の実施形態によって物質の同定に使用するための装置である。図５はこの発明での携帯用の光生化学センサのブロック図である。
【００１２】
図３はこの発明での物質を検知するための方法を示す。携帯用のセンサー（３０１）は、可変波長チューナブルレーザーのアレイを含む。携帯用のセンサー（３０１）は、狭周波域のスペクトル（３０２）のレーザー光を放出する。未知な物質（３０３）は、そのレーザー光（３０２）を吸収する。
【００１３】
未知な物質（３０３）中の原子は、レーザー光を吸収し、順に光（３０４）の放出スペクトルを生み出す。そのスペクトルは、情報を格納するセンサー（３０１）の内側の内部検出器によって検出される。感知工程は、内部レーザーを調整することによってレーザー光（３０２）のスペクトルの帯域群を掃引するセンサー（３０１）で継続される。異なる帯域のスペクトルが未知な物質（３０３）に用いられる毎に、対応する放出されたスペクトル（３０４）が検出される。スペクトルの一帯域の未知な物質（３０３）の応答だけが一度に検出されるので、検出されたスペクトル（３０４）はグラフ（３０５）に示したように低ノイズで向上した応答を生み出す。
【００１４】
図（４００）は、物質同定のための装置及び方法全体を示す。一旦放出されたスペクトル（３０５）がプローブ（３０１）によって検知されると、情報は無線リンクを通して互換性があるＰＤＡ電話（４０１）に転送される。ＰＤＡ電話（４０１）は、そのセンサー情報を無線送信（４０２）を通してリモートサーバ（４０３）に転送する。そのリモートサーバ（４０３）は、未知な物質（１０３）のためのスペクトルの解析を行うために、高性能コンピュータ及び広範囲に及ぶデータベースを含む。リモートサーバ（４０３）は、代替の手段によって研究センターに常駐する広範囲のデータベースに接続され得る。そのリモートサーバは、データベースからの情報を使用して未知な物質の同定を行う。その物質の同定が一旦確立されると、そのサーバは、操作者が取るべき行動またはその物質が危険をもたらす場合の予防措置を考慮した指示をＰＤＡ電話に送信する。
【００１５】
図５は携帯用センサー（３０１）の可能な実施形態を示す。可変波長チューナブルレーザー（５０１−５０４）のアレイは、光ヘッド（５０５）に接続される。可変波長チューナブルレーザー（５０１−５０４）のそれぞれ一つは、狭周波数帯のレーザー光（３０２）を供給するために使用される。未知な物質（１０３）によっては、図中に示したものよりも多くのレーザーが要求され得る。その光ヘッド（５０５）は、全てのレーザー（５０１−５０４）から光を集め、光を集中し、そして、光線（３０２）を生み出す。そのビームは順に、未知な物質（１０３）を含むサンプルフォルダー（５０６）に用いられる。放出されたスペクトル（３０４）は検出器（５０７）によって集められる。その検出器は、電荷結合素子を含む光スペクトル解析器を備えてもよい。いくつかの応用では、電荷結合素子は単一のフォトダイオード検出器で代用し得る。携帯用センサー（３０１）も、レーザー（５０１−５０４）の温度を制御するために使用されるヒーター冷却器（５０８）を含み得る。レーザーアレイコントローラー及びチューナー（５０９）は、正確な波長に対するレーザー光（５０１−５０４）を生み出すために要求される値にヒーター冷却器（５０８）の温度を定めるために使用される。バッテリー及び電源（５１０）もまた、携帯用センサー（３０１）の一部である。無線送受信機（５１１）はそのセンサー情報をＰＤＡ電話（４０１）に送るために使用される。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】物質の感知のための現在の方法を示す。
【図２】現状の方法で物質の同定のために使用される装置である。
【図３】本発明で使用される方法を示す。
【図４】本発明の実施形態によって物質の同定に使用するための装置である。
【図５】本発明での携帯用の光生化学センサのブロック図である。
【符号の説明】
【００１７】
１０３  未知な物質
３０１  センサー、プローブ
３０２  レーザー光、狭周波域のスペクトル
３０３  未知な物質
