JP6438319B2 - 粒子検出装置 - Google Patents
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Description
本発明は検出技術に関し、粒子検出装置に関する。
フローサイトメータ、及び微生物検出装置等を含む粒子検出装置においては、サンプルである流体を流すためのフローセルが用いられる。フローセルは透明であり、フローセル内部を流れる流体に光を照射すると、流体中に含まれる粒子が蛍光を発したり、散乱光が生じたりする。蛍光や散乱光は、フローセルの隣に配置されたレンズで集光されて検出される（例えば、特許文献１ないし４参照。）。蛍光や散乱光の検出回数、検出強度、及び検出波長等から、流体中に含まれていた粒子の数や種類を特定することが可能である。例えば、粒子が生物粒子であるか否か、粒子が樹脂であるか否か、あるいは粒子が気泡であるか否か等を判別することが可能である。なお、フローセルを用いずに、気流に光を照射して、気流中に含まれる粒子を検出する場合もある（例えば、特許文献５参照。）。
本発明者らは、鋭意研究の末、フローセル内の粒子による蛍光や散乱光は、粒子から全方位的に発せられるため、蛍光や散乱光を集光するレンズの開口数は高くなければならないことを見出した。しかし、高開口数のレンズは複雑な光学系を要するため、粒子検出装置の製造コストが増大するという問題がある。また、高開口数のレンズは、焦点距離が短いため、フローセルに対するレンズを含む光学系の配置の自由度が低くなるという問題がある。さらに、現実的に開口数が１．０のレンズは存在し得ないという問題がある。そこで、本発明は、高開口数レンズをフローセルに隣接して配置することなく、効率的に粒子を検出可能な粒子検出装置を提供可能することを目的の一つとする。
本発明の態様は、（ａ）検査光を発する検査光源と、（ｂ）検査光を照射される、粒子を含む流体を流すフローセルであって、検査光を照射された粒子で生じた反応光を反射する半球面反射膜と、半球面反射膜で反射された反応光が透過する半球面レンズ部と、を有するフローセルと、（ｃ）フローセルの位置を第１焦点とする楕円鏡であって、フローセルの半球面レンズ部を透過した反応光を反射する楕円鏡と、（ｄ）楕円鏡の第２焦点に配置された、楕円鏡で反射された反応光を検出する光検出器と、を備える、粒子検出装置である。
反応光が蛍光であってもよいし、散乱光であってもよいし、蛍光及び散乱光の両方であってもよい。また、検査光の進行方向において、楕円鏡に切り欠きが設けられていてもよい。
フローセルが、流体が流れる貫通孔が設けられた透明な球体部材を備え、半球面反射膜が、球体部材の一部を覆い、球体部材の半球面反射膜で覆われていない部分が、半球面レンズ部として機能してもよい。ここで、球体部材に設けられた貫通孔の断面形状が円であってもよい。
また、フローセルが、（ａ）第１主面、第１主面と対向する第２主面、並びに第１及び第２主面に対して垂直な側面を有し、側面から側面へ貫通する貫通孔が設けられた透明な板状部材と、板状部材の第１主面上に配置された、透明な第１の半球部材と、（ｂ）板状部材の第２主面上に配置された、透明な第２の半球部材と、を備え、（ｃ）半球面反射膜が、透明な第１の半球部材を覆い、（ｄ）第２の半球部材が、半球面レンズ部として機能してもよい。ここで、板状部材に設けられた貫通孔の断面形状が円であってもよい。
あるいは、フローセルが、（ａ）第１主面、及び第１主面と対向する第２主面を有し、第１主面から第２主面に貫通する貫通孔が設けられた透明な板状部材と、（ｂ）貫通孔が設けられた透明な第１の半球部材であって、板状部材の貫通孔と、当該第１の半球部材の貫通孔とが連通するように、板状部材の第１主面上に配置された第１の半球部材と、（ｃ）貫通孔が設けられた透明な第２の半球部材であって、板状部材の貫通孔と、当該第２の半球部材の貫通孔とが連通するように、板状部材の第２主面上に配置された第２の半球部材と、を備え、（ｄ）半球面反射膜が、透明な第１の半球部材を覆い、（ｅ）第２の半球部材が、半球面レンズ部として機能してもよい。
ここで、板状部材、並びに第１及び第２の半球部材に設けられた貫通孔の断面形状が円であってもよい。第１及び第２の半球部材に設けられた貫通孔の内壁の平滑度が、板状部材に設けられた貫通孔の内壁の平滑度より低くてもよい。第１及び第２の半球部材に設けられた貫通孔の直径が、板状部材に設けられた貫通孔の直径よりも大きくてもよい。第１及び第２の半球部材の透明度が、板状部材の透明度より低くてもよい。板状部材が石英ガラスからなり、第１及び第２の半球部材が、石英ガラスとは異なる材料からなっていてもよい。板状部材と、第１及び第２の半球部材とが、オプティカルコンタクトにより接合されていてもよい。
本発明によれば、効率的に粒子を検出可能な粒子検出装置を提供可能である。
以下に本発明の実施の形態を説明する。以下の図面の記載において、同一又は類似の部分には同一又は類似の符号で表している。但し、図面は模式的なものである。したがって、具体的な寸法等は以下の説明を照らし合わせて判断するべきものである。また、図面相互間においても互いの寸法の関係や比率が異なる部分が含まれていることは勿論である。
（第１の実施の形態）
