(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
患者の体内においてin vivoでアナライトを求めるための分析装置であって、
測定探針を有し、前記測定探針が、内部を通る光ファイバ（２２）と共に皮膚を貫通するために用いられる前記中空針（１８）を有し、光源（８）から前記光ファイバ（２２）内に結合された光が前記中空針（１８）内部を通過することにより、前記測定探針が皮膚を貫通した際に前記光が体内に入るようになっており、そこにおいて、前記光ファイバ（２２）を介して伝搬された前記光が、体内の光ファイバを包囲する液によって、試薬を用いない直接的相互作用により、前記測定探針（３）内で変形され、前記変形が前記アナライトの存在時特有のものとなっており、
測定および評価ユニット（４）をさらに有し、前記測定および評価ユニットが、前記変形を測定し、また、前記変形に基づいて、体内におけるアナライトの存在に関する情報を得るためのものである分析装置において、
前記中空針（１８）の壁が、その全長の内の、少なくとも皮膚内への貫通のために採用された部分に沿って、間質液が浸透できる穴で穿孔されており、
前記光ファイバ（２２）が、前記中空針の前記浸透可能な部分内に該光ファイバ（２２）の部分によって形成される測定部分（３０）を含み、
前記間質液が前記中空針の壁を貫通して、中空針（１８）内にのびる前記光ファイバの前記測定部分（３０）へと浸透する、
前記装置。
【請求項２】
前記光ファイバ（２２）の断面が前記測定部分（３０）に沿って変化することを特徴とする請求項１に記載の分析装置。
【請求項３】
前記光ファイバ（２２）が、少なくとも前記測定部分においてコーティングで被覆されていることを特徴とする請求項１または２に記載の分析装置。
【請求項４】
前記コーティング（４１）がアナライトを質的に向上させる特性を持っていることを特徴とする請求項３に記載の分析装置。
【請求項５】
前記光ファイバ（２２）の前記測定部分（３０）が半透過性の薄膜（４２）によって覆われているため、前記測定部分内の前記間質液のみが、前記薄膜（４２）を介して前記光ファイバ（２２）の表面に到達することができることを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載の分析装置。
【請求項６】
前記薄膜（４２）が、本質的に前記光ファイバの外表面から離間していることを特徴とする請求項５に記載の分析装置。
【請求項７】
前記光ファイバ（２２）内を伝搬される光と前記間質液との相互作用が、前記間質液内へのエバネッセント場の浸透によるものであることを特徴とする請求項１から６のいずれか１項に記載の分析装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
本発明は、皮膚を貫通することができる中空針を備える測定探針を設けた、患者（人間、または動物も可）の体内の分析物質的に求めるための分析装置に関するものである。
【０００２】
医療目的において、体液（アナライト）成分の濃度はほぼ独占的に試薬の手段によって求められる。この目的のために、体液（特に血液）のサンプルを採取し、検査所においてin vitroで分析を行う。この方法は継続的に改善されており、現在では、重要なアナライト、特に血中グルコース用の、手に握れる大きさの小型分析システムが使用可能である。にもかかわらず、これらの方法には、各々の検査に血液の除去が必要であり、連続した測定が不可能であるといった欠点がある。
【０００３】
サンプル液体内への浸入を介して連続した測定を行うための光ファイバ化学センサ（FOCS）が従来より知られている。これによって、光ファイバを介してインジケータ分子の吸収またはルミネッセンスが観察され、インジケータ分子は光ファイバの先端上、または光ファイバを被覆するジャケット内に集中している。FOCSはまた、例えば静脈内に導入したカテーテルを用いて、患者の血液内のアナライトの連続的な測定にも使用されてきた。このタイプの装置は以下の文献で説明されている。
【０００４】
a）米国特許第５,１２７,０７７号
b）欧州特許第０ ５８９ ８６２ Ａ２号
c）米国特許第４,８４６,５４８号
長期にわたって、主に分光原理に基づいた試薬を用いない分析方法を開発する努力が重ねられてきた。しかしながら、伝送測定を用いた従来の吸収分光学は、血液が、検索中のアナライトの特性スペクトル帯域を被覆する、強い吸収物質（特にヘモグロビン）を含有しているため、スペクトルの主要な部分において血液に使用することが不可能である。たとえ遠心分離機を使ってヘモグロビンを除去したとしても、赤外スペクトルの特に重要な範囲に、強い干渉光吸収が残ってしまう。
【０００５】
このため、水性の生体液体、特に血液の調査にＡＴＲ（Attenuated Total Reflection、減衰した全反射）分光学を使用する可能性が研究されてきた。以下の刊行物が参考される。
【０００６】
１）  Y. Mendelson著: "Blood Glucose Measurement by Multiple Attenuated Total Reflection and Infrared Absorption Spectoroscopy", Ieee Transactions on Biomedical Engineering, １９９０年, ４５８〜４６５頁
２）  H.M. Heise et al. 著: "Multi component Assay for Blood Substrates in Human Plasma by Mid-infrared Spectroscopy and its Evaluation for Clinical Analysis", Applied Spectroscopy １９９４年, ８５〜９５頁
３)   R. Simhi et al.著: "Multi-component Analysis of Human Blood Using Fiber Optic Evanescent Wave Spectroscopy", SPIE Proc. Vol. ２３３１: Medical Sensors II and Fiber Optic Sensors ０９/０６-０９/１０/９４, Lille, France, A.V. Scheggi et al. (Eds.), ISBN ０-８１９４-１６４４-９. １９９５年出版、１６６から１７２頁
