JP2016133435A - 光学装置及び情報処理システム - Google Patents

Abstract

【課題】試料の種別又は状態を非侵襲的に測定させることが可能な光学装置及び情報処理システムを提供する。
【解決手段】所定の偏光方向の直線偏光を試料に向けて射出する照射系１０と、直線偏光が試料に入射することによって生じる散乱光を検出する光検出系３０−１〜３０−３と、を備え、光検出系３０−１〜３０−３は、互いに異なる散乱角方向の光路上に配され、散乱光の直線偏光成分を予め定められた角度で通過させる偏光フィルタ３１−１〜３１−３と、当該偏光フィルタ３１−１〜３１−３を通過した光を受光する受光器３５−１〜３５−３とを、含む。
【選択図】図１

Description

本発明は、光学装置及び情報処理システムに関する。

従来から、細胞の細胞種を同定する技術として、フローサイトメーターが知られている（例えば、特許文献１参照）。フローサイトメーターでは、細い流路に細胞を１つずつ流し、流路を流れる細胞に対しレーザ光を照射して前方散乱光と測方散乱光とを計測し、細胞の大きさを反映する前方散乱光強度と細胞内の構造や顆粒などの情報を反映する測方散乱光強度との組み合わせから、細胞の細胞種を同定する。

但し、測方散乱光（測方散乱光強度）には、細胞内の多種のタンパク質や様々な小器官などの情報が混ざっており、どのような粒子からの散乱光であるかを区別できなければ細胞の細胞種を同定することが困難である。このため、フローサイトメーターでは、細胞に蛍光色素を導入して、測方散乱光がどのような粒子からの散乱光であるかを区別している。

上述のように、フローサイトメーターでは、細胞の細胞種を非侵襲的に測定することができない。また、フローサイトメーターは、細胞単体を測定するものであるため、コロニー、コロイド、及びゲルなど細胞単体以外の微細構造が複雑な試料の種別や状態を測定することはできない。

本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、試料の種別又は状態を非侵襲的に測定させることが可能な光学装置及び情報処理システムを提供することを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明の一態様にかかる光学装置は、所定の偏光方向の直線偏光を試料に向けて射出する照射系と、前記直線偏光が前記試料に入射することによって生じる散乱光を検出する複数の光検出系と、を備え、前記複数の光検出系は、互いに異なる散乱角方向の光路上に配され、それぞれ、前記散乱光の直線偏光成分を予め定められた角度で通過させる偏光素子と、当該偏光素子を通過した光を受光する受光器とを、含む。

本発明によれば、試料の種別又は状態を非侵襲的に測定させることが可能という効果を奏する。

図１は、本実施形態の情報処理システムの一例を示す構成図である。 図２は、細胞内に混在する大小様々な粒子の散乱の説明図である。 図３は、図２に示す散乱の詳細図である。 図４は、本実施形態の原理の説明図である。 図５は、磁界振動面での散乱光強度分布を示す図である。 図６は、電界振動面での散乱光強度分布を示す図である。 図７は、ある試料の散乱光の時間変化の一例を示す図である。 図８は、ある粒子が熱運動により時間の経過と共に移動して行く場合の重なり部分の体積の時間変化を示す図である。 図９は、時間相関関数の概念図である。 図１０は、散乱光強度の時間相関関数を示す図である。 図１１は、散乱光の干渉と光路差の説明図である。 図１２は、ポリスチレンラテックスの単分散粒子の解析結果を示すグラフである。 図１３は、ｇ^（２）（τ）−１とｇ^（２）（τ）−１を逆ラプラス変換して得られたＨ（Γ）を示した図である。 図１４は、本実施形態の情報処理装置のハードウェア構成の一例を示すブロック図である。 図１５は、本実施形態の情報処理装置の機能構成の一例を示すブロック図である。 図１６は、実施例１の同定情報を示す図である。 図１７は、実施例２の同定情報を示す図である。

以下、添付図面を参照しながら、本発明にかかる光学装置及び情報処理システムの実施形態を詳細に説明する。

図１は、本実施形態の情報処理システム１の一例を示す構成図である。図１に示すように、情報処理システム１は、照射系１０と、ステージ２１と、恒温板２２と、サンプルホルダー２３と、試料２５と、ハーフミラー２６と、光学顕微鏡２７と、光検出系３０−１〜３０−３（複数の光検出系の一例）と、情報処理装置１００とを、備える。

