JP2005305060A - Method and device for sterilization with electromagnetic wave - Google Patents
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Description
本発明は、微生物の検出および選択的滅菌、殺菌方法および装置に関する。 The present invention relates to microorganism detection and selective sterilization, sterilization methods and devices.
伝染病などの感染症を防止するための衛生管理は医療分野にとどまらず、広く一般社会において注意が払われている。例えば、風邪予防などのためにうがいや手洗いの慣行などもその一端である。食品加工などの現場では特に厳格な衛生管理が施されている。例えば、製品を加熱、消毒、加圧、通電などの処理を通していわゆる殺菌を行っている。 Hygiene management for preventing infectious diseases such as infectious diseases is not limited to the medical field, and attention is paid widely to the general public. For example, gargle and hand-washing practices for cold prevention etc. are some of them. Strict hygiene management is applied especially in the field of food processing. For example, products are so-called sterilized through treatments such as heating, disinfection, pressurization, and energization.
これらはいずれも、感染症や食中毒の原因となるウイルスやバクテリア(細菌)、真菌などの微生物を除去するためのものである。例えばミネラルウォーターを殺菌するためには、加熱殺菌、フィルタ除菌、オゾン殺菌、紫外線除菌などが一般的に行われており、また上水道水に対しては塩素消毒が用いられている。栄養価が高く細菌の繁殖しやすい牛乳の殺菌においては、62−65℃・30分以上の加熱を行う低温保持式殺菌法(Low Temperature Long Time Pasteurization,LTLT法)、72℃・15秒以上の加熱の高温短時間殺菌法(High Temperature Short Time method,HTST法)、120−150℃・1−3秒以上で加熱を行う超高温加熱処理法(Ultra High Temperature Heating method,UHT法)などが用いられており、同様の加熱殺菌は果汁飲料や酒類などにも用いられている。 All of these are for removing microorganisms such as viruses, bacteria, and fungi that cause infections and food poisoning. For example, in order to sterilize mineral water, heat sterilization, filter sterilization, ozone sterilization, ultraviolet sterilization, etc. are generally performed, and chlorination is used for tap water. In sterilization of milk with high nutritional value and easy bacterial growth, low temperature maintenance sterilization method (Low Temperature Long Time Pasteurization, LTLT method), heating at 62-65 ° C for 30 minutes or more, 72 ° C for 15 seconds or more High temperature short time sterilization method (High Temperature Short method, HTST method), ultra high temperature heat treatment method (Ultra High Temperature Heating method, UHT method) in which heating is performed at 120 to 150 ° C. for 1 to 3 seconds or more is used. The same heat sterilization is also used for fruit juices and alcoholic beverages.
生体を構成する有機高分子などは、分子内の原子間結合あるいは分子間結合の固有振動周波数をテラヘルツ周波数帯に持っている。周波数を掃引してテラヘルツ波を対象に照射し、その反射波あるいは透過波を検出することにより、その吸収特性から微生物の存在及び種類の同定を行える。 An organic polymer or the like constituting a living body has an interatomic bond in a molecule or a natural vibration frequency of an intermolecular bond in a terahertz frequency band. By sweeping the frequency and irradiating the target with terahertz waves and detecting the reflected or transmitted waves, the presence and type of microorganisms can be identified from the absorption characteristics.
この固有振動周波数テラヘルツ波をコヒーレント光として外部から照射すれば、その結合のみを選択的に励起させることができる。このテラヘルツ波を高強度にすれば、その結合はやがてエネルギー過剰で切れることになる。この過程はつまり、意図する分子中の意図する結合のみに選択的にエネルギーを与え、分子構造変化あるいは分子構造破壊を行うことができるということを意味する。 If this natural vibration frequency terahertz wave is irradiated from the outside as coherent light, only the coupling can be selectively excited. If this terahertz wave is increased in intensity, the coupling will eventually be broken by excess energy. This process means that energy can be selectively applied only to the intended bond in the intended molecule to change the molecular structure or destroy the molecular structure.
