JP4756269B2

JP4756269B2 - 殺菌方法

Info

Publication number: JP4756269B2
Application number: JP2006138868A
Authority: JP
Inventors: 健介村井; 泰征宮野
Original assignee: National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST
Current assignee: National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST
Priority date: 2005-05-23
Filing date: 2006-05-18
Publication date: 2011-08-24
Anticipated expiration: 2026-05-18
Also published as: JP2007000618A

Description

本発明は、紫外線レーザー光を光ファイバーを介して伝送することにより、配管などの内部を殺菌する殺菌方法に関する。

近年、発電所などのプラントや、病院や飲食店などの施設において、空調機ダクトや水系配管などの内部に微生物や黴が発生し、これが居住空間や外部環境の汚染原因、また人体へのアレルギーの原因となることが問題となっている。このような建物内部の配管の交換には、環境負荷の小さい殺菌技術が求められている。

関連する従来技術としては、配管内などの熱による殺菌方法が使用できない箇所では、薬剤やオゾン水などによる水道管の殺菌やヌメリ取りが知られている。しかし、これらの殺菌方法では、排出される処理液が環境や配管自体に悪影響を与える可能性がある。

一方、紫外線による殺菌方法は、これらの薬剤やオゾン水などによる殺菌方法に比べて、微生物のみに作用するので環境負荷が小さく、望ましい。例えば、下記特許文献１〜３には、光ファイバーを用いて紫外線を伝送して殺菌する殺菌装置及び殺菌方法が開示されている。

さらに、下記特許部文献１〜３では光ファイバーによる紫外線の照射範囲が狭く、照射量も十分確保できない問題点を改善するために、下記特許文献４には、コアの一部を露出させた種々の形態の光ファイバーが開示されている。
実開平５−１５９５９号公報特開平８−６６４６２号公報特開平８−２６６５９５号公報特開２００５−１３７２３号公報

しかしながら、上記特許文献１〜４では、光源として、紫外線ランプを使用しているので、光ファイバーに集光して導入する際のロスが大きく、光エネルギーを有効に利用できない問題がある。また、上記特許文献１〜４には、適切な殺菌条件に関して何ら開示されていない。

一方、光ファイバーによる紫外線の伝送に関しては、近年、紫外（ＵＶ）領域の光ファイバーの耐性が向上している。例えば、波長２６６ｎｍレーザーで１Ｗ（パルス２０μＪ、繰り返し周波数５０ｋＨｚ）程度の伝送が可能となってきた。

本発明は、上記の課題を解決すべく、ＵＶ光を伝送可能な光ファイバーと繰り返し周波数の高い紫外レーザー装置とを用い、所定の紫外線量を伝送することにより、空調機ダクトなどの既設配管などに適した殺菌方法を提供することを目的とする。

本発明の目的は、以下の手段によって達成される。

即ち、本発明の殺菌方法は、光源から出力されるレーザー光を光ファイバーの一端に入力し、該光ファイバーを伝送した後のレーザー光を、殺菌対象物に照射する殺菌方法であ
って、前記レーザー光の波長が、２００ｎｍ以上３００ｎｍ以下の範囲の波長であり、前記レーザー光の１パルスのエネルギーをパルス幅及びコア断面積の積で除した値が１０^９Ｗ／ｃｍ^２以下であることを特徴としている。

前記レーザー光の波長は、２６６ｎｍ、２６３ｎｍ、２６２ｎｍ、２５８ｎｍ、２４８ｎｍまたは２４４ｎｍであることが望ましい。

また、前記レーザー光は、連続発振レーザー光、又は、パルスの繰り返し周波数が１ｋＨｚ以上のレーザー光であることが望ましい。

また、殺菌対象物上での２時間以内の前記レーザー光の総照射エネルギー密度は、１ｍＪ／ｃｍ^２以上であることが望ましい。

本発明の殺菌装置によれば、紫外線レーザー光と光ファイバーとを用い、殺菌に適した条件でレーザー光を照射させることによって、空調機ダクトなどの既設配管などの対象物に対して低環境負荷の殺菌が可能となる。

