カテーテルラマン分光システム
【課題】レーザー光で血液中のラマン活性物質を、簡単な構成で簡便に迅速かつ経時的に検出し、血液や血管壁の薬物特効などの各種特性を精度よく測定するレーザー光を用いたエバネッセント光のプラズモン共鳴効果と表面増強ラマン散乱分効果を用いたカテーテルラマン分光システムを提供する。
【解決手段】レーザー発信装置２からレーザー光８を中空光ファイバー１０を通してカテーテル１に導入し、このカテーテルを患者や動物検体の血管６に挿入して血液中の成分や血管碧内部の成分を測定する。カテーテル１にはラマン散乱光表面増感処理、被検体に挿入することで、励起レーザー光は、カテーテルに開けられた窓や、先端部から照射し、先端部では通常のラマンスペクトルも測定する。こうして、血漿中や血管碧ラマン活性物質を高い感度で測定することを可能とすることを特徴とするエバネッセント光表面増強ラマン散乱分効果を用いたラマン分光カテーテルシステム。
【解決手段】レーザー発信装置２からレーザー光８を中空光ファイバー１０を通してカテーテル１に導入し、このカテーテルを患者や動物検体の血管６に挿入して血液中の成分や血管碧内部の成分を測定する。カテーテル１にはラマン散乱光表面増感処理、被検体に挿入することで、励起レーザー光は、カテーテルに開けられた窓や、先端部から照射し、先端部では通常のラマンスペクトルも測定する。こうして、血漿中や血管碧ラマン活性物質を高い感度で測定することを可能とすることを特徴とするエバネッセント光表面増強ラマン散乱分効果を用いたラマン分光カテーテルシステム。
【発明の詳細な説明】
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、患者、動物検体の血液中成分、血管壁内部成分をエバネッセン光の表面プラズモン効果と表面増感ラマン散乱効果を用いたカテーテルラマン分光法に係わり、従来の構成に比較して簡単な構成で簡便に迅速高感度でかつ経時的に検出し、血液や血管壁の薬物特性などを各種特性を精度よく測定するエバネッセン光の表面プラズモン効果（Ｓｕｒｆａｃｅ Ｐｌａｓｍｏｎ Ｒｅｓｏｎａｎｃｅ／ＳＰＲ）と表面増強ラマン散乱分効果（Ｓｕｒｆａｃｅ ｅｎｈａｎｃｅｄ Ｒａｍａｎ ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ／ＳＥＲＳ）を用いたカテーテルラマン分光システム関する。
【背景技術】
【０００２】
発明は、患者、動物検体の血中の成分、薬剤や生体物質の濃度変化などを測定するためにエバネッセン光の表面プラズモン効果と表面増感ラマン効果を用いたカテーテルラマン分光法であり従来の構成に比較して簡単な構成で簡便に迅速高感度でかつ経時的に、血液中のラマン活性成物を選択著しいことで、応用開発研究が急速に進んでいるエバネッセン光の表面プラズモン効果（Ｓｕｒｆａｃｅ Ｐｌａｓｍｏｎ Ｒｅｓｏｎａｎｃｅ／ＳＰＲ／）と表面増強ラマン散乱分効果（Ｓｕｒｆａｃｅ Ｅｎｈａｎｃｅｄ Ｒａｍａｎ Ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ／ＳＥＲＳ）を用いたラマン分光法に係わる。
【０００３】
ラマン分光法は様々な用途に使われており、例えばフォノン等の量子振動に利用して結晶などの解析に、また分子振動を利用して、生体、薬剤、高分子材料、などなどの分子構造解析や成分の同定や定量等広範囲の分野で用いられている手法である。（特許文献１）。
【先行技術文献】
【０００４】
【特許文献１】特許出願２０１０−２２９２９２
【特許文献２】特許出願２００７−３０７００７
【特許文献３】特許出願２００８−１５７７７１
【０００５】
【非特許文献１】Ｐｌａｓｍａ Ｒｅｄｕｃｔｉｏｎ ｏｆ Ｓｌｉｖｅｒ Ｃｏｍｐｏｕｎｄｓ ｆｏｒ Ｆａｂｒｉｃａｔｉｏｎ ｏｆ Ｓｕｒｆａｃｅ−Ｅｎｈａｎｃｅｄ Ｒａｍａｎ Ｓｃａｔｔｅｒｉｎｇ Ｓｕｂｓｔｒａｔｅｓ：ＡＰＰＬＩＥＤ ＳＰｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ：６２／７ ７２７１−７２６（２００８）
【非特許文献２】ｎ ｖｉｖｏ Ｒａｍａｎ ｓｔｕｄｙ ｏｆ ｔｈｅ ｌｉｖｉｎｇ ｒａｔ ｅｓｏｐｈａｇｕｓ ａｎｄ ｓｔｏｍａｃｈ ｕｓｉｎｇ ａ ｍｉｎｉａｔｕｒｉｚｅｄ ｅｎｄｏｓｃｏｐｅ ｓｙｓｔｅｍ ａｎｄ ａ ｍｉｃｒｏ Ｒａｍａｎ ｐｒｏｂｅ：ＡＰＰＬＩＥＤ ＳＰｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ６１（６），５７９−５８４（２００５）
【０００６】
ラマン分光法は非常に有用な分析手段であるが、欠点もある。ラマン散乱光は励起光により活性化した振動状態がもとに戻る（緩和）時に発光する光で励起光にく極めて微弱光である。励起光の１００万分の１から１０００万分の１の光である。
そのため非常に強度強いのレーザー光を使う、とか、高い感度の分光システムが必要である。 強いレーザーを使うため同時に散乱する非常に大きい強度のレーリ光の中から、微弱ラマン散乱光を検出して測定することでありは非常に困難な手法であった。共存する物質の中にはレーリー光だけでなく蛍光をも発生するものもあり、適用範囲をさらに狭めていた。
【０００７】
また、ラマン散乱光は全方向に散乱するので、開口角の大きい集光レンズすなわち開口数（ｎｕｍｅｒｉｃａｌ ａｐｅｒｔｕｒｅ，ＮＡ）の大きい高い倍率の対物レンズを使い、高効率でラマン散乱光を集光して測定する、そのため、励起レーザー光は高密度の小さいスポット状に集光されるので検体が破損してしまう問題がある。特に生体試料では影響が大きく照射密度には上現がある。
そのほか、高出力のレーザー発振装置は価格が高い、とか形が大きいなどの問題もある。そしてまた、
