(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
試料中の被分析物を定量する方法であって、
（a）流体試料を接触させるための遠位端部分、および該遠位端部分からのシグナルを受信するための手段と連絡する近位端部分を有する光ファイバー手段を有する光学センサーを提供する工程であって、ここで、該遠位端部分が、第１の領域および第２の領域を含む吸収または励起スペクトル、ならびに該吸収または励起スペクトルとは異なる発光スペクトルを有するインジケータ種を含む被分析物感知手段を有し、そしてここで該第１および第２の領域が実質的に重複しない、工程；
（b）該試料を該光学センサーの遠位端部分と接触させる工程；
（c）該第１の領域に対応する第１の光学波長の変調された放射、および該第２の領域に対応する第２の光学波長の変調された放射を使用して該インジケータ種を同時に励起させる工程であって、ここで、該第１および第２の光学波長の放射がそれぞれ第１および第２の電気周波数で伝導され、第１の光学波長の変調された放射によって第１の変調されたインジケータ発光シグナルを生成し、第２の光学波長の変調された放射によって第２の変調されたインジケータ発光シグナルを生成する、工程；
（d）該第１および第２の変調されたインジケータ発光シグナルを復調する工程；
（e）該第１および第２のインジケータ発光シグナルから、該試料中に存在する被分析物の見かけの量を算出する工程；および
（f）該第１および第２のインジケータ発光シグナルの比を決定することによって、外部因子から得られるバリエーションについて、存在する該被分析物の見かけの量を修正する工程、
を包含する方法。
【請求項２】
前記試料が流体試料である、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
請求項１に記載の方法であって、前記被分析物感知手段が、第１の領域および第２の領域を含む励起スペクトルを有するインジケータ種を含む、方法。
【請求項４】
請求項１に記載の方法であって、前記被分析物感知手段が、第１の領域および第２の領域を含む吸収スペクトルを有するインジケータ種を含む、方法。
【請求項５】
請求項１または３に記載の方法であって、前記第１および第２の領域が、それぞれ前記インジケータ種の酸および塩基形態に対応する、方法。
【請求項６】
請求項３に記載の方法であって、前記励起スペクトルの第１の領域が前記被分析物に感応性であり、そして前記励起スペクトルの第２の領域が該被分析物に非感応性である、方法。
【請求項７】
前記第２の領域が等吸収点である、請求項６に記載の方法。
【請求項８】
前記被分析物が、pHおよびpCO2からなる群より選択される、請求項１に記載の方法。
【請求項９】
前記インジケータ種が、フルオレセイン、カルボキシフルオレセイン、セミナフトローダフルオル、セミナフトフルオレセイン、ナフトフルオレセイン、ヒドロキシピレントリスルホン酸、およびジクロロフルオレセインからなる群より選択される、請求項１に記載の方法。
【請求項１０】
前記インジケータ種が、ヒドロキシピレントリスルホン酸である、請求項９に記載の方法。
【請求項１１】
前記インジケータ種がフルオレセインである、請求項９に記載の方法。
【請求項１２】
試料中の被分析物を定量するための装置であって、
（a）第１および第２の領域が実質的に重複しないような該第１の領域および第２の領域を含む吸収または励起スペクトル、ならびに該吸収または励起スペクトルとは異なる発光スペクトルを有するインジケータ種を有する光学センサー；
（b）第１の領域および第２の領域にそれぞれ対応して、該インジケータ種が励起され得る第１および第２の変調された光学波長の放射を同時に生じるための手段；
（c）該第１および第２の光学波長を変調するための手段；
（d）該励起されたインジケータから発光シグナルを検出するための手段；および
（e）該発光シグナルを復調するための手段、
を備える装置。
【請求項１３】
請求項１２に記載の装置であって、前記被分析物感知手段が、第１の領域および第２の領域を含む励起スペクトルを有するインジケータ種を含む、装置。
【請求項１４】
請求項１２に記載の装置であって、前記被分析物感知手段が、第１の領域および第２の領域を含む吸収スペクトルを有するインジケータ種を含む、装置。
【請求項１５】
請求項１２または１３に記載の装置であって、前記第１および第２の領域が、それぞれ前記インジケータ種の酸および塩基形態に対応する、装置。
【請求項１６】
請求項１３に記載の装置であって、前記励起スペクトルの第１の領域が前記被分析物に感応性であり、そして前記励起スペクトルの第２の領域が該被分析物に非感応性である、装置。
【請求項１７】
前記第２の領域が等吸収点である、請求項１６に記載の装置。
【請求項１８】
前記被分析物が、pHおよびpCO2からなる群より選択される、請求項１２に記載の装置。
