JP4663590B2

JP4663590B2 - ピーク位置変動量測定装置、その測定方法及びプログラム

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Publication number: JP4663590B2
Application number: JP2006165173A
Authority: JP
Inventors: 弦岩崎; 孝裕羽田野; 恒之芳賀
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date: 2006-06-14
Filing date: 2006-06-14
Publication date: 2011-04-06
Anticipated expiration: 2026-06-14
Also published as: JP2007333535A

Description

本発明は、ピーク位置変動量測定装置、その測定方法及びプログラムに関し、より詳細には、分光分析によるデータ解析及び生化学研究において使用される生体分子相互作用測定に用いられるピーク位置変動測定量装置、その測定方法及びプログラム。

分光スペクトル、波長分散ＳＰＲスペクトル、入射角度分散ＳＰＲスペクトル、ＱＣＭ（Quartz Crystal microbalance）、カンチレーバー質量計、クロマトグラム等のピーク又はバレー（以下、ピークという）を有するスペクトルにおいて、２つのスペクトルのピーク位置の差を評価してスペクトルのピーク位置の変動を測定する。

分光分析ではピークの波長、クロマトグラフではピークの時間を使って物質の同定が行われる。また、表面プラズモン共鳴（Surface Plasmon Resonance）効果を用いたSPR測定では、SPR効果による吸収スペクトルの波長又は入射角度に対する反射強度スペクトルに見られるディップ位置から屈折率を求める。

一般にスペクトルにピークを生じる共鳴効果を用いる化学分析手法では、共鳴が起こる条件を測定する必要がある。特にSPRでは入射角度に対する反射強度や入射波長に対する反射強度によって共鳴条件を求め、それら共鳴条件の入射角度や入射波長から屈折率が求められる。受光素子にアレイ型の光センサを用いる装置では、反射強度を入射角度又は入射波長に対する離散的スペクトルとして求め、得られたスペクトルを計算機によって処理して最終的な屈折率や分子間相互作用の指標を導出する。

このような手法においては、測定分解能がその処理方法によって大きく左右される。特にSPR法では、ピークが１つで、そのエネルギー又は運動量を表す位置（D軸という）を求めることによって、高精度に屈折率の変化を求めることができるが、そのためにはノイズや、装置関数、ドリフトを含むデータからD軸に関する移動量を求める必要がある。

このD軸に関する移動量を求める方法には、例えば、ピークの形状を多項式で近似し、回帰法で多項式を決定し（図４（a））、又はピークの形状の図形的重心を求める方法（図４（ｂ））（特許文献１、非特許文献１参照）や、重みつき回帰法で高精度にピーク位置を決定する方法（非特許文献２参照）がある。

特許第３４９０４５８号明細書 Knut Johansen, Ralph Stalberg, Ingemar Lundstrom and Bo Liedberg, "Surface plasmon resonance: instrumental resolution using photo diode arrays", Meas. Sci. Technol., Vol. 11, IOP Publishing Ltd, 2000, pp.1630-1638 Kyle S. Johnston and Sinclair S. Yee, "Calibration of Surface Plasmon Resonance Refractometers Using Locally Weighted Parametric Regression", Analytical Chemistry, Vol. 69, No. 10, May 15, 1997, pp. 1844-1851 Peter A. Gorry, "General Least-Squares Smoothing and Differentiation by the Convolution (Savitzky-Golay) Method", Analytical Chemistry, Vol. 62, 1990, pp.570-573

しかしながら、上記従来の方法だけでは、光源の非均一性、光学装置の歪み、CCDやCMOSカメラなどの受光装置の感度むらによるノイズによって、ピーク位置の決定精度が制限されるという課題があった。

また、計算機を用いた処理方法では入力されるスペクトルは、標本点数が離散的であり、特にSPRによる高感度測定等では、ピークの変位量は標本点間隔以下になる。このため、微小な屈折率の変化、極低濃度の物質の濃度の測定では、ピーク位置の変化がノイズに埋もれて測定できないという課題があった。