なお、照射系１０、ステージ２１、恒温板２２、サンプルホルダー２３、試料２５、ハーフミラー２６、光学顕微鏡２７、及び光検出系３０−１〜３０−３が、光学装置を構成する。但し、図１に示す例では、光学装置の内部構成を分かりやすくするため、暗箱の図示を省略している。また本実施形態では、光検出系の台数が３台である場合を例に取り説明するが、これに限定されず、２台であっても、４台以上であってもよい。

照射系１０は、所定の偏光方向の直線偏光を試料２５に向けて射出するものであり、図１に示すように、レーザ光源１１と、コリメートレンズ１２と、偏光フィルタ１３と、反射ミラー１４と、円筒面平凸レンズ１５とを、含む。但し、照射系１０は、これらの構成に限定されるものではなく、一部の構成を省略したり、他の構成を追加したり、一部の構成を他の構成に置き換えたりしてもよい。

レーザ光源１１は、レーザ光を射出する。レーザ光は、例えば、可視光領域の波長のレーザ光であり、Ｈｅ−Ｎｅ（ヘリウム−ネオン）レーザ（λ＝６３２．８ｎｍ）、半導体レーザ（λ＝４７３ｎｍ、５３２ｎｍ、６７１ｎｍ等）、及びＨｅ−Ｃｄ（ヘリウム−カドミウム）レーザ（λ＝４４２ｎｍ）などが挙げられる。

コリメートレンズ１２は、レーザ光源１１から射出されたレーザ光の光路上に配置され、レーザ光の光束を略平行光とする。

偏光フィルタ１３は、コリメートレンズ１２により略平行光とされたレーザ光を所定の偏光方向で通過させることで、所定の偏光方向に偏光された直線偏光２４を出力する。所定の偏光方向は、試料２５に対してある一方向であればよい。

反射ミラー１４は、偏光フィルタ１３から出力された直線偏光２４を、試料２５に向けて反射する。これにより、直線偏光２４が試料２５に照射される。円筒面平凸レンズ１５は、反射ミラー１４により反射された直線偏光２４を集光する。但し、円筒面平凸レンズ１５は、省略してもよい。

なお、レーザ光源１１から試料２５への入射角θは、基本的に上向きに垂直方向とする。

試料２５は、測定の対象となる物質であり、細胞、微生物・細胞小器官・細胞内形質、タンパク質、ゲル、固体、液晶、コロイド、高分子溶液、高分子溶融液、及び電解質溶液等の微粒子が溶解した溶液などが挙げられる。なお、試料２５は、透明、不透明のいずれであってもよく、また、不均質なものや高粘度で複雑な形状をしたものであってもよい。

試料２５は、サンプルホルダー２３に収容される。サンプルホルダー２３は、例えば、レーザ光に対して透明な試料セルやシャーレなどが挙げられる。但し、サンプルホルダー２３を省略し、試料２５をステージ２１上（詳細には、恒温板２２）上に直接配置してもよい。

ステージ２１は、レーザ光軸に対して相対移動可能であり、試料２５の位置を移動させる。恒温板２２は、試料２５の温度を一定に保つためのものである。

光学顕微鏡２７は、直線偏光２４が試料２５から出射する方向に設けられている。これにより、直線偏光２４が試料２５に照射されている様子を微細に拡大して観察することができる。なお、光学顕微鏡２７の手前には、ハーフミラー２６が配置されており、試料２５を直線的に透過した散乱光を屈曲して光検出系３０−１へ導く。

光検出系３０−１〜３０−３は、直線偏光２４が試料２５に入射することによって生じる散乱光を検出するものであり、詳細には、散乱光の強度を検出する。光検出系３０−１〜３０−３は、互いに異なる散乱角方向の光路上に配されている。

散乱角は、直線偏光２４の軸方向（図１では上向き鉛直方向）を０度として０度〜１８０度の間で設定することができるが、９０度〜１８０度の間では反射の影響が大きくなり、試料２５の内部情報を得にくくなる。

このため、本実施形態では、光検出系３０−１が配される散乱角方向を９０度方向、光検出系３０−２が配される散乱角方向を６０度方向、光検出系３０−３が配される散乱角方向を４０度方向としているが、これに限定されず、０度〜９０度方向であればどのような散乱角方向であってもよい。但し、少なくともいずれかの光検出系については、レーザ光源１１から射出されるレーザ光の軸方向（９０度方向）に配されていることが好ましい。

なお、散乱角は、詳細には、直線偏光２４の軸上の照明中心と光検出系に含まれる後述の受光器の中心線とを結ぶ線が成す角である。

また、光検出系３０−１〜３０−３は、略同一平面上に配されていることが好ましく、特に、直線偏光２４が偏光された所定の偏光方向の電場振動面における略同一平面であることが好ましい。

