JP5597871B2 - におい分布の画像化装置 - Google Patents
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Description
この発明は、におい（匂い、および臭い）の空間分布を平面上に、あるいは立体的に配置された平面上に固定し、励起光を照射して撮像装置で撮像可能な波長の蛍光分布に変換して可視化する、におい分布の画像化装置に関している。
近年、悪臭公害やガス爆発、中毒などの問題解決や、より快適な暮らしのためのにおいの質や量を客観的に評価できる方法が求められている。においを測ることのできるセンサはいくつか存在する。
においセンサーには、種々のものが知られている。例えば、振動子に分子選択性のある受容体をつけてにおい分子を吸着させ、その振動数の変化でにおい分子を検知するものや、熱線型焼結半導体素子を用いてその抵抗値の変化で検知するもの、あるいは、におい物質を吸着する吸着層をゲート膜上に設けたＩＳＦＥＴ（イオン感応性電界効果トランジスタ）を用いたもの、などは、既に市販されている。
また、超高感度においセンサとしては、抗原抗体反応型表面プラズモン共鳴センサが知られている。このセンサは，金の表面でおこる抗原抗体反応でターゲットを選択的に認識する抗体と、ターゲットの濃度を電気信号に変換する表面プラズモン共鳴（SPR）検出装置とから構成されている。
さらに、平面のセンサヘッドをもつものとして、集積型マルチチャネルにおいセンサが知られている。これは、においコードセンサで、においをいくつかの部分集合に分類する認識を行うセンサである。
また、一酸化窒素の測定装置であるが、蛍光を測定する装置としては、特許文献１（特開２０１０−７８４２６号公報）に記載された一酸化窒素の測定装置等がある。この特許文献には、一酸化窒素（ＮＯ）を含む試料ガスとＮＯ蛍光プローブを含むガス吸収液とをガス透過膜を介して接触させて、一酸化窒素を前記ガス吸収液に取り込み、このガス吸収液における蛍光量を測定することからなる一酸化窒素の測定方法が開示されている。また、一酸化窒素を含む試料ガスが流れるガス流路と、ＮＯ蛍光プローブを含むガス吸収液が流れるガス吸収液流路と、このガス流路とガス吸収液流路の接触部の境界面にガス透過膜を設けたガス捕集器と、このガス捕集器のガス吸収液出口側流路に蛍光検出器とを設けた一酸化窒素の測定装置が開示されている。
また、膜状の受容体についたにおい物質の蛍光を用いて検出するにおいセンサが、特許文献２（特開平９−１８９６６３号公報）に記載されている。これは、フタロシアニン類の膜に励起照射してその蛍光強度を測定するものである。
しかし、既存のセンサには測りたい物質以外にも応答してしまう非特異吸着の問題が残っている。そこで、本発明では、この非特異吸着の問題を解決できるにおいのセンシング装置を提案する。その手法として、本発明は、蛍光を用いる。一般に、におい物質は、蛍光色素と相互作用し、蛍光に直接影響を与えると考えられる。本発明では、蛍光色素をにおい物質の受容部位として用い、蛍光色素とにおい物質の相互作用を蛍光の変化として取り出すことより、におい物質の検出を行うものである。
一般に、蛍光色素を用いて蛍光分析によりにおい物質の検出を行うこと、つまり、においを蛍光の変化として検出することは可能である。しかし、液体状の蛍光色素を用いた蛍光測定では、実際には微量な気体であるにおいを測定することは困難であった。
本発明は、このようににおいの分布を可視化することのできる、におい分布の画像化装置を実現することを目的とする。
本発明は、概略、シート状に形成した蛍光物質を用い、励起光を照射して、高感度撮像装置による画像撮影を行って、においの検出や、においの広がりを視覚的に検知するものである。
より具体的には、本発明は、におい物質分布を画像化する画像化装置であって、におい物質を吸着する吸着面をもった吸着シートと、上記吸着シートに励 起光を照射する励起光光源と、上記励起光による上記吸着シート上の蛍光の強度分布を撮像する撮像装置と、上記撮像装置からの蛍光の強度分布を表示する表示装置と、を具備している。上記吸着シートは、所定のにおい物質を吸着することで、所定の波長の蛍光が変化する蛍光色素を含む吸着 材料を層状に設けたものであり、