微弱ラマン信号を検出するには検出器からのの熱雑音を排除し売るための液体窒素冷却や電子冷却機能を備えた高い価格の検出噐が必要である。また、許容可能な高いＳＮ比（信号／雑音比Ｓｉｇｎａｌ−ｔｏ−ｎｏｉｓｅ ｒａｔｉｏ）の信号得るには長時間の積分測定が要求されので、測定時間も長くなるとか、レーザー光の試料に与える影響が増大するなどのた欠点があった。
【０００８】
インドのＣ．Ｖ．ラマン先生がラマン効果の発見して依頼、ラマン分光法の前項までの記載問題点は様々な改善が加えられている。高精度のレーり光排除ラマンフィルター、レーザー光中のプラズマライン高効率排除フィルター、また１００２４ピクセル（Ｐｉｘｅｌ）以上の多数の受光素子を一列以上並べた電子冷却ＣＣＤ（Ｃｈａｒｇｅ Ｃｏｕｐｌｅｄ Ｄｅｖｉｃｅ Ｓｅｎｓｏｒ）等がその一例で広範囲のスペクトル波数領域を一度に測定することが可能で、測定時間の大幅な短縮を図った等である。
【０００９】
近年ラマンの散乱光強度を１００万倍から１億倍増大できる表面増強ラマン散乱分光法（ＳＥＲＳ）の研究が急速に進展してきた。これは銀、金、白金、ニッケル、など３０ｎｍ以上３００ｎｍ以下の大きさの島状の金属薄膜（図４−１７ａ）、や１ｎｍ〜１００ｎｍの大きさの金属微粒子薄膜（図４−１７ｂ）にレーザー光が入射したときに発現する効果である。ラマン散乱光の強度が通常のラマン散乱光強度に比べ１００万倍から１億倍に増大する。この手法を用いるとヘモグロビン１分子でもラマンスペクトルが計測できるとの報告がある。また、どのようにすればＳＥＲＳスペクトルがより高感度で、再現性よく測定できるかこれまでに明らかになており、実用的に使えることは周知である。
どのようにすればＳＥＲスペクトルがより高感度で、再現性よく測定できるかも明らかになてきている。
【００１０】
ところで、高屈折率の光学媒体（図４の２６）界面に媒体内から浅い角度で光を入射入さるとさせると界面近傍に光の波長の半分程度の深さ）光が滲み出す、この滲み出した光はエバネッセント光（Ｅｖａｎｅｓｃｅｎｔ ｌｉｇｈｔ）と呼ばれ、この光の場をエバネッセント場（ｅｖａｎｅｓｃｅｎｔ ｆｉｅｌｄ）という。るこの現象をエバネセント効果と呼ばれる。これも銀、金、白金、ニッケル、などの島状の金属薄膜、金属微粒子で出来た薄膜がエバネセント場内にあると金属電子と光（電磁波）が結合し共鳴する。これをプラズモン共鳴（Ｐｌａｓｍｏｎ Ｒｅｓｏｎａｎｃｅ）
という。この共鳴のため金属表面に強い電磁場が形成される。この共鳴電磁場は金属表面に限局（Ｌｏｃａｌｉｚｅｄ）する。
【００１１】
プラズモン共鳴について少し詳しく以下に言及する。
ＳＥＲＳ活性のある銀ナノ粒子はサイズや形状に依存して可視光域から近赤外域に強い共鳴を起こす。この共鳴は銀粒子内の電動電子の集団振動によるもので、局在表面プラズモン共鳴（Ｌｏｃａｌｉｚｅｄ Ｓｕｒｆａｃｅ Ｐｌａｓｍｏｎ Ｒｅｓｏｎａｎｃｅ／ＬＳＰＲ）もしくは単に表面プラスモン（ＳＰＲ）と呼ばれる。ＳＰＲによる銀ナノ粒子の周囲は強い電場に覆われるが、２個の銀粒子が近接するとその接点付近に極めて強い増強電場が生じる。その接点に１から数個の分子が吸着すると著しいＳＥＲＳ効果が生じる。これは古典電磁気学的な計算から、この接点に強い増強電場が生じることは解明されている。近接した２個の銀ナノ粒子（粒径６０ｎｍ）間（隙間）１ｎｍに生じる増強電場は１０８から１０１０倍のラマン散乱断面積の増大に対応し、ＳＥＲＳによるラマン散乱強度の増大することが証明されている。すなわち単一分子のラマン測定においてラマン散乱断面積の増大は１０１４〜１０１５倍である。前述の１０８から１０１０倍と差は共鳴ラマン効果による増大（１０３〜１０倍）もしくは電荷移動（ＣＴ）効果による増大（〜１０３倍）によって説明できる。
これらの増強電場効果は強い偏向依存性を示すことがることに注意する必要がある。この点を考慮して光学系を組む必要がある。
【００１２】
前述した内容を纏めるとＳＰＲ／ＳＥＲＳは以下の特徴を持っている
ＳＥＲＳはは銀、金、白金、ニッケル、などの表面で起こるが銀、金において効果が特に著しい。
ＳＥＲＳはラマン散乱効果の著しく増大を示す分子もあればそうでないものもある。
ＳＥＲＳ強度は金属表面に吸着した分子の配向に依存する。また表面からの距離にも依存する。
金属の表面荒さが発現に何らかの形で関与している。
ＳＥＲＳ強度は励起レーザー波長依存性を示す。
ＳＥＲＳ強度は励起光の入射角度依存性がある。３０度から９０度で効果ある。
【００１３】
ＳＥＲＳ｝は以下の利点を持っている
感度が極めて高い通常ラマンの１０６から１０８倍の強度がある。
選択性が高い、金属表面に吸着した分子だけがＳＥＲＳ効果を示す。分子の中でも吸着部位の化学構造によるラマンバンドが特に強度が増大する。
金属表面に吸着した分子の蛍光が消光するため、蛍光に隠されたラマンバンドが明瞭に観察される様になる。
液相と固相の界面に適用する（真空等は必要ない）。
【本発明が解決しようとする課題】
【００１４】
本発明が解決しようとする課題は、患者や動物検体にさらなる負担を強いることなく血液中および血管壁内のラマン活物質量を、高感度で迅速、かつ経時的に従来の構成に比較し簡単な構成で高感度に検出し、全血液または血漿中、および、血管壁内部または血管壁表面の各種特性をそれぞれ分離して精度よく測定するこカテーテルラマン分光システムを構築することにある。
【００１５】
患者、動物検体の血中の成分、薬剤や生体物質の濃度変化などを高感度に測定するには通常のラマン強度を大幅に増強する必要ががありエバネッセト光の表面プラズモン効果と表面増感ラマン効果を合せもたせたＬカテーテルいかに制作するかが大きな課題の一つである。
【００１６】
表面増大ラマン産卵効果は金属微粒子膜に吸着した分子に生じる効果で、そうでない分子をいかにそくていするかとの課題がある。