光検出系３０−１は、偏光フィルタ３１−１（偏光素子の一例）と、ピンホール３２−１と、迷光防止板３３−１と、光拡散板３４−１と、受光器３５−１とを、含む。光検出系３０−２は、偏光フィルタ３１−２（偏光素子の一例）と、ピンホール３２−２と、迷光防止板３３−２と、光拡散板３４−２と、受光器３５−２とを、含む。光検出系３０−３は、偏光フィルタ３１−３（偏光素子の一例）と、ピンホール３２−３と、迷光防止板３３−３と、光拡散板３４−３と、受光器３５−３とを、含む。

但し、光検出系３０−１〜３０−３は、それぞれ、これらの構成に限定されるものではなく、一部の構成を省略したり、他の構成を追加したり、一部の構成を他の構成に置き換えたりしてもよい。

なお、以下では、光検出系３０−１〜３０−３それぞれが備える各構成について光検出系３０−１を例に取り説明するが、光検出系３０−２、３０−３についても同様である。

偏光フィルタ３１−１は、散乱光の直線偏光成分を予め定められた角度で通過させることで、散乱光を予め定められた角度方向で偏光する。具体的には、偏光フィルタ３１−１は、散乱光の直線偏光成分を、直線偏光２４が偏光された所定の偏光方向の電界振動面又は磁界振動面の偏光方向で通過させることで、散乱光を直線偏光２４が偏光された所定の偏光方向の電界振動面又は磁界振動面に偏光する。なお、偏光フィルタ３１−１に代え、偏光フィルタと同等の機能を有する偏光ビームスプリッタを用いてもよい。

ピンホール３２−１は、偏光フィルタ３１−１により偏光された光を通過させる。迷光防止板３３−１は、受光器３５−１への迷光の侵入を防ぐためのものである。光拡散板３４−１は、受光器３５−１の損傷を防ぐためのものである。

受光器３５−１は、偏光フィルタ３１−１を通過した光を受光するものであり、ピンホール３２−１を通過した光を受光する。具体的には、受光器３５−１は、受光した光の強度を検出し、検出した光の強度を電気信号に変換し、情報処理装置１００へ出力する。受光器３５−１は、例えば、光電子増倍管やアバランシェダイオードなどが挙げられる。

情報処理装置１００は、受光器３５−１〜３５−３から出力された電気信号を解析することで、試料２５の種別や状態を同定するための同定情報を測定したり、試料２５の種別や状態を同定したりする。

なお本実施形態では、照射系１０や光検出系３０−１〜３０−３の位置関係は固定されているものとするが、照射系１０や光検出系３０−１〜３０−３の位置を制御可能とすることで、これらの位置関係を変更するようにしてもよい。このようにすれば、散乱角度依存性を調査することもできる。

次に、本実施形態の情報処理装置１００が行う解析の詳細を説明する前に、従来技術であるフローサイトメーターにおいて、蛍光色素を導入しなければ、細胞内の構造や顆粒などの情報を測定できない理由について、「光散乱計測によるヒト有核細胞微細構造分析法に関する研究（永井豊 著）」を参考に説明する。

図２は、細胞内に混在する大小様々な粒子の散乱の説明図であり、図３は、図２において符号４３が示す散乱の詳細図である。

フローサイトメーターでは、前述のように、流路を流れる細胞に対しレーザ光を照射して前方散乱光と測方散乱光とを計測するが、測方散乱光（測方散乱光強度）には、細胞内の多種のタンパク質や様々な小器官などの情報が混ざっている。そして、図２の符号４１が示す小さな粒子の散乱や図２の符号４２が示す大きな粒子の散乱が、図２の符号４３が示すように混在して行われており、小さな粒子の散乱の形状と大きな粒子の散乱の形状とを、きれいに分離することが困難であった。

このため、フローサイトメーターでは、細胞に蛍光色素を導入することで、小さな粒子の散乱の形状と大きな粒子の散乱の形状とを区別し、細胞内の情報を測定していた。但し、フローサイトメーターでは、細胞に蛍光色素を導入するため、細胞が侵襲され、再生医療など体内から取り出した細胞を再び体内に戻すような用途に使用することができない。

次に、本実施形態の情報処理装置１００において、微細構造が複雑な試料の種別や状態を非侵襲的に測定することができる原理について説明する。

まず、本発明者らは、図４に示すように、直線偏光ビームの直線偏光成分である入射波を粒子５１に照射した場合の散乱光強度分布を、磁界振動面５２と電界振動面５３とに分けて考えることに着目した。

