JP2587463B2 - Rotation measurement device for micro rotating body - Google Patents

Rotation measurement device for micro rotating body

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JP2587463B2
JP2587463B2 JP17589488A JP17589488A JP2587463B2 JP 2587463 B2 JP2587463 B2 JP 2587463B2 JP 17589488 A JP17589488 A JP 17589488A JP 17589488 A JP17589488 A JP 17589488A JP 2587463 B2 JP2587463 B2 JP 2587463B2
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Description

【発明の詳細な説明】 (技術分野) この発明は、微小回転体の回転計測装置に関するもの
である。さらに詳しくは、この発明は、テザードセル
(tethered cell)状態のバクテリア等の微小体の回転
運動を空間分解能および時間分解能よく測定し記録する
微小回転体の回転計測装置に関するものである。
Description: TECHNICAL FIELD The present invention relates to a rotation measuring device for a minute rotating body. More particularly, the present invention relates to a rotation measuring device for a microrotator, which measures and records the rotational motion of a microparticle such as a bacterium in a tethered cell state with good spatial and temporal resolution.

(背景技術) バクテリアはいわゆるべん毛モーターによりべん毛を
回転させて運動しているが、そのベん毛モーターの特性
を調べるための有力な系としてテザードセル(tethered
cell)が知られている。
(Background Art) Bacteria move by rotating flagella by a so-called flagellar motor, and tethered cells (tethered cells) are a powerful system for examining the characteristics of the flagellar motor.
cell) is known.

このテザードセルは、第5図に示すように、バクテリ
ア(ア)のべん毛(イ)をガラス板(ウ)に固定したも
のである。このようにべん毛を固定すると、べん毛モー
ターのトルクによりバクテリア(ア)自体が回転するの
で、その回転運動を計測することによってべん毛モータ
ーの特性を調べることができる。
As shown in FIG. 5, the tethered cell is obtained by fixing the flagella (a) of bacteria (a) to a glass plate (c). When the flagella are fixed in this manner, the bacteria (A) themselves rotate due to the torque of the flagellar motor, so that the characteristics of the flagellar motor can be examined by measuring the rotational movement.

この場合、回転運動を計測するための装置としては、
径1μm程度の微小なバクテリア(ア)が回転数1〜50
Hzで随時回転方向を変えながら運動するのを観察し記録
できるだけの精度を持っていなくてはならない。さら
に、そのバクテリア(ア)の周囲の温度、明るさ、保持
溶液等の環境を自由に設定できるということも要求され
る。従来、このような微小な回転体の計測装置として
は、たとえば、追尾型顕微鏡(tracking microscope)
を応用した装置が知られている。
In this case, as a device for measuring the rotational movement,
Micro bacteria (a) with a diameter of about 1 μm
It must be accurate enough to observe and record movements in Hz changing the direction of rotation from time to time. Further, it is required that the environment such as the temperature, brightness, and the holding solution of the bacteria (A) can be freely set. Conventionally, as a measuring device for such a minute rotating body, for example, a tracking microscope has been used.
There is known a device to which is applied.

この追尾型顕微鏡は、検体が運動するものであっても
常にその拡大像が顕微鏡の視野の中心にくるように、検
体の位置を検出してその検体と顕微鏡との位置関係を調
整するようにしたものである。これを応用した微小回転
体の計測装置においては、バクテリア(ア)の位置の検
出は次のように行うことができる。たとえば、第6図に
示すように、バクテリアの顕微鏡による実像(エ)がで
きる位置に座標系の+X、−X、+Y、−Yを対応させ
て四つの光センザー(a)〜(d)を配し、各々の光セ
ンザーに入射する光強度を検出する。そして、第7図に
示すようなXまたはYにおける光強度Ix、Iyと時間tと
の関係を得て、その周期からバクテリアの回転速度を求
め、また、その位相から回転芳香を求めることができ
る。
This tracking microscope detects the position of the specimen and adjusts the positional relationship between the specimen and the microscope so that the enlarged image is always at the center of the field of view of the microscope even if the specimen moves. It was done. In a measuring device for a micro rotating body to which this is applied, the position of the bacteria (A) can be detected as follows. For example, as shown in FIG. 6, four optical sensors (a) to (d) are associated with a coordinate system of + X, -X, + Y, and -Y at a position where a real image (d) of a bacterium is obtained by a microscope. And detects the intensity of light incident on each optical sensor. Then, the relationship between the light intensity Ix, Iy in X or Y and the time t as shown in FIG. 7 is obtained, the rotation speed of the bacteria is obtained from the cycle, and the rotation fragrance can be obtained from the phase. .

