JP2018087809A - 生物粒子計数システムおよび生物粒子計数方法 - Google Patents

生物粒子計数システムおよび生物粒子計数方法 Download PDF

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Abstract

【課題】 非生物粒子とは区別して生物粒子を精度よく計数する。【解決手段】 前段照射部2は、生物粒子計数部1の前段において、流体となる試料に対して紫外線を照射する。この紫外線は、生物粒子内の第1自家蛍光物質の蛍光強度を増加する深紫外領域の紫外線である。そして、生物粒子計数部1は、第1自家蛍光物質の蛍光波長を含む第1波長範囲の光強度を測定するとともに特定の第2波長範囲の光強度を測定し、測定した第1波長範囲の光強度および測定した特定の第2波長範囲の光強度に基づいて流体内の非生物粒子と区別して生物粒子を計数する。【選択図】 図1

Description

本発明は、生物粒子計数システムおよび生物粒子計数方法に関するものである。
ある液中蛍光検出装置は、セル内の液体に励起光を照射し、ラマン散乱光の波長帯域より長い第1蛍光波長帯域、およびラマン散乱光の波長帯域より短い第2蛍光波長帯域の光を検出し、第1蛍光波長帯域の光強度が第2蛍光波長帯域の光強度より高い場合には、液体に生物粒子が含まれていると判定し、第2蛍光波長帯域の光強度が第1蛍光波長帯域の光強度より高い場合には、液体に非生物粒子が含まれていると判定する(例えば特許文献1参照)。
他方、ある生物粒子計数器は、生物粒子測定の前処理として、UV−C波長範囲の紫外線を試料に照射することで、励起光による生物粒子の自家蛍光強度を増加させ、1つの特定波長域の蛍光を検出し、検出した蛍光の光強度と閾値とを比較して生物粒子を検出している(例えば特許文献2参照)。
特開2016−080673号公報 特開2014−153199号公報
しかしながら、個々の生物粒子の蛍光は微弱なため、背景ノイズに埋もれてしまい、特許文献1の液中蛍光検出装置では、個々の生物粒子および蛍光を検出できないことがある。また、図2(紫外線照射なし)に示すように、細菌の種類によっては第1蛍光波長帯域と第2蛍光波長帯域の蛍光強度の大小関係が逆になることがある。
他方、特許文献2の生物粒子計数器では、生物粒子に対して照射される励起光によって蛍光を発するような非生物粒子も試料内に含まれている場合、非生物粒子とは区別して生物粒子を検出できないことがある。
したがって、上述の技術では、非生物粒子とは区別して生物粒子を精度よく計数することが困難な場合がある。
本発明は、上記の問題に鑑みてなされたものであり、非生物粒子とは区別して生物粒子を精度よく計数する生物粒子計数システムおよび生物粒子計数方法を得ることを目的とする。
本発明に係る生物粒子計数システムは、流体に励起光を照射し流体内の生物粒子の自家蛍光を検出して流体内の生物粒子を計数する生物粒子計数部と、生物粒子計数部の前段に設けられ、流体となる試料に対して紫外線を照射する前段照射部とを備える。そして、この紫外線は、生物粒子内の第1自家蛍光物質の蛍光強度を増加する深紫外領域の紫外線であり、生物粒子計数部は、第1自家蛍光物質の蛍光波長を含む第1波長範囲の光強度を測定するとともに特定の第2波長範囲の光強度を測定し、測定した第1波長範囲の光強度および測定した特定の第2波長範囲の光強度に基づいて流体内の非生物粒子と区別して生物粒子を計数する。
本発明に係る生物粒子計数方法は、生物粒子計数部の前段において、試料に対して紫外線を照射するステップと、その紫外線が照射された試料を流体として生物粒子計数部に流入させ、生物粒子計数部において流体に励起光を照射し流体内の生物粒子の自家蛍光を検出して流体内の生物粒子を計数するステップとを備える。そして、この紫外線は、生物粒子内の第1自家蛍光物質の蛍光強度を増加する深紫外領域の紫外線であり、生物粒子計数部では、第1自家蛍光物質の蛍光波長を含む第1波長範囲の光強度を測定するとともに特定の第2波長範囲の光強度を測定し、測定した第1波長範囲の光強度および測定した特定の第2波長範囲の光強度に基づいて流体内の非生物粒子と区別して生物粒子を計数する。
本発明によれば、非生物粒子とは区別して生物粒子が精度よく計数される。
図1は、本発明の実施の形態1に係る生物粒子計数システムの構成を示すブロック図である。 図2は、特定の細菌A,B,Cに対する紫外線照射による蛍光スペクトルの変化を示す図である。 図3は、非生物粒子(シリコン粒子)の蛍光スペクトルを示す図である。 図4は、特定の細菌A,B,Cに対する紫外線照射による蛍光スペクトルの変化(ラマン散乱光成分を除いたもの)を示す図である。 図5は、非生物粒子(シリコン粒子)の蛍光スペクトル(ラマン散乱光成分を除いたもの)を示す図である。 図6は、図1における生物粒子計数器1の構成を示すブロック図である。 図7は、実施の形態1における第1測定信号、第2測定信号、および第3測定信号を説明するタイミングチャートである。 図8は、本発明の実施の形態4に係る生物粒子計数システムの構成を示すブロック図である。 図9は、本発明の実施の形態5に係る生物粒子計数システムにおける前段照射部51の一例を示す図である。
以下、図に基づいて本発明の実施の形態を説明する。
実施の形態1.