図５は、磁界振動面５２（以下、磁界振動面５２をＩ１平面と称する場合がある）での散乱光強度分布を示し、図６は、電界振動面５３（以下、電界振動面５３をＩ２平面と称する場合がある）での散乱光強度分布を示す。θは光の入射方向と出射方向の角度であり、角度に応じた散乱光強度が偏光方向によって異なることが確認できる。

そして、本発明者らは、図１で説明したような光学装置で光を検出すること、即ち、偏光させた入射光である直線偏光２４を試料２５に透過・散乱させ、同一平面上に異なる角度で配された光検出系３０−１〜３０−３において、散乱された光をある特定の偏光方向の光で検出することで、微細構造が複雑な試料２５の種別や状態を選別できることを見出した。

例えば、本発明者らは、直線偏光２４を、図４に示すように上下方向に電界振動面が偏光されている入射波とし、光検出系３０−１を入射波の直線軸上に配し、入射波の電界振動面５３に偏光された散乱光強度を検出するようにし、光検出系３０−２、３０−３を、入射波の偏光方向の電場振動面の同一平面上において異なる角度に配し、それぞれ、電界振動面５３、磁界振動面５２という異なる偏光面にて散乱光強度を検出するようにした。そして、本発明者らは、光検出系３０−１〜３０−３それぞれの散乱光強度の比を算出し、予め算出した各種の試料の統計的データと照らし合わせることで、試料２５の種別や状態を同定できることを見出した。

図６に示すように、電界振動面５３であるＩ２平面上では、特徴的な散乱光分布を示し、粒子サイズの違いによっても顕著に異なる形状に変化する。このため、光検出系３０−１〜３０−３を異なる角度でＩ２平面上に配置して散乱光を検出すると、光検出系３０−１〜３０−３それぞれで特徴的な散乱光の強度が得られる。そして、得られた散乱光の強度を統計データ化することで、試料２５の特徴を数値化でき、試料２５の種類や状態を同定できる。

例えば、図６のＩ２平面の散乱光強度分布にて偏光角度の変化がない場合に、入射波と直線方向の強度を１とすると、矢印方向の強度が０．８になったと仮定する。しかし、試料２５に偏光された光を入射すると偏光角度の回転が生じるため、Ｉ２平面の散乱光強度分布によりドラスティックな変化が生じ、試料２５特有のパターンがはっきりと現れるようになり、試料２５の種類や状態を同定することに非常に有効な手段となる。

本発明者らは、この手法により、蛍光色素などを用いない非侵襲的解析と比較して、試料２５の種別の判別において高い正答率を得たが、動的光散乱法を適用すること、即ち、散乱光の時間変化から時間平均相関関数−相関時間の緩和データを演算し、時間相関関数を求めていくことで、更に高い正答率を得られることを見出した。

次に、「光散乱法の基礎と応用（講談社 編著柴山充弘ら）」を参考に、本実施形態の情報処理装置１００において、動的光散乱法の原理をどのように利用するのかを説明する。

まず、試料に光を照射すると、試料中の分子に振動する双極子が誘起され、それが２次光源として光を発する。散乱体が媒質中でブラウン運動などにより運動しているとドップラーシフトにより散乱光の周波数はわずかであるが変化する。この微妙な周波数の変化を利用して散乱体の運動に関する知見を得るのが動的光散乱法である。但し、散乱光の変化は非常に小さく測定はほぼ不可能なので、散乱光強度の時間相関を調べることで物体の運動を調べる。

図７は、ある試料の散乱光の時間変化の一例を示す図である。図７に示すように、散乱光強度Ａ（ｔ）は、時間ｔと共に変動している。ここで、Ａ（ｔ）の時間平均＜Ａ（ｔ）＞は、数式（１）に示すように、Ａ（ｔ）を長時間Ｔにわたって積分し、Ｔで割ることによって得られる。

ここで時刻ｔにおけるＡ＝Ａ（ｔ）と、そこから時間がτだけ経過した後の時刻ｔ＋τにおけるＡ＝Ａ（ｔ＋τ）の積の長時間平均をＡ（ｔ）の時間相関関数という。

図８は、ある粒子が熱運動により時間の経過と共に移動して行く場合の重なり部分の体積の時間変化を示す図であり、図９は、時間相関関数の概念図である。図８及び図９に示すように、時間相関関数は、図８に示す重なり部分の体積の時間変化に例えることができる。つまり、時間ゼロ（ｔ＝０）では粒子の体積そのものであるが、τ₁、τ₂、τ₃と時間が経過すると共にやがてゼロに減衰する。