本発明の第１の実施の形態に係る粒子検出装置は、図１に示すように、検査光を発する検査光源３０と、検査光を照射される、粒子を含む流体を流すフローセル４０であって、検査光を照射された粒子で生じた反応光を反射する半球面反射膜４２と、半球面反射膜４２で反射された反応光が透過する半球面レンズ部４３と、を有するフローセル４０と、フローセル４０の位置を第１焦点とする楕円鏡５０であって、フローセル４０の半球面レンズ部４３を透過した反応光を反射する楕円鏡５０と、楕円鏡５０の第２焦点に配置された、楕円鏡５０で反射された反応光を検出する光検出器６０Ａ、６０Ｂ、６０Ｃと、を備える。ここで、流体とは、例えば液体である。また、反応光とは、蛍光及び散乱光の少なくとも一方をいう。
本発明の第１の実施の形態に係る粒子検出装置は、図１に示すように、検査光を発する検査光源３０と、検査光を照射される、粒子を含む流体を流すフローセル４０であって、検査光を照射された粒子で生じた反応光を反射する半球面反射膜４２と、半球面反射膜４２で反射された反応光が透過する半球面レンズ部４３と、を有するフローセル４０と、フローセル４０の位置を第１焦点とする楕円鏡５０であって、フローセル４０の半球面レンズ部４３を透過した反応光を反射する楕円鏡５０と、楕円鏡５０の第２焦点に配置された、楕円鏡５０で反射された反応光を検出する光検出器６０Ａ、６０Ｂ、６０Ｃと、を備える。ここで、流体とは、例えば液体である。また、反応光とは、蛍光及び散乱光の少なくとも一方をいう。
フローセル４０は、図２に示すように、検査対象粒子を含む流体が流れる貫通孔４４が設けられた透明な球体部材４１を備える。透明な球体部材４１の表面及び貫通孔４４の内壁は、例えば、研磨されている。貫通孔４４は、例えば球体部材４１の中心を通る。貫通孔４４の延伸方向に対する貫通孔４４の断面形状は、例えば円である。貫通孔４４の断面形状を円とし、内壁に角がないようにすると、貫通孔４４の内部に気泡が滞留したり、汚れが付着したりすることを抑制することが可能となる。貫通孔４４の延伸方向は、検査光の進行方向に対して垂直、かつ楕円鏡５０の長軸方向に対して垂直である。貫通孔４４の直径は、これに限定されないが、例えば１ｍｍ未満である。球体部材４１は、例えば石英ガラスからなる。
図３及び図４に示すように、半球面反射膜４２は、球体部材４１の一部、例えば貫通孔４４を境に約半分を覆っている。半球面反射膜４２は、例えば蒸着膜であり、金属等からなる。あるいは、半球面反射膜４２は、誘電体多層膜であってもよい。球体部材４１の半球面反射膜４２で覆われていない部分が、半球面レンズ部４３として機能する。半球面反射膜４２と、半球面レンズ部４３と、は、対向している。
図１に示すように、フローセル４０は、半球面レンズ部４３の凸部及び半球面反射膜４２の凹部が楕円鏡５０と対向するように配置される。また、フローセル４０は、貫通孔４４が通るフローセル４０の中心が、楕円鏡５０の第１焦点と一致するよう、配置される。
フローセル４０を流れる流体に含まれる粒子とは、微生物等を含む生体物質、細胞、化学物質、ごみ、ちり、及び埃等のダスト等を含む。微生物の例としては細菌及び真菌が含まれる。細菌の例としては、グラム陰性菌及びグラム陽性菌が挙げられる。グラム陰性菌の例としては、大腸菌が挙げられる。グラム陽性菌の例としては、表皮ブドウ球菌、枯草菌、マイクロコッカス、及びコリネバクテリウムが挙げられる。真菌の例としては、黒カビ等のアスペルギルスが挙げられる。ただし、微生物はこれらに限定されない。
流体に、微生物等の蛍光性粒子が含まれていると、粒子は励起光を照射されて蛍光を発する。例えば、微生物に含まれるリボフラビン（ｒｉｂｏｆｌａｖｉｎ）、フラビンヌクレオチド（ＦＭＮ）、フラビンアデニンジヌクレオチド（ＦＡＤ）、ニコチンアミドアデニンジヌクレオチドリン酸（ＮＡＤ（Ｐ）Ｈ）、ピリドキサミン（ｐｙｒｉｄｏｘａｍｉｎｅ）、ピリドキサールリン酸（ｐｙｒｉｄｏｘａｌ−５’−ｐｈｏｓｐｈａｔｅ）、ピリドキシン（ｐｙｒｉｄｏｘｉｎｅ）、トリプトファン（ｔｒｙｐｔｏｐｈａｎ）、チロシン（ｔｙｒｏｓｉｎｅ）、及びフェニルアラニン（ｐｈｅｎｙｌａｌａｎｉｎｅ）等が、蛍光を発する。
フローセル４０内部を流れる蛍光性粒子を検出するための検査光としての励起光は、例えば、球状のフローセル４０の中心に焦点を結ぶよう、図１に示す検査光源３０から照射される。検査光源３０としては、発光ダイオード（ＬＥＤ）及びレーザが使用可能である。検査光の波長は、例えば２５０ないし５５０ｎｍである。検査光は、可視光であっても、紫外光であってもよい。検査光が可視光である場合、検査光の波長は、例えば４００ないし５５０ｎｍの範囲内であり、例えば４０５ｎｍである。検査光が紫外光である場合、検査光の波長は、例えば３００ないし３８０ｎｍの範囲内であり、例えば３４０ｎｍである。ただし、検査光の波長は、これらに限定されない。
検査領域としての貫通孔４４内部で励起光を照射された蛍光性粒子は蛍光を発する。また、励起光を照射された蛍光性粒子及び非蛍光性粒子において、例えばミー散乱による散乱光が生じる。光を照射された粒子において生じた反応光としての蛍光及び散乱光は、粒子から全方位的に発せられる。
図４に示すフローセル４０の半球面レンズ部４３の方に進行した蛍光及び散乱光は、半球面レンズ部４３の表面から出射し、楕円鏡５０に到達する。検査光の焦点が球体部材４１の中心と一致する場合、検査光の焦点で生じた蛍光及び散乱光は、半球面レンズ部４３の表面に対してほぼ垂直に入射する。そのため、蛍光及び散乱光は、半球面レンズ部４３の表面でほぼ屈折することなく、半球面レンズ部４３の表面から出射する。