また、他の微小回転体の回転計測装置としては、バク
テリア(ア)の顕微鏡像をビデオモニターにとり、勾配
つきのマスクを使用してそのビデオ信号をX、Y方向に
分解処理し、上記と同様にX、Y方向の信号の周期から
バクテリアの回転速度を求め、位相から回転方向を求め
るものがある。
As another rotation measuring device for a minute rotating body, a microscope image of bacteria (A) is taken on a video monitor, and the video signal is decomposed in X and Y directions using a mask with a gradient, and the same as above. In some cases, the rotational speed of bacteria is determined from the cycle of signals in the X and Y directions, and the rotational direction is determined from the phase.

しかしながら、これら従来のいずれの回転計測装置に
おいても、バクテリア(ア)が半回転程度回転しないと
回転方向が判別できず、回転位置の検出精度が低いとい
う問題点がある。さらに、勾配つきマスクを使用する回
転計測装置においては、ビデオを通した信号を処理する
もので、時間分解能も1/30〜1/60secと低いのが実状で
ある。
However, in any of these conventional rotation measuring devices, there is a problem that the rotation direction cannot be determined unless the bacteria (a) rotate about half a turn, and the detection accuracy of the rotation position is low. Furthermore, in a rotation measuring device using a mask with a gradient, a signal passed through a video is processed, and the actual time resolution is as low as 1/30 to 1/60 sec.

(発明の目的) この発明は、以上の通りの事情を踏まえてなされたも
のであり、従来の計測装置の欠点を改善し、テザードセ
ル状態のバクテリア等の微小回転体の回転運動を小さい
回転角でも位置精度よく、さらに優れた時間分解能で検
出できるようにした新しい微小回転体の回転計測装置を
提供することを目的としている。
(Object of the Invention) The present invention has been made in view of the above-described circumstances, improves the disadvantages of the conventional measuring device, and reduces the rotational motion of a micro-rotary body such as a tethered cell in a small rotation angle. It is an object of the present invention to provide a new rotation measuring device for a minute rotating body which can detect a position with high accuracy and with a superior time resolution.

(発明の開示) この発明は、上記の目的を実現するため、微小回転体
の顕微鏡像を検出する円周状に配設した多数の光ファイ
バーからなる光検知部と位相差顕微鏡とを有し、その出
力値より位置計測することを特徴とする微小回転体の回
転計測装置を提供する。
(Disclosure of the Invention) In order to achieve the above object, the present invention has a light detection unit including a large number of optical fibers arranged in a circular shape and detecting a microscopic image of a minute rotating body, and a phase contrast microscope, Provided is a rotation measuring device for a minute rotating body, characterized in that the position is measured from the output value.

以下、添付図面に基づいてこの発明を具体的に説明す
る。
Hereinafter, the present invention will be specifically described with reference to the accompanying drawings.

テザードセルのバクテリアの位置検出を例として説明
すると、第1図に示すように、バクテリアを顕微鏡で拡
大した際の実像(1)の回転中心(2)の周囲に円周状
に多数の光ファイバー(3)の受光部を配設し、その各
光ファイバー(3)でバクテリアの顕微鏡像を検出す
る。
Taking the position detection of the bacteria in the tethered cell as an example, as shown in FIG. 1, a large number of optical fibers (3) are arranged around the rotation center (2) of the real image (1) when the bacteria are enlarged by a microscope. ) Is disposed, and a microscopic image of bacteria is detected by each optical fiber (3).

この場合、光ファイバー(3)は円周上にできるだけ
多数、4+4n個(0<N)配置する。第2図に示すよう
に、この場合、光ファイバー(3)の端面(4)を受光
面とし、受光した光をその光ファイバー(3)の他端に
接続したフォトダイオード等の光電変換素子(5)で検
出するようにしたものを使用することができる。
In this case, 4 + 4n (0 <N) optical fibers (3) are arranged on the circumference as much as possible. As shown in FIG. 2, in this case, an end face (4) of the optical fiber (3) is used as a light receiving surface, and the received light is connected to the other end of the optical fiber (3). Can be used.

光ファイバー(3)の配置数は、必要とするバクテリ
アの回転角分解能に応じて定めるが、たとえば32とする
ことにより従来の追尾型顕微鏡を応用した装置よりも著
しく優れた分解能を達成できるようになる。
The number of optical fibers (3) is determined according to the required rotational angular resolution of the bacterium. By setting the number to, for example, 32, it becomes possible to achieve a remarkably superior resolution as compared with a device using a conventional tracking microscope. .