【請求項１９】
前記インジケータ種が、フルオレセイン、カルボキシフルオレセイン、セミナフトローダフルオル、セミナフトフルオレセイン、ナフトフルオレセイン、ヒドロキシピレントリスルホン酸、およびジクロロフルオレセインからなる群より選択される、請求項１２に記載の装置。
【請求項２０】
前記インジケータ種が、ヒドロキシピレントリスルホン酸である、請求項１９に記載の装置
【請求項２１】
前記インジケータ種がフルオレセインである、請求項１９に記載の装置。
【請求項２２】
前記放射を同時に生じるための手段が、白熱ランプ、アークランプ、閃光ランプ、発光ダイオード、およびレーザーからなる群より選択される、請求項１２に記載の装置。
【請求項２３】
前記放射を同時に生じるための手段が、発光ダイオードである、請求項２２に記載の装置。
【発明の詳細な説明】
技術分野
本発明は、一般的に、試料中の被分析物を測定するために光学センサーを使用する方法に関する。より特定すると、本発明は、試料中の被分析物を測定する新規なレシオメトリー的(ratiometric)方法に関する。この方法は、pHの測定および二酸化炭素のような気体の検出および定量に有用である。
背景
化学センサーは、医学、科学的研究、工業適用などのような広範な領域における使用について一般的に公知である。光ファイバーおよび電気化学的アプローチは、遠隔位置との電気伝達を必要とすることなくその遠隔位置でのパラメータの濃度を検出および／または測定することが所望される状況における使用について、一般的に公知である。光ファイバー化学センサーの構造、特性、機能、および操作の詳細は周知であり、例えば、Hirschfeldへの米国特許第4,577,109号，Kaneへの米国特許第4,785,814号、Blaylockへの米国特許第4,842,783号、ならびにSeitz，「Chemical Sensors Based on Fiber Optics」，Analytical Chemistry，56巻，1号，1984年1月、およびWolfbeis，Fiber Optic Chemical Sensors and Biosensors，IおよびII巻，CRC Press，Boca Raton，Florida，1991に記載される。
これらのような刊行物は、化学センサーが被分析物と相互作用するように、光ファイバー導波管(waveguide)、電気化学ガスセンサーなどに化学センサーを組み込むことが公知であることを、一般的に説明する。この相互作用は、光学特性の変化を生じ、この変化が探査されそして光ファイバー導波管などによって検出される。化学センサー組成物のこれらの光学特性は、代表的には、色または色の強度の変化を包含する。これらのタイプのシステムにおいて、これによって特に感応性の遠隔モニター能力を提供するために、モニターされる１つまたは複数のパラメータの微小変化を特に検出することが可能である。
光ファイバーセンサーの遠位端に組み込まれる化学センサー組成物は、導波管デバイスまたは光極の遠位チップ端に確保される膜としてしばしば配置される。この一般的タイプのセンサーは、二酸化炭素および酸素のようなガス濃度を測定すること、流体のpHをモニターすることなどに有用である。カリウム、ナトリウム、カルシウム、および金属イオンのようなイオン濃度もまた検出され得る。
代表的な光ファイバーセンサーデバイスは、１つ以上のタイプの支持手段の援助とともにほぼ遠位位置にセンサー物質を置く。支持手段は、例えば、蛍光染料などのパラメータ感応性インジケータと、モニタリング、測定、および／または検出に供する物質との間の相互作用を可能にするようでなければならない。これに関する公知のアプローチは、透過性膜およびマイクロカプセルを組み込む複合体の使用を包含する。
このような強度に基づく光ファイバー化学センサーの１つの問題は、これらが、温度変化、ファイバーに加えられる機械的応力、振動で誘導される光学成分の誤整列などのような妨害効果に敏感であることである。これらの物理的効果は、被分析物の量の変化に関連のない出力シグナルにおいて望ましくない強度変動を誘導し、そして測定エラーを生じる。
通常使用されるパラメータ感応性化学インジケータの十分に認識される問題は、これらが光不安定であることである。光の放射エネルギーは、インジケータの分解を促進する光化学反応を誘導し、そしてこれによってその有用な寿命を短縮する。この光分解は、通常光ドリフト、または単にドリフトといわれる座標シグナル減衰を生じる。
種々のアプローチが光ドリフトの問題を解決するために使用されている。例えば、いくつかのパラメータ感応性インジケータは、環境変化に感応性である部分、および全体の環境非感応性（例えば、等吸収点）または相対非感応性のいずれかを示す部分とともに可視スペクトルを有する。このスペクトル特性は、インジケータのスペクトルの環境感応性部分からのシグナルをスペクトルの非感応性部分からのシグナルに対して割合分けすることによって、光ドリフトを補整するために有利に使用され得る。シグナルの割合は、インジケータ分子が光分解し、そして絶対シグナル値が減衰するので不変であるべきである。この原理は、pHを測定するときに蛍光インジケータから得られるシグナルを割合分けするために用いられている。Wolfbeis，前出，I巻，103頁。