上記吸着シートとして、水とグリセリン水溶液を溶媒とした硫酸キニーネ溶液をアクリル板に吸着させたものを用いて、上記蛍光の強度分布の時間変化を上記表示装置に表示するものであることを特徴とするにおい分布の画像化装置である。
上記吸着シートとして、水とグリセリン水溶液を溶媒とした硫酸キニーネ溶液をアクリル板に吸着させたものを用いて、上記蛍光の強度分布の時間変化を上記表示装置に表示するものであることを特徴とするにおい分布の画像化装置である。
また、上記吸着シートににおい物質を吸着後に、さらに吸着が進行することを阻害する吸着阻害層を形成する。これによって、移動中の余分な吸着を防止する。
また、上記吸着シートは、上記におい分布の画像化装置から脱着可能であり、上記吸着シートににおい物質を吸着させる際には、上記におい分布の画像化装置から分離し、上記励起光を照射する際には、上記におい分布の画像化装置に装着するものである。
本発明を適用することによって、においの分布を可視化することができるようになる。
以下に、この発明の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。以下の説明においては、同じ機能あるいは類似の機能をもった装置に、特別な理由がない場合には、同じ符号を用いるものとする。
図１に、本発明のにおい分布の画像化装置の構成を示す。この画像化装置では、吸着シート１に、においを吸着させる。この吸着の際は、吸着シート１を暗箱５の外部のにおい分布を画像化しようとする所に一時的に設置し、吸着作業が終了した場合に、図１の場所に戻す。この吸着シート１には、励起光光源４からの励起光（例えば波長２５４ｎｍの光）を照射する。この照射によって、吸着シートは、蛍光を発するようにしておく。この蛍光をローパスフィルターであるフィルター２に通して上記励起光を遮断する。濾波された蛍光は、冷却ＣＣＤカメラなどの撮像装置３で撮像され、必要に応じて、撮像画像の重ね合わせや平均化などの画像改質のためのデータ処理を行って、表示装置６に表示する。図１の構成では、吸着シート１、励起光光源４、および撮像装置３は、暗箱５の中に納められている。撮像装置３と吸着シート１は平行に配置し、励起光は、下側から吸着シート１に照射している。撮像装置３は、高感度で低ノイズであることが望ましく、冷却ＣＣＤカメラであることが望ましい。
また、図１に示す構成では、外部からにおいを流し入れる為のチューブを通すことで、においを流しながら画像の撮影が可能となっており、におい応答の時間変化を観測することが可能である。
吸着シート１には、例えば、安定かつ励起光光源４（２５４ｎｍ）で励起されやすい硫酸キニーネ（１００μＭ）を用いた。特に、アクリル板に吸着させて測定を行う場合、吸着材料となる水とグリセリン水溶液とを溶媒とした硫酸キニーネ溶液を用いることができる。また、試験的に用いるにおい物質としては、硫酸キニーネによく応答したフルアルデヒドと一般的なにおい物質である酢酸を用いることができる。
におい分布の画像化に当たっては、次のように行う。まず初めに、撮像装置３を用いて励起光を照射した状態で蛍光画像を取得する。その後、吸着シート１ににおいを吸着させ、励起光を照射した状態で蛍光画像の撮影を再び行う。におい吸着前後の違いを減算あるいは除算を行って比較することによりにおいが吸着した部分が表示装置６に浮かび上がって見える。このように、輝度の変化していることからにおいを検知することができる。また、大まかにではあるが、表示画像からにおいの形状を取得することができる。
においが吸着している面に極接近した位置に、あるいはにおいが分布している空間に吸着シート１を静置し、におい物質を吸着させて蛍光色素の蛍光を変化させる。微量なにおいの場合は長時間静置することで多くのにおいを吸着させる。図５は、これを用いて、におい分布の形を撮影した例を示す。図５（ａ）は、におい物質と吸着シートとの位置関係を示す。得られた画像を図５（ｂ）に示す。差分画像を見ると、におい分布の形が再現されていることが分かる。
画像を一定時間おきに撮影することで、においの時間的変化を捉えることができる。例えば、吸着シート１にポンプを用いてにおい物質を当てると、におい物質が吹き付けられた部分だけが浮かび上がり、においの空間分布が分かる。また、画像を一定間隔で撮影することによりにおいの分布の時間的な変化を捉えることが可能となる。図４に蛍光色素として硫酸キニーネ（１００μＭ）を、におい物質としてフルアルデヒドを用いた場合のにおい応答画像を横軸に時間、縦軸に輝度を取って示す。図４はポンプを用いてにおいを吹き付けた際の吸着シートのにおい応答特性である。３０秒から７０秒のあいだにおいを流した場合で、においを流し始めて直ぐに、輝度が変化しているのが分かる。