これらの参考文献は、原則的に、分光の手段によって、試薬を含有しない血液中の重要なアナライト、特にグルコースを検出するためにＡＴＲ分光学の使用が可能であることを示している。ＡＴＲ分光学において、光は、外表面がサンプルと接触している光導体を介して伝達される。（サンプルの屈折率と比較した場合の）光導体内の屈折率と、境界線における光の反射角度は、光が完全に内部に反射するように選択しなければならない。全内部反射は、エバネッセント波の隣接する媒体（サンプル）への浸透を有する。これにより生じた吸収によって、光導体内に伝搬された光の強度の減衰が起こる。サンプル内のアナライトの存在に関する情報をスペクトルから得るために、この強度の減衰を波長の関数として評価することができる。関連する文献、特に先に挙げた１）〜３）より、さらなる詳細を得ることができる。
【０００７】
一般に、ＡＴＲ測定には、プリズム形の光導体を備えた特別のＡＴＲ測定セルを利用する。あるいは、光ファイバ光導体の使用も頻繁に提案されてきた。血液成分の医療分析に関する１例は参考文献 ３）である。
【０００８】
刊行物
４）米国特許第５,４３６,４５４号
これは、患者の血液のin vivoでのＡＴＲ分光学が可能であるとされる装置について説明している。この目的のために、注射針と似た形の細い中空針を、患者の皮膚を介して血管内に貫通させてin vivo測定を行う。細い光ファイバがこの中空針内を通ってその先端部にまで達し、この位置で狭いループで反対方向へと折り曲げられて、中空針内で反対方向に向かってのびている。中空針内を通る光導体脚部は、測定光をループへと伝搬する。第２脚部が検出器へと光を戻す。中空針は、直径０.７ｍｍ〜１ｍｍの光ファイバを受容するために、直径が約３ｍｍ、内径が約２ｍｍである。この刊行物は、ループ範囲では、光導体内で伝搬された光の反射が直線部分でよりさらに多く起こると開示している。その結果、ループ範囲ではかなり高い感度が示される。この測定状態において、ループは中空針の先端からいくぶん突出しており、シールによってサンプルの中空針内への浸入が防止されている。これにより、測定はループ範囲のみに限定される。この測定は、７,０００〜７００の間（１.５〜１５μｍに対応する）の波数を有するスペクトル範囲において実施するように意図されている。光ファイバの材料にはカルコゲンガラスが提案されている。
【０００９】
身体構成要素、特にグルコースのin vivo分析のためのＡＴＲ分光学に関する刊行物の別の例は、
５）ＰＣＴ国際公開公報第WO ９１/１８５４８号
である。
【００１０】
さらなる測定概念、すなわち屈折率の測定が、
６）ＰＣＴ国際公開公報第WO ９０/１０１６９７号
において、血液内のグルコースの測定に推奨される。
【００１１】
この従来技術に基づき、本発明の目的は、患者の体内においてin vivoでアナライトを求めるための、より向上した分析装置を提供することである。
【００１２】
この目的は、測定探針を有し、測定探針が、中空針内を通る光ファイバと共に皮膚を貫通するために採用された中空針を有し、光源からの光ファイバ内に結合された光が中空針内部を通過することにより、測定探針が皮膚を貫通した際に光が体内に入り込み、光ファイバを介して伝搬された光が、光導体を包囲する間質液を用いた、体内の光導体を包囲する間質液によって、試薬を用いない直接的相互作用により、測定探針内で変形され、変形がアナライトが存在する時特有のものとなっており、測定および評価ユニットをさらに有し、測定および評価ユニットが、変形を測定し、また、変形に基づいて、体内におけるアナライトの存在に関する情報を得るためのものであり、中空針が、その全長の内の、皮膚内への貫通のために採用され、測定部分として機能する部分に沿って透過性であり、そのため、間質液が中空針の壁を貫通して中空針内の光ファイバの測定部分内に浸透し、また、アナライトの存在時特有の光の変形が、測定部分内の間質液との相互作用の結果起こることを特徴とする、患者の体内においてin vivoでアナライトを求めるための分析装置を使用して達成することができる。
【００１３】
本発明の明細書では、前記刊行物４）の奨励とは対照的に、測定が、中空針の先端のループに集中しないことが有益であるとされる。むしろ、中空針の、好ましくは少なくとも２ｍｍ、特に好ましくは３ｍｍ〜１０ｍｍの長さの測定部分に沿って実施される。中空針のこの測定部分の長さだけ皮膚に貫通される。測定媒体は血管内の血液ではなく、むしろ皮膚細胞内の、好ましくは皮下皮膚細胞内の間質液である。これにより、向上した精密度と感度が得られる。別の理由で、測定探針と包囲する皮膚細胞の両方に関連した局部的な不規則性により、集中度の高い測定は測定エラーの危険が高いことが本発明によって発見された。FOCSと対照的に、分析は、測定部分に沿った、光ファイバを介して伝搬された光とサンプル液体との試薬を用いない直接的相互作用に基づくものである。
【００１４】
中空針の測定部分は間質液への十分な透過性を持っているので、測定部分において、光ファイバ内で伝搬された光と分析に必要なアナライトとの相互作用が生じる。本発明において、直径が非常に小さな中空針を用いた場合、測定部分における、中空針を包囲する間質液と光ファイバの表面との間のアナライトの拡散交換は、重要なアナライト、特にグルコースの生理学的な変化を高い精密度で十分監視できるものであることが示される。中空針の浸透性はこの要求を満たすために採用される。金属の中空針を使用した好ましい場合において、浸透性は適切な穿孔によって得られる。
【００１５】
金属に加えて、適度に硬質なプラスチックも原則的に針の製造に適している。このような実施例では、必要な浸透性はプラスチック材料自体の構造から得られる。すなわち、製造および材料の特性のために、穴をあける必要なくアナライト分子を通す材料を利用することができる。
【００１６】
特に、長時間（少なくとも１日、好ましくは３日）にわたる連続的な測定のための、精確な測定及び患者への調和という本発明の目的は、以下に述べる特徴を個々で、または互いに組合せて、利用することでより有益に達成することができる。