ＳＥＲＳはラマン散乱効果の著しく増大を示す分子もあればそうでい分子あるので、検体のなかの重要な分子になかで、ラマン増強効果を示さないものもある、これらの分子をいかに測定するかが重要な解決すべき課題となる
【００１７】
中空光ファイバーとカテーテルとを光学的に高効率に結合することも解決すべき課題である。
【００１８】
光ファイバーはファイバー内側面を全反射を繰り返し光が伝播するためのファイバーの曲り角度などの状態の変化がベースラインの形状が変化するとか、ラマンスペクトルに大きく影響する等中空ファイバーがもつ分光上に課題を解決する必要がある。
【課題を解決するための手段】
【００１９】
患者や動物検体にさらなる負担を強いることなく血液中の成分や特性物質、薬効成分をまた血液壁の脂肪、タンパクなどの特性物質をラマン分光法にて、従来の構成に比較し簡単な構成で簡便に迅速かつ経時的に検出し、血液や血管壁の薬物特性など各種特性を精度よく測定する課題に解決にはを備えたカテーテルを先端部に備えた中空ファイバーカテーテルを備えたカテーテルラマン分光システム提供することが本発明の解決手段である。
【００２０】
前項の光学媒体はカテーテル内に装着可能な高屈折のガラス素材を使った光ファイバー素材を用いることとした。光ファイバー素材は光の伝送損失を小さくするため光をファイバー内部で全反射させて伝送させているため、エバネッセント光を発現する最良の光学額媒体となりえる。これを適当な長さに切断して、銀、金、白金、ニッケル、などの微粒子薄膜をコートすることで、最良のエバネッセント光の表面プラズモン効果（ＳＰＲ）と表面ラマン増強効果（ＳＥＲＳ）の両方を発現するカテーテル装着素材を得ることができる。
前項００１６記載の金属微粒子薄膜をコートしたガラス製の光ファイバーをカテーテル内に装着した。このカテーテル側面に窓を開け光ファイバーの側面が試料と接触する様にした。こうすることで血液中の成分や血液壁面の内の分子が光ファイバー表面の金属微粒子薄膜に吸着し、ＬＳＰＲ／ＳＥＲＳ効果により高強度のラマン散乱光を発現する分子のラマンスペクトルを測定することに「した。
【００２１】
そして、ＳＥＲＳはラマン増大を示す分子効果がないと分子にたいしては
光ファイバー端部には図３に示したようなボールレンズズを配置し、中空光ファイバーと光学的な接合をおこうなうことにした。もう片方のカテーテルの先端部にもボールレンズを配置してボールレンズの外側で中空ファイバー、ガラス製光ファイバーからのレーザー光を図に示した様に集光するようにした。通常のラマンスペクトルはボールレンズより、集光した光により試料中の分子は励起され通常のラマン散乱光を測定することで解決することにした。
【００２２】
さらには、中空光ファイバーから発生する微弱ノイズ光の問題は
カテーテ付き中空ファイバーはは参照用と検体用の２系統として両方のカテーテル付き中空ファイバーファイバーの曲り状態などを調整して両方カテーテル付き中空ファイバーファイバーで発生するノイズ信号スペクトルを同じになるようにしてから検体ラマンスペクトル信号を測定することで、中空光ファイバーで発生する微弱ノイズ光成分スペクトルを検体成分スペクトルから的確に差し引いて測定することを可能とすることにした。
【発明の効果】
【００２３】
上記構成によれば、エバネッセント光表面プラズモン効果と表面増強ラマン散乱効果を発現するカテーテルをルことが出来、血液中や血管壁中の薬剤や生体物質の濃度を、患者にさらなる負担を強いることなく経時的に迅速で精度よく検出することができる。
エバネッセント光は、エバネッセント光が発生している表面近傍の数百ｎｍ付近に存在し、通常光のように空間を伝播することはない。このため、血液中では直径約８ｐｍの赤血球中に存在するヘモグロビンの影響をほとんど受けず、血漿中のラマン活収物質のラマンスペクトルを測定できる。また、カテーテルの先端につけたボールレンズを血液、血管壁に接触させることで、通常のラマンスペクトルも測定もできる。
、１本の光ファイバ通常ラマンスペクトルと表面増強ラマンスペクトルが得ることが検体中のあらゆる分子に対応可能なカテーテルラマン分光システムを提供かのうとする効果がある。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】本発明によるエバネッセント光のプラズモン共鳴効果（ＳＰＲ）と表面増強ラマン散乱分効果（ＳＥＲＳ）を用いたカテーテルラマン分光システムの実施の形態を示す図である
【図２】本発明によるカテーテルラマン分光システムに用いるエバネセントカテーテル詳細図である。
【図３】本発明によるカテーテルラマン分光システムのカテーテル部の詳細図。
【図４】本発明によるカテーテルラマン分光システムの中空光ファイバーの断面図の詳細図
【図５】本発明によるカテーテルシステムの具体的な構成例を示す図である。
【符号の説明】
【００２５】
１ エバネッセントカテーテル
２ エバネッセントカテーテルの接液部
３ 試料検体
４ 中空ファイバー
５ 参照用カテーテル付き中空ファイバ
６ 検体用カテーテル付き中空ファイバ
７ レーリー光、レーザーの中のノイズプラズマ光除去システムボックス
８ レーザー発振装置（レーザー光源、半導体レーザ）
９ レーザー光
１０ レーザー光の中のプラズマ光除去フィルター
１１ エッジフィルター（ラマンフィラター、２レーり光除去フィルター）
１２ ラマン散乱光
１３ 分光噐
１４ 分光器スリット
１５ 電子冷却ＣＣＤ音波
１６ ガラス製光ファイバー
１７ 金属微粒子薄膜（銀、金薄膜エバネッセント光発生部位）
１８ ボールレンズ
１９ レーザー集光点（通常ラマン散乱光発現部位）
２０ エバネセント光発現部位
２１ 中空光ファイバーの中心部（中空層）