動的光散乱法の場合、物理量Ａは誘電率、分極率、屈折率、又はそれらに比例する散乱光電場Ｅ、さらには散乱光強度Ｉなどが対象となる。

Ａの平均値＜Ａ＞からのずれをδＡ（ｔ）＝δＡ≒Ａ−＜Ａ＞とし、δＡ（ｔ）の時間相関関数を緩和速度Γを含んだ式で扱うと、数式（２）で表される。

次に、散乱光電場の相関関数をＧ^（１）（τ）（１次の相関関数）とし、散乱光強度の相関関数Ｇ^（２）（τ）（２次の相関関数）とする。散乱光電場Ｅ(ｑ，ｔ)、散乱光強度Ｉｓ（ｑ，ｔ）を用いると、Ｇ^（１）（τ）は、数式（３）で表され、Ｇ^（２）（τ）は、数式（４）で表される。

そして、Ｇ^（１）（τ）とＧ^（２）（τ）との関係は、数式（５）で表される。

ここで、τ＝０の場合で規格化した数式（６）で表されるｇ^（１）（τ）、数式（７）で表されるｇ^（２）（τ）を定義すると、散乱光電場と散乱光強度との相関関数を結びつけるシーゲルトの関係式が導かれる。

これにより、図１０に示すような、散乱光強度の時間相関関数が求められる。

ここで、球状粒子以外の場合において、ｇ^（１）（τ）、ｇ^（２）（τ）をそれぞれ粒子散乱関数に置き換えると、数式（８）、（９）が導かれる。

これは、動的光散乱法において最も重要な基本式であり、相関関数から拡散係数や粒径を評価するときに用いられる。

ここで、緩和速度をΓ（なお、Γ^−１が緩和時間）とした時の拡散係数Ｄと散乱ベクトルｑには、数式（１０）に示す関係がある。

そこで、上述の基本式を書き換えると、数式（１１）となる。

散乱体が単分散粒子の希薄溶液である場合、拡散係数Ｄから粒子の流体力学的半径Ｒ_ｈがアインシュタイン‐ストークス式を用いて、数式（１２）のように推定できる。

ここで、ｋ_Ｂはボルツマン定数、ηは媒質の粘度、Ｄ_０は濃度ゼロでの拡散係数である。

次に散乱ベクトルｑについて説明する。図１１は、散乱光の干渉と光路差の説明図である。図１１において、原点Ｏと要素ｊからの散乱光の位相のずれをｑ・Ｒｊで表し、このベクトルｑを散乱ベクトルと呼ぶ。なお、光散乱測定において散乱ベクトルｑの絶対値は重要な役割を演じる。散乱ベクトルｑは、数式（１３）で表され、散乱ベクトルｑの絶対値は、数式（１４）で表される。

また、Γはｇ^（１）（τ）のτに対する片対数プロットから、数式（１５）のように評価できる。

つまり、ポリスチレンラテックスの単分散粒子を解析した例では、図１２に示すようなグラフとなり、この傾きからΓが求められる。Γが求められれば、数式（１０）から拡散係数Ｄが求まり、流体力学的半径Ｒ_ｈも求まる。

なお、上記は単分散系について解説したが、粒径に分布がある場合では、ｇ^（１）（τ）は粒径分布関数Ｈ（Γ）を用いて、数式（１６）のように表される。

Ｈ（Γ）が未知の場合、ｇ^（１）（τ）がＨ（Γ）のラプラス変換系（Ｆ（ｓ）＝∫ｆ（ｔ）ｅ^−ｓｔｄｔ）となっていることがわかる。よって、ｇ^（１）（τ）をＣＯＮＴＩＮ法にて逆ラプラス変換することで粒径分布関数Ｈ（Γ）が、数式（１７）又は数式（１８）のように評価できる。

図１３は、ｇ^（２）（τ）−１とｇ^（２）（τ）−１を逆ラプラス変換して得られたＨ（Γ）を示した図である。図１３では、Ｈ（Γ）は単一ピークだが、多分散試料では緩和時間（Γ^−１）に対して幅広化したり、複数のピークを持ったりする。

本実施形態では、情報処理装置１００は、光検出系３０−１〜３０−３それぞれ毎に、検出された散乱光強度を時系列で取得し、取得した散乱光強度の時間変化から、時間相関関数‐相関時間の緩和情報を演算し、時間相関関数ｇ^（１）（τ）、ｇ^（２）（τ）を求めることによって、拡散係数Ｄ、緩和時間‐粒径分布関数図の複数ピークの相対値など、様々な因子の情報を求める方法を採用する。

