JP2674736B2 - 蛍光化学センサからの放射光を分析する方法と装置 - Google Patents

蛍光化学センサからの放射光を分析する方法と装置

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JP2674736B2
JP2674736B2 JP7028282A JP2828295A JP2674736B2 JP 2674736 B2 JP2674736 B2 JP 2674736B2 JP 7028282 A JP7028282 A JP 7028282A JP 2828295 A JP2828295 A JP 2828295A JP 2674736 B2 JP2674736 B2 JP 2674736B2
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クラウス・ヴェー・ベルント
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ベクトン・ディッキンソン・アンド・カンパニー
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    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
    • G01N21/62—Systems in which the material investigated is excited whereby it emits light or causes a change in wavelength of the incident light
    • G01N21/63—Systems in which the material investigated is excited whereby it emits light or causes a change in wavelength of the incident light optically excited
    • G01N21/64—Fluorescence; Phosphorescence
    • G01N21/6408—Fluorescence; Phosphorescence with measurement of decay time, time resolved fluorescence
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y10—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC
    • Y10S—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y10S435/00—Chemistry: molecular biology and microbiology
    • Y10S435/808—Optical sensing apparatus

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は体液の試料におけるバク
テリヤを検出するために使用する蛍光化学センサからの
データを解釈する改良方法及び装置に関する。
【０００２】
【従来の技術及び発明が解決しようとする課題】従来の
技術においては、体液の試料においてバクテリヤの活動
が進行しているか否かを指示するために広範囲のいわゆ
る非侵襲性の化学センサが体液の試料に対して用いられ
ている。知られているように、例えば血液のような体液
の試料が培養媒体を含有するバイアル中へ注入される。
化学センサが事前にバイアル中に配置されている。次
に、バイアルはインキュベートされ、バクテリヤの成長
がモニタされる。化学センサの変化を検出することによ
りバクテリヤの成長をモニタするために数種の既知の器
具が使用されている。
【０００３】第１の既知の形式の化学センサは、センサ
に導かれた照射光の強度を変えることにより、例えば酸
素濃度の変化のような、バイアル中の状態の変化に応答
する。このように、センサから出てくる放射強度をモニ
タすることによりバイアルでバクテリヤの活動が進行し
ているか否かを予測することができる。これらの形式の
センサはある程度成功を収めたが、それらの使用につい
て若干の欠陥がある。
