(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
検定物質の濃度を測定するためのシステムであって、
前記検定物質の濃度に関連して測定可能に変更される蛍光活性を有する蛍光体を含むポリマー本体と、前記蛍光体への光及び前記蛍光体からの光を搬送するための光搬送手段とを備えるセンサと、
動作時に、前記蛍光体を活性化するために前記光搬送手段に光を加える励起光源と、
前記ポリマー本体において前記蛍光体により放射される光を検出し、かつそれに応じて信号を生成するための検出器と、
前記検出器により生成された前記信号を解析し、かつ前記センサにより検出された前記検定物質の濃度を前記信号から計算するための解析装置とを備え、
前記検出器が、前記励起光源が前記光搬送手段に光を加えるように動作するのと同時に前記蛍光体により放射される光の過渡的な変化を検出するために動作することを特徴とするシステム。
【請求項２】
前記解析装置が、前記励起光源が動作を開始した後の時間中に生じる前記蛍光体により放射される光の増加を解析することを特徴とする請求項１に記載のシステム。
【請求項３】
前記励起光源の動作開始後に前記蛍光体により放射された前記光が変化する時間より実質的に長い時間前記光源が動作することを特徴とする請求項１又は２に記載のシステム。
【請求項４】
前記励起光源が繰り返し動作し、前記解析手段が、複数の計算された濃度値の平均値を計算するために動作できることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載のシステム。
【請求項５】
前記励起光源及び前記検出器は、１つの光搬送手段に光を加え、かつ前記光搬送手段から光を受信することを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載のシステム。
【請求項６】
前記光搬送手段から放射される光を、前記励起光源から前記光ファイバに入る光の経路からの前記蛍光体と分割するために動作する光学手段をさらに備えることを特徴とする請求項５に記載のシステム。
【請求項７】
前記励起光源は、１つ或いは複数の発光ダイオードを含むことを特徴とする請求項１から６のいずれかに記載のシステム。
【請求項８】
前記光搬送手段は、１つ或いは複数の光ファイバを含むことを特徴とする請求項１から７のいずれかに記載のシステム。
【請求項９】
前記センサ光搬送手段は、励起光源から前記ポリマー本体に光を搬送し、また前記ポリマー本体から検出器に蛍光体により放射された光を搬送する１本の光ファイバを含むことを特徴とする請求項８に記載のシステム。
【請求項１０】
前記センサは、多数の粒子が固定化されたポリマー本体が配置された端面を有する光ファイバを備え、前記端面において粒子が前記蛍光体に吸着され、前記ポリマーが、前記検定物質が前記本体に吸着され、前記蛍光体と接触できるように構成され、前記蛍光体が、前記検定物質の存在時に測定可能に変更される蛍光活性を有するように選択されることを特徴とする請求項１から９のいずれかに記載のシステム。
【請求項１１】
前記粒子がシリカゲル粒子であることを特徴とする請求項１０に記載のシステム。
【請求項１２】
前記粒子が５μｍ以下の平均直径を有することを特徴とする請求項１０又は１１に記載のセンサ。
【請求項１３】
前記ポリマーがシリコーンゴムであることを特徴とする請求項１０から１２のいずれかに記載のシステム。
【請求項１４】
前記光ファイバが０．３より大きい開口数を有することを特徴とする請求項９から１３のいずれかに記載のシステム。
【請求項１５】
前記光ファイバが０．４より大きい開口数を有することを特徴とする請求項１４に記載のシステム。
【請求項１６】
前記光ファイバが０．４５以上０．５以下の範囲の開口数を有することを特徴とする請求項１５に記載のシステム。
【請求項１７】
前記光ファイバが３００μｍ未満の直径を有することを特徴とする請求項９から１６のいずれかに記載のシステム。
【請求項１８】
前記光ファイバが約２００μｍの直径を有することを特徴とする請求項１７に記載のシステム。
【請求項１９】
前記検定物質が酸素であることを特徴とする請求項１から１８のいずれかに記載のシステム。
【請求項２０】
前記蛍光体がルテニウム錯体染料であることを特徴とする請求項１から１９のいずれかに記載のシステム。
【請求項２１】
前記蛍光体が、トリス（４，７−ジフェニル−１，１０−フェナントロリン）ルテニウムクロライドであることを特徴とする請求項２０に記載のシステム。
【請求項２２】
前記蛍光活性が、前記検定物質の濃度が増加するのに応じて低減されることを特徴とする請求項１から２１のいずれかに記載のシステム。
【請求項２３】
請求項１から２２のいずれかに従って検定物質の濃度を測定するためのシステムを動作させる方法であって、積分シーケンスにおいて、