この発明は、たとえばこのように配設した光ファイバ
ー(3)群を利用してバクテリアの回転運動の計測を行
うものであり、光ファイバー(3)による検出のために
顕微鏡によりバクテリアの拡大像(1)を得る方法、あ
るいは光ファイバー(3)による検出値から回転運動を
算出し記録する方法は、たとえば第3図に示すブロック
図のように構成した装置によって実施することができ
る。
According to the present invention, for example, the rotational movement of bacteria is measured by using the optical fiber (3) group arranged as described above, and an enlarged image of the bacteria (1) is detected by a microscope for detection by the optical fiber (3). Or the method of calculating and recording the rotational movement from the value detected by the optical fiber (3) can be implemented by, for example, an apparatus configured as shown in the block diagram of FIG.

この第3図のブロック図に従って構成した装置におい
ては、顕微鏡を使用してテザードセルの拡大実像(1)
を形成する。その際、顕微鏡としては、位相差顕微鏡を
使用する。また、位相差顕微鏡内に設置するテザードセ
ルは、そのチャンバーの温度および明るさを調節できる
ようにし、保持溶液も交換できるフローセットとするの
が好ましい。
In the apparatus constructed according to the block diagram of FIG. 3, a magnified real image of the tethered cell using a microscope (1)
To form At this time, a phase contrast microscope is used as a microscope. In addition, it is preferable that the tethered cell installed in the phase contrast microscope be a flow set that allows the temperature and brightness of the chamber to be adjusted and allows the holding solution to be exchanged.

次に、このバクテリアの拡大実像(1)に対し、その
バクテリア像の回転中心が、円周状に配設した光ファイ
バー(3)からなる検知部の中心にくるようにX−Yス
テージで調整する。そして回転中心の位置が正確に所定
の位置にあることを、光分岐器、ビデオカメラ、ビデオ
デッキ、モニターにより確認する。第4図は、さらに具
体的な配置を示したものである。すなわち、位相差顕微
鏡(6)の後ろに続くズームレンズ(7)と光ファイバ
ー(3)の受光面との光路間に光分岐器としてハーフミ
ラー(8)を設け、このハーフミラー(8)により光フ
ァイバー(3)の受光面からの光をビデオカメラ(9)
方向へ反射させ、モニター(10)によりバクテリアの拡
大実像と光ファイバー(3)との位置関係をモニターす
る。こうして位相差顕微鏡(6)のみの場合には鎖線A
内のように観察されるバクテリア像(1)が、モニター
(10)においては鎖線B内のように観察される。
Next, with respect to the enlarged real image (1) of the bacterium, the XY stage is adjusted so that the rotation center of the bacterium image is located at the center of the detection unit composed of the optical fibers (3) arranged in a circumference. . Then, it is confirmed by an optical splitter, a video camera, a video deck, and a monitor that the position of the rotation center is exactly at a predetermined position. FIG. 4 shows a more specific arrangement. That is, a half mirror (8) is provided as an optical splitter between the optical path between the zoom lens (7) following the phase contrast microscope (6) and the light receiving surface of the optical fiber (3). Light from the light receiving surface of (3) is converted to a video camera (9)
The light is reflected in the direction, and the monitor (10) monitors the positional relationship between the enlarged real image of the bacteria and the optical fiber (3). Thus, in the case of only the phase contrast microscope (6), the chain line A
The bacterial image (1) observed as in (1) is observed as in the chain line B on the monitor (10).

ズームレンズ(7)は、バクテリア像の大きさと光フ
ァイバー(3)群の円の大きさを合わせるために使用す
る。段階的に変わる中間変倍装置でもよい。
The zoom lens (7) is used to match the size of the bacteria image with the size of the circle of the optical fiber (3) group. An intermediate variable power device that changes stepwise may be used.

このようにして円周状に設置した多数の光ファイバー
(3)を用いてバクテリアの回転運動を検出する。この
検出信号は第3図に示した増幅器を通して信号記録処理
装置に送る。
The rotational movement of the bacteria is detected by using a large number of optical fibers (3) arranged in a circle in this manner. This detection signal is sent to the signal recording processor through the amplifier shown in FIG.

信号記録処理装置としてはパーソナルコンピューター
等を使用し、複数の光ファイバー(3)各々からの検出
値の周期、位相に基づいて回転速度、回転方向が算出さ
れるようにする。そして表示装置にその回転速度、回転
方向あるいは現在の位置を表示する。
A personal computer or the like is used as the signal recording processing device, and the rotation speed and the rotation direction are calculated based on the period and the phase of the detection value from each of the plurality of optical fibers (3). Then, the display device displays the rotation speed, the rotation direction, or the current position.