フローセル４０の半球面反射膜４２の方に進行した蛍光及び散乱光は、半球面反射膜４２で反射され、半球面レンズ部４３の表面から出射し、楕円鏡５０に到達する。検査光の焦点が球体部材４１の中心と一致する場合、検査光の焦点で生じた蛍光及び散乱光は、半球面反射膜４２に対してほぼ垂直に入射する。そのため、蛍光及び散乱光は、半球面反射膜４２でほぼ垂直に反射され、球体部材４１のほぼ中心を経て、半球面レンズ部４３の表面でほぼ屈折することなく、半球面レンズ部４３の表面から出射する。
図１に示す楕円鏡５０の凹面は、半球面反射膜４２の凹面、及び半球面レンズ部４３の凸面と対向している。例えば、楕円鏡５０は、フローセル４０をほぼ覆っている。半球面レンズ部４３の表面から出射した蛍光及び散乱光は、楕円鏡５０で反射され、フローセル４０の後方の楕円鏡５０の第２焦点に集光される。例えば、フローセル４０の半球面反射膜４２と比較して楕円鏡を十分に大きくすることによって、楕円鏡５０による蛍光及び散乱光の集光効率が向上する。楕円鏡５０の幾何学的な第１焦点及び第２焦点の間には、波長選択的反射鏡７０Ａ、７０Ｂが配置されている。
波長選択的反射鏡７０Ａは、例えば、波長選択的に、散乱光を反射する。波長選択的反射鏡７０Ａで反射された散乱光の焦点は、楕円鏡５０の幾何学的な第２焦点と光学的に等価である。波長選択的反射鏡７０Ａで反射された散乱光の焦点に、散乱光を検出するための光検出器６０Ａが配置される。波長選択的反射鏡７０Ａと光検出器６０Ａの間に、誘電体多層膜等を含むバンドパスフィルタ、及びロングパスフィルタ等が配置されてもよい。
波長選択的反射鏡７０Ｂは、例えば、波長選択的に、第１の波長帯域の蛍光を反射し、第２の波長帯域の蛍光を透過させる。波長選択的反射鏡７０Ｂで反射された蛍光の焦点は、楕円鏡５０の幾何学的な第２焦点と光学的に等価である。波長選択的反射鏡７０Ｂで反射された第１の波長帯域の蛍光の焦点に、第１の波長帯域の蛍光を検出するための光検出器６０Ｂが配置される。波長選択的反射鏡７０Ｂで透過した第２の波長帯域の蛍光の焦点に、第２の波長帯域の蛍光を検出するための光検出器６０Ｃが配置される。波長選択的反射鏡７０Ｂと光検出器６０Ｂの間、及び波長選択的反射鏡７０Ｂと光検出器６０Ｃの間に、誘電体多層膜等を含むバンドパスフィルタ、及びロングパスフィルタ等が配置されてもよい。
波長選択的反射鏡７０Ａ、７０Ｂとしては、ダイクロイックミラー、干渉膜フィルタ、及び光学フィルタ等が使用可能である。なお、波長選択的反射鏡７０Ａ、７０Ｂのそれぞれの設計入射角度が４５度である場合、楕円鏡５０の第１及び第２焦点の間隔を、波長選択的反射鏡７０Ａ、７０Ｂに対する散乱光又は蛍光の入射角が３５度以上５５度以下になるように設定すると、干渉膜フィルタの分光効率が高くなる傾向にあるが、これに限定されない。また、設計入射角度が０度の光学系がバンドパスフィルタ及びロングパスフィルタを含む場合、バンドパスフィルタ及びロングパスフィルタに対する散乱光又は蛍光の入射角が１０度以下になるように設定するとよい。
以上説明した第１の実施の形態に係る粒子検出装置によれば、当初、楕円鏡５０と反対方向に進行した蛍光及び散乱光を半球面反射膜４２で楕円鏡５０の方向に反射し、光検出器６０Ａ、６０Ｂ、６０Ｃの位置に集光することが可能となる。そのため、フローセル４０内において、当初、粒子から全方位的に発せられた蛍光及び散乱光を、レンズ集光系と同等以上の効率で集光し、検出することが可能となる。
また、第１の実施の形態に係る粒子検出装置においては、フローセル４０に半球面反射膜４２を設けることにより、半球面反射膜４２を小さくすることが可能となる。そのため、半球面反射膜４２の影の面積を小さくすることが可能となり、蛍光及び散乱光の集光効率が向上し、高価な高開口数レンズを含む複雑な光学系を用いなくとも、微弱な蛍光や散乱光を効率よく検出することが可能となる。また、第１の実施の形態に係る粒子検出装置は、複雑な光学系を必要としないため、製造や調節が容易である。
（第２の実施の形態）
本発明の第２の実施の形態に係る粒子検出装置においては、図５に示すように、検査光の進行方向において、楕円鏡５０に切り欠き５１が設けられている。フローセル４０に検査光を照射すると、フローセル４０の外壁及び貫通孔４４の内壁等で散乱が生じ、迷光となりうる。迷光は、フローセル４０の外壁及び貫通孔４４の内壁等における検査光の照射位置を頂点とし、頂角が約３０度から６０度である円錐状に広がる傾向にある。
本発明の第２の実施の形態に係る粒子検出装置においては、図５に示すように、検査光の進行方向において、楕円鏡５０に切り欠き５１が設けられている。フローセル４０に検査光を照射すると、フローセル４０の外壁及び貫通孔４４の内壁等で散乱が生じ、迷光となりうる。迷光は、フローセル４０の外壁及び貫通孔４４の内壁等における検査光の照射位置を頂点とし、頂角が約３０度から６０度である円錐状に広がる傾向にある。
フローセル４０の貫通孔４４内部を流れる粒子で生じたミー散乱と異なり、迷光は粒子の検出に不要である。しかし、迷光が楕円鏡５０で反射されると、迷光は光検出器６０Ａ、６０Ｂ、６０Ｃに到達し、ノイズの原因になりうる。
したがって、迷光が広がる円錐状の空間と、楕円鏡５０とが交差する部分に切り欠き５１を設けることによって、迷光が楕円鏡５０で反射され、光検出器６０Ａ、６０Ｂ、６０Ｃに到達することを防止することが可能となる。また、迷光の進行方向に、迷光を遮断又は減衰させる迷光吸収部材８０を配置してもよい。さらに、迷光が広がる円錐状の空間と、半球面反射膜４２とが交差する半球面反射膜４２の部分にも、切り欠きを設けてもよい。第２の実施の形態に係る粒子検出装置のその他の構成要素は、第１の実施の形態と同様である。