２２ 中空光金属層（銀）２３
２３ 中空光ファイバーの金属層（銀）
２４ 中空光ファイバーの石英ガラス層
２５ 中空光ファイバーのポリイミド保護膜層
２６ エバネッセント半円筒プリズム
２７ エバネッセント半円筒プリズ界面
２８ 集光レンズ
２９ ラマン散乱光切り替えミラー
３０ 光偏向素子
３１ ラマン散乱光集光レンズ
【発明を実施するための最良の形態】
【００２６】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態を詳しく説明する。
【００２７】
実施例１
図１は、カテーテルシステム構成図である。
。この例は本発明によるカテーテルラマン分光システムに適用される構成例を示す図１によって詳細に説明する。
エバネッセント光表面プラズモン（図４）表面増感光学素子内蔵カテーテル１を血管３中に留置してレーザー光１０を導入して、エバネッセント光２０を発生させ、表面増強ラマン分光分析を行う様子は構成図を１に示した通りである。
【００２８】
レーザー発振装置８からのレーザー光９はレーザー光のラマン分光のノイズ光となるレーザー光に共存するパラマラインをカットするためのフィルター（プラズマラインフィルター）９透過させた後レーザー光切り替えダイクロイックミラー（エッジフィルター）２６で直角に反射させ、光偏向素子２９通した後集光レンズ２７で中空ファイバー４に集光して入射させる。中空ファイバーは参照用５と検体用６とがあり，
それぞれの光学系には集光レンズ２７ａ２７光偏向素子２９が備え付けてある。これらの切り替えはダイクロイックミラー２６で行う。
【００２９】
該ダイクロイックミラー２６はレーリー光を高効率に排除できるエッジフィルター又はラマンフィルターを４５度に傾斜してものに変えることができる。
【００３０】
図２は本発明によるカテーテルラマン分光システムに用いるエバネセントカテーテル詳細図である。カテーテル１内部には金属微粒子薄膜（銀、金）をコートしたガラス製光ファイバー１６が装着されている。カテーテル側面には窓２０があけてあり、金属微粒子薄膜１８と検体３とが接触する様にしてある。
【００３１】
中空ファイバーに導入されたレーザー光はボールレンズ１８を介して金属微粒子薄膜（銀、金）をコートしたガラス製光ファイバー１６にん入射した光レーザー光は金属微粒子薄膜（銀、金）をコートした表面で全反射した発生した表面プラズモン効果により増強したラマン散乱光を発現させた。
【００３２】
また、ガラス製光ファイバー１６を通過したレーザー光は他端のボールレンズで集光され検体１を照射して通常のラマン散乱光を発生する。発生したラマン散乱光はボールレンズ１８で集められ、ガラス製光ファイバー１６を通り、中空ファイバー６抜け集光レンズ２７ａで平行に光線二広げられた後、ダイクロイックミラー（エッジフィルター）２６を通りレンズ３０で分光器のスリット１４に導入され、分光器１３、冷却ＣＣＤもってラマンスペクトルが測定される。
金属微粒子薄膜で発現した増強ラマン散乱光も同じ経路で分光器１３に入射し、ラマンスペクトルが測定できるようにしてある。
【００３３】
ところで、増強ラマン散乱光の強度はエバネセント界面１８に入射する光の偏向面に依存するので、レーザー発振装置からのレーザー光路にをいれた。レーザーレーザー発振装置からのレーザー光は偏向特性があるので、レーザー装置を回転させて増強ラマン散乱光が最大となる様にしたあとで、光偏向素子２９は光路上に装着した。
【００３４】
００３０、００３１項で測定したラマン散乱光、増強ラマン散乱光によるラマンスペクトルには中空ファイバー、ガラス光ファイバーで発生したノイズ光が重畳しており、スペクトルの解析に邪魔になる。このノイ参照用ー５はと検体用中空ファイバ６との曲り角度を合せるなどの調整を行なった後参照用中空ファイバーからのラマン散乱光と検体ファイバーからのラマン散乱光を２７の切り替え身ミラーを切り替えて、交互に測定し、検体のラマンスペクトルから参照用のラマンスペクトル（バックグランドスペクトル）差し引くことで解析、定量、同定などの用途のスペクトルを得た。
【００３５】
ファイバー１６と中空光ファイバーの光学的接合はボールレンズ１８を介して行なっており、また、他端には通常のラマン測定のためのボールレンズを配置してある。 光による血漿中に成分から生じるラマン散乱光よる血漿中の成分および血管壁表面の状態を測定する表面増強ラマン効果を利用したラマン分光カテーテルシステムであって、中空光ファイバーとその先端部カテーテル備えたことを特徴とするカテーテルラマン分光システムである。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、患者、動物検体の血液中成分、血管壁内部成分をエバネッセン光の表面プラズモン効果と表面増感ラマン散乱効果を用いたカテーテルラマン分光法に係わり、従来の構成に比較して簡単な構成で簡便に迅速高感度でかつ経時的に検出し、血液や血管壁の薬物特性などを各種特性を精度よく測定するエバネッセン光の表面プラズモン効果（Ｓｕｒｆａｃｅ Ｐｌａｓｍｏｎ Ｒｅｓｏｎａｎｃｅ／ＳＰＲ）と表面増強ラマン散乱分効果（Ｓｕｒｆａｃｅ ｅｎｈａｎｃｅｄ Ｒａｍａｎ ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ／ＳＥＲＳ）を用いたカテーテルラマン分光システム関する。
【背景技術】
【０００２】
発明は、患者、動物検体の血中の成分、薬剤や生体物質の濃度変化などを測定するためにエバネッセン光の表面プラズモン効果と表面増感ラマン効果を用いたカテーテルラマン分光法であり従来の構成に比較して簡単な構成で簡便に迅速高感度でかつ経時的に、血液中のラマン活性成物を選択著しいことで、応用開発研究が急速に進んでいるエバネッセン光の表面プラズモン効果（Ｓｕｒｆａｃｅ Ｐｌａｓｍｏｎ Ｒｅｓｏｎａｎｃｅ／ＳＰＲ／）と表面増強ラマン散乱分効果（Ｓｕｒｆａｃｅ Ｅｎｈａｎｃｅｄ Ｒａｍａｎ Ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ／ＳＥＲＳ）を用いたラマン分光法に係わる。