光ドリフトの問題と争うための他の方策は、センサー中の別の内部参照染料の組込みを包含する。参照インジケータは、環境に非感応性であるように、およびパラメータ感応性インジケータと同じ速度で光分解するように選択される。内部参照染料が光学センサー中に組み込まれる場合、環境感応性インジケータからのシグナルは、参照染料からのシグナルとの比較によって較正され得る。インジケータ染料および参照染料の減衰速度の類似性の結果として、シグナルの割合は、２つの染料が光分解するので不変であるべきである。
光ドリフトの問題の他に、光への曝露の結果である光化学反応は、化学インジケータとして使用される有機染料の分解を最終的に生じる。インジケータは分解するので、シグナル強度の減少に付随して、センサーは繰り返して較正されなければならない。インジケータおよび参照染料からのシグナルを割合分けする方法を用いるシステムの使用は、光ドリフトの補整を可能にするだけでなく、センサーがさらに正確および精密に操作するために再較正されることが必要である間隔を広げる。
インジケータ染料の発光シグナルの較正は、参照染料のシグナルと割合分けすることによって行われ得る。したがって、インジケータおよび参照染料は、１つの特定の波長、１つより多くの特定の波長、またはある範囲の波長の光で照射され得、これは吸収極大波長であってもなくてもよい。蛍光発光は、最大発光強度の波長であってもなくてもよい特定の波長で、あるいは特定の光フィルターデバイスに関連するある範囲の波長で測定され得る。この手順によって、インジケータ染料の蛍光発光は、参照染料の発光と識別され得る。インジケータ染料の発光を参照染料の発光の関数として表すことによって、目的の被分析物に感応性であってシグナルインジケータ染料センサー組成物よりも光への曝露の効果（シグナルの光分解、化合物の光分解）に感応性でないシグナル割合、およびセンサーの延長された有用な寿命を得る。
Petersonへの米国特許第4,792,689号は、改良された光ファイバーセンサー、および光ファイバーセンサーにおけるシグナル強度の変化の修正方法を記載している。代表的には「一重励起／二重発光」といわれるこのアプローチは、２つの蛍光インジケータ染料を有する光ファイバーセンサーを使用し、一方は目的の被分析物に感応性でありもう一方は非感応性である。光の２つの波長は、一つの光ファイバーセンサーを通過し、それによって感応性および非感応性染料を励起し、その一方は被分析物感応性の蛍光発光を生成し、そしてその他方は被分析物非感応性の発光を生成する。染料は異なる光学波長で同時に蛍光を発するように選択される；これらの蛍光発光シグナルは、一つの光ファイバー導波管による検出電気光学に伝えられる。この「コモンモード」方法において、存在する物理的現象のすべては同時に発生し、そして同じ光学経路−−感知領域への光学エネルギーの送達についての、および得られる蛍光シグナルの捕獲のための経路--を通過する。
Petersonの教示におけるこの点で、彼は分散光学エレメント、すなわち、二色性ミラーを挿入し、これは感知および参照光学シグナルを空間的に分離する。これらの各シグナルは、それぞれ別々の検出器回路へ送られ、すなわち、コモンモードの光学経路は、最後の可能な瞬間で中断されている。理想的には、２つのシグナルは、同じ光学検出回路へ同時に送られ、そして独立して検出されている。この方法では、すべてのコモンモードの効果は、検出器回路の電子ゲインの変化でさえ、感知および参照シグナルを割合分けすることにより修正されている。
Petersonの方法における改良は、光ファイバー化学感知の「同時コモンモード」感知技法について記載されている。例えば、いわゆる「時間減衰」方法は、「一重励起／一重発光」方法であり、ここで一重蛍光（またはリン光）染料種は溶存酸素の存在を感知するために使用される。代表的には、発光シグナルは、高速アナログ→デジタル変換器によって時間ドメインに捕獲され、そしてシグナルの直接分析（普通には1/e減衰時間の決定）により酸素濃度を得る。結果は、復帰光学シグナル(returning optical signal)の絶対強度から独立している。この技法は概念的には強制的であるが、参照染料が必要とされないので、種々の理由について容易に商品化され得もせず、pH感知の領域で使用もされ得ない。
コモンモード効果を修正する他の方法は、「二重励起／二重発光レシオメトリー的感知」および「二重励起／一重発光感知」といわれる２つの一般的方法を包含する。