（ａ）前記励起光源が、前記光搬送手段に光を加えるために動作し、
（ｂ）前記励起光源の動作中に、前記蛍光体により放射される光が前記センサの出力として検出され、前記センサから電子信号が生成され、
（ｃ）前記信号の指数関数的増加中に、３つ或いはそれ以上の連続した時間間隔に渡って積分された前記信号の３つ或いはそれ以上の積分値を計算するために前記信号が処理され、
データ捕捉シーケンスにおいて、前記積分シーケンスが多数回実行され、前記積分値の和に対応する３つ或いはそれ以上の和が計算され、
持続時間が前記積分値の前記和から計算され、前記持続時間から前記検定物質の濃度が決定されることを特徴とする方法。
【請求項２４】
検定物質の濃度を測定するためのシステムであって、
前記検定物質の濃度に関連して測定可能に変更される蛍光活性を有する蛍光体を含むポリマー本体と、前記蛍光体内外に光を搬送するための光搬送手段とを備えるセンサと、
動作時に、前記蛍光体を活性化するために前記光搬送手段に光を加える励起光源と、
前記ポリマー本体において前記蛍光体により放射された光を検出し、かつそれに応じて信号を生成するための検出器と、
前記検出器により生成された前記信号を解析し、かつ前記センサにより検出された検定物質の濃度を前記信号から計算するための解析装置とを備え、
前記検出器は、前記励起光源が動作し始めるのに続いて生じる光が指数関数的に増加する過渡的な時間に、前記蛍光体により放射される光を検出するために動作し、
前記解析装置は、前記指数関数的な増加の持続時間を検出するように、３つの等間隔で等しい長さの時間領域に渡る前記過渡的な時間において、前記検出器により生成された信号を積分することを特徴とするシステム。
【請求項２５】
上記解析装置は、指数関数的に変化する信号の持続時間を計算すると共に、
それぞれが信号を受信するための入力と、入力信号の時間積分された値を表す信号が生成される出力とを有する３つ或いはそれ以上の積分回路と、
制御入力を有し、前記制御入力の状態に応じて前記信号に前記関連する積分回路の前記入力を選択的に接続或いは切断するように動作する、前記各積分回路に対するスイッチ回路と、
前記信号の指数関数的変動に応答し、前記スイッチ回路の前記制御入力に適用するための制御信号を生成するためにタイミングシーケンスにおいて動作するものであって、前記制御信号が、前記信号が指数関数的に変化している間に３つの等しく連続した時間に、前記３つのスイッチが前記信号に順次各積分回路を接続するように刻時される、タイミング手段と、
前記積分回路から出力信号を受信し、かつ前記信号において解析を実行するように動作し、それにより指数関数的変化の持続時間を決定することができる計算手段と、
を備えることを特徴とする請求項１〜２２及び２４のいずれかに記載のシステム。
【請求項２６】
前記信号は、プローブ内の蛍光の強度を示すことを特徴とする請求項２５に記載のシステム。
【請求項２７】
前記各積分回路が演算増幅器積分回路を含むことを特徴とする請求項２５又は２６に記載の解析システム。
【請求項２８】
前記計算回路は、デジタルコンピュータを備え、前記システムは、さらに前記コンピュータに前記積分回路の出力を表すデジタル信号を与えるためのアナログ／デジタルコンバータを備えることを特徴とする請求項２５から２７のいずれかに記載の解析システム。
【請求項２９】
前記デジタルコンピュータは、汎用パーソナルマイクロプロセッサ系コンピュータであることを特徴とする請求項２８に記載の解析システム。
【請求項３０】
前記タイミング手段は、積分シーケンスが完了し、前記積分回路の出力信号を解析できることを示すために、前記計算手段に信号を送出するように動作することを特徴とする請求項２６から２９のいずれかに記載の解析システム。
【請求項３１】
前記タイミングシーケンスは積分シーケンス内で多数回繰り返され、前記積分回路の前記出力信号が、前記入力信号の多数回の積分の和を表すようになることを特徴とする請求項２６から３０のいずれかに記載の解析システム。
【発明の詳細な説明】
本発明は物質の濃度を決定するための装置及び方法に関する。１つの特定の応用例では、本発明は生組織細胞内の酸素の濃度を決定するための装置及び方法に関する。
【０００１】
明確にするために本明細書では、用語「検定物質」は、本発明による装置或いは方法が検出することを意図している特定の物質を指すものとして用いることとする。
【０００２】
多数の蛍光染料が特定の物質の濃度に応じてその蛍光特性を測定可能に変更することは、広く知られている。例えば、フルオロファトリス（４，７−ジフェニル−１，１０−フェナントロリン）ルテニウムクロライドの蛍光は酸素の濃度に反比例して減少することが知られている。この物質の蛍光により放射される光の強度及び持続時間はいずれも酸素の存在時に低減されることがわかっている。