３０４  光、放出されたスペクトル、検出されたスペクトル
３０５  グラフ、放出されたスペクトル
４００  図
４０１  ＰＤＡ電話
４０２  無線送信
４０３  リモートサーバ
５０１−５０４  可変波長チューナブルレーザー
５０５  光ヘッド
５０６  サンプルフォルダー
５０７  検出器
５０８  ヒーター冷却器
５０９  チューナー
５１０  電源
５１１  無線送受信機
【図１】
2006528782.tif 000003
【図２】
2006528782.tif 000004
【図３】
2006528782.tif 000005
【図４】
2006528782.tif 000006
【図５】
2006528782.tif 000007
【手続補正書】
【提出日】平成17年10月6日(2005.10.6)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
携帯用センサーで試料の生物物質及び化学物質を検出するためのシステムであって、
１つ以上のチューナブルレーザーと、
該１つ以上のチューナブルレーザーを、所定のスペクトル波長内の１つ以上の波長に合わせ、さらに、前記１つ以上のチューナブルレーザーを該１つ以上の波長で試料に光を所定期間照射する制御を行うように構成されたコントローラーと、
照射された試料から放射された光のスペクトルを受信するように配置した検出器とを備え、
前記検出器は試料の生化学物質の試料情報の決定に使用するために受信した光に基づいたデータを作成するように構成される、システム。
【請求項２】
前記１つ以上のチューナブルレーザーからの光を受信するように配置され、光の集束ビームを試料へ伝搬させるように構成される光ヘッドをさらに備える、請求項１に記載のシステム。
【請求項３】
前記１つ以上のチューナブルレーザーに接続された波長チューニングエレメントをさらに備え、
前記波長チューニングエレメントは、前記コントローラーからの信号を受信して、前記１つ以上のチューナブルレーザーの波長を調整して所定期間該１つ以上の波長で光を照射するように構成される、請求項２に記載のシステム。
【請求項４】
前記波長チューニングエレメントは、前記１つ以上のチューナブルレーザーの温度を制御する温度制御エレメントを備える、請求項３に記載のシステム。
【請求項５】
前記検出器に接続される送受信機をさらに備え、
前記送受信機は、前記検出器からの前記データを受信して、分析のために別の位置に前記データを送るように構成される、請求項１に記載のシステム。
【請求項６】
前記データを受信する分析システムをさらに備え、
前記分析システムは、スペクトル同定情報にアクセスして、前記データ及び前記スペクトル同定情報を用いて試料情報を決定し、試料について得られるであろう作用を決定するために前記試料情報を供給するように構成される、請求項１に記載のシステム。
【請求項７】
前記送受信機からのデータを受信して、該データを保存し、該データを分析システムに送信するように構成される移動通信機器をさらに備える、請求項５に記載のシステム。
【請求項８】
前記移動通信機器は、さらに、分析システムから試料情報を受信するように構成される、請求項７に記載のシステム。
【請求項９】
前記送受信機からのデータを受信して、該データを保存し、該データを送信するように構成される移動通信機器と、
該移動通信機器から該データを受信する分析システムと、をさらに備え、
前記分析システムは、スペクトル同定情報にアクセスして、該データ及び該スペクトル同定情報を用いて試料情報を決定し、試料について得られるであろう作用を決定するために前記試料情報を供給するように構成される、請求項５に記載のシステム。
【請求項１０】
前記チューナブルレーザーはアレイを形成している、請求項１に記載のシステム。
【請求項１１】
前記分析システムは、コンピュータと、前記コンピュータに格納される化合物のライブラリまたはデータベースとを備え、
前記化合物のライブラリまたはデータベースはスペクトル同定情報を備える、請求項６に記載のシステム。
【請求項１２】
前記検出器はスペクトル分析機を備える、請求項２に記載のシステム。
【請求項１３】