さらに、離散的スペクトルに対して離散間隔よりも狭い代表位置決定を行う場合には、多項式フィッティングを行い極値の独立変数の値を求めるなど従来の１段階の方法では、フィッティングに用いるデータの選び方で得られる代表位置が不連続に変化する場合があり、計測に不具合が生じていた。

本発明は、このような課題に鑑みてなされたもので、その目的は、離散的スペクトルに対してその離散間隔よりも狭い間隔で高精度にピークの代表位置の変動を測定することができるピーク位置変動量測定装置、その測定方法及びプログラムを提供することにある。

このような目的を達成するために、請求項１に記載の発明は、所定の光学系において第１のサンプルを所定の時間間隔で測定して得られたスペクトルを表す１次元のピクセル列データである第１の離散的系列データを時系列に生成するスペクトル生成手段と、前記光学系において第２のサンプルを測定して得られたスペクトルを表す１次元のピクセル列データである第２の離散的系列データを記録しておく第１の記憶手段と、第１の記憶手段から第２の離散的系列データを読み出して所定の平行移動量だけ列指標方向に平行移動させる平行移動手段と、第１の離散的系列データ及び平行移動された第２の離散的系列データのそれぞれについてピークの代表位置を求める代表位置演算手段と、第２の離散的系列データの平行移動量と代表位置との対からなる配列を生成する配列生成手段と、配列を記録しておく第２の記憶手段と、第２の記憶手段から配列を読み出して平行移動量と代表位置との関係式を求め、該関係式から第１の離散的系列データの離散間隔よりも狭い間隔で第１の離散的系列データの代表位置を対応する平行移動量に変換する変換手段と、第１の離散的系列データの平行移動量を時系列に並べ、特定の期間での平行移動量の差分をとって出力する差分演算手段とを備えたことを特徴とする。

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載のピーク位置変動量測定装置であって、代表位置演算手段が、第１及び第２の離散的系列データにフーリエ変換及びウエーブレット変換のいずれかを行い、最長周期である周波数成分の位相を計算することにより第１及び第２の離散的系列データを表す関数を解析的に求めることを特徴とする。

請求項３に記載の発明は、請求項１に記載のピーク位置変動量測定装置であって、スペクトルは、１次元に配列されたピクセル毎の入射角度に対する反射強度を表すことを特徴とする。

請求項４に記載の発明は、請求項３に記載のピーク位置変動量測定装置であって、スペクトルは、表面プラズモン共鳴効果による光吸収のピークが現れるスペクトルであることを特徴とする。

請求項５に記載の発明は、ピーク位置変動量測定方法であって、所定の光学系において第１のサンプルを所定の時間間隔で測定して得られたスペクトルを表す１次元のピクセル列データである第１の離散的系列データを時系列に生成するステップと、前記光学系において第２のサンプルを測定して得られたスペクトルを表す１次元のピクセル列データである第２の離散的系列データを第１の記憶手段に記録するステップと、第１の記憶手段から第２の離散的系列データを読み出して所定の平行移動量だけ列指標方向に平行移動させる平行移動させるステップと、第１の離散的系列データ及び平行移動された第２の離散的系列データのそれぞれについてピークの代表位置を求めるステップと、第２の離散的系列データの平行移動量と代表位置との対からなる配列を生成する配列を生成するステップと、配列を第２の記録手段に記憶するステップと、第２の記憶手段から配列を読み出して平行移動量と代表位置との関係式を求め、該関係式から第１の離散的系列データの離散間隔よりも狭い間隔で第１の離散的系列データの代表位置を対応する平行移動量に変換するステップと、第１の離散的系列データの平行移動量を時系列に並べ、特定の期間での平行移動量の差分をとって出力するステップとを有することを特徴とする。

請求項６に記載の発明は、請求項５に記載のピーク位置変動量測定方法であって、代表位置を演算するステップが、第１及び第２の離散的系列データにフーリエ変換及びウエーブレット変換のいずれかを行い、最長周期である周波数成分の位相を計算することにより第１及び第２の離散的系列データを表す関数を解析的に求めるステップであることを特徴とする。