【０００４】実用上の一つの欠陥は、実際の装置が典型
的に一時に数百個のバイアルを試験することから生じ
る。各バイアルは独自の光源と光検出器とを備えてい
る。数百個の光源と光検出器の各々の間のステーション
毎の変動（ｓｔａｔｉｏｎ−ｔｏ−ｓｔａｔｉｏｎ ｖ
ａｒｉａｔｉｏｎｓ）により読取りにおいて若干の変動
を生じ得る。この理由およびその他の理由のため、強度
に基づいた検出装置は常に完全に満足のいくものではな
かった。
【０００５】第２の形式の化学センサは、バイアル内の
状態の変動に応答して蛍光寿命を変えるいわゆる蛍光セ
ンサである。このような蛍光センサはステーション毎の
変動に敏感でなく、従って前述の問題を発生させる。二
酸化炭素濃度、酸素濃度、あるいはその他の化学パラメ
ータの変動により蛍光寿命を変える多くの蛍光センサが
既知である。本発明は、化学センサの変化には関係な
く、そのような化学センサからの蛍光放射を分析する方
法の変化に関係する。
【０００６】典型的には、センサの蛍光寿命の変化は、
位相シフト法（ｐｈａｓｅ ｓｈｉｆｔ ｍｅｔｈｏ
ｄ）を適用することによりモニタされてきた。基本的に
は、強度変調された励起照射源が、化学センサ中に導か
れて、強度変調された蛍光放射光であって励起照射光に
対して位相シフトされた蛍光放射光を生じさせる。計器
が放射からの位相シフト角を読み取る。位相シフト角は
バイアル内の状態の変化と共に変化し、時間に対する位
相シフト角をモニタすることにより特定のバイアルでバ
クテリヤ成長が行われているか否かを予測することがで
きる。
【０００７】以下の数学的分析により説明されるよう
に、位相シフト法には問題がある。位相シフト角θは下
式によれば蛍光寿命τによって変わる。
【０００８】
【数１】ｔａｎ θ＝ωτ （１） 式（１）において、ωは２πｆに等しく、光変調の角周
波数として知られている。ｆの量は、化学センサ中に導
かれた励起光の周波数である。τの関数（τｆｕｎｃｔ
ｉｏｎ）は変化し、標本においてバクテリヤ成長が行わ
れているか否かを示す成分である。典型的には、従来技
術においては、ω成分は一定のままである。
【０００９】式（１）において、蛍光センサの放射をモ
ニタする位相シフト法の主要な欠点を説明できる。もし
もωが小さいとすれば、位相シフト角も小さい。このよ
うに、検出されつつある変動する化学的状態に対する化
学センサ装置の分解能が制限されている。すなわち、も
しもωτの量が小さいとすれば、例えば酸素濃度の変化
に対する分解能も制限される。（一例として、酸素濃度
に応じて変わりうる）τの所与の変化に対する、測定さ
れた位相シフト角θの変化は、比較的小さく、区別がつ
きにくい。
【００１０】この分解能の問題を克服するには、変調周
波数ｆを増加すればよい。しかしながら、その結果の位
相シフト角は７０〜９０度の範囲に近づくにつれて圧縮
される。可能最大位相シフト角は９０度である。ｔａｎ
θは９０度において無限大と等しいので、位相シフト
角は実際には９０度に達することはできない。さらに、
θの角度が９０度に近づくにつれて、試験の結果の価値
は殆んど無くなる。
【００１１】前記の制限のため、位相シフト法に基づく
化学センサの放射を分析する実用的な範囲が制限され
る。位相シフト法のその他の限界は従来技術の図１およ
び図２を検討すれば判る。
【００１２】図１において、実線は周波数と寿命の積ω
τの関数としてプロットされた位相シフト角θを示す。
τによるθの導関数は点線によってプロットされてい
る。このグラフにおいて、ωは一定とされ、τは変化す
る。最大の変化はωτ＝１の条件において発生すること
が判る。この条件は、図１の点Ｂである４５度の位相シ
フト角によって達成される。また、点線の導関数の曲線
によって示されているように、極めて限定された周波数
及び寿命の績の範囲にわたって高度のセンサ分解能を得
ることができる。この分解能はθの変化に結合し、τも
対応して変化する。τの変化を伴ったθの変化もすぐに
極めて小さい量へ動くことが判る。位相シフト法によれ
ば、バイアルの状態を決定するためにモニタすべきはθ
の変化であるので、θの変化が大きいことが望ましい。
このように、もしもωの量が一定とされるとすれば、極
めて限定されたτの範囲のみがセンサの高分解能をもた
らす。このように範囲が限定されることは、位相シフト
法を用いて蛍光センサからのデータを分析する上で重大
な欠陥である。
【００１３】蛍光放射を分析する位相シフト法に係わる