（第３の実施の形態）
第１の実施の形態においては、図１に示すように、フローセル４０の貫通孔４４の延伸方向が、検査光の進行方向に対して垂直、かつ楕円鏡５０の長軸方向に対して垂直な例を示した。これに対し、図６に示すように、フローセル４０の貫通孔４４の延伸方向が、検査光の進行方向に対して垂直、かつ楕円鏡５０の長軸方向と平行であってもよい。
第１の実施の形態においては、図１に示すように、フローセル４０の貫通孔４４の延伸方向が、検査光の進行方向に対して垂直、かつ楕円鏡５０の長軸方向に対して垂直な例を示した。これに対し、図６に示すように、フローセル４０の貫通孔４４の延伸方向が、検査光の進行方向に対して垂直、かつ楕円鏡５０の長軸方向と平行であってもよい。
第３の実施の形態において、図７ないし図９に示すように、フローセル４０の貫通孔４４の一方の開口は、球体部材４１の半球面反射膜４２で覆われた部分の中心に設けられており、貫通孔４４の他方の開口は、半球面レンズ部４３として機能する、球体部材４１の半球面反射膜４２で覆われていない部分の中心に設けられている。
第３の実施の形態に係る粒子検出装置のその他の構成要素は、第１の実施の形態と同様である。第３の実施の形態に係る粒子検出装置においては、フローセル４０の貫通孔４４が楕円鏡５０の長軸と一致しているため、貫通孔４４に接続される流路等が蛍光及び散乱光の影を作る影響を抑制することが可能となる。
（第４の実施の形態）
図１０に示す第４の実施の形態に係る粒子検出装置おいては、フローセル１４０が、図１１に示すように、第１主面２１１、第１主面２１１と対向する第２主面２１２、並びに第１及び第２主面２１１、２１２に対して垂直な側面２１３、２１４を有し、側面２１３から側面２１４へ貫通する貫通孔１４４が設けられた透明な板状部材１４５と、板状部材１４５の第１主面２１１上に配置された、透明な第１の半球部材１４６と、板状部材１４５の第２主面２１２上に配置された、透明な第２の半球部材１４７と、備える。図１１ないし図１３に示すように、フローセル１４０において、半球面反射膜１４２は、透明な第１の半球部材１４６を覆い、第２の半球部材１４７が、半球面レンズ部１４３として機能する。
図１０に示す第４の実施の形態に係る粒子検出装置おいては、フローセル１４０が、図１１に示すように、第１主面２１１、第１主面２１１と対向する第２主面２１２、並びに第１及び第２主面２１１、２１２に対して垂直な側面２１３、２１４を有し、側面２１３から側面２１４へ貫通する貫通孔１４４が設けられた透明な板状部材１４５と、板状部材１４５の第１主面２１１上に配置された、透明な第１の半球部材１４６と、板状部材１４５の第２主面２１２上に配置された、透明な第２の半球部材１４７と、備える。図１１ないし図１３に示すように、フローセル１４０において、半球面反射膜１４２は、透明な第１の半球部材１４６を覆い、第２の半球部材１４７が、半球面レンズ部１４３として機能する。
板状部材１４５の第１主面２１１及び第２主面２１２は、例えば、それぞれ矩形状である。第１主面２１１及び第２主面２１２の形状は、フローセルのホルダの形状に合わせてもよい。貫通孔１４４は、板状部材１４５の側面２１３、２１４に対して垂直に設けられている。貫通孔１４４は、例えばフローセル１４０の中心である板状部材１４５の中心を通る。貫通孔１４４の延伸方向に対する貫通孔１４４の断面形状は、例えば円である。貫通孔１４４の延伸方向は、検査光の進行方向に対して垂直、かつ図１０に示す楕円鏡５０の長軸方向に対して垂直である。
フローセル１４０内部を流れる粒子を検出するための検査光としての励起光は、例えば、板状部材１４５の側面２１３、２１４に対して垂直な側面から貫通孔１４４に向けて入射される。励起光が照射される板状部材１４５の側面は、研磨され、平滑度が高いことが好ましい。
図１１に示す第１及び第２の半球部材１４６は、それぞれ底面及び球面を有する。第１及び第２の半球部材１４６、１４７の底面の外径は、板状部材１４５の第１主面２１１及び第２主面２１２の幅と同じでもよいし、小さくてもよい。第１及び第２の半球部材１４６、１４７は、それぞれ、完全な球を半分にしたものでありうる。あるいは、第１及び第２の半球部材１４６、１４７は、それぞれ、検査光と貫通孔１４４の交点で生じた反応光が、第１及び第２の半球部材１４６、１４７の表面に垂直に入射するよう、曲率と厚みを選定した凸レンズ部材であってもよい。
図１１ないし図１３に示す第１の半球部材１４６を覆う半球面反射膜１４２は、例えば蒸着膜であり、金属等からなる。あるいは、半球面反射膜１４２は、誘電体多層膜であってもよい。半球面反射膜１４２で覆われていない第２の半球部材１４７が、半球面レンズ部１４３として機能する。半球面反射膜１４２と、半球面レンズ部１４３と、は、対向している。
図１３に示すように、貫通孔１４４内部で励起光を照射された蛍光粒子において生じた蛍光及び散乱光は、蛍光粒子から全方位的に発せられる。ここで、フローセル１４０の半球面レンズ部１４３の方に進行した蛍光及び散乱光は、半球面レンズ部１４３の表面から出射し、楕円鏡５０に到達する。フローセル１４０において、板状部材１４５の厚みが半球面レンズ部１４３の厚みより薄い場合、フローセル１４０の形状は球状に近似される。そのため、検査光の焦点がフローセル１４０の中心と一致する場合、検査光の焦点で生じた蛍光及び散乱光は、半球面レンズ部１４３の表面に対してほぼ垂直に入射する。そのため、蛍光及び散乱光は、半球面レンズ部１４３の表面でほぼ屈折しないで、半球面レンズ部１４３の表面から出射する。