二重励起／二重発光方法において、２つの染料種が、Petersonに記載されるのと同様の方法で光ファイバーセンサーの感知領域で使用される。Petersonとは逆に、染料種は種々の吸収領域を有し、そしてこれらは種々の光学スペクトルへ蛍光を発する。Petersonの方法については、二重励起／二重発光システムは、検出前にシグナルを分離し、そしてこれらは別々の光学検出器を有する。したがって、コモンモードの光学経路は中断され、それによって非コモンモード効果を導入する。
代表的な二重励起／一重発光システムにおいて、単一の染料種が使用されて、これは２つの異なる励起波長で光学エネルギーを吸収し、そして同じスペクトル領域に光学エネルギーを発する。このシステムは、得られる発光シグナルが両方の励起シグナルについて同じ色であるので、同一の光学経路、すなわち、同じ光学フィルターおよび検出器システムが両方のシグナルについて使用され得るという有利点を有する。しかし、このシステムにおいて、２つのシグナルを区別するための唯一の方法は、種々の時間で測定することである；同時性は参照測定で失われる。したがって、例えば、器具または光学エネルギーソースが感知と参照測定との間でドリフトするならば、割合は改悪されている。
したがって、被分析物の同時二重励起／一重発光感知が提供される方法についての当該技術分野での必要性があり、これは環境感応性インジケータ種からの感知および参照発光シグナルを割合分けすることによって、すべてのコモンモード効果について修正する。
発明の開示
したがって、試料中の被分析物を定量する新規なレシオメトリー的方法を提供することによって、当該技術分野における上記必要性を提供することが、本発明の第１の目的である。
二重励起／一重発光レシオメトリー的技法の使用を包含する、試料中の被分析物を定量するための新規方法を提供することによって、これらの必要性を提供することが、本発明の他の目的である。
二重励起／一重発光方法を組み込む、試料中の被分析物を定量するための装置を提供することが、本発明の他の目的である。
本発明のさらなる目的、有利点、および新規特徴は、一部は以下の説明に記載され、そして一部は以下の実験に基づき当業者に明らかなり、あるいは本発明の実施によって習得され得る。
本発明の１つの局面では、試料中の被分析物を定量する方法が提供され、この方法は、第１および第２の領域が実質的に重複しないように第１の領域および第２の領域を含む吸収または励起スペクトル、および吸収または励起スペクトルとは異なる発光スペクトルを有するインジケータ種を有する光学センサーを提供する工程、試料を光学センサーと接触させる工程、第１の領域に対応する第一の光学波長の放射（それによって第１のインジケータ発光シグナルを生成する）、および第２の領域に対応する第２の光学波長の放射（それによって第２のインジケータ発光シグナルを生成する）を使用してインジケータ種を同時に励起させる工程であって、ここで、第１および第２の光学波長の放射がそれぞれ第１および第２の電気周波数で伝導される工程、第１および第２のインジケータ発光シグナルから、試料中に存在する被分析物の見かけの量を算出する工程、および外部因子から得られるバリエーションについて存在する被分析物の見かけの量を、第１および第２のインジケータ発光シグナルの比を決定することによって修正する工程を包含する。
本発明の他の局面では、装置が提供され、この装置は、第１および第２の領域が実質的に重複しないように第１の領域および第２の領域を含む吸収または励起スペクトル、および吸収または励起スペクトルとは異なる発光スペクトルを有するインジケータ種を有する光学センサー、インジケータ種が励起され得る第１および第２の光学波長の放射を同時に生じるための手段、第１および第２の光学シグナルを変調する手段、励起したインジケータからの発光シグナルを検出する手段、および発光シグナルを同時に復調するための手段を含む。
【図面の簡単な説明】
本明細書の中で、参照は添付の図面で行われる：
図１は、本発明の教示に従って同時二重励起／一重発光技法の使用を含む、試料中の被分析物を定量するためのシステムの概略図である。
図２は、身体周囲の(paracorporeal)光ファイバーセンサーシステムおよび本発明の教示に従って同時二重励起／一重発光技法を使用して得られるpHとの、標準的実験室血液-ガス分析器を使用して得られる動脈血pHの比較のグラフ表示である。
図３は、身体周囲の光ファイバーセンサーシステムおよび本発明の教示に従って同時二重励起／一重発光技法を使用して得られるpHとの、標準的実験室血液-ガス分析器を使用して得られる動脈血pCO2の比較のグラフ表示である。
発明の実施の態様
試料中の被分析物を定量するための本発明の装置および方法が開示されそして記載される前に、本発明が、もちろん変化し得るような、特定のセンサー形式、特定のインジケータ組成物、または特定の励起エネルギーソースに限定されないことが理解されるべきである。本明細書で使用される用語が、特定の実施態様のみを記載する目的であって、そして限定することを意図しないことも理解されるべきである。
