JP2005503010A - 光波源波長シフト装置及び１つ以上の選択された放射波長を分配するための方法 - Google Patents

Abstract

【解決手段】光分配装置（１００）は、波案内手段（１０６）と、ポンプ光源（１０２）と、蛍光エミッター（１１４）と、を備える。ポンプ光源（１０２）からのポンプ光は、波案内手段（１０６）を通してエミッター（１１４）に伝達される。エミッターは、複数の量子ドット（１２３）を有する。ポンプ光は、量子ドットにより吸収され、該ポンプ光の波長よりも長い所定波長の光として再放射される。放射された光の該所定波長は、光活性化学物質の１つ以上の活性波長と合致するように選択される。
【選択図】図１

Description

【技術分野】
【０００１】
本発明は、概して、シフトされた波長放射が、例えば光力学的治療薬、光硬化エポキシ又は、藻類等のための成長光等の材料のための少なくとも１つの吸収波長に対応するように光源（又はポンプ）波長を修正するための装置及び方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
光活性化学物質は、様々な医薬及び他の光活性用途において用いられてきた。そのような用途の一つは、幾つかの種類の癌の処理のための光力学的な化学的治療である。光反応性薬剤が身体に投与され、薬剤分子は、通常の組織よりも疾患のある組織（例えば癌組織）内により長く留まる。薬剤が与えられた波長で活性化するとき、それは癌細胞にとって有毒となる。
【０００３】
典型的には、光反応性薬剤は、単色レーザー光により活性化される。この光は、光波案内手段、一般には光ファイバーにより疾患組織領域に供給される。単色光レーザー光は、非常に幅の狭い波長を有するので、その光は、その活性化波長がレーザーに比較的近い波長に合致する光反応性薬剤のみを活性化させる。非常に頻繁に、これらの光活性化薬剤は、典型的には数十ナノメートルにより分離された１より多い吸収ピークを有する。
【０００４】
別の発光システムは、可視領域範囲の波長の大半を覆う広帯域放射を放出する発光手段を備えている。このシステムは、夫々異なる活性化波長を持つ多数の薬剤を同時に活性化することができるという利点を有している。そのようなシステムは、一般に疾患組織が患者の皮膚の３乃至５ミリメートルの範囲内にあるとき使用される。この範囲は、可視光の利用可能な貫通深さにおおよそ相当している。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
従って、皮膚レベル以下３ミリメートルより深い組織を照明することができると共に、１以上の選択された波長で光反応性薬剤の活性化を可能にする、改善された光供給システムの必要性が希求されている。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上述した必要性は、１つ以上の所定波長で放射する蛍光エミッターを有する光分配装置により充足される。
本発明の一態様によれば、光分配装置は、基端部及び末端部を有する光案内手段を備える。この基端部は、ポンプ光源からのポンプ光を受け取るように構成され、光案内手段は、ポンプ光を波案内手段の末端部に向かって伝達させる。光分配装置は、ポンプ光を受け取るように配置された蛍光エミッターを備える。エミッターは、複数の量子ドットを備え、該量子ドットは、ポンプ光に応答して所定波長の光を放射する。該所定波長は、ポンプ波長より長い。
【０００７】
本発明の一実施例では、エミッターは、光案内手段の末端部に隣接して配置される。エミッターは、基端部及び末端部を備える。本実施例では、量子ドットは、エミッターのコアにおいて、基端部と末端部との間に分布している。好ましくは、波長依存反射器は、ポンプ光をエミッターに向かって伝達させることを可能にするように配置されているが、量子ドットの空洞部を用いて、放射された（蛍光された）光を反射する。
【０００８】
本発明の別の態様は、生体のボディ内に光を分配する方法を備える。本方法は、ポンプ光を光案内手段を通してボディ内の位置に分配する工程を備える。本方法は、ポンプ光を用いて、そのような位置に配置された蛍光エミッターをポンピングする工程を備える。このポンピング工程は、該ポンプ光で複数の量子ドットを照明する工程を有し、これにより該複数の量子ドットが少なくとも１つの所定波長の光を放出する。本方法は、ボディ内の上記位置を放射された光で照明する工程を更に備える。