図１４は、本実施形態の情報処理装置１００のハードウェア構成の一例を示すブロック図である。図１４に示すように、情報処理装置１００は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）やＧＰＵ（Graphics Processing Unit）などの制御装置１０１と、ＲＯＭ（Read Only Memory）やＲＡＭ（Random Access Memory）などの主記憶装置１０２と、ＨＤＤ（Hard Disk Drive）やＳＳＤ（Solid State Drive）などの補助記憶装置１０３と、ディスプレイなどの表示装置１０４と、マウス、キーボード、又はタッチパネルなどの入力装置１０５と、通信インタフェースなどの通信装置１０６とを、備えており、通常のコンピュータを利用したハードウェア構成となっている。

図１５は、本実施形態の情報処理装置１００の機能構成の一例を示すブロック図である。図１５に示すように、情報処理装置１００は、信号処理部１２１と、入力部１２３と、主制御部１２５と、恒温板制御部１２７と、ステージ制御部１２９と、登録部１３１と、記憶部１３３と、同定部１３５とを、含む。

主制御部１２５、恒温板制御部１２７、ステージ制御部１２９、登録部１３１、及び同定部１３５については、例えば、制御装置１０１及び主記憶装置１０２により実現でき、記憶部１３３については、例えば、補助記憶装置１０３により実現できる。

信号処理部１２１は、受光器３５−１〜３５−３から出力された光の強度を示す電気信号を処理し、デジタル信号として受信する。信号処理部１２１は、例えば、プリアンプ−ディスクリミネータやパルス間隔測定器などが挙げられる。

入力部１２３は、信号処理部１２１により処理されたデジタル信号を入力するものであり、例えば、情報処理装置１００とのインタフェースとしてのデジタル入力回路などが挙げられる。

主制御部１２５は、恒温板制御部１２７、ステージ制御部１２９、登録部１３１、記憶部１３３、及び同定部１３５などを制御する。

恒温板制御部１２７は、恒温板２２の温度を制御する。

ステージ制御部１２９は、ステージ２１の位置を制御する。

登録部１３１は、同一の種別又は状態の試料に対して行われた光検出系３０−１〜３０−３による散乱光の強度検出結果を複数取得し、当該複数の強度検出結果に基づく統計処理を行い、種別又は状態と統計処理結果とを対応付けた同定情報を生成し、記憶部１３３に登録する。具体的には、登録部１３１は、複数の強度検出結果それぞれの時間平均相関関数−相関時間の緩和情報を演算し、複数の緩和情報を統計処理する。なお、登録部１３１が同定情報を生成する場合、試料２５の種別や状態は既知である。

例えば、登録部１３１は、光検出系３０−１〜３０−３それぞれ毎に、検出された散乱光強度を時系列で取得し、取得した散乱光強度の時間変化から、時間相関関数−相関時間の緩和情報を演算し、時間相関関数ｇ^（１）（τ）、ｇ^（２）（τ）を求めることによって、拡散係数Ｄ、緩和時間−粒径分布関数図の複数ピークの相対値などを求める。そして、登録部１３１は、同一の種別又は状態の試料に対して、上述の処理を繰り返すことで、光検出系３０−１〜３０−３それぞれ毎に、拡散係数Ｄ、緩和時間−粒径分布関数図の複数ピークの相対値などが複数求められる。そして登録部１３１は、光検出系３０−１〜３０−３それぞれ毎に、求めた複数の拡散係数Ｄ、緩和時間−粒径分布関数図の複数ピークの相対値などを統計処理し、同定情報を生成する。

同定部１３５は、光検出系３０−１〜３０−３により検出された散乱光の強度に基づいて、試料の種別又は状態を同定する。なお、同定部１３５が同定を行う場合、試料２５の種別や状態は未知である。具体的には、同定部１３５は、未知の種別又は状態の試料に対して行われた光検出系３０−１〜３０−３による散乱光の強度検出結果を取得し、当該強度検出結果に基づく同定情報との比較を行い、未知の種別又は状態を同定する。詳細には、同定部１３５は、強度検出結果の時間平均相関関数−相関時間の緩和情報を演算し、当該緩和情報と記憶部１３３に登録された同定情報とを比較し、未知の種別又は状態を同定する。

例えば、同定部１３５は、光検出系３０−１〜３０−３それぞれ毎に、検出された散乱光強度を時系列で取得し、取得した散乱光強度の時間変化から、時間相関関数−相関時間の緩和情報を演算し、時間相関関数ｇ^（１）（τ）、ｇ^（２）（τ）を求めることによって、拡散係数Ｄ、緩和時間−粒径分布関数図の複数ピークの相対値などを求める。そして同定部１３５は、求めた拡散係数Ｄ、緩和時間−粒径分布関数図の複数ピークの相対値などを、記憶部１３３に登録された同定情報とを比較し、未知の種別又は状態を同定する。