前記検出器は電荷結合素子を備える、請求項１に記載のシステム。
【請求項１４】
前記検出器はフォトダイオードを備える、請求項１に記載のシステム。
【請求項１５】
前記光ヘッドは、インサイチューで試料に光のビームを照射する、請求項２に記載のシステム。
【請求項１６】
前記送受信機、前記コントローラー、前記１つ以上のレーザー、前記検出器それぞれに電力を供給する電源をさらに備える、請求項５に記載のシステム。
【請求項１７】
前記検出器は、照射された試料の蛍光によって試料から放射された光を集める、請求項１に記載のシステム。
【請求項１８】
携帯用センサーで化学物質及び生物物質を検出するシステムであって、
波長のスペクトルに亘って１つ以上のチューナブルレーザーを使用して試料を照射する試料照射手段と、
照射された試料から放射された光を受信する受信手段と、
受信した光に基づいたデータを分析のために作成するデータ作成手段と、を備える、システム。
【請求項１９】
前記試料に関する生物的情報または化学的情報を決定するためのデータを分析するためのデータ分析手段をさらに備える、請求項１８に記載のシステム。
【請求項２０】
試料情報を決定するための分析システムに前記データを送信するためのデータ送信手段をさらに備える、請求項１８に記載のシステム。
【請求項２１】
試料の化学物質及び生物物質を検出する方法であって、
１つ以上のチューナブルレーザーから試料に光を照射する工程と、
前記照射された光に起因した試料から放射された光を受信する工程と、
該受信した光に基づいてデータを作成する工程と、
該試料に関する生化学的な情報を決定するために該データを分析する工程と、を備える方法。
【請求項２２】
前記受信した光は、照射された光に応じた蛍光を含んでいる、請求項２１に記載の方法。
【請求項２３】
前記照射される光は、インサイチューで試料に照射される、請求項２１に記載の方法。
【請求項２４】
前記生化学情報を操作者に供給する工程を、さらに備える、請求項２１に記載の方法。
【請求項２５】
１つ以上のチューナブルレーザーから照射された光によって、波長同調素子の調整を行う工程を含む、請求項２１に記載の方法。
【請求項２６】
携帯用センサーで試料の生物物質及び化学物質を検出するためのシステムであって、
複数のセンサを備え、
各センサは、
１つ以上のチューナブルレーザーと、
該１つ以上のチューナブルレーザーを、所定のスペクトル波長内の１つ以上の波長に調整するように構成され、前記１つ以上のチューナブルレーザーを該１つ以上の波長で試料に光を所定期間照射する制御を行うようにさらに構成されたコントローラーと、
照射された試料から放射された光のスペクトルを受信するように配置した検出器であり、試料の生化学物質の試料情報の決定に使用するために受信した光に基づいたデータを作成するように構成されてなる検出器と、
前記検出器に接続される送受信機であり、前記検出器からの前記データを受信して分析のために別の位置に該データを送るように構成される送受信機と、
該複数のセンサとのデータコミュニケーションに関わるコミュニケーションハブであり、該複数のセンサからデータを受信して、試料情報を決定するために分析システムにデータを送信するように構成されてなるハブと、
を備える、システム。
【請求項２７】
試料の生物物質及び化学物質を検出するための携帯用センサーを製造する方法であって、
１つ以上のチューナブルレーザーを照射する工程と、
該１つ以上のチューナブルレーザーをコントローラーに連結する工程であり、前記コントローラーは所定のスペクトル波長内の１つ以上の波長に合わせ、さらに、前記１つ以上のチューナブルレーザーを該１つ以上の波長で試料に光を所定期間照射する制御を行うようにさらに構成された工程と、
照射された試料から放射された光のスペクトルを受信するように検出器を配置する工程であり、前記検出器は試料の生化学物質の試料情報の決定に使用するために受信した光に基づいたデータを作成するように構成されてなる工程と、
を備える、方法。
【請求項２８】
請求項２７に記載の方法によって製造された携帯用センサー。
【国際調査報告】
2006528782.tif 000008