【０００９】
一つの方法では、エミッターは、ボディ内の腫瘍に隣接して配置され、放射された光は、該腫瘍内に存在する少なくとも１つの光反応性薬剤を活性化させるように選択される。
【実施例】
【００１０】
ここで、図面を参照する。これらの図面では、類似の参照番号が、図面を通して類似の構成要素を指し示している。図１は、光分配装置１００を表しており、この光分配装置は、ポンプ光源１０２と、波案内カテーテル１０４と、を備えている。カテーテル１０４は、基端部１１２ａと、末端部１１２ｂと、を備え、例えば、コア及びクラッディングを有する光ファイバー等の光学的波案内手段１０６を備えている。
【００１１】
カテーテル１０４の末端部１１２ｂは、蛍光光放射構成により形成されたエミッター１１４を備えている。エミッター１１４の拡大図が、図２に示されている。エミッター１１４は、基端部１１６ａと、末端部１１６ｂと、を有し、該基端部１１６ａが波案内手段１０６に隣接するようにしている。ブラッグ反射器アッセンブリ１２２が基端部１１６ａに配置され、広帯域鏡面反射器１２４が末端部１１６ｂに配置されている。量子ドットの体積領域１２３は、ブラッグ反射器アッセンブリ１２２と、広帯域反射器１２４との間に配置されている。一実施例では、エミッターは、光ファイバー区分を備えており、該量子ドットの体積領域はそのような区分のコアに亘って分布されている。
【００１２】
ブラッグ反射器１２２は、屈折率のばらつきを有する透明材料を備えており、この屈折率のばらつきにより、選択された波長の光が反射される。ブラッグ反射器１２２は、特定の波長の光を選択的に反射する。「波長」という用語は、狭帯域の電磁放射に言及しているものと理解されよう。
【００１３】
広帯域反射器１２４は、後述される目的のために、量子ドットの体積領域１２３から光を鏡面反射し、その光が該量子ドットの体積領域１２３に再指向されるようにしている。
量子ドット１２３の体積領域は、反射器１２２、１２４の間の領域を通して分布された複数の量子ドット１２６を備え、該複数の量子ドットは、好ましくは近接した間隔関係で分布される。量子ドットは、当該技術分野で周知されており、多数の源から市販されている。量子ドットの一例は、カリフォルニア、パロアルトのクォンタムドット社により、商標名Ｑdot（Ｒ）ので販売され、製造、供給されている。
【００１４】
図３に示されているように、単一の量子ドット１２６は、個々の粒子１２８を形成する小数グループの原子１２７を含んでいる。これらの量子ドット１２６は、例えば、セレン化亜鉛（ＺｎＳｅ）、セレン化カドミウム（ＣｄＳｅ）、硫化カドミウム（ＣｄＳ）、ヒ化インジウム（ＩｎＡｓ）、及び、リン化インジウム（ＩｎＰ）等の半導体を含む様々な材料から構成され得る。適切に用いることができる別の材料は、二酸化チタン（ＴｉＯ₂）である。粒子１２８、即ち量子ドット１２６のサイズは、約２から１０ｎｍの範囲になり得る。これらの粒子１２８のサイズは、小さ過ぎるので、量子力学がその電子的及び光学的特性の多くを支配している。量子力学の量子ドット１２６へのそのような応用の結果の一つが、量子ドットが幅広いスペクトルの光学的波長の光を吸収し、吸収された光の波長よりも長い波長を有する放射を再放出するということである。放射された光の波長は量子ドット１２６のサイズにより支配される。例えば、５．０ｎｍ直径を有するＣｄＳｅ量子ドットは、約６２５ｎｍのところに中心を有する幅の狭いスペクトル分布を有する光を放射し、その一方で、２．２ｎｍの直径を有するＣｄＳｅ量子ドット１２６は、約５００ｎｍの中心波長を有する光を放射する。ＣｄＳｅ、ＩｎＰ及びＩｎＡｓを含む半導体量子ドットは、４００ｎｍから約１．５μｍの範囲に中心波長を有する光を放射することができる。二酸化チタンＴｉＯ₂も、この範囲で放射する。当該放射のライン幅、即ちこれらの半導体材料に関する半値幅（ＦＷＨＭ）は、約２０ｎｍ乃至約３０ｎｍの範囲となり得る。量子ドット１２６は、この狭帯域の放射を、該ドットにより放射される光の波長よりも短い１以上の波長を有する吸収光に応答して、生成する。例えば、５．０ｎｍの直径のＣｄＳｅ量子ドットに対して、約６２５ｎｍより短い波長は、約６２５ｎｍで放射を生成するように吸収され、それと共に、ＣｄＳｅの２．２ｍｍの量子ドットに対しては、約５００ｎｍより短い波長が吸収され、約５００ｎｍで再放射される。しかし、実際には、励起光即ちポンピング放射は、放射される光よりも少なくとも約５０ｎｍ短いのが好ましい。量子ドットの上記及び他の特性は、テクノロジーレビュー誌、２０００年１月／２月号の５０〜５７頁に掲載されている「量子ドットコム」において、デビッド−ロットマンにより説明されている。