【０００３】
ラマン分光法は様々な用途に使われており、例えばフォノン等の量子振動に利用して結晶などの解析に、また分子振動を利用して、生体、薬剤、高分子材料、などなどの分子構造解析や成分の同定や定量等広範囲の分野で用いられている手法である。（特許文献１）。
【先行技術文献】
【０００４】
【特許文献１】特許出願２０１０−２２９２９２
【特許文献２】特許出願２００７−３０７００７
【特許文献３】特許出願２００８−１５７７７１
【０００５】
【非特許文献１】Ｐｌａｓｍａ Ｒｅｄｕｃｔｉｏｎ ｏｆ Ｓｌｉｖｅｒ Ｃｏｍｐｏｕｎｄｓ ｆｏｒ Ｆａｂｒｉｃａｔｉｏｎ ｏｆ Ｓｕｒｆａｃｅ−Ｅｎｈａｎｃｅｄ Ｒａｍａｎ Ｓｃａｔｔｅｒｉｎｇ Ｓｕｂｓｔｒａｔｅｓ：ＡＰＰＬＩＥＤ ＳＰｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ：６２／７ ７２７１−７２６（２００８）
【非特許文献２】ｎ ｖｉｖｏ Ｒａｍａｎ ｓｔｕｄｙ ｏｆ ｔｈｅ ｌｉｖｉｎｇ ｒａｔ ｅｓｏｐｈａｇｕｓ ａｎｄ ｓｔｏｍａｃｈ ｕｓｉｎｇ ａ ｍｉｎｉａｔｕｒｉｚｅｄ ｅｎｄｏｓｃｏｐｅ ｓｙｓｔｅｍ ａｎｄ ａ ｍｉｃｒｏ Ｒａｍａｎ ｐｒｏｂｅ：ＡＰＰＬＩＥＤ ＳＰｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ６１（６），５７９−５８４（２００５）
【０００６】
ラマン分光法は非常に有用な分析手段であるが、欠点もある。ラマン散乱光は励起光により活性化した振動状態がもとに戻る（緩和）時に発光する光で励起光にく極めて微弱光である。励起光の１００万分の１から１０００万分の１の光である。
そのため非常に強度強いのレーザー光を使う、とか、高い感度の分光システムが必要である。 強いレーザーを使うため同時に散乱する非常に大きい強度のレーリ光の中から、微弱ラマン散乱光を検出して測定することでありは非常に困難な手法であった。共存する物質の中にはレーリー光だけでなく蛍光をも発生するものもあり、適用範囲をさらに狭めていた。
【０００７】
また、ラマン散乱光は全方向に散乱するので、開口角の大きい集光レンズすなわち開口数（ｎｕｍｅｒｉｃａｌ ａｐｅｒｔｕｒｅ，ＮＡ）の大きい高い倍率の対物レンズを使い、高効率でラマン散乱光を集光して測定する、そのため、励起レーザー光は高密度の小さいスポット状に集光されるので検体が破損してしまう問題がある。特に生体試料では影響が大きく照射密度には上現がある。
そのほか、高出力のレーザー発振装置は価格が高い、とか形が大きいなどの問題もある。そしてまた、
微弱ラマン信号を検出するには検出器からのの熱雑音を排除し売るための液体窒素冷却や電子冷却機能を備えた高い価格の検出噐が必要である。また、許容可能な高いＳＮ比（信号／雑音比Ｓｉｇｎａｌ−ｔｏ−ｎｏｉｓｅ ｒａｔｉｏ）の信号得るには長時間の積分測定が要求されので、測定時間も長くなるとか、レーザー光の試料に与える影響が増大するなどのた欠点があった。
【０００８】
インドのＣ．Ｖ．ラマン先生がラマン効果の発見して依頼、ラマン分光法の前項までの記載問題点は様々な改善が加えられている。高精度のレーり光排除ラマンフィルター、レーザー光中のプラズマライン高効率排除フィルター、また１００２４ピクセル（Ｐｉｘｅｌ）以上の多数の受光素子を一列以上並べた電子冷却ＣＣＤ（Ｃｈａｒｇｅ Ｃｏｕｐｌｅｄ Ｄｅｖｉｃｅ Ｓｅｎｓｏｒ）等がその一例で広範囲のスペクトル波数領域を一度に測定することが可能で、測定時間の大幅な短縮を図った等である。
【０００９】
近年ラマンの散乱光強度を１００万倍から１億倍増大できる表面増強ラマン散乱分光法（ＳＥＲＳ）の研究が急速に進展してきた。これは銀、金、白金、ニッケル、など３０ｎｍ以上３００ｎｍ以下の大きさの島状の金属薄膜（図４−１７ａ）、や１ｎｍ〜１００ｎｍの大きさの金属微粒子薄膜（図４−１７ｂ）にレーザー光が入射したときに発現する効果である。ラマン散乱光の強度が通常のラマン散乱光強度に比べ１００万倍から１億倍に増大する。この手法を用いるとヘモグロビン１分子でもラマンスペクトルが計測できるとの報告がある。また、どのようにすればＳＥＲＳスペクトルがより高感度で、再現性よく測定できるかこれまでに明らかになており、実用的に使えることは周知である。
どのようにすればＳＥＲスペクトルがより高感度で、再現性よく測定できるかも明らかになてきている。
【００１０】
ところで、高屈折率の光学媒体（図４の２６）界面に媒体内から浅い角度で光を入射入さるとさせると界面近傍に光の波長の半分程度の深さ）光が滲み出す、この滲み出した光はエバネッセント光（Ｅｖａｎｅｓｃｅｎｔ ｌｉｇｈｔ）と呼ばれ、この光の場をエバネッセント場（ｅｖａｎｅｓｃｅｎｔ ｆｉｅｌｄ）という。るこの現象をエバネセント効果と呼ばれる。これも銀、金、白金、ニッケル、などの島状の金属薄膜、金属微粒子で出来た薄膜がエバネセント場内にあると金属電子と光（電磁波）が結合し共鳴する。これをプラズモン共鳴（Ｐｌａｓｍｏｎ Ｒｅｓｏｎａｎｃｅ）
という。この共鳴のため金属表面に強い電磁場が形成される。この共鳴電磁場は金属表面に限局（Ｌｏｃａｌｉｚｅｄ）する。
【００１１】
プラズモン共鳴について少し詳しく以下に言及する。