フローセル１４０の半球面反射膜１４２の方に進行した蛍光及び散乱光は、半球面反射膜１４２で反射され、半球面レンズ部１４３の表面から出射し、楕円鏡５０に到達する。フローセル１４０の形状が球状に近似可能であり、検査光の焦点がフローセル１４０の中心と一致する場合、検査光の焦点で生じた蛍光及び散乱光は、半球面反射膜１４２に対してほぼ垂直に入射する。そのため、蛍光及び散乱光は、半球面反射膜１４２でほぼ垂直に反射され、フローセル１４０のほぼ中心付近を経て、半球面レンズ部１４３の表面でほぼ屈折しないで、半球面レンズ部１４３の表面から出射する。
板状部材１４５を透過する検査光の光強度は、貫通孔１４４内の粒子で生じる蛍光及び散乱光の光強度よりも強い。強い光強度を有する励起光は、迷光の原因になりうるため、検査光が入射される板状部材１４５の材料は、合成石英等、透明度が高い材料であることが好ましい。これに対し、蛍光及び散乱光の光強度は弱く、迷光の原因になりにくい。そのため、第１及び第２の半球部材１４６、１４７の材料の透明度は、板状部材１４５の材料の透明度と同じでもよいが、第１及び第２の半球部材１４６、１４７には、蛍光及び散乱光が透過する範囲内において、板状部材１４５の材料よりも透明度の低い安価な材料を用いてもよい。
具体的には、第１及び第２の半球部材１４６、１４７の材料には、石英ガラスを用いてもよいし、あるいは石英ガラスとは異なる光学ガラス、又はポリメタクリル酸メチル樹脂（ＰＭＭＡ）等の透明樹脂を用いてもよい。
第４の実施の形態に係る粒子検出装置のその他の構成要素は、第１の実施の形態と同様である。第４の実施の形態に係る粒子検出装置によっても、フローセル１４０で生じた散乱光及び検査光等の反応光を、効率よく集光し、検出することが可能となる。
（第５の実施の形態）
図１４に示す第５の実施の形態に係る粒子検出装置においては、フローセル２４０が、図１５に示すように、第１主面３１１、及び第１主面３１１と対向する第２主面３１２を有し、第１主面３１１から第２主面３１２に貫通する貫通孔２７５が設けられた透明な板状部材２４５と、貫通孔２７６が設けられた透明な第１の半球部材２４６であって、板状部材２４５の貫通孔２７５と、当該第１の半球部材２４６の貫通孔２７６とが連通するように、板状部材２４５の第１主面３１１上に配置された第１の半球部材２４６と、貫通孔２７７が設けられた透明な第２の半球部材２４７であって、板状部材２４５の貫通孔２７５と、当該第２の半球部材２４７の貫通孔２７７とが連通するように、板状部材２４５の第２主面３１２上に配置された第２の半球部材と、を備える。
図１４に示す第５の実施の形態に係る粒子検出装置においては、フローセル２４０が、図１５に示すように、第１主面３１１、及び第１主面３１１と対向する第２主面３１２を有し、第１主面３１１から第２主面３１２に貫通する貫通孔２７５が設けられた透明な板状部材２４５と、貫通孔２７６が設けられた透明な第１の半球部材２４６であって、板状部材２４５の貫通孔２７５と、当該第１の半球部材２４６の貫通孔２７６とが連通するように、板状部材２４５の第１主面３１１上に配置された第１の半球部材２４６と、貫通孔２７７が設けられた透明な第２の半球部材２４７であって、板状部材２４５の貫通孔２７５と、当該第２の半球部材２４７の貫通孔２７７とが連通するように、板状部材２４５の第２主面３１２上に配置された第２の半球部材と、を備える。
図１５ないし図２０に示すように、フローセル２４０において、半球面反射膜２４２は、透明な第１の半球部材２４６を覆い、第２の半球部材２４７が、半球面レンズ部２４３として機能する。第１の半球部材２４６を覆う半球面反射膜２４２は、例えば蒸着膜であり、金属等からなる。あるいは、半球面反射膜２４２は、誘電体多層膜であってもよい。半球面反射膜２４２と、半球面レンズ部２４３と、は、対向している。
板状部材２４５の第１主面３１１及び第２主面３１２は、例えば、それぞれ矩形状である。第１主面３１１及び第２主面３１２の形状は、フローセル２４０のホルダの形状に合わせてもよい。貫通孔２７５は、第１及び第２主面３１１、３１２に対して垂直に設けられている。板状部材２４５は、例えば、石英ガラスからなる。励起光が照射される板状部材２４５の側面は、研磨され、平滑度が高いことが好ましい。
板状部材２４５に設けられた貫通孔２７５は、例えばフローセル２４０の中心である板状部材２４５の中心を通る。貫通孔２７５の延伸方向に対する貫通孔２７５の断面形状は、例えば円である。貫通孔２７５の延伸方向は、検査光の進行方向に対して垂直、かつ楕円鏡５０の長軸方向と平行である。
第１及び第２の半球部材２４６、２４７は、それぞれ、底面及び球面を有する。第１及び第２の半球部材２４６、２４７の底面の外径は、板状部材２４５の第１主面３１１及び第２主面３１２の幅と同じでもよいし、小さくてもよい。第１の半球部材２４６において、貫通孔２７６は、第１の半球部材２４６の頂点から底面に向けて、垂直に設けられている。貫通孔２７６の延伸方向に対する断面形状は、例えば円である。また、第２の半球部材２４７において、貫通孔２７７は、第２の半球部材２４７の頂点から底面に向けて、垂直に設けられている。貫通孔２７７の延伸方向に対する断面形状は、例えば円である。第１及び第２の半球部材２４６、２４７は、例えば、石英ガラスからなる。あるいは、第１及び第２の半球部材２４６、２４７は、例えば、石英ガラスとは異なる光学ガラス、又はポリメタクリル酸メチル樹脂（ＰＭＭＡ）等の透明樹脂からなっていてもよい。