ウイルスやバクテリア(細菌)などの微生物は目に見えず、人間の注意によって対応するには限界がある。また、食品加工分野で行われる加熱、加圧、通電などの殺菌方法では細菌のみならず、たとえばビタミンなどの栄養成分や風味、香味の成分までも分解することになり、品質劣化をもたらす。消毒剤などの薬剤を用いた化学的殺菌法では、タンパク質の凝固、菌体成分の酸化や重金属塩の形成などによって殺菌するものであるが、食品に残留する薬剤の影響が懸念される。 Microorganisms such as viruses and bacteria are invisible, and there are limits to how they can be handled with human attention. In addition, sterilization methods such as heating, pressurization, and energization performed in the food processing field decompose not only bacteria but also nutritional components such as vitamins and flavor and flavor components, resulting in quality degradation. Chemical sterilization methods using chemicals such as disinfectants are sterilized by coagulation of proteins, oxidation of bacterial cell components, formation of heavy metal salts, etc., but there is concern about the effects of chemicals remaining in food.
電磁波を照射する殺菌法としてはマイクロ波を用いた加熱法があるが、これは殺菌対象中に含まれる水分子に電磁波を吸収させ加熱することによるもので、対象全体を加熱すると言える。これに対し本発明のテラヘルツ波照射する方法では、対象全体ではなく、対象中の例えば細菌のみを選択的に加熱し、殺菌することができる。 As a sterilization method for irradiating electromagnetic waves, there is a heating method using microwaves. This is because water molecules contained in an object to be sterilized absorb the electromagnetic wave and heat it, and it can be said that the entire object is heated. On the other hand, in the method of irradiating terahertz waves of the present invention, it is possible to selectively heat and sterilize, for example, only bacteria in the object, not the entire object.
テラヘルツ波発生装置は、任意の周波数のコヒーレントなテラヘルツ波を高出力で提供することができる。 The terahertz wave generator can provide a coherent terahertz wave having an arbitrary frequency with high output.
生体単体が小さく、構成分子数が少ないウイルスやバクテリア(細菌)、真菌などの微生物では、テラヘルツ波吸収の周波数依存性から微生物の存在及び種類の同定を行える。 For microorganisms such as viruses, bacteria (bacteria), and fungi with a small living body and a small number of constituent molecules, the presence and type of microorganisms can be identified from the frequency dependence of terahertz wave absorption.
また、特定の微生物にのみ吸収の強い周波数(共振周波数)のテラヘルツ波を、高エネルギーで対象に照射すれば、その他の部分には影響を与えず、その微生物に選択的に熱エネルギーを伝えることができ、局所的に加熱することになるので微生物は死滅する。 In addition, if a target is irradiated with a terahertz wave with a high frequency (resonance frequency) that is absorbed only by a specific microorganism with high energy, the heat is selectively transmitted to the microorganism without affecting other parts. And the microorganisms die because they are locally heated.
つまり本発明によれば、テラヘルツ波発生装置によって発生するテラヘルツ波により、病原体ウイルスやバクテリア(細菌)、真菌などの微生物を局所的に温度上昇させ、正常な部分に影響を与えずに死滅させることができる。 That is, according to the present invention, the terahertz wave generated by the terahertz wave generator locally raises the temperature of microorganisms such as pathogen viruses, bacteria (bacteria), and fungi, and kills them without affecting normal parts. Can do.
このことは例えば医療現場の手術室内や半導体工場などのもともと無菌に近い環境から、戸外や人の出入りの多い公共機関など比較的劣悪な衛生環境まで、さまざまな環境において衛生評価および浄化することができる。 This means that hygiene evaluation and purification can be performed in a variety of environments, from environments that are essentially sterile, such as operating rooms and semiconductor factories at medical sites, to relatively inferior sanitary environments, such as outdoors and public institutions with high traffic. it can.