【０００３】
この現象は例えば、W.K.Young, B.Vojnovic及びP.Wardman：「Measurement of oxygen tension in tumours by time-resolved fluorescence」（British Journal of Cancer(1996) 74 (Supl.XXVII) S256-S259）の論文に記載されるような腫瘍における酸素分圧の測定に適用されている。この開示では、酸素分圧を測定するための装置はセンサを備えており、そのセンサでは蛍光体をポリマー内に局在化させ、光ファイバの端面上に塗着している。パルス型レーザを用いてそのファイバに励起光を印加し、その光が蛍光体に伝送される。パルスに従って、その蛍光体は発光し、その光はファイバに沿って検出器に戻される。酸素の存在濃度の評価は、蛍光放射が減衰するのにかかる時間に基づいて行われており、減衰の速度は濃度とともに増加する。このセンサは生物学的組織と比較的反応せず、生物学的組織との接触が長引いた場合であっても生細胞に影響を与えない点で有利であり、また検出中に酸素を消費しない点でも有利である。
【０００４】
そのような装置の動作はほとんどの場合、大変満足のいくものである。しかしながら、その装置には大きな欠点がある。測定可能なだけの十分な強度の蛍光を生成するために、強い強度の光源が必要とされる。実際にレーザ光源が必要であることがわかっている。レーザ光源は容易に利用可能であるが、比較的コストが高く、センサの全コストの大きな部分を占めるようになる。
【０００５】
本発明の目的は、上記従来システムの全ての利点を有するが、レーザ光源を必要としない検定物質の濃度を検出するためのシステムを提供することである。
【０００６】
第１の態様に従えば、本発明は光ファイバを備える検定物質の濃度を検出するためのセンサを提供している。光ファイバは、多数の粒子が固定化されたポリマー本体が配置された端面を有し、その端面上で粒子が蛍光体に吸着されている。ポリマーは、検定物質が本体内に浸透し、蛍光体と接触できるようにするためのものであり、その蛍光体は検定物質の存在時に測定可能に変更される蛍光体活性を有するように選択されている。
【０００７】
本発明を実現するセンサにおける蛍光体の分布のパターンは、検出のためにファイバに沿って戻される蛍光体により生成される光が高い割合で伝送される際に特に有効であることがわかっている。
【０００８】
センサは、光を励起光源からポリマー本体に搬送し、また蛍光体により放射された光をポリマー本体から検出器に搬送する１本の光ファイバを備えることが好ましい。このことがさらにセンサの構成を簡略化する。
【０００９】
光ファイバが０．３より大きい開口数の場合に有利であり、またある実施例では、０．４より大きい場合にさらに有利であることがわかっている。特に好ましい実施例では、開口数は０．４５〜０．５の範囲で選択される。これらの範囲の開口数は、活性物質の本体内の蛍光体から光を集光するのに特に適している。
【００１０】
本発明を実現するセンサにおいて用いるための光ファイバは直径が３００μｍ未満であることが有利である。約２００μｍの直径が特に適していることがわかっている。
【００１１】
粒子はシリカゲル粒子であることが好ましい。染料を吸着できる表面積を最大にし、またポリマーリックスの架橋結合を促進するために、そのような粒子は一般にできるだけ小さなサイズからなることが好ましい。現在、５μｍの平均直径を有するシリカ粒子が容易に利用可能である。シリカ粒子は５μｍ以下の平均直径からなることが好ましい。
【００１２】
本発明の特に有用な実施例では、検定物質は酸素である。そのような実施例では適切なポリマーはシリコンゴムである。そのような実施例において用いるのに適した蛍光体はルテニウム錯体染料、例えばトリス（４，７−ジフェニル−１，１０−フェナントロリン）である。しかしながら、多くの他の染料を用いることができ、主な所望の特性は、その染料が比較的長い蛍光持続時間を有することであり、検定物質により消滅されるまでに数μｓｅｃのオーダーであることが好ましい。
【００１３】
原理的には短い蛍光持続時間を有する染料を用いることもできる。この場合には、それに応じて高速の光源を用いて蛍光体を励起しなければならず、その光源を適当な高速のスイッチング回路により制御しなければならない。
【００１４】
別の態様では、本発明は検定物質の濃度を測定するためのセンサを形成する方法を提供し、その方法では、蛍光染料が多数の固体粒子に吸着され、その後液体ポリマーにその粒子が分散され、液体ポリマーとその中に含まれる粒子を光ファイバの端面に塗着し、液体ポリマーを硬化して、光ファイバの端面上にポリマー本体が形成されており、その染料は、検定物質の存在時に測定可能に変更される蛍光活性を有するように選択されており、またそのポリマーはその硬化状態時に検定表面に対して透過可能なように選択されている。