別の問題は図２に示されている。図２は、酸素濃度に基
づいて蛍光寿命が変化する化学センサに対する酸素濃度
ｃの関数として位相シフト角θをプロットしている。ω
値は一定に保たれている。
【００１４】シュテルン・ホルマー（Ｓｔｅｒｎ−Ｖｏ
ｌｍｅｒ）の式により、τは以下のように計算できる。
【００１５】
【数２】 式（１）および式（２Ａ）を合わせると、位相シフト角
θは下式により与えられることを示すことができる。
【００１６】
【数３】 式（２Ｂ）において、ｋは常数である。τ0の量は酸素
の無い場合のτに基づいている。図２においては、ωτ
＝√２である。センサの作動の間、積ωτは、酸素が何
ら介在しない場合の最大値ωτ0から、高酸素濃度に対
する極めて低い値まで変わる。前述のように、センサの
分解能はこの範囲にわたって変動する。
【００１７】図２に示すように、θの読取り値は極めて
非直線的である。特定の試料のバイアルにおいてバクテ
リヤが成長しているか否かを決定するためにこれらの読
取り値θを利用するには、時間にわたって読取りを行う
必要がある。図２に示すように、位相シフト角は酸素濃
度の増加と共に減少する。酸素に基づく化学センサにお
いては、バクテリヤが介在することにより酸素の濃度が
低減する。この説明しているセンサにおいては、時間に
わたって位相シフト角θの変化を検討し、かつ位相シフ
ト角の増加を探すことにより、特定の試料のバイアルに
おいてバクテリヤ成長が進行しているか否か決定するこ
とができる。
【００１８】このように、位相シフト法に係わる二つの
欠陥が以下のように要約できる。まず、センサの高分解
能が極めて小さい作動範囲に限定されることである。ω
値は典型的には一定である。この結果τの量は高分解能
については極めて狭い幅に限定される。すなわち、例え
ば酸素濃度の極めて限定された帯域が特定の化学センサ
に対する高センサ分解能領域内に来る。もしも試料のバ
イアルがその範囲外であれば、低いセンサ分解能のみが
提供され、その結果の読取り値は分析が難しい。
【００１９】さらに、前述のように、位相シフト角を読
み取り、時間にわたる変化を探索する必要がある。変化
する酸素濃度に対する位相シフト角の変化が非直線的で
あるため、これらの変化は時間にわたって読取りが難し
い。例えば、図２に示す２０パーセントから５０パーセ
ントの濃度の比較的小さい変化領域の間θの小さい変化
のみが予測される。０パーセントから１０パーセントの
間の極めて急速な変化の間、酸素濃度の極めて大きい変
化として小さい変化が読取り値に現われうる。従来技術
はこの問題を克服しようとしてきたが、非直線的に変化
する値が依然として問題を提起している。
【００２０】前述の理由から、位相シフト法は変動する
蛍光寿命に基づく化学センサからの蛍光放射を分析する
方法としては完全に満足のいくものではなかった。
【００２１】本発明は化学センサからの蛍光放射を評価
する方法及び装置を提供することを目的とする。
【００２２】
【課題を解決するための手段】本発明の方法において
は、放射に基づく比が所望の比と比較される。もしも測
定された比が所望の比と相違する場合、励起入力の周波
数が変えられる。測定された比と所望の比とが実効的に
等しくなるまで入力周波数は調整され続ける。このよう
に、τの量が変化するにつれてωの量が変化する。所望
の比はωτの量を高分解能領域に集中させるように選択
される。τの量は試料のバイアルの状態の変化に伴って
変動する。従って、変化するωの量はτの量の変化を示
し、τの量の変化の方は、例えば酸素濃度のような測定
されつつあるパラメータの変化を示す。本発明におい
て、この調整されたωの量は、特定の試料のバイアルが
バクテリヤの成長を明示しているか否か決定するために
使用される。実際には、ωのｆ成分が使用され、この２
つの値は比例している。
【００２３】以下示すように、この方法を用いて評価さ
れると、ｆの量は酸素濃度の変化と共に直線的に変化す
る。このように、本発明の方法はωτの量を狭いセンサ
の高分解能帯域に集中するために使用できるのみなら
ず、その結果のωの量は酸素の変化の一次関数である。
このように、本発明による結果は解釈および利用が容易
である。
【００２４】蛍光放射の評価のための本発明の一方法に
おいては、比が放射光のＡＣ成分とＤＣ成分とに基づい
ている。この比はまた放射変調として知られている。Ａ