【００１５】
光分配装置１００のポンプ光源１０２は、ポンプ光源１０２から波案内手段１０６にポンプ光１５２を伝達するように、カテーテルの基端部１１２ａに光学的に連結された光源１０３ａを備えている。ポンプ光１５２の波長は、上述されたように放射光１５４の波長よりも短い。一実施例では、光源１０３ａは、紫外線（ＵＶ）放射源である。
【００１６】
作動中には、ポンプ光源１０２は、波長λ_pumpのポンプ光１５２を生成する。波長λ_pumpは、単一の波長のみ含んでいてもよく、或いは、離散的又は連続的分布で多数の波長の複合を含んでいてもよいことが理解されよう。ポンプ光１５２は、カテーテル１０４の基端部１１２ａに入り、波案内手段１０６を通って案内される。エミッター１１４に到達したとき、ポンプ光１５２の少なくとも一部分は、量子ドット１２６により吸収される。量子ドット１２６は、等方的な態様即ち全ての方向に、吸収したエネルギーを波長λ_emittedの放射光１５４として再放射する。波長λ_emittedは、上述したように、量子ドット１２６の混合により決定される。一実施例では、エミッター１１４は、一定の多重度の特有波長λ_emittedを持つ放射光１５４を分配するように作られた量子ドット１２６の混合物を含んでいることが認められよう。
【００１７】
量子ドット１２６から放射された光１５４の等方放射とは、放射された光１５４の一部分が量子ドット１２３の体積領域から意図したターゲットに向かって伝播するということを意味している。放射光１５４の中には、それが反射されるところの、ブラッグ反射器１２２又は広帯域反射器１２４のいずれかへと伝播することができるものがある。例えば、図４に示されるように、３つの種類の量子ドットの混合物は、３つの波長λ₁、λ₂及びλ₃で放射を提供するため利用され得る。ブラッグ反射器は、放射波長の全てを反射し、その一方でポンプ波長を通過させる。
【００１８】
広帯域反射器１２４は、内部に入射する、吸収されないポンプ光１５２も反射させる。かくして、反射光は、量子ドット１２６を更にポンピングし、かくして、ポンプ光１５２のうち多くのものを量子ドット１２６が吸収することを可能にする。
【００１９】
広帯域反射器１２３及びブラッグ反射器アッセンブリ１２２の組み合わせは、ターゲット領域に分配される波長λ_emittedの所望の放射光１５４の正味の量を増大させる結果を生じさせる。本発明の一実施例では、患部（例えば、癌腫瘍化した）組織による選択的な吸収のため光反応性薬剤が患者に投与される。カテーテル１０４（図１）は、そのような患部組織に適切に近接してエミッター１１４を配置するように皮膚１６４を通してボディ組織１６２内に外科的に挿入される。患部組織内に存在する光反応性薬剤は、治療のため薬剤を活性化するように、放射光１５４により照射される。
【００２０】
本発明の別の実施例では、空洞部を充填するべく使用される複合材料を硬化するためカテーテル１０４を歯科環境で使用することができる。例えば、エミッター１１４は、放射光１５４を、複合材料の硬化波長と合致させるように調整することができる。
【００２１】
当業者は、光供給システム１００が、例えば光硬化エポキシ（歯科、工業等々）等の追加の用途を有すると認めるであろう。他の用途としては、プラント、藻類等のための成長光、並びに、バクテリアを照明したり、光活性化DNA蛍光マーカーを活性化すること等が含まれる。関連する用途は、上述したものに限定されるものではないことが理解されるべきである。また、本発明は、本明細書で記載された本質的な特性から逸脱すること無く他の特定の形態で実施化することができる。上記した実施例は、例示としてのみ考えられるべきであり、任意の態様に限定するべきではない。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】図１は、本発明の一実施例に係る光分配装置を示す図である。
【図２】図２は、図１に表された光分配装置の蛍光エミッターの構成を示す図である。
【図３】図３は、図１及び図２の蛍光エミッターに備えられている、単一量子ドットを概略的に示す図である。
【図４】図４は、ブラッグ反射器の特性を示す概略図である。