図1は、本発明の実施の形態1に係る生物粒子計数システムの構成を示すブロック図である。実施の形態1に係る生物粒子計数システムは、生物粒子計数器1、前段照射部2、および試料流動調整部3を備える。
生物粒子計数器1は、試料である流体に測定光(励起光)を照射し流体内の生物粒子の自家蛍光を検出してその流体内の生物粒子を計数する。生物粒子計数器1は、例えば0.1μm〜数百μmの大きさの生物粒子を計数可能である。具体的には、計数対象の生物粒子は、細菌、酵母、カビ等である。生物粒子の細胞は、自家蛍光を発する特定の自家蛍光物質(リボフラビンなどのフラビン類など)を含んでいる。したがって、この自家蛍光を検出することで、生物粒子を計数することができる。
また、前段照射部2は、生物粒子計数器1の前段に設けられ、生物粒子計数器1に流入する流体となる試料に対して特定波長の紫外線を照射する。
また、試料流動調整部3は、ポンプ、バルブなどで、生物粒子計数器1から流出する試料(つまり、生物粒子計数器1に流入する試料)の流量を調整し、生物粒子計数器1による生物粒子の計数が完了した試料を排出する。
図1に示すように、実施の形態1に係る生物粒子計数システムは、バッチ方式の計数システムであって、前段照射部2は、試料水101を貯留する容器を有する貯留部21と、貯留部21内の試料水101に対して上述の紫外線を発する光源22と、貯留部21内の試料水101を流体として生物粒子計数器1へ供給する流路部23とを備える。
なお、光源22からの紫外線が透過する材質で貯留部21が構成されている場合には、光源22からの紫外線が外部に漏れないように、貯留部21の外周には、紫外線を遮蔽する遮蔽材が配置される。遮蔽材としては、アルミニウムやポリテトラフルオロエチレン (PTFE)などの、紫外線を反射する材料を使用することが望ましい。
光源22は、貯留部21の容器内側に配置され、上述の紫外線を発する発光部22aを有する。例えば、光源22は、発光部22aの全体が貯留部21内の試料水101に没した状態で上述の紫外線を試料水101に照射する。なお、貯留部21内の試料水101に対して紫外線が均等に照射されるように試料を撹拌する撹拌装置を前段照射部2に設けてもよい。
前段照射部2により照射される紫外線は、計数対象の生物粒子内の特定の自家蛍光物質の蛍光強度を増加する深紫外領域(300nm以下、好ましくは254nm以下、より好ましくは185nm以下)の紫外線である。この実施の形態1では、254nmの殺菌線が、この紫外線として使用される。
図2は、特定の細菌A,B,Cに対する紫外線照射による蛍光スペクトルの変化を示す図である。図3は、非生物粒子(シリコン粒子)の蛍光スペクトルを示す図である。図4は、特定の細菌A,B,Cに対する紫外線照射による蛍光スペクトルの変化(ラマン散乱光成分を除いたもの)を示す図である。図5は、非生物粒子(シリコン粒子)の蛍光スペクトル(ラマン散乱光成分を除いたもの)を示す図である。
ここで、細菌Aは、Pseudomonas属のものであり、細菌Bは、Sphingomonas属のものであり、細菌Cは、Methylobacterium属のものである。
図2〜図5は、実験による上述の深紫外領域の紫外線照射の有無のそれぞれにおける405nm励起光に対する蛍光スペクトルなどの測定結果を示している。なお、図2〜図5に示す光強度分布には、蛍光スペクトルの他、散乱光成分も含まれている。図2および図3における約465nmの光強度ピークは、ラマン散乱光成分に由来するものである。このラマン散乱光成分を除いた蛍光スペクトルが、図4および図5に示すものとなる。また、図2〜図5の場合の励起光のピーク波長は405nmであり、430nm未満の波長範囲には、散乱光成分(または励起光成分)が含まれている。
図2および図4に示すように、細菌A,B,Cのいずれの蛍光スペクトルにおいても、上述の紫外線照射によって、約450nmおよび約500nmにピークが形成されている。なお、図2および図4では、上述の紫外線照射によって散乱光成分(または励起光成分)の光強度は増加しないが、蛍光スペクトルにおける約450nmおよび約500nmのピークに対応する裾部分によって、430nm未満の波長範囲の光強度も上述の紫外線照射によって増加している。
自家蛍光の波長は、自家蛍光物質に固有の分布を有する。例えば、フラビン類としてのリボフラビンおよびその補酵素型のFAD(フラビンアデニンジヌクレオチド)の自家蛍光のスペクトルは、約520nmの波長にピークを有する。また、例えば、葉酸類(葉酸およびその誘導体)の自家蛍光のスペクトルは、約450nmの波長にピークを有する。
したがって、上述の約500nmのピークについては、約520nmに蛍光ピーク波長を有するフラビン類に由来するものであり、上述の約450nmのピークについては、約450nmに蛍光ピーク波長を有する葉酸類に由来するものであると推定される。
他方、非生物粒子については、上述の紫外線照射によって蛍光強度が増加せず、紫外線照射の有無に拘わらず、図4および図6に示すように非生物粒子の蛍光スペクトルは変化しない。
このように、前段照射部2における紫外線照射によって、フラビン類、葉酸類などの特定の自家蛍光物質の蛍光強度が増加される。
次に、生物粒子計数器1の構成について説明する。図6は、図1における生物粒子計数器1の構成を示すブロック図である。図6に示すように、生物粒子計数器1は、フローセル31、発光装置32、照射光学系33、検出光学系34、散乱光選択光学素子35、蛍光光選択光学素子36、受光光学系37a,37b、蛍光受光装置38a,38b、受光光学系39、および散乱光受光装置40を備える。
フローセル31は、計数対象の生物粒子を含む流体の流路を形成している。フローセル31は、その流路を形成する透明な管状の部材であって、例えば、合成石英、サファイアなどで構成され、中空の四角柱の形状を有する。
発光装置32は、所定波長の光(ここではレーザー光)を発する光源(例えばレーザーダイオードなどの半導体発光素子)を備え、その光源で、生物粒子の自家蛍光物質を励起する励起光を発する。この励起光は、例えば紫外線領域から緑色の可視光領域までの範囲における、自家蛍光物質に固有な波長を有する。