【００１７】
好ましい測定原理は、エバネッセント場の液体への浸入によって起こる、測定部分における光とアナライト間の相互作用に基づき、特にＡＴＲ分光学に基づくものである。従って、測定部分における波長に依存した減衰は、光ファイバ内で伝搬される光の変形であり、アナライトの存在時特有のものである。適切な測定および評価方法を考慮した場合、関連する文献、特に先に挙げた刊行物の完全な開示が参照される。
【００１８】
測定光の波長は中間赤外（MIR）内にあることが好ましく、特に約７μｍ〜１３μｍであることが好ましい。この波長範囲は、アナライトとしてのグルコースの分析に特に適切である。
【００１９】
測定光のスペクトル範囲内において、光ファイバ材料は可能な限り透明でなくてはならない。ハロゲン化銀化合物、特にAgCl、AgBr、またはこれらの混合物が、本発明の目的を達成するためには特に適している。特に好ましいのは、AgBrの顕著な混合物である。これらの材料は、関連するスペクトル範囲において吸収度が非常に低く、また、非常に細い弾性ファイバの形態に製造することが可能である。これらの材料を体液と接触して使用する上で起こり得る問題は、体液が常にかなりの濃度のイオンを含有していることであり、これによってハロゲン化銀化合物が腐食してしまう。しかしながら、本発明では、ハロゲン化銀ファイバが、上述の波長範囲内では特に、保護手段を設けることなく、また、腐食によって機能が大幅に低下してしまうことなく、間質液と直接接触したままで数日の間使用することができることを示している。
【００２０】
非医療目的の分析へのハロゲン化銀の使用については、例えば以下の文献に開示されている。
【００２１】
７）  R. Gobel et al.著: "Enhancing the Sensitivity of Chemical Sensors for Chlorinated Hydrocarbons in Water by the Use of Tapered Silver Halide Fibers and Tunable Diode Lasers", Applied Spectroscopy, １９９５年, １１７４〜１１７７頁。
【００２２】
８）  J. F. Kastner et al.著: "Optimizing the Optics for Evanescent Wave Analysis with Laser Diodes (EWALD) for monitoring chlorinated hydrocarbons in water", SPIE vol. ２７８３ (１９９６年),２９４〜３０６頁。
【００２３】
９）  ドイツ特許第ＤＥ ４０ ３８ ３５４ Ｃ２号
光ファイバ用のさらなる材料（量は少ない方が好ましい）は、カルコゲンガラスである。
【００２４】
ごく最近では、合成ダイヤモンドを適切なファイバの形に製造することもできる。本発明用には、光ファイバ材料を比較的短く、非常に細くしたものが適している。ダイヤモンドの場合、ファイバの断面は、製造上の理由から、方形または矩形であることが好ましい。この合成ダイヤモンド材料は、特に気相成長法（CVD）を用いて、気相からの層状の蒸着によって製造されていることが好ましい。細い「針」は、この形成された層から、以下に説明するように製造することができる。光の関連する赤外波長範囲におけるダイヤモンドの光特性は、上述したファイバ材料のものほどには優れていない。しかし、伝搬については、測定を行うには十分である。ダイヤモンド材料は、とりわけ塩化ナトリウムを含有した溶液に対して抗腐食であることが特に有益である。さらに詳細な説明は、１９９７年８月９日出願のドイツ特許明細書第１９７３４６１７.０号の“Vorrichtungen zum Untersuchen einer Probensubstanz mittels abgeschwachter Totalreflexion"で得ることができ、また、本明細書中ではその完全な開示を参照として採用している。
【００２５】
ゲルマニウムとシリコンも光導体に適している。純度が高いこれらの材料は、IR光（例えば、IRカメラにGeレンズを利用する）に対して優れた透過性を備えている。これらの材料を処理するためのマイクロメカニクスが開発されているので、本発明で必要とされる細い針を許容し得る方法で製造することができる。その高い屈折率により、光を針内に結合する上で問題が生じるが、これに関連する強度損失は許容範囲内である。
【００２６】
本発明において、光ファイバは、一般的には、円形断面を持たないかもしれない。「ファイバ」という表現は、中空針の必要な長さに沿って皮膚を通って挿入されるのに十分な長さ（少なくとも約３ｍｍ）を持ち、断面がその長さと比較して非常に小さい１本の光導体材料として理解されるべきである。中空針は、最大０.８ｍｍ、特に好ましくは最大０.５ｍｍさらには０.３ｍｍの外径を備えている。壁の厚みを０.０５ｍｍと仮定すると、関連する内部断面の直径は各々０.７ｍｍ、０.５ｍｍ、０.２ｍｍとなる。ファイバの断面は、中空針のこの小さな内腔を通れるものでなければならない。ファイバが非円形であれば、中空針も同様に非円形の断面を有することができる。
【００２７】
さらなる好ましい実施例について、以下の特徴を備えた、図示された実施例に関連してより詳細に説明する。
【００２８】
−測定部分における光ファイバの断面は一定ではなく、むしろ変化する。大きな光ファイバ断面と小さな光ファイバ断面の間には、１つの、または複数の遷移がある。この方法では、（上述した刊行物の別の文脈で説明したように）光ファイバ内の反射の数が増加し、これにより測定の感度が増す。
【００２９】