請求項７に記載の発明は、ピーク位置変動量測定プログラムであって、所定の光学系において第１のサンプルを所定の時間間隔で測定して得られたスペクトルを表す１次元のピクセル列データである第１の離散的系列データを時系列に生成するステップと、前記光学系において第２のサンプルを測定して得られたスペクトルを表す１次元のピクセル列データである第２の離散的系列データを第１の記憶手段に記録するステップと、第１の記憶手段から第２の離散的系列データを読み出して所定の平行移動量だけ列指標方向に平行移動させる平行移動させるステップと、第１の離散的系列データ及び平行移動された第２の離散的系列データのそれぞれについてピークの代表位置を求めるステップと、第２の離散的系列データの平行移動量と代表位置との対からなる配列を生成する配列を生成するステップと、配列を第２の記録手段に記憶するステップと、第２の記憶手段から配列を読み出して平行移動量と代表位置との関係式を求め、該関係式から第１の離散的系列データの離散間隔よりも狭い間隔で第１の離散的系列データの代表位置を対応する平行移動量に変換するステップと、第１の離散的系列データの平行移動量を時系列に並べ、特定の期間での平行移動量の差分をとって出力するステップとを実行させることを特徴とする。

本発明によれば、ピーク位置の変化がノイズに埋もれて測定できなかった微小な屈折率の変化、極低濃度の物質の濃度の測定等においても、離散スペクトルに対してその離散間隔よりも狭い間隔で高精度にピークの代表位置の変動を測定することができる。

スペクトルの標本間隔よりも小さいピーク位置の変動のようにピークの移動量が小さい場合、一般にスペクトルはピーク形状を変化させずにD軸に平行に移動する場合が多い。そこで本発明では、スペクトルの標本間隔よりも小さいピーク位置の変動を求める場合に、１つの参照スペクトルとして得られたスペクトルを平行移動させ、そのスペクトルから得たピークの代表位置と平行移動量の系列を用いて、時系列に得た検査スペクトルの代表位置からピーク位置の変動を求める。すなわち、本発明は、従来のように１段階でスペクトルの代表位置を求める方法に対して、参照スペクトルとして得られたスペクトルを平行移動して得られる代表位置と平行移動量の関係から代表位置を求める点に特徴がある。

以下、図面を参照しながら本発明の実施形態について詳細に説明する。
（実施形態１）
図１に、本発明の一実施形態に係るピーク位置変動量測定装置の構成を示す。ピーク位置変動量測定装置１００は、シリアルインターフェースで接続されたスペクトル入力装置１０１と処理装置１０２から成る。

スペクトル入力装置１０１は、Handy-SPR(NTT-AT社)によってサンプルのSPR曲線（スペクトル）の測定を行う。具体的には、スペクトル入力装置１０１は、入射角度に対する反射光強度を１次元CCDで測定し、その１次元CCDの各ピクセルの光強度をAD変換して１２ビットの整数値の列としてSPR曲線のデータを出力する。つまり、スペクトル入力装置１０１で測定されるSPR曲線のデータは離散的表現として与えられる。このSPR曲線のデータは、シリアルインターフェースを介してスペクトル入力装置１０１から処理装置１０２に出力される。

処理装置１０２は、スペクトル入力装置１０１から出力されたSPR曲線のデータからピーク位置の変動を導出する。本実施形態では、スペクトル列の指標（ピクセル番号）が軸Dとなる。処理装置１０２は、測定精度を向上させるために、スペクトル入力装置１０１から出力された参照スペクトルS1と検査スペクトルS2の処理をそれぞれ行う。参照スペクトルS1には、参照スペクトルS1のピークの代表位置と検査スペクトルS2のピークの代表位置との差が±１ピクセル以内であるスペクトルを用いることが望ましい。また、必ずしも全く同じサンプルを測定して得られたものである必要はないが、参照スペクトルS1は、検査スペクトルS2を得るために測定する直前のサンプルを測定して得られたものであることが望ましい。すなわち、参照スペクトルS1と検査スペクトルS2は、別々に生成され、又は採取されたサンプルを測定して得られたものであっても、同じ光学系で測定され、それらスペクトルのピーク代表位置が1ずれている程度であればよい。