特に食品加工分野では、栄養や香味・風味を損なうことなく殺菌された加工食品を提供することができる。 Particularly in the field of food processing, it is possible to provide a sterilized processed food without impairing nutrition, flavor and flavor.
水産部門において、魚類に栄養となる有効なプランクトンに影響を与えず、例えば赤潮の原因となる有害なプランクトンを選択的に死滅させることができる。 In the fishery sector, harmful plankton that causes red tide, for example, can be selectively killed without affecting the effective plankton that feeds fish.
医療分野において、真菌由来の病気に対しては正常組織に影響を与えることなく治療を行うことができる。 In the medical field, fungal-derived diseases can be treated without affecting normal tissues.
テラヘルツ発生装置として、GaP結晶中のフォノンポラリトンモードを利用した差周波の発生装置がある。これは任意の周波数のコヒーレントなテラヘルツ波を大出力かつ高分解能で発生させることができる。 As a terahertz generator, there is a difference frequency generator using a phonon polariton mode in a GaP crystal. This can generate a coherent terahertz wave of any frequency with high output and high resolution.
病院の手術室や半導体工場のクリーンルームなどの無菌室で、残存する細菌やウイルスを検出する際にテラヘルツスペクトル測定が有効である。図1(a)に示すように、上記テラヘルツ発生装置1を用いて発生テラヘルツ波2の周波数を掃引しながら、測定および作用対象3照射する。測定および作用対象3は、微生物を含む壁、床、天井あるいは空間などのことである。その反射テラヘルツ波4あるいは透過テラヘルツ波を、例えばボロメータやDTGSのようなテラヘルツ検出器5を用いて検出することにより、その吸収特性の周波数依存性、つまりテラヘルツ吸収スペクトル図1(c)が求まる。このスペクトルから細菌やウイルスなどの微生物の存在を確認、同定することができる。微生物などの物体は必ずしも同定する必要はないが、その微生物が特に吸収するテラヘルツ周波数、つまり共振周波数を求める。 Terahertz spectrum measurement is effective for detecting remaining bacteria and viruses in aseptic rooms such as hospital operating rooms and semiconductor factory clean rooms. As shown in FIG. 1 (a), the
このテラヘルツ波が周辺の物質では吸収されにくい周波数であれば、図1(b)に示すように、テラヘルツ発生装置1を用いて、上記手順で求めた最適周波数をもつ発生テラヘルツ波6を測定及び作用対象物3に例えば100mWで照射すると、微生物でのみ選択的に吸収されることになるので、局所的に加熱されることになり微生物を死滅させることができる。つまり選択的な殺菌が可能となる。 If the terahertz wave is a frequency that is difficult to be absorbed by the surrounding materials, the generated
あるいは、この殺菌処理の後に再び図1(a)の手段でテラヘルツ吸収スペクトル図1(c)を観測すれば、殺菌効果の確認をすることもできる。 Alternatively, after the sterilization treatment, the sterilization effect can be confirmed by observing the terahertz absorption spectrum diagram 1 (c) again with the means of FIG. 1 (a).
もちろん無菌室のみならず、通常の部屋や空間、あるいは屋外においても同様の微生物検出や殺菌プロセスが可能であり、空間や物体の浄化、あるいは手洗いなどの生体の浄化にも適用することができる。 Of course, the same microorganism detection and sterilization process can be performed not only in an aseptic room, but also in a normal room, space, or outdoors, and can be applied to purification of living bodies such as purification of spaces and objects or hand washing.