Ｃ成分とＤＣ成分との比が計算され、所望の比と比較さ
れる。所望の比は特定のセンサに対する高分解領域にお
いて期待される比となるように計算されることが好まし
い。測定された比と望ましい比とが相違する場合、励起
周波数が変動し、読取りが再び行われる。これらのステ
ップは、測定された比が所望の比と実効的に等しくなる
まで継続される。次に、調整された周波数が測定され、
グラフにプロットされる。時間の経過と共に調整された
前記の周波数の変動を比較することにより、特定の試料
バイアルでバクテリヤが成長しているか否か決定するこ
とができる。
【００２５】蛍光放射を評価する代替的方法において
は、比は相対変調に基づき、この相対変調は放射変調を
励起光の変調度と比較する。この第２の方法において
は、放射変調と励起変調との比が所望の比と比較され
る。第１の方法と同様、励起照射光の周波数は、測定さ
れた比と所望の比とが等しくなるまで調整される。その
時、励起周波数が測定され、かつプロットされる。
【００２６】本発明の好適実施例においては、入力照射
すなわち励起照射が周期的にオフにされ、ＤＣ測定が行
われる。このように、いわゆる暗信号読取りが、測定さ
れたＤＣの量から消去できる。このため、本システムか
らさらに正確な読取りがなされる。
【００２７】本発明の方法を実行しうるシステムの幾つ
かの実施例が開示される。しかしながら、本発明の主要
な特徴は、測定された比が所望の比と等しくなるように
励起周波数を調整することにより、全ての読取りがセン
サの高分解能帯域において行われ、かつさらに、測定さ
れた値が測定すべき化学パラメータの変化の一次関数で
あることが確実になされ得ることを理解すべきである。
【００２８】また、本発明の蛍光化学センサを分析する
装置は、化学センサを含むバイアル中へ強度変調された
励起照射光を導くようにされた励起照射源と、前記励起
照射光により化学センサから出てくる放射光を測定する
光検出手段と、前記励起照射光の周波数を制御する制御
手段と、前記光検出手段によって検出された放射光のＡ
Ｃ成分とＤＣ成分との比を計算する手段と、前記の測定
された比を所望の比と比較する手段と、前記の計算され
た比と前記所望の比とが相違した場合、前記励起照射光
の周波数を調整する制御手段とを備えることを特徴とす
る。
【００２９】本発明のこれら、およびその他の特徴は以
下の明細書と添付図面とから最良に理解できる。
【００３０】
【実施例】前述のように、本発明は、読取りがセンサの
高分解能領域において行われ、かつ変化する化学パラメ
ータのための一次出力関数を確実にもたらす蛍光寿命化
学センサを提供する。これらの特徴を数学的に説明し、
かつ実験的に正しいことを以下に示す。次いで、本発明
の出願人は本発明の方法を達成するための数個のシステ
ムを開示する。
【００３１】照射源が強度変調された励起光線で化学セ
ンサの材料を照射する場合、蛍光放射は次の既知の式に
より提供される変調度ｍFを示す。
【００３２】
【数４】 前述のように、放射変調ｍFは、放射光のＡＣ成分とＤ
Ｃ成分との比に等しい。励起変調ｍEは励起照射光のＡ
Ｃ成分とＤＣ成分との比に等しい。
【００３３】蛍光信号の相対変調は以下のように定義し
うる。
【００３４】
【数５】 ｍE成分が実効的に１００％であると推測することは比
較的安全である。このように、広義の方法においては、
正確な結果を得るには放射変調ｍFのみを計算すればよ
いと推測される。最終的な実施例では、放射変調および
励起変調の双方を計算し、従って実際の相対変調を測定
している。
【００３５】図３は相対変調ｍ対周波数と寿命の積ωτ
を示す。ｍの値は、図３の実線の曲線で示すように変動
する。蛍光寿命の相対変化当たりの変調ｍの変化が関心
事である。変調の変化の値、すなわちτの変化当りのｍ
の導関数が高ければ高いほど、センサの分解能は良好と
なる。量ｄｍ／（ｄτ／τ）は、式（３）および式
（４）から導くことができ、図３の点線の曲線で示され
ている。図３に示すように、センサの最高の分解能は、
ωｒが√２と等しい状態Ａにおいて達成される。
【００３６】本発明においては、ＡＣ成分とＤＣ成分と
の比は、測定された比を所望の比に比較する比較器まで
導かれる。入力周波数は適当に調整される。比較器は２
つの比が等しい場合零の電圧となるように設定されてい
る。所望の比は、ωが√２に等しい、すなわちｍが１／
√３（約５８％）の図３の状態に設定されている。ま