ＳＥＲＳ活性のある銀ナノ粒子はサイズや形状に依存して可視光域から近赤外域に強い共鳴を起こす。この共鳴は銀粒子内の電動電子の集団振動によるもので、局在表面プラズモン共鳴（Ｌｏｃａｌｉｚｅｄ Ｓｕｒｆａｃｅ Ｐｌａｓｍｏｎ Ｒｅｓｏｎａｎｃｅ／ＬＳＰＲ）もしくは単に表面プラスモン（ＳＰＲ）と呼ばれる。ＳＰＲによる銀ナノ粒子の周囲は強い電場に覆われるが、２個の銀粒子が近接するとその接点付近に極めて強い増強電場が生じる。その接点に１から数個の分子が吸着すると著しいＳＥＲＳ効果が生じる。これは古典電磁気学的な計算から、この接点に強い増強電場が生じることは解明されている。近接した２個の銀ナノ粒子（粒径６０ｎｍ）間（隙間）１ｎｍに生じる増強電場は１０８から１０１０倍のラマン散乱断面積の増大に対応し、ＳＥＲＳによるラマン散乱強度の増大することが証明されている。すなわち単一分子のラマン測定においてラマン散乱断面積の増大は１０１４〜１０１５倍である。前述の１０８から１０１０倍と差は共鳴ラマン効果による増大（１０３〜１０倍）もしくは電荷移動（ＣＴ）効果による増大（〜１０３倍）によって説明できる。
これらの増強電場効果は強い偏向依存性を示すことがることに注意する必要がある。この点を考慮して光学系を組む必要がある。
【００１２】
前述した内容を纏めるとＳＰＲ／ＳＥＲＳは以下の特徴を持っている
ＳＥＲＳはは銀、金、白金、ニッケル、などの表面で起こるが銀、金において効果が特に著しい。
ＳＥＲＳはラマン散乱効果の著しく増大を示す分子もあればそうでないものもある。
ＳＥＲＳ強度は金属表面に吸着した分子の配向に依存する。また表面からの距離にも依存する。
金属の表面荒さが発現に何らかの形で関与している。
ＳＥＲＳ強度は励起レーザー波長依存性を示す。
ＳＥＲＳ強度は励起光の入射角度依存性がある。３０度から９０度で効果ある。
【００１３】
ＳＥＲＳ｝は以下の利点を持っている
感度が極めて高い通常ラマンの１０６から１０８倍の強度がある。
選択性が高い、金属表面に吸着した分子だけがＳＥＲＳ効果を示す。分子の中でも吸着部位の化学構造によるラマンバンドが特に強度が増大する。
金属表面に吸着した分子の蛍光が消光するため、蛍光に隠されたラマンバンドが明瞭に観察される様になる。
液相と固相の界面に適用する（真空等は必要ない）。
【本発明が解決しようとする課題】
【００１４】
本発明が解決しようとする課題は、患者や動物検体にさらなる負担を強いることなく血液中および血管壁内のラマン活物質量を、高感度で迅速、かつ経時的に従来の構成に比較し簡単な構成で高感度に検出し、全血液または血漿中、および、血管壁内部または血管壁表面の各種特性をそれぞれ分離して精度よく測定するこカテーテルラマン分光システムを構築することにある。
【００１５】
患者、動物検体の血中の成分、薬剤や生体物質の濃度変化などを高感度に測定するには通常のラマン強度を大幅に増強する必要ががありエバネッセト光の表面プラズモン効果と表面増感ラマン効果を合せもたせたＬカテーテルいかに制作するかが大きな課題の一つである。
【００１６】
表面増大ラマン産卵効果は金属微粒子膜に吸着した分子に生じる効果で、そうでない分子をいかにそくていするかとの課題がある。
ＳＥＲＳはラマン散乱効果の著しく増大を示す分子もあればそうでい分子あるので、検体のなかの重要な分子になかで、ラマン増強効果を示さないものもある、これらの分子をいかに測定するかが重要な解決すべき課題となる
【００１７】
中空光ファイバーとカテーテルとを光学的に高効率に結合することも解決すべき課題である。
【００１８】
光ファイバーはファイバー内側面を全反射を繰り返し光が伝播するためのファイバーの曲り角度などの状態の変化がベースラインの形状が変化するとか、ラマンスペクトルに大きく影響する等中空ファイバーがもつ分光上に課題を解決する必要がある。
【課題を解決するための手段】
【００１９】
患者や動物検体にさらなる負担を強いることなく血液中の成分や特性物質、薬効成分をまた血液壁の脂肪、タンパクなどの特性物質をラマン分光法にて、従来の構成に比較し簡単な構成で簡便に迅速かつ経時的に検出し、血液や血管壁の薬物特性など各種特性を精度よく測定する課題に解決にはを備えたカテーテルを先端部に備えた中空ファイバーカテーテルを備えたカテーテルラマン分光システム提供することが本発明の解決手段である。
【００２０】
前項の光学媒体はカテーテル内に装着可能な高屈折のガラス素材を使った光ファイバー素材を用いることとした。光ファイバー素材は光の伝送損失を小さくするため光をファイバー内部で全反射させて伝送させているため、エバネッセント光を発現する最良の光学額媒体となりえる。これを適当な長さに切断して、銀、金、白金、ニッケル、などの微粒子薄膜をコートすることで、最良のエバネッセント光の表面プラズモン効果（ＳＰＲ）と表面ラマン増強効果（ＳＥＲＳ）の両方を発現するカテーテル装着素材を得ることができる。
前項００１６記載の金属微粒子薄膜をコートしたガラス製の光ファイバーをカテーテル内に装着した。このカテーテル側面に窓を開け光ファイバーの側面が試料と接触する様にした。こうすることで血液中の成分や血液壁面の内の分子が光ファイバー表面の金属微粒子薄膜に吸着し、ＬＳＰＲ／ＳＥＲＳ効果により高強度のラマン散乱光を発現する分子のラマンスペクトルを測定することに「した。
【００２１】
そして、ＳＥＲＳはラマン増大を示す分子効果がないと分子にたいしては
光ファイバー端部には図３に示したようなボールレンズズを配置し、中空光ファイバーと光学的な接合をおこうなうことにした。もう片方のカテーテルの先端部にもボールレンズを配置してボールレンズの外側で中空ファイバー、ガラス製光ファイバーからのレーザー光を図に示した様に集光するようにした。通常のラマンスペクトルはボールレンズより、集光した光により試料中の分子は励起され通常のラマン散乱光を測定することで解決することにした。
【００２２】
さらには、中空光ファイバーから発生する微弱ノイズ光の問題は
