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光周波数コム 1 で病気の早期発見が可能に(米国)
ＮＥＤＯ海外レポート ＮＯ.1019, 2008.3.19 【産業技術】ライフサイエンス 光周波数コム 1 で病気の早期発見が可能に(米国) −呼気に含まれる 1,000 を超える微量化合物を検出− 寒い冬の日に息を吐くと、口から出てくる水蒸気が見える。ノーベル賞受賞技術を応用 したツールを用いて、このような呼気から 1,000 を超える微量化合物を検出し、病気の初 期 兆 候 を 見 つ け る こ と が 可 能 に な る か も し れ な い 。 米 国 標 準 技 術 研 究 所 (National Institute of Standards and Technology：NIST)とコロラド大学ボールダー校との共同研 究所である宇宙物理学複合研究所(Joint Institute for Laboratory Astrophysics：JILA)の 物理学者 Jun Ye とその研究チームは、呼気にごく少量ずつ含まれる膨大な量の分子を同 時に識別する光学技術を最近の論文 2 の中で発表した。この技術を利用して、時間がかか らず低価格な病気のスクリーニング・ツールが実現できる可能性がある。 エンハンスメント・キャビティー （レーザー共振器）内のガスの流れ モード同期ファイバーレーザー （1 分間に 1 リットル） 円柱 レンズ VIPA エタロン 垂直回折格子 チョーク バルブ 圧力 調整器 水平回折 圧力計 テドラーバッグ キャリブレーション 結像レンズ ドライ スクロール ポンプ InGaAs カメラ (Credit: Univ. of Colorado/JILA) 「呼気に含まれる重要なバイオマーカー3 をすべて同時に分析できるようになると想像 するのは刺激的だ。 」Ye はこのように言う。 「たとえば、呼気に含まれる一酸化窒素は喘息 （ぜんそく）の可能性を示すが、慢性閉塞性肺疾患(COPD)、嚢胞（のうほう）性線維症、 気管支拡張症などほかの多くの肺疾患でも同様に、呼気の中に一酸化窒素が見られる。し かし、一酸化炭素や過酸化水素、亜硝酸化合物、硝酸塩、ペンタン、エタンなど、喘息の 重要なバイオマーカーが一酸化窒素以外にも一緒に見つかれば、診断の確定ははるかに容 易になる。 」 1 光周波数コム： 等間隔のスペクトル分布を持つ光源。等しい間隔で並んだ多数の光を「櫛の歯」に見立てて 「光周波数コム(Comb = 櫛)」と呼ばれている。 2 M.J. Thorpe, D. Balslev-Clausen, M.S. Kirchner and J. Ye. Human breath analysis via cavity enhanced optical frequency comb spectroscopy. Optics Express, Vol. 16, No. 4, February 18, pp. 2387-2397. 3 バイオマーカー： 身体の状態や病態を示す指標となる化合物。 76 ＮＥＤＯ海外レポート ＮＯ.1019, 2008.3.19 呼気から微量分子を検出する従来の方法には、検査が大がかりであったり時間がかかっ たりするほか、特定の分子しか検出できない、複数の化合物の識別が難しい、あるいは濃 度測定において正確性に欠けるなど、さまざまな問題があった。今回の新しい手法では、 2005 年にノーベル物理賞を受賞した JILA 上級研究員ジョン・ホールらの「周波数コム」 技術を利用してヒトの呼気を分析する。周波数コムを発生させるには、等間隔に並んだ超 短波光パルスを発するように特別に設計されたレーザーを利用する。各パルスの幅はわず か 1,000 兆分の 1 秒程度である。このレーザーにより、広い周波数範囲にわたって波長の 山（ピーク）が非常に狭い幅で等間隔に並んだ、櫛の歯状の光を発生させる。 実験では、ボランティアの学生が吐いた息を光レーザー共振器（キャビティー）に入れ、 光パルスの「櫛」で検査した。光の中のどの色がどれだけ吸収されたかを調べることによ り、特定の分子とその分子の濃度を測定する。このとき原則的に、櫛の「歯」の近くで吸 収された光を探す。たとえば、実験に参加した学生のうち喫煙する者の検査結果は、喫煙 しない者と比べて 5 倍高い一酸化炭素レベルを示した。光コム技術を利用することで、非 常に広い周波数域を同時に分析し、存在しうる多数の分子化合物を高精度、高分解能、高 感度に検出することができる。この技術はまだ開発の初期段階にあり、診察室で実際に利 用できるようになるまでには臨床試験も必要となる。しかしながら、これは周波数コムを 一般的な技術へ応用する最初の試みのひとつとなるかもしれない。 出典：Optical 'Frequency Comb' Can Detect the Breath of Disease http://www.nist.gov/public_affairs/techbeat/tb2008_0219.htm#comb 翻訳：桑原 未知子 77