ピークの代表位置を求める代表位置演算部１０３A、１０３Bは、ピクセル列データにフーリエ変換又はウエーブレット変換を行ってスペクトルを周期関数で表し、そのサンプル数が周期である周波数成分の位相を計算することによりピークの代表位置を算出する。代表位置演算部１０３A、１０３Bは全く同じ機能を有するものであり、参照スペクトルS1と検査スペクトルS2の両方を１つの代表位置演算部１０３A又は１０３Bで処理するようにしてもよい。

ピクセル列データを平行移動させる平行移動部１０４は、軸Dを正又は負の平行移動量分だけ移動させる、例えば、ピクセル列のデータを１ピクセル分だけ隣のピクセルに移動させる処理を繰り返し実行し、毎回の処理毎に移動した参照スペクトルS1'を生成する。このようにスペクトル列データを平行移動することにより、スペクトルを測定する装置の不完全さ等によってスペクトルに重畳される波長に固定したノイズ（この様なノイズは、通常は装置関数と考えられる）をキャンセルすることができる。特に離散的スペクトルに対して離散間隔よりも狭い代表位置決定を行う場合、効果がある。

また、平行移動部１０４は、生成した参照スペクトルS1'を代表位置演算部１０３Aに出力し、平行移動量を配列生成部１０５に出力する。

配列生成部１０５は、代表位置演算部１０３Aによって求められた参照スペクトルS1' の代表位置と、平行移動量の対を作成し配列Aを作成し、記憶装置１０８に格納する。

代表位置から対応する平行移動量を求める変換部１０６は、記憶装置１０８から検査スペクトルS2に対応する参照スペクトルS1の配列Aを取り出し、代表位置演算部１０３Bから出力された検査スペクトルS2のピークの代表位置に対応する平行移動量を導出する。検査スペクトルS2のピークの代表位置に対応する平行移動量を求める際、変換部１０６は、配列Aから最小二乗法を用いて導出したピークの代表位置と平行移動量との関係式を用いることができる。この方法で、代表位置演算部１０３の性質によらずに、離散的スペクトルのピークのシフト量を離散間隔よりも狭く決定することができる。

差分演算部１０７は、変換部１０６から出力された各検査スペクトルS2の平行移動量を所定の基準となる平行移動量を例えば０として、その基準からの差分を計算し、その差分を時系列に並べてPC等に出力することができる。また、これらの時系列のデータに対してノイズ除去を施すなど、例えば、系列データの移動平均や微分をデータの重みつき加算で行うSavitzky Golayの方法を用いることができる（非特許文献３）。

このような処理装置１０２は、各々制御を実行するＣＰＵ、並びにＣＰＵの制御プログラムを格納するＲＯＭ、及びＣＰＵの作業領域を提供し、データを格納するＲＡＭなどの記憶装置１０８とを含む記憶部を備えた制御部（不図示）によって制御される構成をとることによって実現することができる。但し、これに限らず通常のパーソナルコンピュータで用いられる技術であればいずれのものも用いることができる。また、処理装置１０２は、制御部に接続された、所定の指令、データ等を入力するキーボード又は各種スイッチ等を含む入力操作部（不図示）を備え、イメージデータ等の大量データを格納するための補助記憶装置等（不図示）も備えることができる。