カテーテ付き中空ファイバーはは参照用と検体用の２系統として両方のカテーテル付き中空ファイバーファイバーの曲り状態などを調整して両方カテーテル付き中空ファイバーファイバーで発生するノイズ信号スペクトルを同じになるようにしてから検体ラマンスペクトル信号を測定することで、中空光ファイバーで発生する微弱ノイズ光成分スペクトルを検体成分スペクトルから的確に差し引いて測定することを可能とすることにした。
【発明の効果】
【００２３】
上記構成によれば、エバネッセント光表面プラズモン効果と表面増強ラマン散乱効果を発現するカテーテルをルことが出来、血液中や血管壁中の薬剤や生体物質の濃度を、患者にさらなる負担を強いることなく経時的に迅速で精度よく検出することができる。
エバネッセント光は、エバネッセント光が発生している表面近傍の数百ｎｍ付近に存在し、通常光のように空間を伝播することはない。このため、血液中では直径約８ｐｍの赤血球中に存在するヘモグロビンの影響をほとんど受けず、血漿中のラマン活収物質のラマンスペクトルを測定できる。また、カテーテルの先端につけたボールレンズを血液、血管壁に接触させることで、通常のラマンスペクトルも測定もできる。
、１本の光ファイバ通常ラマンスペクトルと表面増強ラマンスペクトルが得ることが検体中のあらゆる分子に対応可能なカテーテルラマン分光システムを提供かのうとする効果がある。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】本発明によるエバネッセント光のプラズモン共鳴効果（ＳＰＲ）と表面増強ラマン散乱分効果（ＳＥＲＳ）を用いたカテーテルラマン分光システムの実施の形態を示す図である
【図２】本発明によるカテーテルラマン分光システムに用いるエバネセントカテーテル詳細図である。
【図３】本発明によるカテーテルラマン分光システムのカテーテル部の詳細図。
【図４】本発明によるカテーテルラマン分光システムの中空光ファイバーの断面図の詳細図
【図５】本発明によるカテーテルシステムの具体的な構成例を示す図である。
【符号の説明】
【００２５】
１ エバネッセントカテーテル
２ エバネッセントカテーテルの接液部
３ 試料検体
４ 中空ファイバー
５ 参照用カテーテル付き中空ファイバ
６ 検体用カテーテル付き中空ファイバ
７ レーリー光、レーザーの中のノイズプラズマ光除去システムボックス
８ レーザー発振装置（レーザー光源、半導体レーザ）
９ レーザー光
１０ レーザー光の中のプラズマ光除去フィルター
１１ エッジフィルター（ラマンフィラター、２レーり光除去フィルター）
１２ ラマン散乱光
１３ 分光噐
１４ 分光器スリット
１５ 電子冷却ＣＣＤ音波
１６ ガラス製光ファイバー
１７ 金属微粒子薄膜（銀、金薄膜エバネッセント光発生部位）
１８ ボールレンズ
１９ レーザー集光点（通常ラマン散乱光発現部位）
２０ エバネセント光発現部位
２１ 中空光ファイバーの中心部（中空層）
２２ 中空光金属層（銀）２３
２３ 中空光ファイバーの金属層（銀）
２４ 中空光ファイバーの石英ガラス層
２５ 中空光ファイバーのポリイミド保護膜層
２６ エバネッセント半円筒プリズム
２７ エバネッセント半円筒プリズ界面
２８ 集光レンズ
２９ ラマン散乱光切り替えミラー
３０ 光偏向素子
３１ ラマン散乱光集光レンズ
【発明を実施するための最良の形態】
【００２６】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態を詳しく説明する。
【００２７】
実施例１
図１は、カテーテルシステム構成図である。
。この例は本発明によるカテーテルラマン分光システムに適用される構成例を示す図１によって詳細に説明する。
エバネッセント光表面プラズモン（図４）表面増感光学素子内蔵カテーテル１を血管３中に留置してレーザー光１０を導入して、エバネッセント光２０を発生させ、表面増強ラマン分光分析を行う様子は構成図を１に示した通りである。
【００２８】
レーザー発振装置８からのレーザー光９はレーザー光のラマン分光のノイズ光となるレーザー光に共存するパラマラインをカットするためのフィルター（プラズマラインフィルター）９透過させた後レーザー光切り替えダイクロイックミラー（エッジフィルター）２６で直角に反射させ、光偏向素子２９通した後集光レンズ２７で中空ファイバー４に集光して入射させる。中空ファイバーは参照用５と検体用６とがあり，
それぞれの光学系には集光レンズ２７ａ２７光偏向素子２９が備え付けてある。これらの切り替えはダイクロイックミラー２６で行う。
【００２９】
該ダイクロイックミラー２６はレーリー光を高効率に排除できるエッジフィルター又はラマンフィルターを４５度に傾斜してものに変えることができる。
【００３０】
図２は本発明によるカテーテルラマン分光システムに用いるエバネセントカテーテル詳細図である。カテーテル１内部には金属微粒子薄膜（銀、金）をコートしたガラス製光ファイバー１６が装着されている。カテーテル側面には窓２０があけてあり、金属微粒子薄膜１８と検体３とが接触する様にしてある。
【００３１】
中空ファイバーに導入されたレーザー光はボールレンズ１８を介して金属微粒子薄膜（銀、金）をコートしたガラス製光ファイバー１６にん入射した光レーザー光は金属微粒子薄膜（銀、金）をコートした表面で全反射した発生した表面プラズモン効果により増強したラマン散乱光を発現させた。
【００３２】
また、ガラス製光ファイバー１６を通過したレーザー光は他端のボールレンズで集光され検体１を照射して通常のラマン散乱光を発生する。発生したラマン散乱光はボールレンズ１８で集められ、ガラス製光ファイバー１６を通り、中空ファイバー６抜け集光レンズ２７ａで平行に光線二広げられた後、ダイクロイックミラー（エッジフィルター）２６を通りレンズ３０で分光器のスリット１４に導入され、分光器１３、冷却ＣＣＤもってラマンスペクトルが測定される。