本明細書および添付の請求の範囲で使用される場合、単数形「a」、「an」、および「the」は、内容が明確に他を示さない限り、複数の対象を含むことに留意しなければならない。したがって、例えば、「励起エネルギーのソース」の指示は、１より多い励起エネルギーのソースを含み、「インジケータ物質」の指示は、適切なインジケータ物質の混合物を含み、「光学センサー」の指示は２つ以上のこのようなセンサーを含むなどである。
本発明を記載することおよび請求することにおいて、以下の用語は以下に述べる定義に従って使用される。
用語「光ファイバー手段」は、一本の光ファイバーまたは光ファイバーの束をいうように本明細書で使用される。光ファイバーに適切な物質は以下に概説される。
本明細書で使用される場合、用語「試料」は、pHのようなパラメータについて、あるいは二酸化炭素などのような気体の存在または濃度に関して、本明細書に開示されるセンサーを使用して分析され得る液体または気体の物質をいう。一般的に、本明細書で製造されるセンサーを使用して分析される「試料流体」は、血液のような生理学的流体である。
「インジケータ組成物」、「インジケータ物質」、または「インジケータ成分」中の用語「インジケータ」は、分析を行う試料中の目的の被分析物に感応性である第１の領域、および被分析物に非感応性である第２の領域を含む、光学吸収または励起スペクトルを有する種をいう。好ましくは、第１および第２の領域は実質的に重複しない。「実質的に重複しない」という句によって、第１の領域の目的の被分析物へのピーク感応性波長が、第２領域の被分析物への最大非感応性の波長から好ましくは20ナノメートル以上離れていることを意図する。さらに、インジケータ種は、吸収または励起スペクトルとは異なる発光スペクトルを有し、そして第３のスペクトル領域で発光する。用語「異なる」は、インジケータ種が、第１の領域のピークと第２の領域の最も非感応性の点との両方から好ましくは25ナノメートル以上離れているピーク波長を有する発光スペクトルを有することを示すために、本明細書で使用される。
pHを測定することについて、インジケータは、一般的に、蛍光染料またはpH感応性であるいくつかの他の蛍光物質である。二酸化炭素センサーについては、事実上、任意のpH感応性蛍光または吸収剤染料が使用され得るが、好ましいインジケータとしては、フルオレセイン、および、カルボキシフルオレセイン、セミナフトローダフルオル、セミナフトフルオレセイン、ナフトフルオレセイン、ヒドロキシピレントリスルホン酸、ジクロロフルオレセインなどのようなフルオレセイン誘導体が挙げられる。特に好ましいインジケータは、8-ヒドロキシピレン-1,3,6-トリスルホン酸（「HPTS」）およびフルオレセインである。
用語「等吸収点」は、被分析物の変化に非感応性であるインジケータ物質の励起または吸収スペクトル中の波長を示すために本明細書で使用され、インジケータ物質は他の光学波長でこの変化に感応性であり、すなわち、等吸収点で入射光に曝露されるときに、インジケータ種からの発光シグナルは、被分析物濃度の変化と共に変化しない。したがって、例えば、インジケータ化合物が２つの異なる種に存在するとき、試料中の被分析物のインジケータ物質との相互作用は、一方のインジケータ種の他方への変換を導き得る。これが生じるので、励起、吸収、または発光スペクトルは、スペクトルの１つのバンドが増加した被分析物濃度とともに振幅の増加を示し得るが、他のバンドの振幅が同時に減衰し得るように変化し得る。スペクトルのあるバンドは、振幅が被分析物の変化する濃度に応じて変化しないことが観察され得る。スペクトルのこのような被分析物非感応性領域は、本明細書では等吸収点といわれる。
本発明は、そのさらなる特徴および有利点とともに、例示の図面と関連した以下の説明の参照によって最もよく理解され得る。
図１について、システム（10）は、一般的に、試料中の被分析物、例えばpCO2またはpH、を定量するために提供される。このシステムは、被分析物感応性である吸収および／または励起スペクトルの第１の領域、および被分析物非感応性である吸収および／または励起スペクトルの第２の領域、を有する蛍光染料種（14）を含む光ファイバー手段（12）を含む。第１の光源（16）、例えば青色光、からの第１の領域に対応する、および第２の光源（18）、例えば紫色光、からの第２の領域に対応する光に応答して、染料種は、光エネルギーを同じ第３のスペクトル領域（例えば、緑色光）に、発する（例えば、蛍光を発する）。任意の光学カップラー（20）は、吸収または励起スペクトルの２つの異なる領域で染料種（14）を同時に励起するために、光源（16）と光源（18）の出力を組み合わせるための手段を提供する。さらに、光学カップラー（20）は、参照シグナルが参照検出器（22）に送られ得る手段を提供する。図１に示すように、光源（16）および（18）は発光ダイオードである。