Claims (15)

1. 装置であって、
   ポンプ光源からポンプ波長を持つ光を受け取るための基端部を備える光波案内手段であって、前記ポンプ光源からのポンプ光を該光案内手段の末端部に向かって伝達させる、前記光波案内手段と、
   前記光波案内手段により伝達されたポンプ光を受け取るように位置決めされた蛍光エミッターであって、ポンピングに応答して、前記ポンプ波長より長い所定波長の光を放射する複数の量子ドットを備える、前記蛍光エミッターと、
   を備える、装置。
2. 前記エミッターは、前記光波案内手段の前記末端部に位置決めされ、該エミッターは、基端部及び末端部を備え、前記装置は、該エミッターの該基端部に配置された波長依存反射器と、前記エミッターの前記末端部に配置された広帯域反射器と、を更に備える、請求項１に記載の装置。
3. 前記エミッターは、光ファイバー区分を備え、前記量子ドットは、該ファイバーのコア内に分布している、請求項１に記載の装置。
4. 前記複数の量子ドットの第１の部分は、該量子ドットの第２の部分の放射の波長とは異なる波長で光を放射する、請求項１に記載の装置。
5. 生体のボディ内に光を分配する方法であって、
   前記ボディ内の位置に光案内手段を通してポンプ光を分配する工程と、
   前記位置に配置された蛍光エミッターを前記ポンプ光でポンピングする工程であって、該ポンピング工程は、前記ポンプ光で複数の量子ドットを照明し、これにより該量子ドットが少なくとも１つの所定波長の光を放出する、前記工程と、
   放射された光で前記位置を照明する工程と、
   を備える、方法。
6. 前記エミッターの位置は、腫瘍に隣接している、請求項５に記載の方法。
7. 前記放射された光を使用して、光力学的薬剤を活性化する、工程を備える、請求項５に記載の方法。
8. 前記照明工程は、材料を硬化させる工程を有する、請求項５に記載の方法。
9. 前記材料は、エポキシを含む、請求項８に記載の方法。
10. 前記照明工程は、植物体を照明する工程を有する、請求項５に記載の方法。
11. 前記植物体は、藻類を含む、請求項１０に記載の方法。
12. 前記照明工程は、バクテリアを照明する工程を有する、請求項５に記載の方法。
13. 前記照明工程は、DNA蛍光マーカーを照明する工程を有する、請求項５に記載の方法。
14. 前記量子ドットの混合物を使用して複数の放射波長を提供する工程を備える、請求項５に記載の方法。
15. 前記複数の放射波長は、照明されるべき材料の夫々の吸収波長のピークに実質的に合致している、請求項１４に記載の方法。

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