なお、このようなバクテリアの回転運動の計測に必要
な時間およびその運動の検出信号のザンプリング周期等
に特に制限はないが、たとえばザンプリング周期を1mse
cとし、計測時間を10分間とすることにより、極めて高
精度にバクテリアの回転速度あるいは回転方向を知るこ
とができる。
There is no particular limitation on the time required for measuring the rotational movement of the bacteria and the sampling period of the detection signal of the movement. For example, the sampling period is 1 ms.
By setting c as the measurement time for 10 minutes, the rotation speed or rotation direction of the bacteria can be known with extremely high accuracy.

もちろんこの発明はバクテリアに限定されることな
く、微小回転体の任意のものを対象とすることができ
る。
Of course, the present invention is not limited to bacteria, and can be applied to any micro rotating body.

(発明の効果) この発明の回転計測装置によれば、以上詳しく説明し
たように、たとえば、顕微鏡によりテザードセル状態の
バクテリア等の微小回転体の拡大実像を形成し、その拡
大実像を円周状に配設した多数の光ファイバーにより検
出するので、テザードセル状態のバクテリアの回転運動
を小さい回転角に対してもその位置を高精度に、かつ高
分解能で計測することができる。さらにまた、時間分解
能も大きく向上させることができる。
(Effect of the Invention) According to the rotation measuring device of the present invention, as described in detail above, for example, a magnified real image of a microrotor such as bacteria in a tethered cell state is formed by a microscope, and the magnified real image is circumferentially formed. Since the detection is performed by a large number of optical fibers disposed, the rotational movement of the bacteria in the tethered cell state can be measured with high accuracy and high resolution even at a small rotation angle. Furthermore, the time resolution can be greatly improved.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

第1図は、この発明の回転計測装置における光ファイバ
ーとバクテリアの顕微鏡像との位置関係を例示した平面
図である。 第2図は、この発明に用いる光検知部を例示した斜視図
である。 第3図は、この発明の回転計測装置の例を示した構成ブ
ロック図である。 第4図は、この発明の回転計測装置の光分岐器付近を示
した要部構成図である。 第5図は、テザードセルについて示した側面図である。 第6図は、従来の回転計測装置における光センザーとバ
クテリアの顕微鏡像との位置関係を示した平面図であ
り、第7図は、この光センザーに検出された光強度と時
間との関係を示す相関図である。 1……バクテリア実像、2……回転中心 3……光ファイバー、4……光ファイバー端面 5……光電交換素子、6……位相差顕微鏡 7……ズームレンズ、8……ハーフミラー 9……ビデオカメラ、10……モニター
FIG. 1 is a plan view illustrating the positional relationship between an optical fiber and a microscopic image of bacteria in the rotation measuring device of the present invention. FIG. 2 is a perspective view illustrating a light detection unit used in the present invention. FIG. 3 is a configuration block diagram showing an example of the rotation measuring device of the present invention. FIG. 4 is a main part configuration diagram showing the vicinity of the optical splitter of the rotation measuring device of the present invention. FIG. 5 is a side view showing the tethered cell. FIG. 6 is a plan view showing a positional relationship between a light sensor and a microscopic image of bacteria in a conventional rotation measuring device, and FIG. 7 is a graph showing the relationship between the light intensity detected by the light sensor and time. FIG. DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Real bacteria image 2 ... Rotation center 3 ... Optical fiber 4 ... Optical fiber end face 5 ... Photoelectric exchange element 6 ... Phase contrast microscope 7 ... Zoom lens 8 ... Half mirror 9 ... Video camera , 10 ... Monitor

Claims (2)

(57)【特許請求の範囲】(57) [Claims] 【請求項1】微小回転体の顕微鏡像を検出する円周状に
配設した多数の光ファイバーからなる光検知部と位相差
顕微鏡とを有し、その出力値より位置計測することを特
徴とする微小回転体の回転計測装置。
The present invention is characterized in that it has a light detecting section comprising a large number of optical fibers arranged circumferentially for detecting a microscopic image of a minute rotating body and a phase contrast microscope, and the position is measured from an output value thereof. A rotation measuring device for micro rotating bodies.
【請求項2】微小回転体がテザードセル状態のバクテリ
アである請求項(1)記載の微小回転体の回転計測装
置。
2. The rotation measuring device for a micro rotating body according to claim 1, wherein the micro rotating body is a bacterium in a tethered cell state.
JP17589488A 1988-07-14 1988-07-14 Rotation measurement device for micro rotating body Expired - Lifetime JP2587463B2 (en)

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JPH0225706A JPH0225706A (en) 1990-01-29
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