た、ｍEが１００パーセントに等しいと想定するので、
ｍFの量のみを測定すればよい。
【００３７】τの量が変動するにつれて、測定された比
と所望の比との相違が生じる。このため、化学センサ中
へ導かれた励起照射光に対して制御信号を入力させ、そ
の入力が励起照射光の周波数を変化させる。周波数のこ
れらの変化は、最終的に所望の比と測定された比とを等
しくさせる。そのとき、調整された周波数が測定され
る。
【００３８】ある意味では、本発明による光学センサ装
置が、特定のセンサの最適作動状態に「ロック」され
る。図示実施例においては、センサ装置はｍ＝１／√３
の状態にロックされる。
【００３９】調整された周波数は酸素濃度の一次関数で
あることを以下示す。ｍを１／√３に固定すると、式
（３）および式（４）とから下記が示される。
【００４０】
【数６】 このことは、変調周波数ｆが蛍光寿命τに逆比例するこ
とを示している。
【００４１】前述のように、寿命τは（シュテルン・ホ
ルマーの式により）下記のように表現される。
【００４２】
【数７】 τ0は消光剤（酸素等）のいずれも存在しないときの蛍
光寿命である。ｃは消光剤あるいは測定すべき分析物の
濃度あるいは量である。例えば、ｃは酸素濃度でよく、
ｋは消光常数である。式（５）と式（２Ａ）とを組み合
わせることにより、その結果得られるセンサの変調周波
数ｆは以下の通り示される。
【００４３】
【数８】 式（８）は、ｆが測定すべき量の濃度ｃの一次関数であ
ることを示す。
【００４４】図４は酸素濃度に基づく化学センサのため
のｆを示す。図示のように、周波数ｆはこの酸素濃度の
一次関数である。
【００４５】図５は、本発明による方法を用いて評価さ
れた、酸素濃度が０〜２１％である一連の試料バイアル
の実験結果を示す。図示のように、その結果の発振器周
波数は酸素濃度の一次関数であることが実験的に証明さ
れている。
【００４６】図６は本発明による方法を用いた予測結果
を示す。図示のように、モニタ時間の開始時には酸素が
存在している。このように蛍光減衰時間は短かく、発振
器の高い周波数をもたらす。（特定の微生物あるいはバ
クテリヤ種によって変わる）ある時間の経過後、酸素が
消費され、そのため蛍光減衰時間がより長くなり、従っ
て、発振器の周波数がより低くなる。一旦酸素の殆んど
が消費されると、バクテリヤ成長過程は終りとなり、発
振器の周波数は最終値に達する。図示のように、時間に
わたり発振器の周波数をモニタすることにより、特定の
試料のバイアルがプラスであるか否か決定することがで
きる。プラスであることは、発振器の高い値の周波数か
ら低い値まで動くことにより示される。５個のプラスの
試料バイアルが比較的短時間での変化を示し、変化線の
傾きは比較的一定である。さらに示されるように、マイ
ナスのバイアルは発振器の周波数の変化を何ら示さな
い。実験結果は、この図に示す結果に追従することが示
されている。
【００４７】図７は、繰返し取り外し、そして再装填し
たバイアルに対する調整されたセンサ周波数の実験結果
を示す。その結果の周波数の変動は、プラスマイナス
０．０１５％のみにすぎない酸素濃度の測定値の変動に
対応してプラスマイナス０．２ｋＨｚにすぎないことが
示されている。強度に基づくシステムにおいては、バイ
アルの位置によって測定読取り値に若干の変動をもたら
す可能性がある。専門家は、バイアルを定期的に取り外
し、バクテリヤの成長を目視検査する。このように、デ
ータを分析する方法は再位置決めに対して影響されない
ことが重要である。例えば位相シフト法のように減衰時
間に基づく蛍光センサの方法は再位置決めに対して比較
的影響されにくい。このように、本発明による方法も再
位置決めに対して影響されないことを知ることが有用で
ある。このことは、バイアルを外しても周波数に何ら著
しい変化をもたらさない図７に示す実験結果から判る。
【００４８】図８は、何ら酸素を有していないバイアル
に対する長期安定試験の実験結果を示す。センサのドリ
フトは、酸素濃度が単に０．５パーセントではあるが４
２日間にわたって示されている。バイアル内に酸素が入
っていないため、酸素のこの少量のドリフトは、実際に
は本発明によるデータ分析法に何らかの問題があるので
はなくて浸出の結果である。ここでも本発明ではセンサ
に何らドリフトをもたらさないことを知ることが肝要で
ある。
【００４９】図９は本発明による方法を達成するための