図２に、本発明の一実施形態に係るピーク位置変動量測定装置の測定方法を示す。また、図３に、本発明の一実施形態に係るピーク位置変動量測定装置による測定例を示す。スペクトル入力装置１０１から参照スペクトルS1のデータを平行移動部１０４に入力する（Ｓ２０１）。但し、参照スペクトルS1は予め測定されたものであっても良いので、スペクトル入力装置１０１から出力される代わりに所定の記憶装置（不図示）から平行移動部１０４に入力されてもよい。平行移動部１０４は参照スペクトルS1のデータを任意のピクセル分だけ隣のピクセルに移動させた参照スペクトルS1′を生成し（Ｓ２０２）、その平行移動された参照スペクトルS1′をピークの代表位置を求める代表位置演算部１０３Aに出力し、平行移動量を配列生成部１０５に出力する。代表位置演算部１０３Aは平行移動された参照スペクトルS1′のピークの代表位置を算出する（Ｓ２０３）。次に参照スペクトルS1′の平行移動量が予め設定した範囲内であるか否かを判定し（Ｓ２０４）、その平行移動量が範囲内であればＳ２０２に戻り、範囲外であれば参照スペクトルS1′のピークの代表位置を配列生成部１０５に出力する。配列生成部１０５は、参照スペクトルS1'のピークの代表位置とそれに対応する平行移動量との対からなる配列Aを生成し、その配列Aを記憶装置１０８に格納する（Ｓ２０５）。

一方、スペクトル入力装置１０１においてピーク位置の変動を測定する検査スペクトルを測定し（Ｓ２０６）、スペクトル入力装置１０１からピークの代表位置を求める代表位置演算部１０３Bに検査スペクトルS２を入力する（Ｓ２０７）。代表位置演算部１０３Bは検査スペクトルS2のピークの代表位置を算出し（Ｓ２０８）、代表値から対応する平行移動量を求める変換部１０６に出力する。変換部１０６は記憶装置１０８に格納されている配列Aからピークの代表位置と平行移動量との関係式を最小二乗法等によって求め、検査スペクトルS2のピークの代表位置に対応する平行移動量を算出する（Ｓ２０９）。

Ｓ２０６〜Ｓ２０９を繰り返して時系列で得られる検査スペクトルS2に順次演算を施し、検査スペクトルS2のピーク位置の時系列を得ることができる。そして所定の検査スペクトルS2の平行移動量を基準として各検査スペクトルS2の平行移動量の差分をとり、それを時系列に並べてPC等に出力する（Ｓ２１０）。Ｓ２１０においては、系列データの移動平均や微分をデータの重みつき加算で行うSavitzky Golayの方法等を用いてノイズの除去を行うこともできる。

参照スペクトルS1が検査スペクトルS2と同じ装置から取られているために、装置に由来するノイズや変動が配列に織り込まれることがないため、光学系等の測定装置に由来するノイズをキャンセルすることができる。さらに、この仕組みによってキャンセルできないランダムなノイズは、差分演算部１０７においてSavitzky Golayの方法等の一般的な処理を施すことにより除去することができる。よって、本発明の実施形態では、検査スペクトルのピーク位置の時間的変動をより精密に測定することができる。

また、本発明の装置は、コンピュータとプログラムによっても実現でき、ピーク位置変動量測定装置として機能させるためのプログラムをコンピュータ読み取り可能な記録媒体に記録することも、ネットワークを通して提供することも可能である。

本発明の一実施形態に係るピーク位置変動量測定装置の構成を示す図である。本発明の一実施形態に係るピーク位置変動量測定装置の測定方法を示す図である。本発明の一実施形態に係るピーク位置変動量測定装置による測定例を示す図である。（ａ）は、ピーク形状を多項式で近似して代表位置を求めることを説明する図であり、（ｂ）は、ピーク形状の図形的重心から代表位置を求めることを説明する図である。