（実施例１）
実施例１では、上記実施形態において、試料２５に細胞を用い、細胞種を同定する例について説明する。実施例１では、光検出系３０−１〜３０−３を電界振動面の同一平面上に配し、光検出系３０−１〜３０−３が配される散乱角方向を、それぞれ、９０度方向、６０度方向、４５度方向とした。

また同定対象の細胞種は、好中球、リンパ球、好塩基球、及び好酸球であり、それぞれ、１００００イベントずつ散乱光の強度検出が行われ、登録部１３１は、それぞれ、１００００イベント分の強度検出を統計処理して同定情報を生成しているものとする。図１６は、実施例１の同定情報を示す図であり、上述の統計処理結果の統計解析図である。なお、Ｓ１が光検出系３０−１を示し、Ｓ２が光検出系３０−２を示し、Ｓ３が光検出系３０−３を示す。また、図１６では、Ｓ１の散乱光強度と比較してＳ２、Ｓ３の散乱光強度は非常に小さい値のため、Ｓ２、Ｓ３の散乱光強度の軸は１００倍に拡大している。

そして、好中球、リンパ球、好塩基球、及び好酸球をそれぞれ未知の細胞として、同定部１３５が、図１６に示す同定情報を用いて、それぞれ１００イベントずつ細胞種を同定した結果の正答率を表１に示す。

表１において、Ｈは、照射系１０の偏光方向に対し、該当する光検出系の偏光方向が磁界振動面であることを示し、Ｅは、照射系１０の偏光方向に対し、該当する光検出系の偏光方向が電界振動面であることを示し、−は、該当する光検出系を用いていないことを示す。

なお、表１では、比較例として、偏光フィルタ３１−１〜３１−３を用いずに散乱光強度による統計解析を行った結果も示している。

表１より、偏光を考慮しない比較例１、２よりも、偏光を考慮した実験番号１〜１０の方が、正答率が大幅に向上していることが確認できる。特に、Ｓ１、Ｓ２の光検出系に加え、Ｓ３の光検出系も使用して同定を行った場合、良好な正答率を示すようになっている。

但し、実施例１では、１００％の正答率にはまだ近付いていない。これは、図１６に示すように、それぞれの細胞の統計解析の関係位置が完全に分離できないことが挙げられる。

また、実施例１では、偏光方向として、電界振動面（Ｅ）での散乱光強度を積極的に取得する方が正答率は良いことが分かる。Ｓ１での受光を考えてみると、電界振動面（Ｅ）に偏光されている照射光をＳ１がＥ偏光で受光するということは、実施例１の細胞で散乱されて偏光が起こっていない光を観測しているということである。また、電界振動面（Ｅ）に偏光されている照射光をＳ１がＨ偏光で受光するということは、実施例１の細胞で散乱されて偏光が起こっている光を観測しているということである。即ち、偏光していない光を受光する方が偏光された光よりも強く観測され、Ｓ／Ｎ比が向上しているものと推測される。

（実施例２）
実施例２でも、上記実施形態において、試料２５に細胞を用い、細胞種を同定する例について説明する。実施例２でも、光検出系３０−１〜３０−３を電界振動面の同一平面上に配し、光検出系３０−１〜３０−３が配される散乱角方向を、それぞれ、９０度方向、６０度方向、４５度方向とした。

また同定対象の細胞種は、好中球、リンパ球、好塩基球、及び好酸球であり、それぞれ、１００００イベントずつ散乱光強度の時間変化を取得し、時間相関関数−相関時間の緩和情報を演算し、時間相関関数ｇ^（１）（τ）、ｇ^（２）（τ）を求めることによって、緩和時間−粒径分布関数図の複数ピークの相対値を求め、統計処理して同定情報を生成しているものとする。

図１７は、実施例２の同定情報を示す図であり、上述の統計処理結果の統計解析図である。なお、図１７では、図１３のような緩和時間−粒径分布関数図のグラフを最終的に求め、当該グラフに出てきたいくつかのピークの最大のものをＰ１、２番目に大きなピークをＰ２とし、それぞれの緩和時間（Γ^−１）とピーク強度比Ｐ１／Ｐ２を求めている。

そして、好中球、リンパ球、好塩基球、及び好酸球をそれぞれ未知の細胞として、同定部１３５が、図１７に示す同定情報を用いて、それぞれ１００イベントずつ細胞種を同定した結果の正答率を表２に示す。