第１のシステムを示す。図９に示すように、バイアル２
１は培養媒体２４を収納する。化学センサ２３がバイア
ル２１の底面に配置される。青色あるいは緑色のＬＥＤ
であることが好ましい励起照射源２５が励起照射線をセ
ンサ２３中へ導く。照射源２５は、ＤＣバイアスおよび
高周波数変調電圧を提供する電子信号源２６に接続され
ている。信号源２６は第１の制御入力と第２の制御入力
とを受け取る。第１の制御入力は信号源２６をオン・オ
フさせる。この第１の制御入力は、低周波数の方形波発
生器２７の出力に接続されている。そのオン・オフ特性
を用いてＤＣ電流について定期的に「暗」読取りを行
う。このため後述するようにバックグラウンドの光線を
計算から除外できる。第２の制御信号は下記するように
周波数制御を行う。照射源２５からの励起照射のためセ
ンサ材料２３から出てくる蛍光は光検出器２８によって
検出される。放射光フィルタ２９をセンサ材料２３と光
検出器２８との間に配置させ、後方散乱した励起光線を
除去することができる。光検出器２８の出力はパワース
プリッタ３０まで送られ、該パワースプリッタ３０は放
射光線を分割する。パワースプリッタ３０の一方の出力
は低域通過フィルタ３１の入力に接続され、該低域通過
フィルタ３１の出力はロックイン増幅器３２の信号入力
に送られる。ロックイン増幅器３２の出力はＡ／Ｂ比ユ
ニット３３のＢ入力に接続されている。このＢ入力が放
射光からのＤＣ成分を示す。また、ロックイン増幅器３
２は低周波数方形波発生器２７に接続されている。
【００５０】パワースプリッタ３０の第２の出力は高域
通過フィルタ３４の入力に送られる。該高域通過フィル
タ３４は、高周波数電圧計３５を介してＡ／Ｂ比ユニッ
ト３３のＡ入力に接続されている。このＡ入力が放射光
の整流されたＡＣ成分を示す。
【００５１】Ａ／Ｂ比ユニット３３およびＤＣ電源３７
は、積分比較器３８の２つの入力に接続されている。積
分比較器３８は、電子信号源２６の周波数に対する第２
の制御入力に接続されている。電子信号源２６の出力は
電子周波数カウンタ３９に接続されている。
【００５２】前述の説明から理解されるように、照射源
２５は照射光をセンサ２３中へ導く。センサ２３はバイ
アル２４内の状態を示す放射光を放射する。この放射光
は光検出器２８によって検出される。その放射光のＡＣ
成分およびＤＣ成分の比は比較器３８に提供される。比
較器３８はその比を所望の比と比較する。もしもこれら
の比が相違すれば、電圧信号が発生する。この電圧信号
は、電子信号源２６によって受け取られ、照射源２５か
らセンサ２３中へ導かれた照射光の周波数を制御する。
このプロセスは、測定された放射光の比と所望の比とが
比較器３８によって実効的に等しいと判明するまで継続
する。本発明による方法は測定された比と所望の比との
間で絶対的な精度を達成する必要がないように若干の誤
差範囲を設けてもよいことは勿論である。
【００５３】複数のバイアル２１のために図９に示すシ
ステムを修正したものが図１０に示されている。各バイ
アル２１に隣接してＬＥＤ２５がファイバ４２の入力と
同様に配置されている。ＬＥＤ２５の全てはマルチプレ
クサ４４に接続され、該マルチプレクサ４４の入力は電
子信号源２６の出力に接続されている。全てのファイバ
４２の出力は、光検出器４６への光学出力において束ね
られて配置されている。放射光フィルタ４７が、そのフ
ァイバの束と光検出器４６との間に取り付けられ、再び
後方散乱した光線を除去する。残りの制御関係は全体的
に図９に示すものと類似でありブラックボックス表示で
示している。
【００５４】図１１は本発明の第３の実施例によるシス
テム６０を示す。バイアル２１は化学センサ２３を収納
する。励起照射源２５がバイアル２１に隣接して配置さ
れている。この励起照射源２５は、ＤＣバイアスと周波
数ｆ１の高周波数変調電圧とを提供する第１の電子信号
源６１に接続されている。電子信号源６１は、コンピュ
ータ６２に接続された周波数制御入力を備えている。セ
ンサ材料２３からの放射光が光検出器２８によって検出
される。光検出器２８はパワースプリッタ３０に接続さ
れている。パワースプリッタ３０の一方の出力は低域通
過フィルタ３１の入力に接続されており、該低域通過フ
ィルタ３１の出力はＤＣ成分としてコンピュータ６２に
送られる。コンピュータ６２は、標準的なアナログ／デ
ジタル変換器を備え、低域通過フィルタ３１を通るＤＣ
成分を測定する。パワースプリッタ３０の別の出力は、