−光ファイバは、測定部分内の間質液のみが薄膜を介して光ファイバの表面を貫通できる形で、半透明の薄膜に覆われている。半透明の薄膜は、１つの大きさが５，０００ Daを超す分子を持つ大型分子のための、また好ましくは１，０００ Daを超える大きさの分子を持つ分子のための排除境界を備えている。狭い境界は、可能な限り鋭くなくてはならず、より小さな分子の浸透率はできるだけ高くなくてはならない。この薄膜により、所定の度合いの測定労力に対してより高い精密度が得られる。あるいは、所望の測定精密度をさらに容易に達成することができる。光導体の表面上の蛋白質蒸着と、大型分子に関連したその他の妨害効果が回避できる。例えば、分析に必要な波長の数を減じることができる。さらに、半透明の薄膜によって、身体による探針の皮膚への貫通の拒否を減らすことができる。その結果、体内での使用時間を長くすることができる。特に、ポリスルホン−ポリアミド、ポリエチレン、ポリカーボネート、セルロースは、薄膜の材料として利用することができる。
【００３０】
−光ファイバは、測定部分において、複数の目的を果たすコーティングを備えている。一方で、コーティングはファイバを腐食から保護する。さらにコーティングは、光ファイバと半透明の薄膜ジャケットの間の直接接触を回避するためのスペーサを構成する。コーティングの材料は、光ファイバの表面においてアナライトを質的に向上させる（濃縮させる）ものを選ぶ。
【００３１】
次に、図面に略図的に示した実施例に基づいて、本発明をより詳細に説明する。
【００３２】
図１に示す分析装置１は、本質的に、皮膚表面を貫通することができる測定探針（貫通探針）３を備えた探針ヘッド２と、測定および分析ユニット４とから成っている。図示した例において、測定および分析ユニット４は空間的に離間した２つの部品を備えている。電子ユニット５は、探針ヘッド２と共に患者の身体上で移動することが可能であり、測定光を探針３内へ供給するために必要な、また、アナライトの濃度を特徴付ける探針から戻る測定光の変形を測定するためのこれらの電子要素のみを優先的に備えている。その結果得られた測定信号が電子ユニット５に記憶され、好ましくは無線で中央評価電子機器６へと伝送されて評価される。この中央評価電子機器６は、測定および分析ユニット４における第２の部品を構成するとともに、測定信号を受信し、これを各々必要な方法で処理するための電子手段を備えている。
【００３３】
測定および分析ユニット４の機能に関する詳細及び２つの部品５、６の間における作業の分担はそれぞれの場合によって異なる。例えば、電子ユニット５にとっては、測定するアナライトの濃度を抽出するための十分な知能を持ち、かつ、この測定値を画面上に表示することができることは有益である。評価電子機器６は長期的な任務を果たし、特に、測定データの長期的な記憶、曲線図表の表示等を提供する。評価装置が糖尿病用として血中グルコースを測定するように構成される場合、評価装置は例えば、血中グルコース値を電子ユニット上に連続的に表示し、これらの値がある限界値以下になるかこれを超えた際にアラーム信号を発することができるようなものは有益である。この場合、評価電子機器は医師が使用するデータを記憶することができ、また、治療のためのインシュリンの投与量を計算することができるようなしてもよい。
【００３４】
電子ユニット５と測定探針２に関する詳細を図２、図３に示す。図２にカバーを取外した状態で示している電子ユニット５は、測定光を発生するための光源８を少なくとも１つ備えている。図示した例では、半導体光源９（発光ダイオードまたはレーザダイオード）が５つ設けられており、これらの光源から発せられた光がビームコンバイナによって結集される。結集された光ビームが、電子ユニット５を探針２に接続する光ファイバケーブル１１内に供給される。
【００３５】
貫通探針３は、２つの支持ディスク１４、１５の手段によって探針ヘッド２に固定されている（図３）。上部支持ディスク１５は、引張荷重から解放する機能及び光ファイバケーブル１１を案内する機能の両機能を果たす。皮膚の上に設置するための皮膚接触ディスク１６が設けられており、この皮膚接触ディスク１６は、例えば、探針３を皮膚表面に付着させるためのものであり、例えば、接着性の底側部１７を備えることもできる。図に示したような貫通探針２と皮膚接触ディスク１６の垂直方向の配置の代わりに、これ以外の配置を用いることも可能である。例えば、貫通探針３が、貫通する皮膚表面に対して９０°よりも小さな角度、皮膚表面に対して３０°から６０°の間の角度で皮膚内へと刺入される配置を採用することもできる。この方法では、比較的長い貫通探針２を利用することが可能でありながら、貫通深度は生理学的理由から望ましい限度よりも浅く保つことができる。
【００３６】
本質的に貫通探針３は、ミシン目状の穴１９が設けられ、生理学的に容認可能な材料（例えばステンレス鋼）で製造された中空針１８から成る。貫通探針３は、光ファイバ２２の２本の平行なファイバ丈またはファイバトラック２０、２１と、中空針１９の末端部付近に配置されたプリズム反射鏡２４とを備えている。反射鏡２４は、ファイバ２０、２１の片方（往路のファイバトラック２０）を介して結合した光をもう片方のファイバ（復路のファイバトラック２１）内へと反射することができる方法で、ファイバ２０、２１の末端部と結合している。
【００３７】
図示した実施例において、２本の平行な光ファイバトラックは、柔軟ジャケット１２で包囲された光ファイバケーブル１１内にのびている。ビームコンバイナ１０からの測定光がケーブル１１の第１（往路）光ファイバトラック２５内で結合され、さらに測定探針３の往路ファイバトラック２０内へと案内される。次に、測定光は反射鏡２４で反射され、測定探針３の復路ファイバトラック２１と、光ファイバケーブル１１の関連する復路ファイバトラック２６とを介して電子ユニット５内へと戻され、ここで検出器２７によって検出される。
【００３８】
図示した実施例では、探針３および光ファイバケーブル１１の往路のファイバトラック２５、２０も、復路ファイバトラック２６、２１も各々が単一の部品として設計されている。すなわち、これらの各々は連続する一体型のファイバ材料の連続するファイバから成っている。これは、製造者側の製造過程を容易にするため、また強度の損失を軽減するために好ましい。
【００３９】
あるいは、測定探針３内にのびるファイバトラックを、測定探針の外側（光ファイバケーブル１１内）に使用しているものとは異なる材料から製造することが可能である。この場合、光は、中空針１８の末端部２８付近で、各々その先に続くファイバトラック内に結合される。これは、探針内にのびるトラック光案内ファイバ２２のトラック２０、２１に使用しているファイバ材料から、経路２５、２０または２６、２１の全体を被覆する十分な長さのファイバを製造する上で技術的問題が存在する場合に特に適している。