例えば、リボフラビンの励起吸収スペクトルは、約375nmおよび約450nmにピークを有する。したがって、例えば、リボフラビンのための励起光には、波長が330nm〜500nmの範囲内のレーザー光が使用される。例えば、この実施の形態1では、405nmのレーザー光が使用される。
照射光学系33は、フローセル31の流路における流体の進行方向とは異なる方向(ここでは、垂直な方向)から励起光を、その流路内を流れる流体に照射する。 照射光学系33は、例えば、各種レンズ(例えば、コリメーターレンズ、両凸レンズ、シリンドリカルレンズなど)で構成されており、発光装置32からのレーザー光を平行光線に調整し、この平行光線を励起光として流路内の流体に照射する。その励起光が、フローセル31の流路内を流れる流体に照射され、検出領域が形成される。なお、フローセル31を透過した励起光を遮蔽するビームダンパー(ビームトラップ)を配置するようにしてもよい。
検出光学系34は、上述の励起光の照射による流路内の粒子からの散乱光および蛍光を散乱光選択光学素子35の所定の入射面に入射させる。例えば、検出光学系34には、集光レンズが使用されたり、背景光を遮蔽するためのピンホール並びにその前後にそれぞれ配置された集光レンズを有する光学系が使用されたりする。
生物粒子に励起光が照射された場合、生物粒子からの散乱光および自家蛍光が散乱光選択光学素子35の所定の入射面に入射する。なお、流体内に、計数対象の生物粒子の自家蛍光とは別に蛍光を発する非生物粒子が含まれている場合、その非生物粒子に励起光が照射されると、その非生物粒子も蛍光を発してしまう。
なお、試料が、液体である水の場合、励起光に対する水からのラマン散乱光も、検出光学系34を介して散乱光選択光学素子35に入射する。例えば励起光が405nmの波長を有する場合には、水からのラマン散乱光のピーク波長は約465nmとなる。
また、この実施の形態では、検出光学系34の光軸とは異なる方向から励起光がフローセル31の流路に入射しているため、側方散乱の散乱光が検出光学系34によって散乱光選択光学素子35に入射する。
散乱光選択光学素子35は、励起光と同じ散乱光の波長より長い蛍光波長範囲の光を透過させ、粒子からの散乱光の波長範囲(つまり、励起光の波長範囲)の光を反射する光学素子(例えばダイクロイックミラー)である。
蛍光選択光学素子36は、散乱光選択光学素子35を透過してきた光のうち、特定の波長範囲の光と別の波長範囲の光とを互いに分離させる光学素子であって、特定の波長範囲の光を透過させ、別の波長範囲の光を反射する光学素子(例えばダイクロイックミラー)である。
この特定の波長範囲は、蛍光強度の測定対象の第1波長範囲を含む。また、この別の波長範囲は、蛍光強度の測定対象の特定の第2波長範囲を含む。
第1波長範囲は、特定の自家蛍光物質の蛍光波長を含む。
実施の形態1では、生物粒子計数器1における上述の第1波長範囲は、特定の自家蛍光物質としてのフラビン類(リボフラビン、FAD(フラビンアデニンジヌクレオチド)など)の蛍光波長を含む。
なお、通常、自家蛍光物質の蛍光は比較的ブロードな波長分布を有するため、第1波長範囲は、特定の自家蛍光物質に固有の既知のピーク波長を含んでいなくてもよく、その特定の自家蛍光物質の既知のピーク波長に最も近い、生物粒子(細菌)の蛍光スペクトルの極大値の波長を含むように設定してもよい。つまり、他の自家蛍光物質などの影響で、生物粒子(細菌)の蛍光スペクトルの極大値が、特定の自家蛍光物質に固有のピーク波長の近傍の別の波長に現れる場合には、第1波長範囲を、自家蛍光物質の蛍光ピーク波長に最も近い、蛍光スペクトルの極大値の波長を含む所定幅の波長範囲としてもよい。
ここでは、フラビン類の蛍光ピーク波長は約520nmであるが、図2および図4に示すように、520nmの近傍において、紫外線照射による生物粒子(細菌)の蛍光スペクトルの極大値が約500nmに現れているため、実施の形態1では、第1波長範囲は、その極大値の波長500nmを含む所定幅(例えば±10nm)の波長範囲とされる。なお、第1波長範囲が、フラビン類の蛍光ピーク波長(約520nm)を含んでいても勿論よい。
他方、実施の形態1では、第2波長範囲は、上述の励起光の波長(実施の形態1では、405nm)と第1波長範囲との間において、前段照射部2により照射される紫外線で蛍光強度が増加される生物粒子内の自家蛍光物質の蛍光ピーク波長が含まれない所定の波長範囲である。さらに、試料が水を含む場合には、第2波長範囲は、ラマン散乱光のピーク波長を含まないように、励起光の波長とラマン散乱光のピーク波長との間に設定される。
実施の形態1では、葉酸類の蛍光ピーク波長が約450nmであり、紫外線照射による生物粒子(細菌)の蛍光スペクトルの極大値も450nmに現れているため、第2波長範囲は、図2および図4に示すように葉酸類の蛍光ピーク波長やラマン散乱光の波長が含まれないように、430nmを含む所定幅(例えば±10nm)の波長範囲とされる。
受光光学系37aは、蛍光選択光学素子36を透過してきた特定の波長範囲(つまり、第1波長範囲を含む波長範囲)の光を集光レンズ群で蛍光用受光装置38aに集光する。受光光学系37bは、蛍光選択光学素子36を反射してきた別の波長範囲(つまり、第2波長範囲を含む波長範囲)の光を集光レンズ群で蛍光用受光装置38bに集光する。
なお、受光光学系37a,37bの一方または両方は、散乱光選択光学素子35および蛍光選択光学素子36を介して入射するラマン散乱光の強度に応じて、ラマン散乱光を遮断し、上述の波長範囲の光を透過させるロングパスフィルター、バンドパスフィルターまたはショートパスフィルターを有していてもよい。
蛍光受光装置38a,38bは、フォトダイオード、フォトトランジスタなどの半導体受光素子、または光電子増倍管をそれぞれ有し、半導体受光素子または光電子増倍管で、集光された光を受光して、受光した光を電気信号に変換し、受光強度に応じてそれぞれ出力する。