最初に、光ファイバー手段は、試料流体からの光学シグナルを検出手段に伝達するために役立つように提供される。光ファイバー手段は、代表的には、一本の細長い光ファイバーを含むが、並行に結合した光ファイバーの束を含み得る。
適切なファイバー基材物質の例には、ガラス、プラスチック、ガラス／ガラス複合体、およびガラス／プラスチック複合体ファイバー導波管が挙げられる。光ファイバーの重要な特徴は、光学シグナルの減衰である。したがって、天然に存在する物質から調製した場合に受容できないレベルの遷移金属不純物を含むガラスは、高い吸収消失を導く。受容可能な質のシリカファイバーは、従来のガラス溶融技法およびファイバーへの引き伸ばしを使用して、精製した出発物質（例えば、四塩化ケイ素および四塩化ゲルマニウム）から調製され得る。
一般的に、必ずしもではないが、ファイバーはクラッディング手段とともに提供される。当業者に明らかなように、クラッディング手段は、他のこわれやすいファイバーの構造支持体を提供するために役立ち、そしてまたファイバーに沿って伝えられる光をガイドするコーティングを提供する。本発明の場合、クラッディング手段は、代表的には、ポリマー性フルオロアクリレートのようなフルオロポリマーを含む。しかし、クラッディング手段はまた、ガラスから構成され得、あるいはポリスチレン、ポリイミド、または任意の他の適切なプラスチック物質を含み得る。
好ましくは、インジケータ種は、励起または吸収スペクトルの第２の領域として役立ち得る等吸収点を有する単一の蛍光またはリン光染料種である。あるいは、２つの形態（例えば、酸および塩基）で同時に存在し得るインジケータ種について、その相対量は被分析物の存在に依存する。次いで、使用される励起および発光波長は、染料種の２つの形態の励起または吸収スペクトルに依存する。例えば、pH感応性染料種の酸および塩基形態は、独立して変調された異なる波長で同時に励起され得、そして発光の強度は、両方の励起についての同じ光学波長で測定され、復調され、そして試料のpHのレシオメトリー的決定を得るために処理され得る。
インジケータ種は、当該技術分野で公知の任意の方法によって光ファイバー手段の遠位チップ上に提供され得る。このような方法の１つの例は、
0003764482.tif 000002
らへの米国特許第RE 31,879号に見いだされ、これは、インジケータ物質が、溶液形態で提供されそして膜によって外部環境から分離されるデバイスを開示する。代わりのアプローチは、例えば、Klainerらへの米国特許第5,354,825号に記載されるような、シラン化技法を使用して、光ファイバーのチップにインジケータ組成物を付着させることである。さらに他の技法は、Klainerらへの米国特許第5,354,825号に記載されるような、光ファイバーのチップへの光活性ポリマーの直接結合を包含する。さらに他のアプローチは、光ファイバーセンサーの遠位端へインジケータ組成物を固定するための内部接着層の使用を包含する。
簡単にいえば、この方法は、単純なディップコーティング手順を使用する、硬化性接着組成物の層の、光ファイバーのチップへの堆積を包含し、この手順は、水分、熱、紫外線照射などを使用して提供されるような接着層を部分的または完全に硬化させる工程、接着層を提供するために使用される同様のディップコーティング技法を使用して硬化性インジケータ含有組成物の少なくとも１つの外層で接着層をコーティングする工程、および外層を硬化させる工程を包含する。コートされたプローブチップは、ファイバーコーティングを水和するために生理食塩水溶液中に保存される。
さらに他のアプローチは、蛍光インジケータで満たされそして光ファイバー手段の遠位先端に固定されたCO2透過性末端キャップの使用を包含する。
簡単にいえば、この方法は、CO2透過性シリコーンキャップをCO2感知染料を含む液体溶液で予め満たす工程を包含する。予め満たされたキャップは、光ファイバー導波管のチップに適用され、そしてキャップをファイバーに確保するためにキャップ−ファイバー界面上に配置されるシリコーン接着剤を使用して確保される。次いで、キャップされたファイバーは、シリコーンを水分硬化させるために湿潤環境に吊るされる。
光源は、白熱ランプ、アークまたは閃光ランプ、固体エミッター、またはレーザーであり得る。好ましくは、光源は発光ダイオード（「LED」）である。
光源（16）および（18）の出力は、電子手段によって変調された同時および独立した振幅である。図１に示すように、光源（16）および（18）の出力は、光源ドライバー（24）によって、異なる電子周波数（electronic frequency）ｆ1およびｆ2（図１でそれぞれ破線（----）および点線（・・・・）で示される）で変調された振幅であり、これはLEDドライバーとして図１に例示される。電子周波数は、電子的に分解され得るように選択される。少なくとも１Hz異なりそして互いの倍数（例えば、調和）またはその線形和ではないことが好ましい。電子周波数が60Hzまたはその倍数でないこともまた好ましい。