【００４０】
中空針１８のある１部分にかけてミシン目状の穴１９が設けられている。中空針１８内にのびている光ファイバ２２のこの部分にあたる長さ（図示した例ではファイバトラック２０、２１の両方）は、測定部分３０として設計されている。この測定部分３０にある光ファイバ２２の表面は、皮膚細胞内で、ミシン目状の穴１９を介して、中空針１８を包囲する間質液と接触する。集中的な交換ができるようにするために、中空針１８には可能な限り多くミシン目状の穴を設けている。この穴の直径は主に穴の製造方法に依存し、また実質的に直径を変えることが可能である。好ましくは穴の直径は約１μｍ〜約１００μｍの間である。穴はレーザ穴あけによってあけることができ有利である。測定部分３０にあたる中空針の表面のミシン目状の穴の部分は適切な大きさがなくてはならない。現在は、穴部分が少なくとも２０％、好ましくは５０％である。
【００４１】
中空針１８はアナライトを検出する他に、皮下における管理投薬（特にインシュリン）にも使用することができる。この場合は、電子ユニット５のハウジングにインシュリンポンプが内蔵され（図示せず）、中空針１８内に薬剤を運搬するための管（図示せず）が光ファイバケーブル１１に設けられる。薬剤が中空針１８内を流れて光ファイバ２２を通過し、ミシン目状の穴１９を介して細胞内に入る。これにより、間質液と光ファイバの表面との間の接触に妨害が起こり、この妨害を光測定のゼロ校正として利用することができるので有益である。リンス用液または校正標準液を同じ経路に沿って導入することもできる。この態様では、導入した溶液を排出することができるように中空針の末端部が開口していることが好ましい。別の態様では、末端部が閉鎖した中空針が好ましい（図５、図６に示す）。いずれにしても、敏感な光ファイバ２２が中空針１８によって完全に包囲および保護されるように、光ファイバ２２の末端先端部分は中空針１８の末端部２３の後方に配置されていることが好ましい。
【００４２】
高い光スペクトル密度を利用するため、および、非常に細い光ファイバの端部表面上へ照準するために、測定光にはレーザ光源が特に好ましい。レーザ光源は単色であり、一般に、固定した不変の波長を備えている。図４は、本発明の１実施例において、分光測定が、波長の異なる複数のレーザ光源を用いてどのように実施されるかを示している。
【００４３】
この実施例では、３つのレーザ３１から３３を用いて３つの異なる波長が供給される。第１レーザ３１の出力は当該構成体の光軸へ直接向けられている。その他２つのレーザ３２、３３からの光は、半透明の鏡３４、３５を用いて同じ光軸内へ偏向される。光を往路ファイバトラック２５、２０内に結合するために結合レンズ３６が配置されている。第２の結合レンズ３７は、復路ファイバトラック２１、２６を介して案内された測定光を結合して検出器２７へ出す働きをする。検出器２７のスペクトル感度は、レーザ３１から３３の全ての波長を検出することができる十分な帯域を備えている。
【００４４】
４つ以上の波長での測定を、これに伴って増やしたレーザを用いて実施できることは明らかである。中間赤外における測定については、量子カスケードレーザの使用が好ましい。
【００４５】
図４に示した実施例特有の（図３のものと比較した）特徴は、光ファイバ２２が中空針１８内に入る前に、ケーブル１１内にのびている太いファイバトラック２５から中空針１８内の断面の細いファイバトラック２０への遷移が起こることである。中空針１８内の細いファイバトラック２１からケーブル１１内の太いファイバトラック２６への戻り経路でも同じ遷移が起こる。分かりやすくするために、図４では、互いに対向する方向に向かってのびるファイバトラック２５、２６を示しているが、一般には、これらを１本のケーブル１１内に通す方がより有益である。
【００４６】
図４に示すように、中空針１８に入る前に光ファイバ２２を漸減３８させることにより、光ファイバケーブルとして、機械的安定性により優れ、光損失が低く、かつ、比較的太い光ファイバを使用することが可能となる。断面の非常に小さい（０.２mmよりも小さな直径に相当する）中空針１８内の光ファイバは、患者の不快感を軽減し、測定感度を増加させることがわかっている。
【００４７】
漸減部分３８を備えた図４の実施例では、既に述べたように、ファイバトラック２０、２１がファイバトラック２５、２６から分離されており、また、できれば異なる材料で製造されていれば有益である。図４では、基端部付近にある結合位置を参照番号５５で示している。中空針１８内のファイバトラック２０と２１は、両面反射の金属片５６によって分離されている。これにより光のクロストークが防止できる。センサを組立てる際に、この設計に適した半円形のファイバトラック２０、２１を最初に分離金属片５６に取付け、２本一緒に中空針内に挿入することは望ましい。
【００４８】
図５に示す貫通探針３は、図３に示したものと同様に、中空針１８内で平行に並ぶ２本の光ファイバトラック２０、２１を備えており、ここで、光は往路のファイバトラック２０を通って中空針１８の末端部２３へと伝搬される。図３と同様に、中空針１８の末端部付近において反対方向への偏向が起こり、光は復路のファイバトラック２１を通って中空針１８から外に出る。しかし、図５に示す実施例は、以下の特徴において図３の実施例と異なる。
【００４９】
中空針１８の末端部分２３付近における光の偏向が、ここでは連続する光ファイバ２２内の狭い偏向ループ３９によって行われる。図４とは対照的に、偏向ループ３９の範囲は測定には使用されない。一方、反射キャップ４０により、光が、可能な限り低い反射損失で確実に偏向され、結合が外れないようにされている。
【００５０】
光ファイバトラック２０、２１の各々は漸減地点１３を備えている。この漸減地点１３において光ファイバの断面が大きな値から小さな値へと変化するが、これは、既述のように、反射数と測定の感度を増やすためである。図示のような比較的急な変化ではなく、測定部分３０全体にかけての緩やかな漸減も有益である。また、測定部分３０内にのびる各々の光ファイバトラック内に、異なる光ファイバ断面を備えた複数の領域を設けることも可能である。