第１及び第２の半球部材２４６、２４７は、それぞれ、完全な球を半分にしたものでありうる。あるいは、第１及び第２の半球部材２４６、２４７は、それぞれ、検査光と貫通孔１４４の交点で生じた反応光が、第１及び第２の半球部材２４６、２４７の表面に垂直に入射するよう、曲率と厚みを選定した凸レンズ部材であってもよい。
フローセル２４０において、流体は、第１の半球部材２４６の貫通孔２７６、板状部材２４５の貫通孔２７５、及び第２の半球部材２４７の貫通孔２７７を流れる。流体は、第１の半球部材２４６側から第２の半球部材２４７側に流れてもよいし、第２の半球部材２４７側から第１の半球部材２４６側に流れてもよい。
フローセル２４０内部を流れる粒子を検出するための検査光としての励起光は、例えば、板状部材２４５の第１及び第２主面３１１、３１２に対して垂直な側面から貫通孔２７５に向けて入射される。貫通孔２７５内部で励起光を照射された蛍光粒子において生じた蛍光及び散乱光は、蛍光粒子から全方位的に発せられる。
フローセル２４０の半球面レンズ部２４３の方に進行した蛍光及び散乱光は、半球面レンズ部２４３の表面から出射し、楕円鏡５０に到達する。フローセル２４０において、板状部材２４５の厚みが半球面レンズ部２４３の厚みより薄い場合、フローセル２４０の形状は球状に近似される。そのため、検査光の焦点がフローセル２４０の中心と一致する場合、検査光の焦点で生じた蛍光及び散乱光は、半球面レンズ部２４３の表面に対してほぼ垂直に入射する。そのため、蛍光及び散乱光は、半球面レンズ部２４３の表面でほぼ屈折しないで、半球面レンズ部２４３の表面から出射する。
フローセル２４０の半球面反射膜２４２の方に進行した蛍光及び散乱光は、半球面反射膜２４２で反射され、半球面レンズ部２４３の表面から出射し、楕円鏡５０に到達する。フローセル２４０の形状は球状に近似可能であり、検査光の焦点がフローセル２４０の中心と一致する場合、検査光の焦点で生じた蛍光及び散乱光は、半球面反射膜２４２に対してほぼ垂直に入射する。そのため、蛍光及び散乱光は、半球面反射膜２４２でほぼ垂直に反射され、フローセル２４０の中心付近を経て、半球面レンズ部２４３の表面でほぼ屈折しないで、半球面レンズ部２４３の表面から出射する。
第５の実施の形態に係る粒子検出装置のその他の構成要素は、第１又は第２の実施の形態と同様である。第５の実施の形態に係る粒子検出装置によっても、フローセル２４０で生じた散乱光及び検査光等の反応光を、効率よく集光し、検出することが可能となる。
なお、第１及び第２の半球部材２４６、２４７の貫通孔２７６、２７７には励起光が照射されない。したがって、第１及び第２の半球部材２４６、２４７の貫通孔２７６、２７７の内壁の平滑度は、板状部材２４５の貫通孔２７５の内壁の平滑度と同じでもよいが、低くしてもよい。
また、板状部材２４５の貫通孔２７５の直径が小さいほど、検査光の焦点に対して検査対象物質が流れる範囲が狭くなり、かつ検査光の焦点を複数の検査対象物質が同時に通過する可能性が低くなる。そのため、貫通孔２７５の直径が小さいほうが、蛍光及び散乱光の検出分解能が向上する傾向にある。これに対し、励起光を照射されない第１及び第２の半球部材２４６、２４７の貫通孔２７６、２７７の直径は、蛍光及び散乱光の検出分解能への影響が小さい。したがって、第１及び第２の半球部材２４６、２４７の貫通孔２７６、２７７の直径は、板状部材２４５の貫通孔２７５の直径と同じでもよいが、より大きくてもよい。
さらに、板状部材２４５を透過する検査光の光強度は、貫通孔２７５内の粒子で生じる蛍光及び散乱光の光強度よりも強い。強い光強度を有する励起光は、迷光の原因になりうるため、検査光が入射される板状部材２４５の材料は、合成石英等、透明度が高い材料であることが好ましい。これに対し、蛍光及び散乱光の光強度は弱く、迷光の原因になりにくい。そのため、第１及び第２の半球部材２４６、２４７の材料の透明度は、板状部材２４５の材料の透明度と同じでもよいが、第１及び第２の半球部材２４６、２４７には、蛍光及び散乱光が透過する範囲内において、板状部材２４５の材料よりも透明度の低い安価な材料を用いてもよい。
次に、第５の実施の形態に係るフローセル２４０の製造方法を説明する。図２１に示すように、板状部材２４５を用意し、図２２に示すように、板状部材２４５に貫通孔２７５を設ける。また、図２３に示すように、第１の半球部材２４６を用意し、図２４に示すように第１の半球部材２４６の半球面上に半球面反射膜２４２を形成する。さらに、図２５に示すように、半球面反射膜２４２が設けられた第１の半球部材２４６に貫通孔２７６を設ける。またさらに、図２６に示すように、第２の半球部材２４７を用意し、図２７に示すように、第２の半球部材２４７に貫通孔２７７を設ける。
貫通孔２７５、２７６、２７７は、例えば、エッチング法により設けることが可能である。あるいは、貫通孔２７５、２７６、２７７は、ドリルにより設けてもよい。さらに、貫通孔２７５、２７６、２７７を形成後、貫通孔２７５、２７６、２７７の内壁を研磨等して平滑度を上げてもよい。なお、貫通孔２７５の内壁のみを研磨等して平滑度をあげてもよい。