微生物が原因となる病気は風邪や食中毒のような一般的なものから、コレラやエイズなど難病まで広く存在している。病気の原因となる微生物として、例えばウイルスではインフルエンザウイルス、日本脳炎ウイルス、ヘルペスウイルス、コロナウイルス、HIVウイルス、エボラ出血熱ウイルスなどがある。また細菌では大腸菌、サルモネラ菌、コレラ菌、百日咳菌、結核菌、黄色ブドウ球菌、レンサ球菌、ヘリコバクターピロリ菌などがあり、真菌では白癬菌、カンジダ菌、アスペクギルス菌などがある。 Diseases caused by microorganisms range from common diseases such as colds and food poisoning to intractable diseases such as cholera and AIDS. Examples of microorganisms that cause disease include influenza virus, Japanese encephalitis virus, herpes virus, coronavirus, HIV virus, and Ebola virus. Bacteria include Escherichia coli, Salmonella, Vibrio cholerae, Bordetella pertussis, Mycobacterium tuberculosis, Staphylococcus aureus, Helicobacter pylori, and fungi include ringworm, Candida, and Aspergillus.
例えば、皮膚病の水虫やインキンタムシを治療するためには、その原因菌である白癬菌を殺菌することが有効である。従来の治療法は薬品塗布が一般的であるが、図2のようにテラヘルツ発生装置1を用いて最適周波数を持つ発生テラヘルツ波6を皮膚などの人体部位10に照射すれば、患部組織11にのみ有効に働き、直接病原菌を破壊することが可能となる。 For example, in order to treat skin disease athlete's foot and insect beetle, it is effective to sterilize the causative fungus that is the causative bacterium. Conventional treatment is generally performed by applying a drug. However, if a
ご飯やパンなど栄養価の高い食物は細菌や真菌が繁殖しやすく、食中毒などの病原菌となる。カビなどの真菌を検出をするために、テラヘルツスペクトル測定およびイメージング測定が有効である。例えば発生する可能性のあるカビA,B,Cが3種類ある場合、それぞれのスペクトルが図3(a)のようにとなる。すなわち菌Aではaの周波数で吸収が大きく、b,cの周波数では吸収がない。同様に菌Bではbの周波数で、菌Cではcの周波数でテラヘルツ波の吸収が見られる。このような対象を見る場合、発生テラヘルツ波をaの周波数に固定し、発生テラヘルツ波の照射方向を空間的に掃引し、その反射テラヘルツあるいは透過テラヘルツ波を検出すれば、各場所におけるテラヘルツ強度の差から、特定周波数におけるテラヘルツイメージング像が得られる。aの周波数で検出されれば菌Aが、bの周波数で検出されれば菌Bが、cの周波数で検出されれば菌Cが検出されることになり、それぞれの空間的分布も求まる。 Foods with high nutritional value, such as rice and bread, are easy for bacteria and fungi to grow and become pathogenic bacteria such as food poisoning. Terahertz spectrum measurement and imaging measurement are effective for detecting fungi such as mold. For example, when there are three types of molds A, B, and C that may occur, the respective spectra are as shown in FIG. That is, the fungus A has a large absorption at the frequency a and does not absorb at the frequencies b and c. Similarly, absorption of terahertz waves is observed at the frequency of b in the bacterium B and at the frequency of c in the bacterium C. When viewing such an object, if the generated terahertz wave is fixed at a frequency, the irradiation direction of the generated terahertz wave is spatially swept, and the reflected terahertz wave or the transmitted terahertz wave is detected, the terahertz intensity at each location From the difference, a terahertz imaging image at a specific frequency is obtained. Bacteria A will be detected if detected at the frequency a, B will be detected if detected at the frequency b, and B will be detected if detected at the frequency c, and the spatial distribution of each will also be obtained.