符号の説明

１００ピーク位置変動量測定装置

Claims

所定の光学系において第１のサンプルを所定の時間間隔で測定して得られたスペクトルを表す１次元のピクセル列データである第１の離散的系列データを時系列に生成するスペクトル生成手段と、
前記光学系において第２のサンプルを測定して得られたスペクトルを表す１次元のピクセル列データである第２の離散的系列データを記録しておく第１の記憶手段と、
前記第１の記憶手段から前記第２の離散的系列データを読み出して所定の平行移動量だけ列指標方向に平行移動させる平行移動手段と、
前記第１の離散的系列データ及び平行移動された前記第２の離散的系列データのそれぞれについてピークの代表位置を求める代表位置演算手段と、
前記第２の離散的系列データの平行移動量と代表位置との対からなる配列を生成する配列生成手段と、
前記配列を記録しておく第２の記憶手段と、
前記第２の記憶手段から前記配列を読み出して平行移動量と代表位置との関係式を求め、該関係式から前記第１の離散的系列データの離散間隔よりも狭い間隔で前記第１の離散的系列データの代表位置を対応する平行移動量に変換する変換手段と、
前記第１の離散的系列データの平行移動量を時系列に並べ、特定の期間での前記平行移動量の差分をとって出力する差分演算手段と
を備えたことを特徴とするピーク位置変動量測定装置。
前記代表位置演算手段が、前記第１及び第２の離散的系列データにフーリエ変換及びウエーブレット変換のいずれかを行い、最長周期である周波数成分の位相を計算することにより前記第１及び第２の離散的系列データを表す関数を解析的に求めることを特徴とする請求項１に記載のピーク位置変動量測定装置。
前記スペクトルは、１次元に配列されたピクセル毎の入射角度に対する反射強度を表すことを特徴とする請求項１に記載のピーク位置変動量測定装置。
前記スペクトルは、表面プラズモン共鳴効果による光吸収のピークが現れるスペクトルであることを特徴とする請求項３に記載のピーク位置変動量測定装置。
所定の光学系において第１のサンプルを所定の時間間隔で測定して得られたスペクトルを表す１次元のピクセル列データである第１の離散的系列データを時系列に生成するステップと、
前記光学系において第２のサンプルを測定して得られたスペクトルを表す１次元のピクセル列データである第２の離散的系列データを第１の記憶手段に記録するステップと、
前記第１の記憶手段から前記第２の離散的系列データを読み出して所定の平行移動量だけ列指標方向に平行移動させる平行移動させるステップと、
前記第１の離散的系列データ及び平行移動された前記第２の離散的系列データのそれぞれについてピークの代表位置を求めるステップと、
前記第２の離散的系列データの平行移動量と代表位置との対からなる配列を生成する配列を生成するステップと、
前記配列を第２の記録手段に記憶するステップと、
前記第２の記憶手段から前記配列を読み出して平行移動量と代表位置との関係式を求め、該関係式から前記第１の離散的系列データの離散間隔よりも狭い間隔で前記第１の離散的系列データの代表位置を対応する平行移動量に変換するステップと、
前記第１の離散的系列データの平行移動量を時系列に並べ、特定の期間での前記平行移動量の差分をとって出力するステップと
を有することを特徴とするピーク位置変動量測定方法。
前記代表位置を演算するステップが、前記第１及び第２の離散的系列データにフーリエ変換及びウエーブレット変換のいずれかを行い、最長周期である周波数成分の位相を計算することにより前記第１及び第２の離散的系列データを表す関数を解析的に求めるステップであることを特徴とする請求項５に記載のピーク位置変動量測定方法。
所定の光学系において第１のサンプルを所定の時間間隔で測定して得られたスペクトルを表す１次元のピクセル列データである第１の離散的系列データを時系列に生成するステップと、
前記光学系において第２のサンプルを測定して得られたスペクトルを表す１次元のピクセル列データである第２の離散的系列データを第１の記憶手段に記録するステップと、
前記第１の記憶手段から前記第２の離散的系列データを読み出して所定の平行移動量だけ列指標方向に平行移動させる平行移動させるステップと、
前記第１の離散的系列データ及び平行移動された前記第２の離散的系列データのそれぞれについてピークの代表位置を求めるステップと、
前記第２の離散的系列データの平行移動量と代表位置との対からなる配列を生成する配列を生成するステップと、
前記配列を第２の記録手段に記憶するステップと、
前記第２の記憶手段から前記配列を読み出して平行移動量と代表位置との関係式を求め、該関係式から前記第１の離散的系列データの離散間隔よりも狭い間隔で前記第１の離散的系列データの代表位置を対応する平行移動量に変換するステップと、
前記第１の離散的系列データの平行移動量を時系列に並べ、特定の期間での前記平行移動量の差分をとって出力するステップと
を実行させることを特徴とするピーク位置変動量測定プログラム。