【００１５】
そのような方法では、光ファイバは典型的にはコアと、クラッディングと、そのクラッディングを覆う保護バッファコーティングとを備える。そのような場合には、その方法は、ファイバの端面からバッファコーティングを除去し、その後液体ポリマーを塗着し、その液体ポリマーを硬化させて、保護用コーティングが塗着されその端面とそのポリマー本体とを覆う過程を含む。そのような実施例では、保護用コーティングはファイバの端面に塗着されるのと同じ液体ポリマーから形成することができる。保護用コーティングのポリマーは概ね純粋であるか、或いはカーボンブラックのような不透明な粒子を含むことができる。この後者の場合は、周囲光から蛍光体を分離するが、前者の場合は、生物学的組織に接触して用いる場合の許容度をより大きくすることができる。
【００１６】
別法では、その方法は中空部材を通してその端部にポリマーを挿入する過程を含み、液体ポリマーが塗着されるその端面が中空部材から突出し、その後そのポリマー層が硬化され、保護用コーティングが加えられ、管状部材及びポリマー本体の端面を覆う。中空部材は、例えば鋼材或いはセラミック材から形成される中空針であることができる。この段落に記載された装置は、高い機械的耐久性を有する点で有利である。
【００１７】
第３の態様では、本発明は検定物質の濃度を測定するためのシステムを提供し、そのシステムは、
検定物質の濃度に応じて測定可能に変更される蛍光活性を有する蛍光体を含むポリマー本体と、その蛍光体に対して光を搬送するための光搬送手段とを備えるセンサと、
動作時に光を光搬送手段に印加し、蛍光体を活性化する励起光源と、
ポリマー本体において蛍光体により放射される光を検出し、その光に応じて信号を生成するための検出器と、
その検出器により生成された信号を解析し、そのセンサにより検出された検定物質の濃度をその信号から計算するための解析装置とを備え、
励起光源が光を光ファイバに印加するために動作すると同時に、蛍光体により放射された光の変化を検出するために検出器が動作することを特徴とする。
【００１８】
このシステムは相応の明るさのパルス状光源が、検出器の動作前に短時間動作して生じるのではなく、検出器が動作するのと同時に光源が動作して実質的に多量の蛍光出力を生じるために特に有利である。このためその光源はレーザ以外の光源、例えば１つ或いは複数の発光ダイオードであってもよい。
【００１９】
本発明のこの態様によるシステムは、光源が動作し始めた後に生じる蛍光体により放射された光の変化を解析することにより動作することができる。同様に、そのシステムは、光源の動作に応じて生じる光出力の増加に関する動力学的特性を解析する。そのようなシステムでは、その光源の動作の開始後に蛍光体により放射された光が変化する時間より実質的に長い時間光源を動作させるのが普通である。
【００２０】
最も実用的な実施例では、光源は繰り返し動作し、その解析手段が、複数の計算された濃度値の平均値を計算するように動作可能である。この装置は、任意の一測定系において生じるランダムな変動がシステムの精度に実質的に影響しないことを確実にする。
【００２１】
センサが１本の光ファイバを有する本発明のこの態様によるシステムでは、光ファイバを通して光が蛍光体に伝送され、その蛍光体からの光が検出器に戻されることが好ましい。そのような実施例では、そのシステムは典型的にはさらに、ビームスプリッタのような光学手段を備え、光源からそのファイバに入射した光を光ファイバから現れた光と分割する。
【００２２】
別の態様では、本発明のシステムは、解析装置が、指数関数的に変動する信号の持続時間を計算すると共に、
それぞれが信号を受信するための入力を有し、その出力において時間積分された入力信号の値を表す信号が生成される、３つ以上の積分回路と、
各積分回路に対して、制御入力を有し、その制御入力の状態に応じて関連する積分回路の入力を選択的にその信号と接続或いはその信号から切断するように動作するスイッチ回路と、
信号の指数関数的な変動の開始に応答し、スイッチ回路の制御入力に印加するための制御信号を生成するように動作するものであって、前記制御信号が信号の指数関数的な変化中、３つの等しく連続した時間に各積分回路を順次信号に接続するように刻時される、タイミング手段と、
積分回路から出力信号を受信し、解析動作を行うように動作するものであって、それにより指数関数的な変化の持続時間値を決定することができる、計算手段とを備える。
【００２３】
そのシステムは、本発明の上記詳述された態様のシステムにおいて特に有用であるが、指数関数的に変動する信号を高速に解析することが必要とされる他のシステムにおいても応用例を見つけることができる。それは、積分を実行する数学的に難しい作業が高速で、低コストの専用ハードウエアにおいて実行される点で特に有利である。それゆえ計算手段は、比較的低性能であってもよいが、それは数学的にわずかな簡単な動作しか実行する必要がないためである。