図3(b)のようにテラヘルツ発生装置1を用いて、検出された菌が吸収する最適周波数のテラヘルツ波6を食品などの殺菌対象21に照射すれば、それぞれの菌のみ選択的に殺菌することができる。ここで、殺菌処理を高速化するためにテラヘルツ波を大面積に照射するのに、ポリエチレンなどで作成した凹面レンズ20を用いてテラヘルツビームを拡散してもよい。 If the
果汁飲料や牛乳、酒類などの飲料を含む液状食品は、多くの場合糖類を多量に含むなど栄養価が高いために細菌が繁殖しやすく、その殺菌処理が非常に重要である。しかしながら通常の加熱処理では、例えば果汁飲料中のビタミンやカロチンなどの栄養成分まで分解されてしまう。同様にその他の液状食品も栄養成分が分解されたり、風味成分、香味成分まで分解されてしまう。特に酒類では加熱を用いずに殺菌することができれば、風味を落とさないいわゆる生酒を流通させることが容易にできるようになる。図4に示すように第1番目の槽30から第2番目の槽31の間をポンプ33によって汲み移す間の流体経路32で、いわゆる腐敗菌と総称される大腸菌や乳酸菌など特定の細菌の共振周波数にあたり、かつ酵母などの熟成に必要な菌や栄養成分、風味成分、香味成分には影響を与えない周波数を持つ、テラヘルツ波発生装置1を用いて最適周波数テラヘルツ波6を照射すれば、品質劣化を免れつつ殺菌することができる。このときテラヘルツ波を対象を十分透過するようにしなければ殺菌は十分とならない。このため、整流装置34を設け、対象を流体を100μm程度に薄くするとともに、流速を調整することもある。ポリエチレン凹面レンズ20は、殺菌処理を高速化するために発生テラヘルツ波6を大面積化している。 Liquid foods containing beverages such as fruit juices, milk, and alcoholic beverages often have a high nutritional value such as containing a large amount of sugars, so that bacteria are easy to propagate, and sterilization is very important. However, in normal heat treatment, for example, nutrient components such as vitamins and carotene in fruit juice drinks are decomposed. Similarly, in other liquid foods, nutritional components are decomposed, and flavor components and flavor components are also decomposed. In particular, if alcoholic beverages can be sterilized without heating, so-called fresh sake that does not lose its flavor can be easily distributed. As shown in FIG. 4, in the
魚などの水棲生物の飼育や養殖において、水質の浄化は重要である。水質の汚染は化学物質の混入によるものや、バクテリアの異常増殖によるものなどがある。例えば、赤潮などは主に珪藻類、渦鞭毛藻類、ラフィド藻類などの海洋性植物プランクトンが増殖し、プランクトンが出す物質(不飽和脂肪酸、活性酸素等)が魚類のエラの機能を麻痺させるなどして、水域の生物に被害を与えるものと言われている。 Water purification is important in the breeding and aquaculture of aquatic organisms such as fish. Water pollution may be due to chemical contamination or abnormal bacterial growth. For example, red tides mainly cause marine phytoplankton such as diatoms, dinoflagellates, and raffido algae to grow, and substances (unsaturated fatty acids, active oxygen, etc.) produced by plankton paralyze the functions of fish gills. It is said to cause damage to living organisms.
図5のように水族館などの水槽40で水41が、ポンプ43を用いて流路42を通り循環される際に、テラヘルツ発生装置1を用いて、特定の有害プランクトンに対する共振周波数となるテラヘルツ波6を循環水に照射すれば、有害なプランクトンのみを選択的に除去することができ、例えば魚の餌となるようなプランクトンには影響を与えない。尚、殺菌作用を効果的にするために整流装置44を設け、水41を100μm程度に薄くするとともに、流速を調整している。また、ポリエチレン凹面レンズ20は、殺菌処理を高速化するために発生テラヘルツ波6を大面積化している。 As shown in FIG. 5, when
観賞用水槽内や活魚輸送用水槽内などの水の浄化や、養殖業などでは赤潮の発生予防や処理に利用可能である。 It can be used to purify water in ornamental aquariums and live fish tanks, and to prevent and treat red tides in aquaculture.
1…テラヘルツ波発生装置
2…発生テラヘルツ波
3…測定および作用対象
4…反射テラヘルツ波
5…テラヘルツ検出器
6…最適周波数をもつ発生テラヘルツ波
10…人体部位
11…患部組織
20…ポリエチレン凹面レンズ
21…殺菌対象
30…第1番目の槽
31…第2番目の槽
32…流体経路
33…ポンプ
34…整流装置
40…水槽
41…水
42…流路
43…ポンプ
44…整流装置DESCRIPTION OF
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