表２では、実施例１よりも１００％の正答率に近づいている。これは、図１７に示すように、それぞれの細胞の統計解析の関係位置が分離できていることが挙げられる。

また、実施例２においても、偏光方向は、電界振動面（Ｅ）での散乱光強度を積極的に取得する方が正答率は良いことが分かる。その理由は、実施例１と同様である。

なお、上記実施例１、２では、試料に細胞を用い、細胞種を同定する例について説明したが、試料は上述したものであれば細胞以外であってもよく、種別だけでなく状態を同定することもできる。

例えば、再生医療などの分野においては、分化させた細胞群の中に未分化の細胞が混ざってしまうこともあるが、本実施形態を適用すれば、細胞群の中に未分化の細胞が混ざっているかなど細胞群の状態を同定できることも期待できる。

以上のように本実施形態によれば、光の偏光により試料の種別又は状態を測定するため、試料の種別又は状態を非侵襲的に測定させることが可能であり、コロニー、コロイド、及びゲルなど細胞単体以外の微細構造が複雑な試料にも適用できる。特に本実施形態では、試料の種別又は状態を非侵襲的に測定できるため、再生医療などに好適である。

１ 情報処理システム
１０ 照射系
１１ レーザ光源
１２ コリメートレンズ
１３ 偏光フィルタ
１４ 反射ミラー
１５ 円筒面平凸レンズ
２１ ステージ
２２ 恒温板
２３ サンプルホルダー
２５ 試料
２６ ハーフミラー
２７ 光学顕微鏡
３０−１、３０−１、３０−３ 光検出系
３１−１、３１−２、３１−３ 偏光フィルタ
３２−１、３２−２、３２−３ ピンホール
３３−１、３３−２、３３−３ 迷光防止板
３４−１、３４−２、３４−３ 光拡散板
３５−１、３５−２、３５−３ 受光器
１００ 情報処理装置
１０１ 制御装置
１０２ 主記憶装置
１０３ 補助記憶装置
１０４ 表示装置
１０５ 入力装置
１０６ 通信装置
１２１ 信号処理部
１２３ 入力部
１２５ 主制御部
１２７ 恒温板制御部
１２９ ステージ制御部
１３１ 登録部
１３３ 記憶部
１３５ 同定部

特開２０１０−２００６７６号公報

Claims (9)

1. 所定の偏光方向の直線偏光を試料に向けて射出する照射系と、
   前記直線偏光が前記試料に入射することによって生じる散乱光を検出する複数の光検出系と、を備え、
   前記複数の光検出系は、互いに異なる散乱角方向の光路上に配され、それぞれ、前記散乱光の直線偏光成分を予め定められた角度で通過させる偏光素子と、当該偏光素子を通過した光を受光する受光器とを、含む光学装置。
2. 前記複数の光検出系は、略同一平面上に配されている請求項１に記載の光学装置。
3. 前記略同一平面は、前記所定の偏光方向の電場振動面における略同一平面である請求項２に記載の光学装置。
4. 前記複数の光検出系それぞれに含まれる前記偏光素子は、前記散乱光の直線偏光成分を、前記所定の偏光方向の電界振動面又は磁界振動面の偏光方向で通過させる請求項１〜３のいずれか１つに記載の光学装置。
5. 前記複数の光検出系は、前記直線偏光が前記試料に入射することによって生じる散乱光の強度を検出し、
   前記複数の光検出系それぞれに含まれる前記受光器は、前記偏光素子を通過した光を受光し、当該受光した光の強度を検出する請求項１〜４のいずれか１つに記載の光学装置。
6. 請求項５に記載の光学装置と、
   前記複数の光検出系により検出された散乱光の強度に基づいて、前記試料の種別又は状態を同定する同定部と、
   を備える情報処理システム。
7. 請求項５に記載の光学装置と、
   同一の種別又は状態の試料に対して行われた前記複数の光検出系による散乱光の強度検出結果を複数取得し、当該複数の強度検出結果に基づく統計処理を行い、前記種別又は状態と統計処理結果とを対応付けた同定情報を登録する登録部と、
   を備える情報処理システム。
8. 未知の種別又は状態の試料に対して行われた前記複数の光検出系による散乱光の強度検出結果を取得し、当該強度検出結果に基づく前記同定情報との比較を行い、前記未知の種別又は状態を同定する同定部を更に備える請求項７に記載の情報処理システム。
9. 前記登録部は、前記複数の強度検出結果それぞれの時間平均相関関数−相関時間の緩和情報を演算し、複数の緩和情報を統計処理し、
   前記同定部は、前記強度検出結果の時間平均相関関数−相関時間の緩和情報を演算し、当該緩和情報と前記同定情報とを比較し、前記未知の種別又は状態を同定する請求項８に記載の情報処理システム。

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