【００２４】
積分回路は便宜的には、演算増幅器積分器として実現することができる。
【００２５】
比較的短時間の蛍光持続時間の染料を用いる場合には、別の高速の積分回路が必要となる場合もあるであろう。
【００２６】
計算手段は典型的には、積分回路と計算手段との間に設けられている適当なアナログ／デジタルコンバータ回路を有するデジタルコンピュータを含むであろう。特に便宜的な実施例では、計算手段は、ディスクトップパーソナルコンピュータのような汎用マイクロプロセッサ系のコンピュータを含む。
【００２７】
本発明の実施形態はここで、実施例により、かつ添付の図面を参照して詳細に記載されるであろう。
【００２８】
図１及び図２を参照すると、本発明の種々の態様の一部を実現、或いは形成する２つの異なるセンサ装置が示される。
【００２９】
センサ１０は、クラッディング１４により包囲された光伝送コア１２から形成される光ファイバを備える。保護バッファ層１６がクラッディング１４を包囲し、そのファイバに機械的な強度及び耐久性を与える。
【００３０】
ファイバの直径は直径Ａで示されており、約２００μｍである。この例示的な実施例の場合、特に選択されたファイバは、３Ｍ（ｔ．ｍ．）により製造されたＴＥＣＳ（ｔ．ｍ．）光ファイバであった。
【００３１】
ファイバは端面２０を有する。ファイバの端部１８は、端面２０から延在し、バッファ層１６から露出される。端面２０では、本体２２が形成される。本体は端面２０から曲線をなして突出するように形成された一定量の成形ポリマーを備える。本体２２内では、多数の粒子２４が分散される。
【００３２】
粒子２４はそれぞれシリカゲルから形成される。粒子の平均直径は約５μｍである。蛍光染料、すなわちトリス（４，７−ジフェニル−１，１０−フェナントロリン）ＲＵ（ＩＩ）Ｃｌは、それらが本体に組み込まれる前にシリカゲル粒子の表面に吸着される。このようにして、染料は本体２２内に固定化される。
【００３３】
そのセンサの第１の形態では、ファイバ端部１８及び本体２２は、純粋な状態（すなわち、シリカ粒子を含まない）で本体を形成するのと同じポリマーからなる成形された保護コーティング２６に覆われる。保護コーティング２６は本体２２に機械的な保護を与える役割を果たし、そのセンサが使用されるはずの臨床環境から離隔する。図２に示される別の形態では、端部１８は、その中心軸が穴を通る管状の硬い針２８に挿通される。針２８は、ファイバの端面２０が概ね穴の開放された遊端に位置するように配置される。保護コーティング３０は、本体２２及び周囲をなす針２８の端面を覆うように塗着される。また針２８はバッファ層１６に封止される。そのような硬い針２８を設けることにより、耐久性のある感知先端を有するセンサが製造される。針は鋼材、他の金属、セラミック或いは他の材料からなる場合がある。これはセンサの動作においてほとんど影響を与えない。しかしながら磁気共鳴イメージングスキャナ内のようなある実施例では、磁気的或いは導電性のプローブが存在することは望ましくない場合がある。別法では、ファイバの端面は針の穴内に包囲される場合がある。
【００３４】
ここで図３を参照して、図１或いは図２のセンサを組み込むシステムについて説明する。
【００３５】
システムの概略図が図３に示される。そのシステムは、発光ダイオード（ＬＥＤ）４０により構成される光源を備える。ＬＥＤ４０からの光は４５０ｎｍのアセテートフィルタ４２を通過し、第１の光ファイバ４４に入射する。
【００３６】
ｙ−ビームスプリッタが２×２スプリッタ４６により形成され、その１つのポートは未使用である。第１の光ファイバ４４は、スプリッタ４６の第１の側にある第１のポートに接続される。第２の光ファイバ４８は、第１の光ファイバ４４を通りスプリッタ４６に入る光が第２の光ファイバ４８に伝送されるようにスプリッタ４６の第２の側のポートに接続される。第２の光ファイバ４８は、スプリッタをカップラ５０に接続する。第３の光ファイバ５２はスプリッタ４６の第１の側の第２のポートに接続される。第３の光ファイバ５２は、スプリッタ４６を検出器ユニット５４に接続する。これについて以下に詳細に説明する。
【００３７】
ＬＥＤ４０、スプリッタ４６及び検出器ユニット５４は全て共通のハウジング内に配置される。カップラ５０により、壁５６を通して、ハウジングの外側のファイバを第２の光ファイバ４８に光学的に接続することができる。この場合には、センサ１０が、図１或いは図２において記載したようにカップラ５０に接続される。
【００３８】