また、受光光学系39は、散乱光選択光学素子35で反射した光(散乱光)を集光レンズ群で散乱光用受光装置40に集光する。散乱光受光装置40は、フォトダイオード、フォトトランジスタなどの半導体受光素子、または光電子増倍管を有し、半導体受光素子または光電子増倍管で、集光された散乱光を受光して、受光した散乱光を電気信号に変換し、受光強度に応じて出力する。
さらに、生物粒子計数器1は、増幅器41a,41b、A/D変換器42a,42b、増幅器43、A/D変換器44、計数処理部45、および制御部46を備える。増幅器41a,41bは、蛍光受光装置38a,38bからの電気信号の電圧を所定の増幅率でそれぞれ増幅し、A/D変換器42a,42bは、増幅後の電気信号をデジタル信号へそれぞれ変換する。増幅器43は、散乱光受光装置40からの電気信号の電圧を所定の増幅率で増幅し、A/D変換器44は、増幅後の電気信号をデジタル信号へ変換する。
計数処理部45は、蛍光に対応するA/D変換器42a,42bからのデジタル信号(第1測定信号および第2測定信号)および散乱光に対応するA/D変換器44からのデジタル信号(第3測定信号)に基づいて、測定領域を通過する生物粒子を(例えば粒径区分ごとに)計数するデジタル処理回路である。
上述のように、生物粒子計数部1は、(a)蛍光光選択光学素子36、受光光学系37a,37b、蛍光受光装置38a,38bなどの蛍光測定系を使用して、上述の第1波長範囲の光強度および上述の第2波長範囲の光強度を測定し、(b)計数処理部45を使用して、測定した第1波長範囲の光強度および測定した第2波長範囲の光強度に基づいて流体内の非生物粒子と区別して生物粒子を計数する。
実施の形態1では、計数処理部45は、第1波長範囲の蛍光に対応する第1測定信号(A/D変換器42aからのデジタル信号)の値および第2波長範囲の蛍光に対応する第2測定信号(A/D変換器42bからのデジタル信号)の値が両方とも所定の閾値を超えたときに、第1測定信号の波高値が第2測定信号の値より高いか否かを判定し、第1測定信号の波高値が、第2測定信号の値より高い場合には、1つの生物粒子を検出したと判定し、生物粒子を計数する。この閾値は、背景ノイズの上限レベルに対応して、背景ノイズレベルがこの閾値を超えないように設定される。さらに、この閾値は、上述の紫外線照射による第1波長範囲での光強度の増加分および第2波長範囲での光強度の増加分に応じた値に設定される。つまり、第1波長範囲での光強度の増加分および第2波長範囲での光強度の増加分が大きくなるほど、この閾値は、背景ノイズの上限レベルより高く設定される。なお、これらの増加分は、実験などによって予め特定される。
一方、実施の形態1では、計数処理部45は、第1測定信号および第2測定信号の値の少なくとも一方が所定の閾値を超えていない場合、および、第1測定信号の値および第2測定信号の値が両方とも所定の閾値を超えているが、第1測定信号の波高値が第2測定信号の値以下である場合には、生物粒子を検出したとは判定せず、生物粒子を計数しない。
つまり、実施の形態1では、生物粒子計数部1は、測定した第1波長範囲の光強度が、測定した第2波長範囲の光強度より高い場合に、生物粒子を計数する。生物粒子の場合、図2および図4に示すように、前段照射部2における紫外線照射によって、生物粒子の種別に拘わらず、第1波長範囲の光強度が第2波長範囲の光強度より高くなるので、生物粒子が、生物粒子として確実に計数される。一方、非生物粒子の場合には、蛍光強度が低く
、上述したように前段照射部2における紫外線照射によって増加しないため、第1測定信号および第2測定信号の値の少なくとも一方が所定の閾値を超えにくくなり、その非生物粒子が生物粒子として計数されにくくなる。なお、非生物粒子の場合において第1測定信号および第2測定信号の値がそれぞれ所定の閾値を超えたとしても、第1波長範囲の光強度が第2波長範囲の光強度より低くなるので、生物粒子として計数されない。
さらに、計数処理部45は、散乱光に対応する第3測定信号の波高値に基づいて、検出した生物粒子のサイズを特定する。
なお、非生物粒子も計数する場合には、例えば、生物粒子は検出されていないが、散乱光に対応する測定信号の波高値が所定の閾値を超えているときに、1つの非生物粒子を検出したと判定すればよい。
制御部46は、計数処理部45などの内部装置を制御し、計数処理部45から測定結果を取得し、測定データとして出力したり、グラフ図などを表示装置(不図示)に表示したりする。
次に、実施の形態1に係る生物粒子計数システムにおける生物粒子の計数について説明する。
実施の形態1に係る生物粒子計数システムはバッチ方式を採用しているので、図1に示すように、1回の測定ごとに、一定量の試料水101が、貯留部21に入れられる。次に、光源22が点灯され、上述の紫外線を試料水101に照射する。これにより、試料水101内の生物粒子にも上述の紫外線が所定の強度および時間で照射される。この紫外線の照射により、後段の生物粒子計数器1において、生物粒子内のフラビン類などの自家蛍光強度が増加する。
上述の紫外線が所定時間照射された後、光源22が消灯され、試料流動調整部3によって試料水101を生物粒子計数器1へ流入させ、生物粒子計数器1が、生物粒子の計数を開始する。生物粒子計数器1は、流体としての試料水101内の生物粒子を計数する。
生物粒子計数器1では、発光装置32および照射光学系33が、試料水101に、励起光を照射する。
そして、蛍光光選択光学素子36、受光光学系37a,37b、蛍光受光装置38a,38b、増幅器41a,41b、およびA/D変換器42a,42bの蛍光測定系によって、第1波長範囲の光強度を示す第1測定信号および第2波長範囲の光強度を示す第2測定信号が計数処理部45へ出力されるとともに、散乱光選択光学素子35、受光光学系39、散乱光受光装置40、増幅器43、およびA/D変換器44の散乱光測定系によって、励起光の波長を含む波長範囲の光強度を示す第3測定信号が計数処理部45へ出力される。
図7は、実施の形態1における第1測定信号、第2測定信号、および第3測定信号を説明するタイミングチャートである。