電子変調は、電流変調（正弦、三角形、正方形波など）、電圧変調、または光学シャッターでの空間的フィルタリングを使用して、一定周波数で、振幅変調セルスキームを使用して、成し遂げられ得る。あるいは、周波数変調スキームを使用する電子変調は、一定振幅で、音響光学変調、電気光学変調、または非線形結晶を含む当該技術分野で周知の方法を使用して成し遂げられ得る。さらに、光源（16）および（18）からの光学シグナルは、代表的には圧電性結晶を用いる電気光学変調のような位相変調スキームを使用して変調され得る。周波数変調および位相変調は、コヒーレントな光源と関連して有用であり得るが、振幅変調スキームはコヒーレントなおよび／またはインコヒーレントな（incoherent）光源とともに使用され得る。１つの好ましい実施態様では、光源（16）および（18）からの光学シグナルは、振幅変調スキーム、より特定すると、電流変調を用いる振幅変調スキームを使用して変調される。このシステムは、必要に応じて、光学カップラー／光線スプリッター（そこからのシグナルが任意の参照検出器に通る）であり得るランプ参照シグナルを生じる手段を含み得る。
光源（16）および（18）からの光学シグナルの電子変調は、２つの異なる蛍光成分--電子周波数ｆ1での成分（振幅がpH依存的である感知シグナル）および電子周波数ｆ2での第２の成分（振幅がpH非感応性である参照シグナル）--からなる染料種（14）からの全体の復帰発光シグナルを生じる。２つの発光シグナルは、光学カップラー（20）を通り、そして光学検出器（26）に同時に存在する（全体の復帰発光シグナルは交互の点とダッシュ（・−・−）からなる線によって図１で示される）。
光学検出器は、固体検出器、またはこのような検出器の整列、非固体検出器、熱検出器などであり得る。固体検出器の例は、シリコン検出器およびその整列を含む。非固体検出器の例は、光電子増倍管（「PMT」）を含む。熱検出器は、熱電対列およびボロメーターを含む。
光学検出器（26）によって染料種（14）から検出されるシグナルは、当該技術分野で周知の種々の復帰スキームのいずれかを使用して復調され得る。シグナルを復調するために使用され得るスキームは、光源（16）および（18）からの光学シグナルを変調するために使用されたスキームに依存する。
したがって、振幅変調スキームを使用して変調されている光学シグナルについて、復調は、デジタル復調またはアナログ復調スキームを含む、当該技術分野で周知の任意の方法によって行われ得る。試料が周波数または位相変調されたならば、染料種（14）から検出されるシグナルは、それぞれ周波数または位相復調スキームによって復調され得る。好ましくは、染料種（14）からの振幅変調された光学シグナルは、光学検出器（26）によって受信され、これは代表的には、増幅され、高速アナログ→デジタル（A/D）変換器（28）によってデジタル化され、そしてデジタルシグナル処理（DSP）デバイス（30）に通されるアナログ出力を提供する。ここで、スペクトル分析は、当該技術分野で周知の離散型フーリエ変換（「DFT」）技法によって検出器出力のデジタル化型で行われる。正味の結果は、２つの発光シグナルのそれぞれの振幅--pH依存的感知シグナルおよび同時に復調された参照シグナル--への復調および分離である。次いで、これらの数字の結果は、被分析物を定量するための次の検出後処理に有用である。
DSPデバイス（30）はまた、デジタル→アナログ変換器（32）によって、光源（16）および（18）の出力を変調するための光源ドライバー（24）へのシグナルを提供するデジタルマイクロプロセッサーとして役立つ。
pHおよび／またはpCO2についてのこの光ファイバーに基づく蛍光感知技法は、例えば、水性試料中でpHおよびpCO2を測定するための、試料中でのpHの測定および二酸化炭素のような溶存気体の定量への適用を有する。器具／センサー電気光学の一般的遠隔感知構造物があれば、この技法は、酸−塩基化学システムの遠隔モニタリングを必要とし得る任意の適用に適用可能である。
さらに、本発明は、1995年1月27日に出願された発明者Kimballらの「In Situ Calibration System for Sensors Located in a Physiologic Line」というタイトルの同一人に譲渡された米国特許出願番号08/379,332に開示され、そしてMartinら（1994）Proc. Biomed. Fiber Optic Instrumentation 2131:426-436に記載されるような、身体周囲の血液ガスモニタリングシステムに組み込まれる場合に有用であり得る。