金属微粒子薄膜で発現した増強ラマン散乱光も同じ経路で分光器１３に入射し、ラマンスペクトルが測定できるようにしてある。
【００３３】
ところで、増強ラマン散乱光の強度はエバネセント界面１８に入射する光の偏向面に依存するので、レーザー発振装置からのレーザー光路にをいれた。レーザーレーザー発振装置からのレーザー光は偏向特性があるので、レーザー装置を回転させて増強ラマン散乱光が最大となる様にしたあとで、光偏向素子２９は光路上に装着した。
【００３４】
００３０、００３１項で測定したラマン散乱光、増強ラマン散乱光によるラマンスペクトルには中空ファイバー、ガラス光ファイバーで発生したノイズ光が重畳しており、スペクトルの解析に邪魔になる。このノイ参照用ー５はと検体用中空ファイバ６との曲り角度を合せるなどの調整を行なった後参照用中空ファイバーからのラマン散乱光と検体ファイバーからのラマン散乱光を２７の切り替え身ミラーを切り替えて、交互に測定し、検体のラマンスペクトルから参照用のラマンスペクトル（バックグランドスペクトル）差し引くことで解析、定量、同定などの用途のスペクトルを得た。
【００３５】
ファイバー１６と中空光ファイバーの光学的接合はボールレンズ１８を介して行なっており、また、他端には通常のラマン測定のためのボールレンズを配置してある。 光による血漿中に成分から生じるラマン散乱光よる血漿中の成分および血管壁表面の状態を測定する表面増強ラマン効果を利用したラマン分光カテーテルシステムであって、中空光ファイバーとその先端部カテーテル備えたことを特徴とするカテーテルラマン分光システムである。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
表面増感光学素子内蔵カテーテルを血管中に留置してレーザー光を導入して、エバネッセント光を発生させ、表面増強ラマン分光分析を行う該エバネッセント光による血漿中に成分から生じるラマン散乱光よる血漿中の成分および血管壁表面の状態を測定する表面増強ラマン効果を利用したラマン分光カテーテルシステムであって、中空光ファイバーとその先端部カテーテル備えたことを特徴とするカテーテルラマン分光システム
【請求項２】
前記請求項１の過エーテルレーザー光を集光して試料に照射し、そこで発生したラマン三散乱光を集光して光ファイバーに導入する２つの目的のための高屈折率のボールレンズと他の端部はカテーテル内蔵石英製ガラスファイバーと中空光ファイバーを光学的に結合するための高屈折ボールレンズを配置したことを特徴とする表面増感ラマン効果を用いたカテーテルラマン分光システム
【請求項３】
前記請求項１カテーテ付き中空ファイバーはは参照用と検体用の２系統として両方のカテーテル付き中空ファイバーファイバーの曲り状態などを調整して両方カテーテル付き中空ファイバーファイバーで発生するノイズ信号スペクトルを同じになるようにしてから検体ラマンスペクトル信号を測定することで、中空光ファイバーで発生する微弱ノイズ光成分スペクトルを検体成分スペクトルから的確に差し引いて測定することを可能としたことを特徴とするカテーテルラマン分光システム。
【請求項１】
表面増感光学素子内蔵カテーテルを血管中に留置してレーザー光を導入して、エバネッセント光を発生させ、表面増強ラマン分光分析を行う該エバネッセント光による血漿中に成分から生じるラマン散乱光よる血漿中の成分および血管壁表面の状態を測定する表面増強ラマン効果を利用したラマン分光カテーテルシステムであって、中空光ファイバーとその先端部カテーテル備えたことを特徴とするカテーテルラマン分光システム
【請求項２】
前記請求項１の過エーテルレーザー光を集光して試料に照射し、そこで発生したラマン三散乱光を集光して光ファイバーに導入する２つの目的のための高屈折率のボールレンズと他の端部はカテーテル内蔵石英製ガラスファイバーと中空光ファイバーを光学的に結合するための高屈折ボールレンズを配置したことを特徴とする表面増感ラマン効果を用いたカテーテルラマン分光システム
【請求項３】
前記請求項１カテーテ付き中空ファイバーはは参照用と検体用の２系統として両方のカテーテル付き中空ファイバーファイバーの曲り状態などを調整して両方カテーテル付き中空ファイバーファイバーで発生するノイズ信号スペクトルを同じになるようにしてから検体ラマンスペクトル信号を測定することで、中空光ファイバーで発生する微弱ノイズ光成分スペクトルを検体成分スペクトルから的確に差し引いて測定することを可能としたことを特徴とするカテーテルラマン分光システム。
【公開番号】特開２０１３−６４７１１（Ｐ２０１３−６４７１１Ａ）
【公開日】平成２５年４月１１日（２０１３．４．１１）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−２２１３５５（Ｐ２０１１−２２１３５５）
【出願日】平成２３年９月１５日（２０１１．９．１５）
【出願人】（３０２０５１９８０）有限会社 レーザー分光 (4)
【出願人】（５１１２４２１１１）
【出願人】（５１１２４１９９６）
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２５年４月１１日（２０１３．４．１１）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年９月１５日（２０１１．９．１５）
【出願人】（３０２０５１９８０）有限会社 レーザー分光 (4)
【出願人】（５１１２４２１１１）
【出願人】（５１１２４１９９６）
【Ｆターム（参考）】
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