【００５１】
図５の光ファイバ２２はコーティング４１を備えている。このコーティング４１は測定を妨害しない一方で、上述した目的の１つまたはそれ以上を満たすものである。以下に示すタイプのコーティング材料を使用することができる。
【００５２】
コーティングは非常に薄い（例えば蒸着した）金属層から成っていてもよい。この金属（好ましくは貴金属、特には銀）が光ファイバ２２を腐食から保護する。これは、光ファイバ２２を包囲する薄膜４２のスペーサとして適している。非常に薄い金属層であってもエバネッセント波の放出を実質的に防ぐため、ＡＴＲ測定の場合にも当該波長の放出を防止することを助長するはずであり、それにより、実質的に表面のかなりの部分を間質液と光ファイバの間で直接接触させることを可能とする。薄い金属層と関連して、光ファイバ２２内へ伝搬された光と間質液の間のその他の交流機能、すなわち表面プラズモンを使用することもできる。
【００５３】
あるいは、少なくとも測定地点３０における光ファイバ２２に、ポリマーから成るコーティングを設けることも有益である。ポリマーは、実質的に測定光のスペクトル範囲において吸収しないものを選ぶ。ポリマーコーティングはまた、ファイバを腐食から保護する役割も果たし、さらに薄膜ジャケット４２と光ファイバ２２の間の直接的な接触を防止するためのスペーサともなる。特に、次に示すポリマー材料が現在のところ適切であると考えられている：ポリテトラフルオロエチレン、ポリイソブチレン、ポリカーボネート。
【００５４】
アナライトを質的に向上させる特性を持ったポリマーコーティングが特に好ましい。これについては、非医療的なＡＴＲ測定に関連して、前記参照文献８）、９）に記載されている。望ましいアナライトの各々に対して、これらの特性を持つコーティングは経験に基づいて見つけられるであろう。
【００５５】
図５に示す実施例のその他の特別な特徴は、測定部分３０において光ファイバを被覆する薄膜４２である。既に述べたように、この薄膜は、分子量の多い物質が光ファイバ２２の表面に達することを防止するために、難点を抑え、精密さを向上させた測定を行うことを可能とする。また、測定を阻害する可能性のある量の間質液が、残存する隙間を介して光ファイバ２２へ浸入することを防ぐために、適切な密閉手段を用いる必要がある。図示した例において、中空針１８は、例えばエポキシ樹脂の液滴４４によって密閉されており、このエポキシ樹脂はさらに薄膜の低部も密封している。
【００５６】
現在の用途のための所望の機械的、化学的、および透析の特性を持つ適切な薄膜材料は、従来よりいわゆるマイクロ透析方法の分野において知られている。特に次の文書が参照される。
【００５７】
１０）米国特許第４,６９４,８３２号、およびその文中の参考文献。
【００５８】
特に適した薄膜材料については既に述べた通りである。
【００５９】
本発明の内容中で、薄膜４２が光ファイバ２２に直接接触した場合、光ファイバ２２を被覆する薄膜４２の有益な効果が逆作用を及ぼすこともあることがわかっている。それにより、光ファイバ２２内での測定光の伝搬が、測定の精密性に不都合な形で中断されてしまいかねない。従って、本発明において、薄膜を光ファイバ２２の外表面から実質的に離間させることが特に推奨される。本明細書中で用いている「実質的に離間させる」とは、薄膜と光ファイバ２２の外表面の間の残存する接触可能な表面が十分に少なく、測定の精密性が重大な程度にまでは妨害されないことを意味する。いずれの場合にも、接触表面は、測定部分３０内の光ファイバ２２の表面の５０%未満であるべきで、好ましくは２０%未満、そして特に好ましくは、１０%未満である。光ファイバ２２と薄膜（光ファイバ２２と離間した部分）の間の隙間の大きさは測定の精密性にとって重要である。この大きさは、好ましくは測定光の波長の少なくとも２倍、また好ましくは少なくとも３倍である。部品の大きさによって、また、十分に迅速な拡散交換の必要性によって最大限の離間が求められる。実際の使用においては１００μm未満である。光ファイバ２２上のコーティング４１を、スペーサとして設けてもよい（図５参照）。薄膜が測定光のスペクトル範囲内において妨害となる光吸収を行わない場合には、薄膜４２と光ファイバ２２の間を離間させる必要はない。
【００６０】
図６は、光ファイバ２２と薄膜４２の間に離間を設ける別の態様を示している。ここでは、薄膜４２が中空針１８の内側表面を被覆している。光ファイバ２２は、赤外線範囲内で吸収しないかあるいは弱くしか吸収しない材料から成るスペーサリング４３を用いて中空針１８内に固定されている。あるいは（しかしながら、現在では特に好ましいとはいえないが）、薄膜を中空針１８の外表面上に設けることもできる。この態様では、光ファイバ２２の表面からの離間は中空針１８の壁によって提供される。
【００６１】
図６に示す実施例のその他の特徴は、１本の光ファイバトラック４５のみが中空針１８の測定部分３０を通過しており、かつ、中空針１８はしその低端部が閉鎖されていることである。光を反射して同一の光ファイバトラック４５に沿って戻すために、末端部分４６に例えば金から成る鏡４７が設けられている。
【００６２】
図６に示す実施例では、測定光が  １本の光ファイバトラック４５内に適切に結合され、また外されなくてはならない。これを行うための方法の１つを図７に示す。広帯域発生光源５０から発せられた光から、帯域スペクトルフィルタ５１を用いて、所望の波長範囲を選択する。その結果得られた光がビームスプリッタ５２と結合レンズ５３を通過し、光ファイバ２２内へ入る。光は反射鏡４７で反射されると、結合レンズ５３を通過し、ビームスプリッタ５２に入射して検出器２７に反射される。広帯域光源５０の代わりに、複数のレーザを備えた形態（図４に示したもの）を使用することもできる。
【００６３】
図８は、図６の設計と似てはいるが、ダイヤモンドまたはダイヤモンド状炭素（DLC）から成るコーティング６０を施した光ファイバ２２を備える貫通探針３の横断面を示すものである。コーティングは、測定部分３０の長さ全体に沿って光ファイバを完全に包囲することが好ましい。この種のダイヤモンドコーティングは、光ファイバの材料を腐食から効果的に保護する。これは、生物適合性の点から見ても有益である。この種のダイヤモンドコーティングを用いれば、例えばTlJ-TlBrの混合物のような毒性物質的に使用することも可能である。