図7に示すように、各測定信号には、背景ノイズが重畳している。この背景ノイズには、光学系での背景ノイズの他、電気的な背景ノイズも含まれる。
試料水101内の1つの生物粒子に励起光が照射された場合、第1測定信号には、前段照射部2での紫外線照射により増大されたフラビン類の自家蛍光に起因する1つの大きいパルスが現れ、第2測定信号には、比較的小さいパルスが現れる。なお、前段照射部2での紫外線照射により自家蛍光が増大される自家蛍光物質の蛍光波長ピークは第2波長範囲にはないものの、フラビン類またはその他の自家蛍光物質(葉酸類など)のブロードな蛍光特性に起因して、第2測定信号にも同一タイミングでパルスが現れる。そして、第3測定信号にも同一タイミングで、生物粒子の粒径に応じた散乱光に起因するパルスが現れる。
また、試料水101内の1つの非生物粒子に励起光が照射された場合、第1測定信号および第2測定信号には、非生物粒子の蛍光に起因するパルスが現れる。なお、このパルスは非常に小さいため、第1測定信号および第2測定信号のレベルは閾値を超えにくい。つまり、前段照射部2での紫外線照射により非生物粒子の蛍光強度は増加しないため、非生物粒子の蛍光に起因するパルスは小さく検出されにくい。そして、第3測定信号には、非生物粒子の粒径に応じた散乱光に起因するパルスが現れる。
計数処理部45は、上述の第1測定信号、第2測定信号、および第3測定信号のレベルを継続的に閾値Th1〜Th3とそれぞれ比較する。
第1測定信号のレベルおよび第2測定信号のレベルが閾値Th1,Th2をそれぞれ超えた場合に、計数処理部45は、第1測定信号の波高値Vpeak1(つまり、極大値)が第2測定信号の波高値Vpeak2より大きいときには、1つの生物粒子を計数する。
つまり、試料水101内の1つの生物粒子に励起光が照射された場合には、第1測定信号のレベルおよび第2測定信号のレベルが閾値Th1,Th2をそれぞれ超え、かつ、第1測定信号の波高値Vpeak1が第2測定信号の波高値Vpeak2より大きくなるため、その1つの生物粒子が計数される。
一方、試料水101内の1つの非生物粒子に励起光が照射された場合には、図4および図6に示すように非生物粒子の蛍光強度は増加されず、有意なパルスが第1測定信号および第2測定信号において現れず、第1測定信号のレベルおよび第2測定信号のレベルの少なくとも一方は閾値Th1,Th2を超えないため、その1つの非生物粒子は、生物粒子として計数されない。なお、第1測定信号のレベルおよび第2測定信号のレベルが閾値Th1,Th2をそれぞれ超えた場合でも、第1測定信号の波高値Vpeak1が第2測定信号の波高値Vpeak2より小さくなるので、その1つの非生物粒子は生物粒子として計数されない。
なお、試料水101内の生物粒子および非生物粒子のいずれにも励起光が照射されていない場合には、第1測定信号のレベルおよび第2測定信号のレベルは閾値Th1,Th2を超えないため、生物粒子が計数されることはない。
さらに、計数処理部45は、上述の1つの生物粒子に起因する第1測定信号および第2測定信号のパルスと同一タイミングで得られる第3測定信号のパルスの波高値Vpeak3に基づいて、その1つの生物粒子のサイズ(粒径)を特定する。
以上のように、上記実施の形態1によれば、前段照射部2は、生物粒子計数部1の前段において、流体となる試料に対して紫外線を照射する。この紫外線は、生物粒子内の第1自家蛍光物質の蛍光強度を増加する深紫外領域の紫外線である。そして、生物粒子計数部1は、第1自家蛍光物質の蛍光波長を含む第1波長範囲の光強度および特定の第2波長範囲の光強度を測定し、測定した第1波長範囲の光強度および測定した特定の第2波長範囲の光強度に基づいて流体内の非生物粒子と区別して生物粒子を計数する。
特に実施の形態1では、第2波長範囲は、励起光の波長と第1波長範囲との間において、紫外線で蛍光強度が増加される生物粒子内の自家蛍光物質の蛍光ピーク波長が含まれない所定の波長範囲とされ、生物粒子計数部1は、測定した第1波長範囲の光強度が、測定した第2波長範囲の光強度より高い場合に、生物粒子を計数する。
これにより、非生物粒子とは区別して生物粒子が精度よく計数される。
つまり、図2〜図5に示すように、上述の紫外線を照射しない場合には、生物粒子(細菌)の第1波長範囲の光強度と第2波長範囲の光強度との高低関係は生物粒子の種別によって一定ではなく非生物粒子の第1波長範囲の光強度と第2波長範囲の光強度との高低関係に一致することがあるため、非生物粒子と生物粒子とを正確に分別できないことがあるが上述の紫外線を照射した場合には、生物粒子(細菌)の第1波長範囲の光強度と第2波長範囲の光強度との高低関係が一定となるため、非生物粒子と生物粒子とを正確に分別することができる。
実施の形態2.
実施の形態2に係る生物粒子計数システムでは、実施の形態1と同様に、第1波長範囲は、特定の自家蛍光物質の蛍光波長を含む。実施の形態2では、第1波長範囲は、葉酸類の蛍光波長を含む。葉酸およびそのプテリン誘導体(アメトプテリン)の蛍光ピーク波長は約450nmである。上述の前段照射部2での紫外線照射によって、葉酸から葉酸のプテリン誘導体(アメトプテリン)が生成される。葉酸の蛍光強度は比較的低いが、葉酸のプテリン誘導体の蛍光強度は葉酸に比べ高い。そのため、上述の前段照射部2での紫外線照射によって、自家蛍光強度が増加する。したがって、生物粒子の検出に利用する自家蛍光物質として、実施の形態1のフラビン類の代わりに、実施の形態2では葉酸類が使用される。
図2および図4に示すように、細菌の蛍光スペクトル上でも葉酸類由来の極大値が約450nmにあるので、実施の形態2では、第1波長範囲は、450nmを含む所定幅の波長範囲とされる。なお、実施の形態2の第2波長範囲は、実施の形態1と同様に設定されている。つまり、実施の形態2の第2波長範囲は、第1波長範囲と励起光(ここでは405nm)との間に設定される。
なお、実施の形態2に係る生物粒子計数システムのその他の構成および動作については実施の形態1と同様であるので、その説明を省略する。
実施の形態3.