高域通過フィルタ３４を介して電子広帯域ミキサ６４の
ＲＦ入力に送られる。本実施例もコンピュータ６２に接
続された周波数制御入力を備えた第２の電子信号源６６
を含む。第２の信号源６６の出力は、ｆ２の周波数でミ
キサ６４のＬＯ入力まで送られる。ミキサ６４のＩＦ出
力は、第２の低域通過フィルタ６８を介してＡＣ電圧計
７０の入力に接続されている。電圧計７０の出力はＡＣ
成分としてコンピュータ６２に送られる。コンピュータ
６２は、例えば７２で概略図示する標準的な光学データ
ディスプレイを備えている。
【００５５】本実施例による、測定された比と所望の比
の比較および周波数の調整は、前述のものと同様であ
る。しかしながら、この修正例においては、周波数ｆ２
は、周波数ｆ１から僅かの差で保持されている。第２の
電子信号源６６を出ていく信号は周波数ｆ２で一定の大
きさである。第１の電子信号源６１における周波数がセ
ンサ２３からの放射光の測定の間に変動するとき、周波
数ｆ２も設定された差を保つように変動する。低域通過
フィルタ６８での信号は低周波数信号であるので、低域
通過フィルタ６８を用いることができる。高周波数ＡＣ
成分は、このように低周波数信号に変換される。ｆ１お
よびｆ２に対して小さい周波数差を選択することによ
り、検出帯域幅を極端に狭くすることができ、そのため
ＡＣ成分に対して信号対雑音比を増大させる。ミキサ６
４を使用することによってもＲＦ信号に対して変換利得
の利点を提供する。
【００５６】図１２は、第２の電子信号源６０をも組み
込んでいる別の実施例８０を示す。図１２は、励起変調
におけるいずれの変動も修正することにより比を微調整
する能力を含む。前述のように、上記の計算において行
った１つの推定は励起変調が実効的に１００％であると
いうことであった。本実施例は、理想的な量からの励起
変調によるいずれの偏移も測定して修正する。このよう
に、本実施例８０においては、放射変調を計算するもの
で、図１１に示すものと類似の回路８２が含まれてい
る。さらに、これも図１１に示すものと類似の回路８６
が、励起変調を計算するために使用される。励起変調は
照射源モニタ光検出器８４によって測定される。
【００５７】本実施例により、励起変調と放射変調との
双方を計算し、次いでその比即ち相対変調ｍを計算す
る。この相対変調は、前述のように期待される相対変調
と比較される。励起照射光の周波数は、測定された比と
所望の比が等しくなるまで調整される。
【００５８】前述のシステムおよび方法の全てにおける
別の特徴は、照射源が周期的にオフにされ、ＤＣ測定が
行われることである。このことが、バイアルの環境にお
けるいわゆる「暗電流」信号を指示する。そのような暗
電流信号は、周囲光等により起因しうる。本発明の方法
によって計算された比は、その比を計算する前に、測定
されたＤＣ値からこの暗電流ＤＣ値を差し引くことによ
り調整することが好ましい。このように、測定された結
果は、バイアル中の実際の状態をより正確にモニタし、
より正確な試験結果が提供される。
【００５９】本発明の好適実施例を開示してきた。しか
しながら、当該技術分野の専門家はある種の修正も本発
明の範囲内に入ることを認識する。そのため特許請求の
範囲は本発明の範囲と内容とを決定するために検討され
るべきものである。
【００６０】
【発明の効果】本発明の方法及び装置は、以上説明した
ように構成されているので、従来技術の方法よりも正確
で、かつより容易に利用可能である線形出力を提供でき
る。
【図面の簡単な説明】
【図１】従来技術による方法の特徴を示すグラフ。
【図２】従来技術による方法の他の特徴を示す第２のグ
ラフ。
【図３】本発明による方法の特徴を説明するグラフ。
【図４】本発明の特徴を示すグラフ。
【図５】本発明に基づく実験結果を示すグラフ。
【図６】本発明に基づく計算結果を示すグラフ。
【図７】本発明に基づく実験結果を示すグラフ。
【図８】本発明に基づく別の実験結果を示すグラフ。
【図９】本発明の方法を達成する第１のシステムを示す
図。
【図１０】本発明の方法を達成する第２のシステムを示
す図。
【図１１】本発明の方法を達成する第３のシステムを示
す図。
【図１２】本発明の方法を達成する第４のシステムを示
す図。
【符号の説明】