【００６４】
ダイヤモンドコーティング６０は気相からの蒸着によって製造されることが好ましく、低温CVD処理が特に好ましい。
【００６５】
光導体のダイヤモンド層による被覆はＰＣＴ国際公開公報第WO ９７/０６４２６号に開示されている。これを参照すると、ダイヤモンド層は常に、光導体のものよりも小さな屈折率を有していなければならない。これにより、従来の光ファイバのクラッディングと同様に、光ファイバ内の光の伝搬に必要な内部反射の状態が確実に維持される。この従来技術とは対照的に、本発明では、屈折率が光ファイバよりも大きいか、または少なくとも光ファイバと同じ大きさであるダイヤモンドから成るコーティングが選択される。但し、これだけに限定されるわけではない。この層が非常に薄い場合、内部反射は害されない。これとは逆に、光ファイバ内で伝搬された光とコーティングを包囲する液体の間に、周りを取巻くエバネッセント場を介して非常に効率的な相互作用が生じる。これは、ハロゲン化銀から成り、ダイヤモンド層で被覆された光導体を備えた実施例の場合に特に該当する。
【００６６】
図８に示す光ファイバ２２を薄膜４２から離間させるためのさらに別の方法は、中空針内を縦方向に向かってのびる金属ワイヤ（金から成ることが好ましい）を使用するものである。
【００６７】
図９は、測定探針３の基部端部６２の有益な１実施例を示すものである。この例では、光を導入する光ファイバケーブル１１と中空針内にのびるファイバ２２のトラックの間での分離可能（差込み可能）な接続が提供されている。符号６４で示すロッキング部材を、中空針１８の基部端部６６に差込むことができる。また、この端部を結合端部として示すこともできる。ロッキング部材６４は、光ファイバ２２をしっかりと密閉する方法で包囲する支持カラー６５を備える。そのため、ロッキング部材６４は十分に柔軟な材料で製造することが有益である。光ファイバ２２の基部の肉厚とされた端部６６が、ロッキング部材６４に設けられた結合チャンバ６７内に突出する。結合チャンバ６４は、その境界壁と結合チャンバ内の光ファイバ部分の間に自由空間を持たせることができるように十分に広くなっている。光ファイバ２２の結合チャンバ６７内に侵入する部分には、例えばニッケルクロム合金から成る加熱フィルム６８が配されており、この加熱フィルム６８が、電力を供給するために加熱線６９を介して加熱接続部７０と接続する。
【００６８】
光ファイバ２２の結合チャンバ６７内に侵入する部分にはさらに、温度測定フィルム７１が配されている。温度測定フィルム７１は、形態は例えばPt-１００精密抵抗体層であり、測定線７２を介して測定末端部７３と接続している。ロッキング部材６４の上端部表面には、光を光ファイバ２２の基部端部表面７６内に結合し及び外すための結合レンズ７５を備えた取付けカラー７４が設けられている。
【００６９】
この実施例は、光ファイバ２２がダイヤモンドから成る場合に特に有益である。加熱フィルム６８と温度測定フィルム７１は、光ファイバ２２のロッキング部材６４内にある基部端部の測定部分３０から比較的遠く離れており、また、光ファイバ２２の断面が非常に狭いにもかかわらず、ダイヤモンドの非常に高い熱伝導性のために、光ファイバの測定部分内の温度の適切な制御が可能である。温度測定フィルム７１またはその他の温度測定要素を用いた正確な温度測定は、スペクトル測定を評価する際の温度依存性の補正に使用することができるので有益である。
【００７０】
所望の小型形状である光ファイバ２２は、気相から蒸着した薄いダイヤモンド層から製造することができる。CVD方法の手段によるダイヤモンド層の製造は、従来より知られており、例えば以下に示す出版物の酵素グルコースセンサについての記述において説明されている。
【００７１】
C. E. Troupe et.al著、"Diamond-based Glucose Sensors" in Diamond and Related Materials、１９６８年、５７５〜５８０頁。
【００７２】
CVD方法を用いて基板上に作られた層から、図９に示すような薄い針形の、自立型の光ファイバを製造するためには、最初にその表面を滑らかに研磨し、次にレーザを使って所望の側面の形に切抜く。次に、CVD処理に使用した基板をエッチングによって除去する。エッチング方法は、可能な限り滑らかな表面を作るために使用される。
【００７３】
基板上に薄い層として製造された、特にダイヤモンド、シリコン、ゲルマニウムといった光ファイバ材料を使用する場合、光ファイバを中空針内の基板と一体に製造することができ有益である。この形態を大きく概略して図示したものを図１０に示す。矩形の断面を有する光ファイバ２２が、同じく矩形の断面を有する基板８０上に配置されている。光ファイバケーブル１１からの光をその端部表面に結合するために、自由ビーム結合レンズ８１が設けられている。また、図９に示すように、ロッキング部材６４内の結合レンズ７５として具現化することもできる。
【００７４】
図１０では、中空針１８を誇張して大きく示している。本発明の中空針１８の構造として望ましい極小な直径のものを得るために、光ファイバと一体に設けた基盤層とを例えば０.５mmよりも小さな直径の極小の穴の中に収容することが困難なことは明らかである。しかし、高い抗張力を備えた安定基板上のCVD光ファイバ層は、光ファイバ層２２の小さな断面に対して高い安定性を提供することができるために有益である。半導体技術は、このような層をマイクロメカニカル処理するための信頼性の非常に高い方法を開発しており、所望の極小の直径と優れた強度特性を備えた積層パケット２２、８０を製造することが可能となる。
【００７５】
通常CVDダイヤモンド層の処理に使用する材料として、本発明の構造内部には、表面を鏡のように滑らかに処理したモリブデンが特に適している。シリコンは別の用途には頻繁に使用されるが、透明基板材料の屈折率が光ファイバ材料の屈折率よりも低くなければならないという理由から、ダイヤモンド光ファイバには適していない。一般に、使用可能な基板材料には、光ファイバ内の材料の屈折率よりも屈折率が低く、光減衰度が可能な限り低い材料、例えば金属、石英、サファイア、セラミックが含まれる。