簡単にいえば、このシステムは、「身体周囲で」生じることをモニタリングすることを可能にする。動脈圧ラインに付着する標準ルアーロックアダプターとともにハウジングに含まれる光ファイバーセンサーを含む；患者の血液は、治療供与者の採血によって、独立した測定について、ラインおよびハウジング中に移動され、そして測定の完了後に患者に戻される。

本発明で開示されそして請求される技法を使用して組み立てられたセンサーが、二酸化炭素または他の気体の測定、グルコース決定、カリウムイオン、カルシウムイオン、マグネシウムイオンなどの測定を含む、広範な状況で使用され得ることが、当業者には明らかである。また、本発明は血液中の被分析物の測定に関して主に記載されているが、本発明の方法を使用して組み立てられたセンサーは、どのような試料タイプにおいても広範はパラメータを評価するために使用され得る。
したがって、本発明はその好ましい特定の実施態様に関して記載されているが、上の記載ならびに以下の実施例は、本発明の範囲を説明することを意図し、限定することを意図しないことが理解されるべきである。本発明の範囲内の他の局面、有利点、および改変は、本発明が属する技術分野の当業者には明らかである。
実施例１
pHおよびpCO2を測定するための同時二重励起／一重発光方法の使用
図１に示すような同時二重励起／一重発光技法および装置を用いる身体周囲光ファイバー血液ガスおよびpHモニタリングシステムを使用して、Martinら、前出に記載のような動脈pCO2およびpHを測定した。
身体周囲のデバイスを使用して得られるヒト臨床データを、標準的実験室pH／血液ガス技法および分析器、例えば、Radiometer Corporation Model ABL 500-#2血液ガス分析器によって生じたアッセイ値と比較した。動脈試料を分配して、pHおよびpCO2を同じ試料を使用して各技法によって測定した。ヒト被験体を含むすべての手順は、適当な臨床部位検査委員会に承認された。
動脈値pHを測定するためのこれらの実験で使用される光ファイバーセンサーを、フルオレセイン（Aldrich, Milwaukee, WI）を含むように調製し、一方、pCO2を測定するために使用されるセンサーを、8-ヒドロキシピレン-1,3,6-トリスルホン酸三ナトリウム塩（「HPTS」）（Molecular Probes, Eugene, OR）を含むように調製した。試料を、以下のようにpHおよびpCO2センサーを使用して交互に検査した。
光ファイバーpHセンサーにおけるインジケータ種を、488nmおよび442nmに中心がある励起光に同時に曝露し、インジケータ種からの発光シグナルを、529.5nm±15.5nmの領域でモニターした。488nmおよび442nmのシグナルを、それぞれ37Hzおよび24Hzで変調した。442nmシグナルは、フルオレセイン励起スペクトルのpH非感応性領域に対応する。光学シグナルを、正弦電流変調を使用する振幅変調スキームを使用して変調した。
光ファイバーpCO2センサーにおけるインジケータ種を、442nmおよび415nmに中心がある励起光に同時に曝露し、インジケータ種からの発光シグナルを、529.5nm±15.5nmの領域でモニターした。442nmおよび415nmのシグナルを、それぞれ37Hzおよび24Hzで変調した。415nmシグナルは、HPTS励起スペクトルの等吸収点に対応する。光学シグナルを、上記のように変調した。
発光シグナルを、シリコン検出器を使用して検出し、これらのアナログ出力シグナルをデジタル化し、そしてシグナルを復調するマイクロプロセッサーに送り込んだ。
平均についての標準偏差（「SD」）として表されるセンサー精度、および標準的血液ガス分析器を使用して得られる値からの平均差として表されるセンサー正確度を、10名の別々の患者の血液ガス測定から集められるデータを使用して算出した。
動脈血pHの10測定では、標準的血液ガス分析器を使用して得られた値は7.414であった。本発明の同時二重励起／一重発光技法および装置を用いる身体周囲デバイスを使用して得られた値は、7.375（SD＝0.008）であった。標準的分析器および身体周囲方法を使用して得られた10個の値との平均差は、0.039であった。
標準的血液ガス分析器を使用して得られた動脈pCO2値は38.3であり、一方、身体周囲デバイスを使用して得られた値は40.6（SD＝4.00％）であり、平均差は5.9％であった。
センサー性能を、図２および図３でそれぞれpHおよびpCO2についてプロットした。これは、それぞれ血液pHおよびpCO2測定についての個々のデータ点、ならびに直線回帰分析によって算出された同一線（pH：ｒ2＝0.906；pCO2：ｒ2＝0.884）を示す。
これらのデータは、本発明の同時二重励起／一重発光システムを使用する光ファイバーセンサーから集められたデータの正確さおよび精度を示す。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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