２１：バイアル ２３：化学センサ ２４：培養媒体 ２５：励起照射源 ２６，６１，６６：電子信号源 ２７：方形波発生器 ２８，４６：光検出器 ２９：放射光フィルタ ３０：パワースプリッタ ３１，６８：低域通過フィルタ ３２：ロックイン増幅器 ３３：Ａ／Ｂ比ユニット ３４：高域通過フィルタ ３５：高周波数電圧計 ３７：ＤＣ電源 ３８：積分比較器 ３９：電子周波数カウンタ ４２：ファイバ ４４：マルチプレクサ ６２：コンピュータ ６４：電子広帯域ミキサ ７０：ＡＣ電圧計 ７２：ディスプレイ ８４：照射源モニタ光検出器

Claims (10)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】（ａ） 強度変調された励起照射光を第１
    の周波数で化学センサ中へ導くステップと、 （ｂ） （ａ）のステップの照射に基づく前記化学セン
    サからの蛍光放射光の強度を測定するステップと、 （ｃ） 当該測定された放射光のＡＣ成分およびＤＣ成
    分に基づく比を計算するステップと、 （ｄ） 当該計算された比を所望の比と比較するステッ
    プと、 （ｅ） 前記の計算された比と前記所望の比とが相違す
    る場合、（ａ）のステップにおいて前記化学センサ中へ
    導かれた照射光の周波数を調整するステップと、 （ｆ） 前記の計算された比が前記所望の比に実効的に
    等しくなるまで、（ａ）〜（ｅ）のステップを繰り返す
    ステップと、 （ｇ） （ｆ）のステップが完了すると前記の調整され
    た周波数を測定し、当該調整された周波数を用いて特定
    の試料バイアルでバクテリヤ成長が行われているか否か
    を決定するステップとを備える蛍光化学センサからの放
    射光を分析する方法。
  2. 【請求項２】 （ａ）のステップにおいて前記化学セン
    サ中に導かれる照射光が周期的にオフにされるが、
    （ｂ）のステップにおける蛍光放射光の測定は暗信号電
    流を測定するために継続され、（ｃ）のステップにおけ
    るＤＣの読取り値が暗信号電流を割引くように調整され
    る請求項１記載の方法。
  3. 【請求項３】 （ａ）のステップにおける照射源の制御
    を行う入力が２つあり、第１の入力がオン／オフを制御
    し、第２の入力が周波数の変化を制御する請求項２記載
    の方法。
  4. 【請求項４】 所望の比が１／√３に等しい請求項１記
    載の方法。
  5. 【請求項５】（ａ）のステップにおける励起照射光の強
    度も測定され、前記の計算された比は前記の測定された
    励起照射光のＡＣ成分およびＤＣ成分を組み入れた計算
    値を含む請求項１記載の方法。
  6. 【請求項６】 （ａ）のステップにおける、導かれた照
    射光の周波数が、前記放射光のＡＣ成分と共に、ミキサ
    に送られる信号を発生する第２の信号源を制御するため
    に使用され、第２の信号源の信号の周波数が、導かれた
    照射光の周波数との差を小さい差に留めるように制御さ
    れる請求項１記載の方法。
  7. 【請求項７】 （ａ）のステップにおいて前記センサ中
    へ導かれる励起照射光のＡＣ成分およびＤＣ成分も測定
    され、前記の計算された比が前記照射光の前記ＡＣ成分
    およびＤＣ成分を含めて計算される請求項１記載の方
    法。
  8. 【請求項８】 前記の計算された比が、前記励起照射光
    の前記ＡＣ成分とＤＣ成分との比によって除算した前記
    放射光のＡＣ成分とＤＣ成分との比を含む請求項１記載
    の方法。
  9. 【請求項９】 前記の選択した比は１／√３に等しい請
    求項８記載の方法。
  10. 【請求項１０】 （ａ） 化学センサを含むバイアル中
    へ強度変調された励起照射光を導くようにされた励起照
    射源と、 （ｂ） 前記励起照射光により化学センサから出てくる
    放射光を測定する光検出手段と、 （ｃ） 前記励起照射光の周波数を制御する制御手段
    と、 （ｄ） 前記光検出手段によって検出された放射光のＡ
    Ｃ成分とＤＣ成分との比を計算する手段と、 （ｅ） 前記の測定された比を所望の比と比較する手段
    と、 （ｆ） 前記の計算された比と前記所望の比とが相違し
    た場合、前記励起照射光の周波数を調整する制御手段と
    を備える蛍光化学センサを分析する装置。
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