ここで、半球部材よりも板状部材のほうが、内壁の平滑度の高い貫通孔を設けやすい。また、上述したように、製造されるフローセル２４０において、板状部材２４５には励起光が照射されるが、第１及び第２の半球部材２４６、２４７には励起光が照射されない。したがって、板状部材２４５に内壁の平滑度が高い貫通孔２７５を設け、第１及び第２の半球部材２４６、２４７に、内壁の平滑度が貫通孔２７５よりも低い貫通孔２７６、２７７を設けて、第５の実施の形態に係るフローセル２４０の製造コストを低下させてもよい。
さらに、半球部材よりも板状部材のほうが、直径の小さい貫通孔を設けやすい。またさらに、上述したように、板状部材２４５の貫通孔２７５の直径は小さい方が、製造されるフローセル２４０における蛍光及び散乱光の検出分解能が高くなるが、励起光が照射されない第１及び第２の半球部材２４６、２４７の貫通孔２７６、２７７の直径が検出分解能に与える影響は小さい。したがって、板状部材２４５に直径の小さい貫通孔２７５を設け、第１及び第２の半球部材２４６、２４７に、貫通孔２７５よりも直径が大きい貫通孔２７６、２７７を設けて、第５の実施の形態に係るフローセル２４０の製造コストを低下させてもよい。
貫通孔２７５が設けられた板状部材２４５は、延伸法により製造してもよい。例えば、図２８に示すような、断面形状が円である貫通孔５２７が設けられたガラス母材５２０を用意し、貫通孔５２７の延伸方向と同じ方向にガラス母材５２０を加熱延伸することにより、断面においてガラス母材が縮小され、貫通孔５２７の直径が、製造される図２２に示す板状部材２４５の貫通孔２７５と同じになる。その後、図２８に示す延伸されたガラス母材５２０の端部から、図２２に示す板状部材２４５が切り出される。切り出された板状部材２４５は、研磨されてもよい。
図１９に示す板状部材２４５と、第１及び第２の半球部材２４６、２４７とは、貫通孔２７６、２７５、２７７が連通するように位置決めされ、例えばオプティカルコンタクトにより接合される。あるいは、板状部材１０と、第１及び第２の半球部材２４６、２４７とは、光学接着剤等により接着されてもよい。このようにして、第５の実施の形態に係るフローセル２４０が得られる。
以上説明した第５の実施の形態に係るフローセル２４０の製造方法によれば、板状部材２４５、並びに第１及び第２の半球部材２４６、２４７を貼り合わせることにより、一体成型では製造が困難な立体形状を有するレンズ部分を含むフローセルを製造することが可能である。
また、部材に、内壁に角がある貫通孔を設けようとすると、角においてクラックや空隙が形成されやすい傾向にある。これに対し、第５の実施の形態に係るフローセル２４０の製造方法においては、断面形状が円である貫通孔２７５、２７６、２７７が形成されるため、貫通孔２７５、２７６、２７７の内壁にクラックや空隙が形成されることを抑制することが可能となる。
さらに、内壁の平滑度が高い貫通孔を部材に設けるのは、貫通孔の直径が小さくなるほど困難となり、また、部材の厚みが長くなるほど困難となる。そのため、フローセルの母材を一体成型した後に、フローセルの母材に、直径が小さい貫通孔を設け、研磨等により内壁の平滑度を上げることは困難である。これに対し、第５の実施の形態に係るフローセル２４０の製造方法によれば、予め貫通孔２７５、２７６、２７７が設けられた板状部材２４５、並びに第１及び第２の半球部材２４６、２４７を貼り合わせることにより、励起光が照射される貫通孔２７５の直径を小さくし、かつ内壁の平滑度を高くすることが可能である。
（第５の実施の形態の変形例）
本発明の第５の実施の形態の変形例に係るフローセルは、図２９ないし図３１に示すように、板状部材２４５の第１主面３１１及び第２主面３１２が、それぞれ円形状である。そのため、板状部材２４５の側面３１４が円環状である。板状部材２４５の第１主面３１１及び第２主面３１２の外径は、第１及び第２の半球部材２４６、２４７の底面３１３、４１３の外径よりも大きくてもよいし、同じでもよい。第５の実施の形態の変形例に係るフローセルのその他の構成要素は、第５の実施の形態と同様である。
本発明の第５の実施の形態の変形例に係るフローセルは、図２９ないし図３１に示すように、板状部材２４５の第１主面３１１及び第２主面３１２が、それぞれ円形状である。そのため、板状部材２４５の側面３１４が円環状である。板状部材２４５の第１主面３１１及び第２主面３１２の外径は、第１及び第２の半球部材２４６、２４７の底面３１３、４１３の外径よりも大きくてもよいし、同じでもよい。第５の実施の形態の変形例に係るフローセルのその他の構成要素は、第５の実施の形態と同様である。
板状部材２４５の外周形状、及び貫通孔２７５の断面形状が円である場合、貫通孔２７５の中心で焦点を結ぶように励起光を照射すると、図３２に示すように、励起光が板状部材２４５の側面３１４及び貫通孔２７５の内壁に垂直に入射する。そのため、板状部材２４５の屈折率の影響を受けずに、貫通孔２７５内で励起光の焦点を結ぶことが可能となる。
（その他の実施の形態）
上記のように本発明を実施の形態によって記載したが、この開示の一部をなす記述及び図面はこの発明を限定するものであると理解するべきではない。この開示から当業者には様々な代替実施の形態、実施例及び運用技術が明らかになるはずである。例えば、粒子検出装置は、粒子が発する蛍光のみを検出対象としてもよいし、粒子で生じた散乱光のみを検出対象としてもよい。このように、本発明はここでは記載していない様々な実施の形態等を包含するということを理解すべきである。