さらに、本発明の殺菌装置を使用することにより、内視鏡などの高価な医療用機器類の稼働率を大幅に向上させることが出来る。従来は、これらの医療機器類に付設されたカテーテルの滅菌は、一回の使用毎に長時間の処理を要していた。その結果、高価な医療機器本体の利用率（或いは医療行為に使用されている実働時間率）は、低かった。しかるに、本発明によれば、医療機器類に付属しているカテーテルの滅菌を短時間内に行うことが可能になるので、衛生上の問題を生ずることなく、医療機器類の利用率を高めることが出来る。

また、本発明は、院内感染などの危険性がある医療現場における滅菌技術としても、有用である。

以下、本発明に係る実施の形態を、添付した図面に基づいて説明する。

図１は、本発明の実施の形態に係る殺菌装置の概略構成を示すブロック図である。本実施の形態に係る本殺菌装置は、紫外（ＵＶ）領域のレーザー光を出力する光源１と、光ファイバー２と、光源１から出力されるＵＶレーザー光を集光して光ファイバー２の一端に入射する光学系３とを備えている。図１では、光ファイバーの一部が挿入され、殺菌される対象物を、符号Ｔを付して一部破断して示している。また、Ｌは光ファイバー２から射出されるＵＶレーザー光であり、光ファイバー２の先端に限らず、外周側壁からも射出される。

次に、図１に示した殺菌装置を用いて殺菌を行う殺菌方法に必要な条件に関して説明する。

光ファイバー２は、波長２００ｎｍ以上の光を伝送する特性を有していることが必要である。また、光触媒を用いない殺菌効果には波長３００ｎｍ以下が必要であるため、波長２００ｎｍ以上３００ｎｍ以下の範囲の光を効率よく伝送する特性を有することが望ましい。

光源１に関しては、ＫｒＦエキシマレーザー、アルゴンレーザーなどの気体レーザーおよびＹＡＧレーザー、ＹＶＯ_４レーザーなどの固体レーザーを用いることが出来る。気体
レーザーでは、波長２４８ｎｍのＫｒＦエキシマレーザー、波長２４４ｎｍのアルゴンレーザーの２倍高調波などを用い、固体レーザーでは、ＹＡＧレーザー或いはＹＶＯ_４レーザーの４倍高調波（波長２６６ｎｍまたは２５８ｎｍ）、ＹＬＦレーザー（２６３ｎｍまたは２６２ｎｍ）などを用いる。光ファイバーに導入するには、比較的波長が長く集光性のよいＹＡＧレーザー或いはＹＶＯ_４レーザー或いはＹＬＦレーザーがより望ましい。

光源１の出力するレーザー光のパルス幅が短くなると、１パルスで伝送できるエネルギーが少なくなるので、１ｎｓ（ナノ秒）よりも長いパルス幅のレーザー光、より好ましくは連続発振レーザー光を用いるのがよい。

光ファイバー２を損傷せずに曲げることができる曲率半径は、直径×２００で見積もることができる。例えば、直径１ｍｍでは、曲率半径が２００ｍｍとなる。光ファイバー（コア）の直径が大きければ伝送光量が大きくなるが、曲率半径も大きくなるので、コア径は１ｍｍ以下が望ましく、５００μｍ程度がより望ましい。

電場強度が強くなると光ファイバーが壊れるので、瞬間的な光強度は高くない方が望ましい。直径１ｍｍのコア（断面積０．００７９ｃｍ^２）では、１００ｍＪ／１０ｎｓ程度（１０ ^７Ｗ程度に相当）で破壊されると考えられるので、パルスエネルギー／（パルス幅×コア断面積）が１．３×１０^９Ｗ／ｃｍ^２以下であることが必要不可欠である。このことから、光ファイバー中を伝送する光強度は、１０^９Ｗ／ｃｍ^２以下であることが望ましい。

なお、連続レーザー光を用いる場合には、１秒間のレーザー光出力をパルスエネルギーに置き換えて考えればよい。

微生物への総照射エネルギー密度は、単位面積当たりに照射した総エネルギー（すなわち総照射エネルギー密度）が重要となる。実施例１および実施例２として後述するように、総照射エネルギー密度は１ｍＪ／ｃｍ^２以上であることが望ましく、１０ｍＪ／ｃｍ^２であることがより望ましい。総照射エネルギー密度は１ｍＪ／ｃｍ^２以上であることが望ましく、１０ｍＪ／ｃｍ^２であることがより望ましい。尚、微生物の増殖プロセスから、この総照射エネルギー密度は２時間以内での合計値である。