【００７６】
図１１、図１２は、基板８０に関連する光ファイバの異なる形態の断面を示している。図１１に示す形態では、基板８０の両側に矩形の断面を有する光ファイバ２２が設けられており、図１の実施例と同様に往路ファイバトラック２０と復路ファイバトラック２１を構成している。例えば図３、図４のものと同じプリズム反射鏡を用いて、末端部分における偏向を生じることができる。
【００７７】
図１２に示す変形では、往路ファイバトラック２０と復路ファイバトラック２１が基板の片側に配置されている。この場合、図５と同様に光ファイバ２２のＵ字型によって、末端部分上で偏向が生じる。図５、図６にあるように、図１１、図１２は、中空針１８内部の薄膜を示している。図１１と図１２を比較してみると、中空針１８のミシン目状の穴１９の大きさを変更できることがわかる。これらの穴の形状を変えることも可能である。円形に加えて、細長い溝形にすることもできる。
【００７８】
図１１にあるように、これらの実施例における光ファイバ２２と薄膜４２の所望の離間は、基板８０を適切な断面に成形することによって得られる。
【００７９】
薄い層材料を基板上に配置して使用することにより、電子ユニット（図１、図２）からの光の、光ファイバケーブルを介した結合に関する特有の問題が生じる。図１３から図１８はこの結合のための異なる実施例を示しており、ここで、いずれの図においても、光を導入するための光ファイバケーブルの往路ファイバトラック（図３参照）を２５で示し、また、これに続く測定探針の導入ファイバトラックを２０で示している。関連する復路ファイバトラック２６、２１間の光を結合するためにこれと同様の原理を用いることも、あるいは、（図１０に示すように）光の導入と戻りを同時に行う光ファイバ２２を用いることもできる。
【００８０】
図１３に示す実施例では、導入光ファイバケーブルのファイバトラック２５が、境界端部を押圧することによって光ファイバ２２の矩形の断面と結合している。この方法は、相互に結合する光ファイバの内の１本（この場合はファイバトラック２５）がもう１本のファイバよりも硬度が低い（この場合は２０）場合に適している。これは、光ファイバ２０の内の１本がダイヤモンドから成り、もう１本の光ファイバ２５が例えばハロゲン化銀のような比較的柔らかい材料から成る場合に特に該当する。特に最適なのはx=０.７５の場合のAgBrxCｌ1-xである。圧着されたファイバ２５はその１端に、ファイバ２５と２０の間で比較的連続的な放射性遷移を生じるようにするための斜面８２を備えている。この実施例により、単純で、調整不要な光結合が容易に行えるようになる。
【００８１】
図１４は、図１３とほぼ同じであるが、光ファイバ２５が、基板８０との接触を介して光ファイバ２０上に圧着されているために、ファイバ２５がファイバ２０の１端を完全に包囲することができる実施例の側面図を示している。図１５は同実施例の正面図を示している。これにより、大量生産が容易になる。
【００８２】
図１３から図１５に示す光導体を接続するための圧着結合は、原則的に、中空針内にのびるファイバトラックが基板上に配置されておらず、自立型の方法で中空針１８内にのびている場合にも用いることができる。例えば、ダイヤモンド針の形の光導体をハロゲン化銀ファイバ内に圧着することが可能である。
【００８３】
図１６に示す実施例では、光結合はファイバ２５と２０を直接接続することなく実現される。図にあるファイバ２５の端部が、基板８０に設けられた溝内に配置される。この溝は８３の位置で示されている。溝８３は、ファイバ２５を、基板８０上にこれと対向して固定されたファイバ２０の端部正面に正確に位置付けの働きをする。対向して配置されたファイバ２０と２５の端部の間には、光ビームの自由進行のための隙間が設けられている。ファイバ２０と対向するファイバ２５の端部は、集束レンズ効果を得るために丸く湾曲している。
【００８４】
図１７、図１８は各々、探針内にのびるファイバトラック２０が、斜め方向に広がった端部８４を備えている実施例の平面図と側面図を示す。光を導入するための光ファイバケーブルの端面が、傾斜した遷移部分のこれと合致する断面と接合している。この実施例は、断面を滑らかにすることで、その遷移位置において最大限の優れた光遷移を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明による分析装置を斜視図で示したものである。
【図２】  図１の装置の電子ユニットの斜視図である。
【図３】  図１に図示した装置の探針ヘッドの断面図である。
【図４】  本発明の第１実施例における放射および検出手段を示す略図である。
【図５】  挿入可能な測定探針の別の実施例を示す。
【図６】  挿入可能な測定探針のさらに別の実施例を示す。
【図７】  図６の測定探針に適した光放射および検出手段の略図を示す。
【図８】  図６のものと類似した測定探針の断面図を示す。
【図９】  図６のものと類似した測定探針の上部（基部）の縦断面図を示す。
【図１０】  測定探針の、追加および変形した実施例の１部分の略斜視図を示す。
【図１１】  図１０の実施例と類似した第１変形の断面図である。
【図１２】  図１０の実施例と類似した第２変形の断面図である。
【図１３】  基板上に設けられた光ファイバ内に光を結合し、また、光ファイバから光の結合を外すための形態の第１実施例の斜視部分図である。
【図１４】  図１３の実施例の変形を示す側面図である。
【図１５】  図１４の正面図を示す。
【図１６】  図１３の実施例の第３変形の斜視部分図である。
【図１７】  図１３の実施例の第４変形の平面図を示す。
【図１８】  図１７の側面図を示す。
【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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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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