実施の形態3に係る生物粒子計数システムでは、第1波長範囲は、特定の第1自家蛍光物質の蛍光波長を含み、第2波長範囲は、第1自家蛍光物質とは別の特定の第2自家蛍光物質の蛍光波長を含む。第1自家蛍光物質および第2自家蛍光物質は、いずれも、前段照射部2による紫外線照射で蛍光強度が増加される。この実施の形態3では、第1自家蛍光物質は、上述のフラビン類であって、第2自家蛍光物質は、上述の葉酸類である。そして、実施の形態3では、生物粒子計数部45は、測定した第1波長範囲の光強度と測定した第2波長範囲の光強度との差が所定範囲内である場合に、生物粒子を計数する。なお、実施の形態3における第1波長範囲および第2波長範囲は、対応する自家蛍光物質に応じて、実施の形態1の第1波長範囲および実施の形態2の第1波長範囲と同様に設定される。
なお、実施の形態3に係る生物粒子計数システムの基本的な構成については実施の形態1と同様であるので、その説明を省略する。
次に、実施の形態3に係る生物粒子計数システムにおける生物粒子の計数について説明する。
試料水101内の1つの生物粒子に励起光が照射された場合、第1測定信号には、前段照射部2での紫外線照射により増大されたフラビン類の自家蛍光に起因する1つの大きいパルスが現れ、第2測定信号にも、前段照射部2での紫外線照射により増大された葉酸類の自家蛍光に起因する1つの大きいパルスが現れる。
計数処理部45は、上述の第1測定信号、第2測定信号、および第3測定信号のレベルを継続的に閾値Th1〜Th3と比較する。
第1測定信号のレベルおよび第2測定信号のレベルが閾値Th1,Th2をそれぞれ超えた場合に、計数処理部45は、第1測定信号の波高値(つまり、極大値)と第2測定信号の波高値との差分が所定範囲内(例えば所定の閾値以下)であるときには、1つの生物粒子を計数する。
試料水101内の1つの生物粒子に励起光が照射された場合には、第1測定信号のレベルおよび第2測定信号のレベルが閾値Th1,Th2をそれぞれ超え、かつ、生物粒子の種別に拘わらず、第1測定信号の波高値および第2測定信号の波高値がいずれも同程度高くなるため、両者の差分が所定範囲内となり、その1つの生物粒子が計数される。
一方、試料水101内の1つの非生物粒子に励起光が照射された場合には、第1測定信号のレベルおよび第2測定信号のレベルの少なくとも一方は閾値Th1,Th2を超えないため、その1つの非生物粒子が、生物粒子として計数されない。
試料水101内の生物粒子および非生物粒子のいずれにも励起光が照射されていない場合には、第1測定信号のレベルおよび第2測定信号のレベルは閾値Th1,Th2を超えないため、生物粒子が計数されることはない。
なお、実施の形態3に係る生物粒子計数システムのその他の動作については実施の形態1と同様であるので、その説明を省略する。
以上のように、上記実施の形態3では、第2波長範囲は、第1自家蛍光物質とは別の、紫外線で蛍光強度が増加される生物粒子内の第2自家蛍光物質の蛍光波長を含む所定の波長範囲とされ、生物粒子計数部1は、測定した第1波長範囲の光強度と測定した第2波長範囲の光強度との差分が所定範囲内である場合に、生物粒子を計数する。
これにより、非生物粒子とは区別して生物粒子が精度よく計数される。
つまり、図2および図4に示すように、上述の紫外線を照射しない場合には、生物粒子(細菌)の第1波長範囲の光強度と第2波長範囲の光強度との差のバラツキが大きいため、非生物粒子と生物粒子とを正確に分別できないことがあるが、前段照射部2で上述の紫外線を照射した場合には、生物粒子(細菌)の種別に拘わらず、第1波長範囲の光強度と第2波長範囲の光強度との差はほぼ同程度となる、非生物粒子と生物粒子とを正確に分別することができる。
実施の形態4.
図8は、本発明の実施の形態4に係る生物粒子計数システムの構成を示すブロック図である。実施の形態4に係る生物粒子計数システムは、連続方式の計数システムである。したがって、実施の形態4に係る生物粒子計数システムは、連続方式用の前段照射部51を備え、実施の形態4では、生物粒子計数器1が、試料流体内の生物粒子を連続的に計数しているときに、生物粒子計数器1に流入する前の段階で、前段照射部51が、実施の形態1〜3と同様の深紫外領域の紫外線を試料流体に照射する。
実施の形態4における生物粒子計数器1は、実施の形態1〜3のいずれかにおける生物粒子計数器1と同様のものである。
実施の形態4における前段照射部51は、紫外線を発する光源61と、光源61の周囲において試料流体が流通する流路部62と、光源61および流路部62の外周を覆い紫外線を反射または吸収する遮蔽部63とを備える。
光源61は、実施の形態1〜3における光源22と同様のものである。実施の形態4では、流路部62は、光源61の発光部61aに沿って延びるU字状の流路部を有する石英管などのチューブ状のものである。遮蔽部63は、アルミニウム、ポリテトラフルオロエチレン (PTFE)などの、紫外線を反射する材料で構成されており、遮蔽部63で光源61および流路部62の外周を覆うことで、光源61からの紫外線が外部に漏れにくくなるとともに流路部62に効率良く照射される。なお、遮蔽部63は、光源61および流路部62を収容するケースとしてもよいし、遮蔽部63は、光源61および流路部62を収容するケースの外周を覆うようにしてもよい。
なお、光源61の周囲の空気(外気)に光源61からの紫外線が照射されオゾンが発生する場合には、遮蔽部63は、例えば箔状のものとされ、光源61および流路部62と遮蔽部63との間の空間が小さくなるように光源61および流路部62に密接に配置されることが望ましい。また、遮蔽部63と光源61との接合部分および遮蔽部63と流路部62との接合部分は、遮蔽部63の内側で発生したオゾンが外気へ漏れないように密閉するようにしてもよい。
次に、実施の形態4に係る生物粒子計数システムにおける生物粒子の計数について説明する。
実施の形態4に係る生物粒子計数システムは、連続方式を採用しているので、試料を流体として流通させて前段照射部51による紫外線照射および生物粒子計数器1による生物粒子の計数を連続的に行う。ここでは、試料は、水である。
まず、試料流動調整部3によって、分流部52において主流路(例えば水道管)から試料水を分岐させ、前段照射部51に流入させるとともに、光源61が点灯され、試料水が流路部62を流れている期間、その試料水に上述の紫外線が照射される。これにより、試料水に、上述の紫外線が、試料水の流速および流路部62の長さに応じた所定時間だけ照射される。なお、このとき、試料水に対してエアレーションは行われない。これにより、実施の形態1〜3と同様に、試料流体内の特定の自家蛍光物質の蛍光強度が増加する。
そして、前段照射部51の流路部62を流通し上述の紫外線が所定時間照射された試料水は、生物粒子計数器1に流入する。生物粒子計数器1は、試料水内の生物粒子を計数する。このとき、生物粒子の自家蛍光強度が増加しているので、試料水内の生物粒子が精度よく計数される。
なお、実施の形態4に係る生物粒子計数システムにおけるその他の構成要素の構成および動作は実施の形態1〜3のいずれかのものと同様であるので、その説明を省略する。ただし、実施の形態4において、主流路の水圧、分流部52などに基づき、前段照射51および生物粒子計数器1に流通する流量の調整が可能であれば、試料流動調整部3を設けなくてもよい。
以上のように、上記実施の形態4によれば、生物粒子計数器1の前段に連続方式の前段照射部51が設けられ、生物粒子の特定の自家蛍光強度を増加させる紫外線を試料流体に照射する。これにより、リアルタイムに、非生物粒子とは区別して生物粒子が精度よく計数される。
実施の形態5.