光ファイバーを使用して、殺菌可能な総照射エネルギー密度を達成するには、１パルスのエネルギーが小さく、繰り返し周波数の高いレーザー光源、又は連続発振レーザー光源が必要である。上記した望ましい総照射エネルギー密度（１０ｍＪ／ｃｍ^２）を達成するためには、繰り返し周波数が１０Ｈｚのレーザー光よりも繰り返し周波数が１ｋＨｚのレーザー光の方が、単位時間における照射光量が１００倍大きくなり（従って、処理時間が１００分の１になり）、望ましい。例えば、後述する実施例１の条件では、移動速度を１００ｍｍ／ｓｅｃ、又は照射面積を１００倍に広げて（直径を１０倍にして）照射しても殺菌効果を得ることが可能になる。従って、繰り返し周波数が１ｋＨｚ以上のレーザー光が望ましい。また、連続発振のレーザー光の方がより望ましい。

光ファイバーからＵＶレーザー光を広範囲に射出させるには、上記特許文献４に開示されている種々の形態の光ファイバーを使用すればよい。例えば、光ファイバーの外周側壁に欠損部を作製して紫外光を漏れさせてもいいし、コアの先端部にレーザー光を周囲に拡散させる機構を取り付けてもよい。

以下に試験例および実施例を示し、本発明の特徴とするところをより一層明確にする。

［試験例１］
図２に示す様に、市販のＹＡＧレーザー装置（ＳｐｅｃｔｒａＰｈｙｓｉｃｓ社製ＧＣＲ-１３０）を光源として使用し、Ｎｄ：ＹＡＧレーザー光（波長２６６ｎｍ、パルス
幅１０ｎｓ）を反射鏡で誘導した後に凹レンズの光学系で拡大し、微生物を寒天培地上に塗布した試料(大腸菌＝約１０^８ｃｆｕ／ｍＬ、培地量＝０．３ｍＬ)に照射した。パルスエネルギーを１ｍＪ、照射面積を約１０ｃｍ^２（直径：約３６ｍｍ）、１パルスの照射エネルギー密度を約０.１ｍＪ／ｃｍ^２とした。このときの光強度は、約１０ ^４Ｗ／ｃｍ ^２
であった。１００パルス（総照射エネルギー密度が１０ｍＪ／ｃｍ^２）以上照射した段階で殺菌効果が現われ、１０００パルス（総照射エネルギー密度が１００ｍＪ／ｃｍ^２）を照射した段階で完全に殺菌することができた。

［実施例１］
試験例１と同じＹＡＧレーザー装置を光源として使用し、図３に示す様に、発生させたレーザー光を光ファイバーで伝送して、寒天培地上に塗布した試料(大腸菌、約１０^８ｃ
ｆｕ／ｍＬ、０．３ｍＬ)に照射して描画した。レーザー光はＮｄ：ＹＡＧレーザー光（
波長２６６ｎｍ、パルス幅を１０ｎｓ、繰り返し周波数を１０Ｈｚ）であり、1パルスの
照射エネルギー密度が約０．２１ｍJ／ｃｍ^２（パルスエネルギーを６．５μＪ、光ファ
イバー先端から照射するビームの直径を２ｍｍ（照射面積：約０．０３１ｃｍ^２）とした）として、１ｍｍ／ｓｅｃの移動速度で寒天培地上のビーム照射位置を移動させた。このときの光強度は、約２．１×１０ ^４Ｗ／ｃｍ ^２であった。その結果、寒天培地上でビームを走査させた軌跡が明確に現われた。これは、１箇所におけるビームの照射時間は２秒であり、総照射エネルギー密度４．２ｍＪ／ｃｍ^２で殺菌されたことを意味する。

本実施例では、発生したレーザー光のエネルギーの１５００分の１程度しか使用していない。例えば、光ファイバーを束ねて伝送光量を増やせば、同じレーザー装置を用いて１０００倍程度殺菌速度を速くすることも可能である。また、１パルスを多数に分割してパルス数を増やして（繰り返し周波数を増加して）各パルスのエネルギーを低減すれば、１本の光ファイバーに伝送できる光量が増加し、殺菌速度が速くなると期待できる。