上記のように本発明を実施の形態によって記載したが、この開示の一部をなす記述及び図面はこの発明を限定するものであると理解するべきではない。この開示から当業者には様々な代替実施の形態、実施例及び運用技術が明らかになるはずである。例えば、粒子検出装置は、粒子が発する蛍光のみを検出対象としてもよいし、粒子で生じた散乱光のみを検出対象としてもよい。このように、本発明はここでは記載していない様々な実施の形態等を包含するということを理解すべきである。
１０、１４５、２４５ 板状部材
３０ 検査光源
４０、１４０、２４０ フローセル
４１ 球体部材
４２、１４２、２４２ 半球面反射膜
４３、１４３、２４３ 半球面レンズ部
４４、１４４、２７５、２７６、２７７ 貫通孔
５０ 楕円鏡
６０Ａ、６０Ｂ、６０Ｃ 光検出器
７０Ａ、７０Ｂ 波長選択的反射鏡
８０ 迷光吸収部材
１４６、１４７、２４６、２４７ 半球部材
２１１、３１１ 第１主面
２１２、３１２ 第２主面
２１３、２１４、３１４ 側面
３１３、４１３ 底面
５２０ ガラス母材
５２７ 貫通孔
３０ 検査光源
４０、１４０、２４０ フローセル
４１ 球体部材
４２、１４２、２４２ 半球面反射膜
４３、１４３、２４３ 半球面レンズ部
４４、１４４、２７５、２７６、２７７ 貫通孔
５０ 楕円鏡
６０Ａ、６０Ｂ、６０Ｃ 光検出器
７０Ａ、７０Ｂ 波長選択的反射鏡
８０ 迷光吸収部材
１４６、１４７、２４６、２４７ 半球部材
２１１、３１１ 第１主面
２１２、３１２ 第２主面
２１３、２１４、３１４ 側面
３１３、４１３ 底面
５２０ ガラス母材
５２７ 貫通孔
Claims (13)
- 検査光を発する検査光源と、
前記検査光を照射される、粒子を含む流体を流すフローセルであって、前記検査光を照射された前記粒子で生じた蛍光及び散乱光を反射する半球面反射膜と、前記半球面反射膜で反射された蛍光及び散乱光が透過する半球面レンズ部と、を有するフローセルと、
前記フローセルの位置を第１焦点とする楕円鏡であって、前記フローセルの半球面レンズ部を透過した蛍光及び散乱光を反射する楕円鏡と、
前記楕円鏡の幾何学的な第２焦点と光学的に等価な位置に配置された、前記楕円鏡で反射された蛍光を検出する蛍光検出器と、
前記楕円鏡の幾何学的な第２焦点と光学的に等価な位置に配置された、前記楕円鏡で反射された散乱光を検出する散乱光検出器と、
を備える、粒子検出装置。 - 前記フローセルが、前記流体が流れる貫通孔が設けられた透明な球体部材を備え、
前記半球面反射膜が、前記球体部材の一部を覆い、
前記球体部材の前記半球面反射膜で覆われていない部分が、前記半球面レンズ部として機能する、
請求項１に記載の粒子検出装置。 - 前記球体部材に設けられた貫通孔の断面形状が円である、請求項２に記載の粒子検出装置。
- 前記フローセルが、
第１主面、前記第１主面と対向する第２主面、並びに前記第１及び第２主面に対して垂直な側面を有し、前記側面から側面へ貫通する貫通孔が設けられた透明な板状部材と、
前記板状部材の第１主面上に配置された、透明な第１の半球部材と、
前記板状部材の第２主面上に配置された、透明な第２の半球部材と、
を備え、
前記半球面反射膜が、前記透明な第１の半球部材を覆い、
前記第２の半球部材が、前記半球面レンズ部として機能する、
請求項１に記載の粒子検出装置。 - 前記板状部材に設けられた貫通孔の断面形状が円である、請求項４に記載の粒子検出装置。
- 前記フローセルが、
第１主面、及び前記第１主面と対向する第２主面を有し、前記第１主面から前記第２主面に貫通する貫通孔が設けられた透明な板状部材と、
貫通孔が設けられた透明な第１の半球部材であって、前記板状部材の貫通孔と、当該第１の半球部材の貫通孔とが連通するように、前記板状部材の第１主面上に配置された第１の半球部材と、
貫通孔が設けられた透明な第２の半球部材であって、前記板状部材の貫通孔と、当該第２の半球部材の貫通孔とが連通するように、前記板状部材の第２主面上に配置された第２の半球部材と、
を備え、 前記半球面反射膜が、前記透明な第１の半球部材を覆い、
前記第２の半球部材が、前記半球面レンズ部として機能する、
請求項１に記載の粒子検出装置。 - 前記板状部材、並びに第１及び第２の半球部材に設けられた貫通孔の断面形状が円である、請求項６に記載の粒子検出装置。
- 前記第１及び第２の半球部材に設けられた貫通孔の内壁の平滑度が、前記板状部材に設けられた貫通孔の内壁の平滑度より低い、請求項６又は７に記載の粒子検出装置。
- 前記第１及び第２の半球部材に設けられた貫通孔の直径が、前記板状部材に設けられた貫通孔の直径よりも大きい、請求項６から８のいずれか１項に記載の粒子検出装置。
- 前記第１及び第２の半球部材の透明度が、前記板状部材の透明度より低い、請求項６から９のいずれか１項に記載の粒子検出装置。
- 前記板状部材が石英ガラスからなり、前記第１及び第２の半球部材が、前記石英ガラスとは異なる材料からなる、請求項６から１０のいずれか１項に記載の粒子検出装置。
- 前記板状部材と、前記第１及び第２の半球部材とが、オプティカルコンタクトにより接合されている、請求項６から１１のいずれか１項に記載の粒子検出装置。
- 前記検査光の進行方向において、前記楕円鏡に切り欠きが設けられている、請求項１から１２のいずれか１項に記載の粒子検出装置。
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