使用中に、光はＬＥＤ４０から放射され、アセテートフィルタ４２を通過し、第１の光ファイバ４４に入る。そこから光はスプリッタ４６を通り第２の光ファイバ４８に入り、その後カップラ５０を通ってセンサ１０に入る。この光によりセンサ１０の端面上の本体２２内に蛍光活性が生じる。そのような蛍光活性により光は約６００ｎｍにおいて放射スペクトルピーク値を有するように生成されるようになる。この光はセンサからカップラ５０を通り、第２の光ファイバ４８内に移動する。その後光はスプリッタ４６を通り第３の光ファイバ５２に入り、検出器ユニット５４に搬送される。
【００３９】
検出器ユニット５４は結合レンズ６０、５９０ｎｍロングパスフィルタ６２及び光電子倍増管６４を備える。第３の光ファイバ５２からの光は、結合レンズ６０により受光され、フィルタ６２を通過し光電子倍増管６４に受光される。光電子倍増管６４は受光した光の量に比例する電子出力信号を生成する。この信号を処理するための装置及び方法を以下に説明する。
【００４０】
図４を参照すると、光電子倍増管６４からの電子信号はコネクタ７０で信号処理回路に受信される。
【００４１】
コネクタに給送された信号を処理する第１段は増幅器段７２により実行される。増幅器段７２は反転ＤＣ増幅器として接続される演算増幅器を備える。７４における増幅器段出力は光電子倍増管６４により受信されている信号の量に比例する電圧を有する信号である。
【００４２】
増幅器段からの出力は、積分段の入力に給送される。積分段７６は３つの同じ積分チャネルを備え、それぞれ出力と非反転入力との間に接続されるコンデンサ８２を有する演算増幅器を備える従来通りに設計された演算増幅器積分回路を含む。演算増幅器８０の反転入力は接地される。積分回路はその入力に直列抵抗８４を有する。
【００４３】
積分段７６はさらに３つの高速電子チャネルスイッチ８６を備える。各スイッチ８６は積分チャネルそれぞれを積分段７６の入力に接続する。各電子リセットスイッチ８８もコンデンサ８２それぞれに接続され、コンデンサ８２を放電することにより積分動作間に積分回路をリセットすることができる。
【００４４】
積分段７６は、３つの出力９０を有し、それぞれ積分チャネルの各出力に接続される。
【００４５】
積分段７６の出力９０は、マルチチャネルアナログ／デジタル（Ａ／Ｄ）コンバータ９２の各入力に接続される。Ａ／Ｄコンバータ９２は、処理用のコンピュータ９４に給送されるデジタル出力信号を生成する。
【００４６】
上記回路はタイミング段９６により制御される。タイミング段９６は、ＬＥＤ４０を制御するための出力９８と、それぞれ電子チャネルスイッチ８６の各スイッチを制御する出力１００、１０２及び１０４と、Ａ／Ｄコンバータ９２の動作を制御するための制御出力１０６と、３つのリセットスイッチ８８を同時に作動するリセット出力１０８とを備える。またタイミング段は開始トリガ入力ライン１１０も備える。
【００４７】
システム制御回路１１２は、トリガ入力ラインを介してタイミング段９６の動作を開始するために設けられる。またシステム制御回路１１２は割込みライン１１４を介してコンピュータの動作を制御する。
【００４８】
本発明の装置を記載する場合に、ここでその動作の背後にある原理、及びそれに続いて、動作方法を記載するのが適切であろう。
【００４９】
ＬＥＤ４０が動作を開始し始めた直後に、センサ１０の蛍光体が蛍光し始める。そのような蛍光により放射される光の量のうちの酸素に依存する成分が数μｓ内に指数関数的に所定最大値まで増加する。このようなシステムでは、指数関数的増加に対する持続時間値τは、センサ１０の蛍光活性の度合に応じて変化する。蛍光活性がプローブ先端の酸素濃度により決定されるため、τの値が決定できれば、その際の酸素の濃度も見出すことができる。
【００５０】
図５のグラフを参照すると、増幅器段７２の出力により生成された信号（及びそれゆえセンサ１０の蛍光活性から光電倍増管６４に達する光の量）がライン１２０により表される。これはｘ軸上に時間に対してプロットされる。そのグラフでは、ＬＥＤ４０はｔｚｅｒｏにおいて電圧を印加される。光電子倍増管は、１２２におけるレベルのステップ変化により示される、ビームスプリッタ４６を介した漏れによるＬＥＤ４０からの少量の光を検出する。
【００５１】
その直後、光電子倍増管６４はセンサの蛍光により放射された光を検出し始める。この光は指数関数的に増加し、その結果図５に示されるように増幅器段７２からの出力も指数関数的に増加する。
【００５２】
過渡的な指数関数的増加の持続時間τは、３つの等間隔で等しい長さの時間領域に渡って過渡曲線を積分により計算することができることがわかっている。
【００５３】
以下のように、Ｉ１はｔ０からｔ１までの積分を表し、Ｉ２はｔ１からｔ２までの積分を表し、Ｉ３はｔ２からｔ３までの積分を表わす。間隔ｔ１−ｔ０、ｔ２−ｔ１及びｔ３−ｔ２はそれぞれ時間Δｔからなる。その場合に以下の式が成り立つ。