［実施例２］
図４に示す様に、Ｎｄ:ＹＡＧレーザー装置（ＳｐｅｃｔｒａＰｈｙｓｉｃｓ社製Ｇ
ＣＲ-１３０）の４倍高調波（波長２６６ｎｍ、パルス幅１０ｎｓ）を光源として使用し
、パワーメーター４によりレーザー出力を１００ｍＷ(１０ｍＪ、１０Ｈｚ、ビーム径９
ｍｍ)に調整して、光ファイバーに導入した。このときの光強度は約１．６×１０ ^６Ｗ／
ｃｍ ^２であった。レーザー光照射中には、パワーメーター５により、レーザー照射をモニターした。

使用した光ファイバーは、深紫外(ＤＵＶ)ファイバー（旭硝子（株）製ＡＱＸ-Ｆ、コ
ア径４００μm、長さ２ｍ）であり、面積比により光ファイバーに導入した１パルスエネ
ルギーは、本実施例および下記の比較例１〜２におけるどの波長においても、２０μＪとした。また、本実施例における光ファイバー１ｍあたりの透過率は、９６．０％であった。

光ファイバーの出力端にコリメーターレンズ（三菱電線（株）製Ｄ-９５ＭＨＬＳ１９
Ｄ３０Ｆ）を取り付け、ＸＹステージ上においた内径９ｃｍの滅菌シャーレ上の試料(大
腸菌数＝約１０^８ｃｆｕ／ｍＬ、培地量＝０．３ｍＬ)にレーザー光を照射した。照射に
際しては、ＸＹステージの上でのシャーレの移動方向と速度とをコンピュータにより制御して、一辺の大きさ約４ｃｍの“Ｍ”の文字を描いた。

レーザー光照射後、３７℃で４８時間培養し、培地の状況を観察したところ、露光量が一定値以上の場合に、培地表面に“Ｍ”の文字が明確に認められ、殺菌効果が得られていることが確認できた。

本実施例における結果を比較例１〜２の結果とともに、後記表１に示す。

［比較例１］〜［比較例２］
試料に対するＹＡＧレーザー照射の条件を変える以外は、実施例２と同様にして、殺菌試験を行った。結果を表１に示す。なお、比較例１と比較例２において、シャーレの移動速度が０．１ｍｍ／ｓｅｃ以上である場合に、殺菌効果が認められなかったので、それ以上の速度の場合の結果は示していない。

表１に示す結果から、実施例２では、全露光量約２ｍＪ／ｃｍ^２以上で殺菌効果を示している。

なお、本実施例においても、発生したレーザー光のエネルギーのごく一部を使用しているに過ぎない。従って、実施例１の場合と同様に、例えば、光ファイバーを束ねて伝送光量を増やすことにより、同じレーザー装置を用いて殺菌速度を大幅に向上させることも可能である。また、１パルスを多数に分割してパルス数を増やして（繰り返し周波数を増加して）各パルスのエネルギーを低減すれば、１本の光ファイバーに伝送できる光量が増加し、殺菌速度を高めることが出来る。

本発明の実施の形態に係る殺菌方法で使用する殺菌装置の概略構成を示すブロック図である。本発明の試験例１における殺菌方法を示す図である。本発明の実施例１における殺菌方法を示す図である。本発明の実施例２における殺菌方法を示す図である。

符号の説明

１光源
２光ファイバー
３光学系
４パワーメーター
５パワーメーター

Claims

光源から出力されるレーザー光を光ファイバーの一端に入力し、該光ファイバーを伝送した後のレーザー光を、殺菌対象物に照射する殺菌方法であって、
前記レーザー光の波長が、２００ｎｍ以上３００ｎｍ以下の範囲の波長であり、
光ファイバーを伝送する光強度が、ジュール（Ｊ）で表される前記レーザー光の１パルスのエネルギーを、秒（ｓ）で表されるパルス幅及び平方センチメートル（ｃｍ ^２）で表されるコア断面積の積で除した値が１０^９Ｗ／ｃｍ^２以下であり、前記殺菌対象物上での２時間以内の前記レーザー光の総照射エネルギー密度が１ｍＪ／ｃｍ ^２以上であることを特徴とする殺菌方法。
前記レーザー光の波長が、２６６ｎｍ、２６３ｎｍ、２６２ｎｍ、２５８ｎｍ、２４８ｎｍまたは２４４ｎｍであることを特徴とする請求項１に記載の殺菌方法。
前記レーザー光が連続発振レーザー光、又は、前記レーザー光のパルスの繰り返し周波数が１ｋＨｚ以上であることを特徴とする請求項１又は２に記載の殺菌方法。