本発明の実施の形態5に係る生物粒子計数システムは、実施の形態4における前段照射部51を変更したものである。図9は、本発明の実施の形態5に係る生物粒子計数システムにおける前段照射部51の一例を示す図である。図9(A)は、実施の形態5における前段照射部51の一例を示す側面図であり、図9(B)は、実施の形態5における流路部71の一例を示す底面図である。
実施の形態5における前段照射部51では、流路部62の代わりに、流路部71が設けられる。流路部71は、直立した円筒状のケースであって、内側の中心軸に沿って光源61を収容可能になっている。つまり、実施の形態5では、試料水が、流路部71の下部へ流入し、光源61に接触しつつ流通し、流路部71の上部から流出する。なお、この実施の形態3においても、他の実施の形態と同様に、試料水に対してエアレーションは行われない。
流路部71の底面付近には流入口71aが設けられており、流路部71の所定の高さの位置には流出口71bが設けられている。流出口71bは、流入口71aより高い位置であって、発光部61aの上端と略同じか上端より高い位置に設けられている。また、流入口71aおよび流出口71bは、流路部71の中心軸から径方向に離れた所定の位置に、流路部71の外周面の接線方向に沿って設けられている。これにより、流入口71aから流入した試料水が、光源61の発光部61aの周囲を螺旋状に流動していき、流出口71bから流出していく。
また、光源61および流路部71の外周を覆い紫外線を反射または吸収する遮蔽部72が、流路部71の外周面に設置されている。遮蔽部72は、遮蔽部63と同様の材料である。
なお、実施の形態5に係る生物粒子計数システムにおけるその他の構成要素の構成および動作は実施の形態4のものと同様であるので、その説明を省略する。
実施の形態6.
本発明の実施の形態6に係る生物粒子計数システムでは、生物粒子計数部1は、上述の第1波長範囲の光強度および第2波長範囲の光強度を測定するとともに、第1波長範囲および第2波長範囲以外の少なくとも1つの追加波長範囲の光強度を測定し、測定した第1波長範囲の光強度、測定した第2波長範囲の光強度、および測定した追加波長範囲の光強度に基づいて、流体内の非生物粒子と区別して生物粒子を計数する。
例えば、第1波長範囲は、上述と同様の特定の第1自家蛍光物質の蛍光波長を含み、第2波長範囲は、実施の形態3と同様に、第1自家蛍光物質とは別の特定の第2自家蛍光物質の蛍光波長を含み、追加波長範囲は、実施の形態1の第2波長範囲と同一とされる場合において、測定した第1波長範囲の光強度が測定した追加波長範囲の光強度より高く、かつ、測定した第1波長範囲の光強度と測定した第2波長範囲の光強度との差分が所定範囲内であるときには、生物粒子が計数され、そうではないときには、生物粒子が計数されない。
また、例えば、第1波長範囲は、上述と同様の特定の第1自家蛍光物質の蛍光波長を含み、第2波長範囲は、実施の形態3と同様に、第1自家蛍光物質とは別の特定の第2自家蛍光物質の蛍光波長を含み、1つの追加波長範囲は、実施の形態1の第2波長範囲と同一(第1波長範囲より短波長)とされ、別の追加波長範囲は、第1波長範囲より長波長で、例えば図2に示すように、第1波長範囲がフラビン類の500nmの波長を含む場合には、光強度の下げ傾斜部分である520nmを含む範囲とされる。そして、測定した第1波長範囲の光強度が測定した2つの追加波長範囲の光強度より高く、かつ、測定した第1波長範囲の光強度と測定した第2波長範囲の光強度との差分が所定範囲内であるときには、生物粒子が計数され、そうではないときには、生物粒子が計数されない。
また、例えば、生物粒子計数部1は、波長に対する光強度の特性における、測定した第1波長範囲の光強度と測定した特定の第2波長範囲の光強度とによる傾き(第1波長範囲と第2波長範囲との間の波長差と光強度差との比)、および測定した第1波長範囲の光強度と測定した追加波長範囲の光強度とによる傾き(第1波長範囲と各追加波長範囲との間の波長差と光強度差との比)に基づいて、流体内の非生物粒子と区別して生物粒子を計数するようにしてもよい。その場合、例えば、すべての傾きが、それぞれ対応する所定範囲内であれば、生物粒子が計数され、そうではなければ、生物粒子が計数されない。
なお、実施の形態6に係る生物粒子計数システムにおけるその他の構成要素の構成および動作は実施の形態1〜5のいずれかのものと同様であるので、その説明を省略する。
以上のように、上記実施の形態6によれば、3波長範囲以上の光強度が測定され、それらの光強度に基づいて、非生物粒子とは区別して生物粒子が精度よく計数される。
なお、上述の実施の形態に対する様々な変更および修正については、当業者には明らかである。そのような変更および修正は、その主題の趣旨および範囲から離れることなく、かつ、意図された利点を弱めることなく行われてもよい。つまり、そのような変更および修正が請求の範囲に含まれることを意図している。
例えば、上記実施の形態1〜6では、試料は、液体としたが、気体(空気など)であってもよい。
また、上記実施の形態1〜6において、生物粒子内で上述の紫外線照射により蛍光強度が増加する自家蛍光物質として、フラビン類および葉酸類を例示しているが、他の自家蛍光物質を利用してもよい。
また、上記実施の形態1〜6において、非生物粒子の測定が必要ではなく、かつ生物粒子のサイズの測定が必要ではない場合には、散乱光測定系(散乱光選択光学素子35、受光光学系39、散乱光受光装置40、増幅器43、およびA/D変換器44)は特に必要ない。その場合、検出光学系34からの光は蛍光選択光学素子36に入射する。