【００５４】
【数１】
0004221150.tif 000002
【００５５】
最初及び最後のレベルも以下の式から決定することができる。
【００５６】
【数２】
0004221150.tif 000003
【００５７】
及び
【００５８】
【数３】
0004221150.tif 000004
【００５９】
ただし
【００６０】
【数４】
0004221150.tif 000005
【００６１】
である。
【００６２】
本実施例では、Ｉ１、Ｉ２及びＩ３の値を決定するために必要とされる積分は、積分段７６の３つの積分チャネルにより実行される。さらに積分はＬＥＤ４０の多数回の電圧印加で繰り返し実行され、それにより積分値を平均化し、雑音或いはその他の発生源から生じるようになる積分値のランダムな変動の影響を低減できるようにする。
【００６３】
ここで図６を参照して測定シーケンスを詳細に記載する。
【００６４】
図６では、時間は横軸に表される。横軸はそれぞれ、そのシステム内の特定の信号ラインの論理状態の時間における変動を表す。図６の各ラインは、その信号により制御される上記のハードウエア装置或いは信号ラインに対応する参照番号を付されている。
【００６５】
図６の下側部分は完全な測定サイクルを示す。示される間隔Ａ−Ｂは１秒である。
【００６６】
測定サイクルは、制御回路１１２が開始トリガ入力ライン１１０をロー（アクティブ）レベルに駆動して開始される。同時に割込みライン１１４はハイ（非アクティブ）レベルに駆動される。一定の遅延時間の後、リセットライン１０８がパルス状にアクティブハイにされ、その後再びローレベルになり、そのパルスの立ち下がりエッジにおいて、トリガ入力ライン１１０が駆動されてから厳密に１秒に到達する。
【００６７】
その際捕捉シーケンスが開始され、間隔Ｃに渡って継続する。各捕捉シーケンスは多数の積分シーケンスを含み、それぞれ図６の上側部分におけるＤとして示される種々のサイクル周期に渡って継続する。図６の上側部分では、最小長積分シーケンス継続時間５０μｓｅｃ（上図）及び最大長積分シーケンス継続時間２０４．８μｓｅｃの場合のタイミング図が示される。捕捉シーケンス内の積分シーケンスの数は各積分シーケンスの長さに応じて変更され、その結果最後の積分シーケンスは、捕捉シーケンスの開始後９００ｍｓｅｃ以内に開始する。
【００６８】
各積分シーケンスは以下のステップを含む。
【００６９】
１．時間Ｌで（積分シーケンスの開始から測定して）、ＬＥＤ制御出力９８が、ハイレベルに駆動され、ＬＥＤ４０をオンする。
【００７０】
２．時間ｔ０とｔｉとの間で、出力１００がハイレベルに駆動され、第１のチャネルスイッチ８６がオンする。時間ｔ１とｔ２との間で、出力１０２がハイレベルに駆動され、第２のチャネルスイッチ８６がオンし、時間ｔ１とｔ３との間で、出力１０４がハイレベルに駆動され、第３のチャネルスイッチ８６がオンする。各チャネルは時間Δｔ（すなわち、Δｔ＝ｔ３−ｔ２＝ｔ２−ｔ１＝ｔ１−ｔ０）と同じ長さの間オンされる。
【００７１】
３．ｔ３の後、ＬＥＤ制御出力９８はスイッチオフされる。
【００７２】
４．強制的に一定時間遅延され（全サイクル周期Ｄまで）、全蛍光活性が完全に減衰できるようにする。
【００７３】
サイクル周期Ｄが変更されても、Ｌとｔ０との間の時間間隔は固定されたままである。Δｔが変更される場合、ＬＥＤのオン時間（Ｌからｔ３）のサイクル周期Ｄに対する比は、一定のままである（この実施例では、１：８より大きい比になる）。このような変更の主な理由は、蛍光放射のレベルが急激に変動している時間周期に渡って３回の積分が行われるのを確実にするためである。関係、
０．４τ≦ΔＴ≦２．５τ
が成り立つようにサイクル周期Ｄを調整することが好ましいことがわかっている。
【００７４】
このシーケンスに従って、積分回路はそれぞれ上記所与の式において積分の値Ｉ１，Ｉ２或いはＩ３のそれぞれ１つに対応する蛍光活性の値の積分を実行することになる。
【００７５】
捕捉シーケンスの終了時には、積分が多数回実行され、それにより蛍光体７４から受信された信号のあらゆるランダムな変動の影響を低減している。そのような変動は、電子雑音から、かつ量子化した性質の検出されたフォトン束から生じるようになる。その後約１００ｍｓｅｃの測定シーケンスＥが開始する。
【００７６】
測定シーケンスＥでは、最初に強制的に一定時間遅延され、最後の積分シーケンスが確実に完了できるようにする。同時に、その際割込みライン１１４及び制御出力１０６が駆動され、Ａ／Ｄコンバータ９２の動作をトリガし、３つの積分回路の出力を読み込み、その値それぞれに対応するデジタル値を生成する。そのデジタル値はその後コンピュータ９４により読み込まれるために利用される。
【００７７】
次の捕捉シーケンスの開始前の時間周期Ｆでは、リセット出力１０８が駆動され、次の捕捉サイクルの準備として積分回路をリセットする。