また、上記実施の形態1〜6において、前段照射部2,51は、生物粒子計数器1とは別体とされているが、前段照射部2,51を生物粒子計数器1に内蔵してもよい。
また、上記実施の形態1,2において、第2波長範囲は、第1波長範囲より長波長であってもよい。
本発明は、例えば、生物粒子の計数に適用可能である。
1 生物粒子計数器(生物粒子計数部の一例)
2,51 前段照射部

Claims (9)

  1. 流体に励起光を照射し前記流体内の生物粒子の自家蛍光を検出して前記流体内の前記生物粒子を計数する生物粒子計数部と、
    前記生物粒子計数部の前段に設けられ、前記流体となる試料に対して紫外線を照射する前段照射部とを備え、
    前記紫外線は、前記生物粒子内の第1自家蛍光物質の蛍光強度を増加する深紫外領域の紫外線であって、
    前記生物粒子計数部は、前記第1自家蛍光物質の蛍光波長を含む第1波長範囲の光強度を測定するとともに特定の第2波長範囲の光強度を測定し、測定した前記第1波長範囲の光強度および測定した前記特定の第2波長範囲の光強度に基づいて前記流体内の非生物粒子と区別して前記生物粒子を計数すること、
    を特徴とする生物粒子計数システム。
  2. 前記生物粒子計数部は、(a)測定した前記第1波長範囲の光強度および測定した前記第2波長範囲の光強度が、それぞれ所定の閾値より高い場合には、測定した前記第1波長範囲の光強度および測定した前記第2波長範囲の光強度に基づいて前記流体内の非生物粒子と区別して前記生物粒子を計数し、(b)測定した前記第1波長範囲の光強度および測定した前記第2波長範囲の光強度の少なくとも一方が前記閾値以下である場合には、測定した前記第1波長範囲の光強度および測定した前記第2波長範囲の光強度に拘わらず、前記生物粒子を計数せず、
    前記所定の閾値は、前記紫外線の照射による前記第1波長範囲での光強度の増加分および前記第2波長範囲での光強度の増加分に応じた値にそれぞれ設定されること、
    を特徴とする請求項1記載の生物粒子計数システム。
  3. 前記第2波長範囲は、前記励起光の波長と前記第1波長範囲との間において、前記紫外線で蛍光強度が増加される前記生物粒子内の自家蛍光物質の蛍光ピーク波長が含まれない所定の波長範囲であって、
    前記生物粒子計数部は、測定した前記第1波長範囲の光強度が、測定した前記第2波長範囲の光強度より高い場合に、前記生物粒子を計数すること、
    を特徴とする請求項1記載の生物粒子計数システム。
  4. 前記流体は液体であって、
    前記第2波長範囲は、前記励起光の波長と前記液体によるラマン散乱光のピーク波長との間において、前記紫外線で蛍光強度が増加される前記生物粒子内の自家蛍光物質の蛍光ピーク波長が含まれない所定の波長範囲であること、
    を特徴とする請求項3記載の生物粒子計数システム。
  5. 前記第2波長範囲は、前記第1自家蛍光物質とは別の、前記紫外線で蛍光強度が増加される前記生物粒子内の第2自家蛍光物質の蛍光波長を含む所定の波長範囲であって、
    前記生物粒子計数部は、測定した前記第1波長範囲の光強度と測定した前記第2波長範囲の光強度との差分が所定範囲内である場合に、前記生物粒子を計数すること、
    を特徴とする請求項1記載の生物粒子計数システム。
  6. 前記生物粒子計数部は、前記第1波長範囲の光強度および前記第2波長範囲の光強度を測定するとともに、前記第1波長範囲および前記第2波長範囲以外の少なくとも1つの追加波長範囲の光強度を測定し、測定した前記第1波長範囲の光強度、測定した前記第2波長範囲の光強度、および測定した前記追加波長範囲の光強度に基づいて、前記流体内の非生物粒子と区別して前記生物粒子を計数すること特徴とする請求項1から請求項5のうちのいずれか1項記載の生物粒子計数システム。
  7. 前記生物粒子計数部は、波長に対する光強度の特性における、測定した前記第1波長範囲の光強度と測定した前記特定の第2波長範囲の光強度とによる傾き、および測定した前記第1波長範囲の光強度と測定した前記追加波長範囲の光強度とによる傾きに基づいて、前記流体内の非生物粒子と区別して前記生物粒子を計数すること特徴とする請求項6記載の生物粒子計数システム。
  8. 前記生物粒子計数部は、前記第1波長範囲の光強度および前記第2波長範囲の光強度を測定するとともに、前記第1波長範囲および前記第2波長範囲以外の2つの追加波長範囲の光強度を測定し、
    前記2つの追加波長範囲のうちの一方は、前記第1波長範囲より短波長であり、
    前記2つの追加波長範囲のうちの他方は、前記第1波長範囲より長波長であること、
    を特徴とする請求項6記載の生物粒子計数システム。
  9. 生物粒子計数部の前段において、試料に対して紫外線を照射するステップと、
    前記紫外線が照射された前記試料を流体として前記生物粒子計数部に流入させ、前記生物粒子計数部において前記流体に励起光を照射し前記流体内の生物粒子の自家蛍光を検出して前記流体内の前記生物粒子を計数するステップとを備え、
    前記紫外線は、前記生物粒子内の第1自家蛍光物質の蛍光強度を増加する深紫外領域の紫外線であって、
    前記生物粒子計数部では、前記第1自家蛍光物質の蛍光波長を含む第1波長範囲の光強度を測定するとともに特定の第2波長範囲の光強度を測定し、測定した前記第1波長範囲の光強度および測定した前記特定の第2波長範囲の光強度に基づいて前記流体内の非生物粒子と区別して前記生物粒子を計数すること、
    を特徴とする生物粒子計数方法。
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