【００７８】
その際コンピュータ９４は、簡単な算術演算と１回の対数計算のみを実行することによりτの値を計算することができることは理解されよう。この計算は連続する捕捉シーケンス間の時間間隔内で比較的小電力のコンピュータにより容易に実行することができる。これは、コンピュータを用いてその積分を実行するための別の可能性、すなわち実質的に非常に長い処理時間がかかり、高性能（及び高価格）のコンピュータがリアルタイムにそのような計算を実行するために必要とされるプロセスとは著しく対照的である。
【００７９】
一旦τの値がわかれば、
【００８０】
【数５】
0004221150.tif 000006
【００８１】
の関係を規定するＳｔｅｒｎ−Ｖｏｌｍｅｒの関係を用いて、プローブ先端における酸素のパーセンテージ濃度を容易に計算することができる。ただしτ０は酸素存在時のプローブ持続時間値である。
【００８２】
この理想的な関係は、厳密には全ての酸素分圧において成り立つわけではないことに注意されたい。染料がシリカ／ポリマー塊状体に組み込まれる場合に、酸素分圧のよりよい近似はラングミュア吸着等温式を含むように変更された一形式のＳｔｅｒｎ−Ｖｏｌｍｅｒ関係を用いることにより導くことができる。
【００８３】
【数６】
0004221150.tif 000007
【００８４】
ここでＳ及びＮは較正定数である。
【００８５】
一旦コンピュータｋの値を計算すれば、オペレータが即座に読むためにこれを表示するか、或いはその値は所望のように処理及び格納することができる。例えば、コンピュータは酸素濃度値のテーブルを保持するか、酸素濃度の瞬時表示を与えるか、或いは経時的な酸素濃度の変動の連続的な記録を生成するためにプロッタを駆動する場合もある。
【００８６】
システムのハードウエアの大部分は、簡単な形態で実施することが可能である。しかしながら、ＬＥＤ４０を制御する電子スイッチが、３０ｎｓｅｃのオーダーの時間でＬＥＤがオンできるようにするために確実に高い動作速度を有するように注意を払わなければならない。この装置によりτの正確な測定値が得られる。適当なドライバ回路の例が図７に示される。ＬＥＤをオフするためにかかる時間は重要ではないことは理解されよう。これは数μｓｅｃのオーダーまで延ばすことができる。
【００８７】
上記記載は酸素用のセンサを示していたが、本発明は別の実施例においては、適切な蛍光体を選択することにより他の検定物質用のセンサを構成するために適用することもできる。例えば、水素イオン濃度（ｐＨ）は、スルホン酸アニリド或いは他の芳香族炭化水素蛍光体、ローダミン系染料、ヒドロキシピレントリスルホン酸（hydroxypyrenetrisulfonic acid）を用いて測定することができ、酸素濃度は別法では、フルオランテン系染料、ピレン酪酸、多環、同素環或いは複素環芳香族炭化水素又はランタニド並びにまたオスミウム錯体を用いて測定することができ、二酸化炭素濃度は、β−メチルアンベリフェロン（β−methylumbelliferone）及び重炭酸ナトリウムを用いて測定することができ、二酸化硫黄並びにまた過酸化水素は、長鎖アルキル又はアルカン基アンモニウムイオン或いは硫酸イオンと組み合わせた金属錯体を含む蛍光体により検出することができると考えられる。また本発明は検出されるはずの酵素の種類の加水分解酵素、酸化酵素或いは脱水素酵素を含む蛍光体を用いて酵素の検出に適用することもできると考えられる。特定の測定作業に必要とされる蛍光体の特定の公式は、適切な当業者により繰り返し実験が行われることにより選択することができるものと考えられる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明を実現する装置において用いるためのセンサの断面図である。
【図２】  図１において示されるセンサとは別のセンサの断面図である。
【図３】  本発明を実現する感知装置の模式図である。
【図４】  本発明を実現する装置の信号処理回路構成の概略図である。
【図５】  本発明を実現するシステムの動作中に、時間に対してプロットされたセンサの蛍光活性示すグラフである。
【図６】  システム内の信号の相対的なタイミングを示すタイミング図である（横方向の時間軸は縮尺されていない）。
【図７】  ＬＥＤを高速に切り替えるのに適した電子スイッチング回路の回路図である。
【図１】
0004221150.tif 000008
【図２】
0004221150.tif 000009
【図３】
0004221150.tif 000010
【図４】
0004221150.tif 000011
【図５】
0004221150.tif 000012
【図６】
0004221150.tif 000013
【図７】
0004221150.tif 000014