図６は、これを用いて、におい分布画像を得た例を示す。図６（ａ）は、におい分布画像を得るための配置の模式図を示し、図６（ｂ）は、得られたにおい分布画像の例を示す。図６（ｂ）のアからエは、においを流したア：直後から、イ：１０秒、ウ：３０秒、エ：５０秒後ににおい画像を取得したものである。アからエの画像を見るとにおい画像の時間的変化が得られていることが分かる。
吸着シートは、上記の場合、蛍光色素の水溶液２０％とグリセリン溶液８０％を混合したものである。グリセリンは、吸着シートの乾燥を防ぎ、アクリル板に付着させるために用いている。グリセリンとアクリル板は、２５４ｎｍの励起光に対しては、透明であり蛍光を無視することができることから望ましい材料である。この混合溶液は、蛍光を無視することができるような紙や布に塗布や含浸で染み込ませて用いることができる。
また、吸着シートに分散させる蛍光材料としては、におい物質と異なる相互作用をする様々な蛍光プローブ（蛍光色素）を使用できる。これらは、１つの吸着シート状に、ストライプ状、あるいはモザイク状にすることで、同時に用いることもできる。例えば、アクリジンオレンジ（Acridine Orange）、フルオレセイン(Fluorescein)、ピレン(Pyrene)、アリルナフタレンスフホン酸、トリプトファン(Tryptophan)、キニーネ硫酸塩(Quinine Sulfate)、蛍光性ペプチド、量子ドットのＺｉＳｅ、などである。図２は、アクリジンオレンジ（Acridine Orange）、フルオレセイン(Fluorescein)、ピレン(Pyrene)、キニーネ硫酸塩(Quinine Sulfate)、トリプトファン(Tryptophan)、を蛍光色素として用いた場合の、におい物質であるフルアルデヒド（Furaldehyde）バニリン（Vanilin）、ベンゼン（Benzene）、ＮＰＯＥ（Nitrophenyl Octyl Ether）に対する消光率を示す。ピレンは、これらのにおい物質にたいして、ほぼ均一な感度を有することが分かる。また、図３に、キニーネ硫酸塩(Quinine Sulfate)にフルアルデヒド（Furaldehyde）が吸着した場合の消光率の波長依存性を示す。この図から、蛍光の強度差を用いて比較する場合は、蛍光のピークの波長位置での差を用いればよいことが分かる。
このように、におい物質を吸着することによって消光するような蛍光色素を用いることには、撮像装置３が過剰入力で飽和することを避けることができる、という利点がある。
蛍光色素をフィルム状にするには、次の方法がある。
１）吸着材料となるグリセリンや保水性ポリマー（ゲル）に混入し、薄くシート状にする。
２）１０ｎｍ〜１００μｍ程度のポリマービーズ群に混入、吸着、あるいは染み込ませてシート状に均す。
複数の蛍光色素を用いてそれぞれのポリマービーズ群を作って、これらのポリマービーズ群を混ぜ合わせる事によって、容易に、複数領域からなり、それぞれの領域では、同じ励起光の照射を受けた場合に異なる波長の蛍光を発するそれぞれの蛍光色素を含むものを用意することができる。
１）吸着材料となるグリセリンや保水性ポリマー（ゲル）に混入し、薄くシート状にする。
２）１０ｎｍ〜１００μｍ程度のポリマービーズ群に混入、吸着、あるいは染み込ませてシート状に均す。
複数の蛍光色素を用いてそれぞれのポリマービーズ群を作って、これらのポリマービーズ群を混ぜ合わせる事によって、容易に、複数領域からなり、それぞれの領域では、同じ励起光の照射を受けた場合に異なる波長の蛍光を発するそれぞれの蛍光色素を含むものを用意することができる。
この場合、蛍光色素の励起波長と蛍光波長の組み合わせ、あるいは蛍光波長の組み合わせにより、混ぜ合わせた蛍光色素を選択してにおい情報を取り出すことができる。例えば、蛍光波長の組み合わせで、キニーネは３３０ｎｍと３８０ｎｍ、トリプトファンは２８０ｎｍと３６０ｎｍ、アリルナフタレンスルホン酸類のＡＮＳは３５０ｎｍと５１５ｎｍである。励起は水銀ランプなどからの光をハイパスフィルターを通して照射し、蛍光画像はローパスフィルターあるいはバンドパスフィルターで濾波した後、上記撮像装置などの撮像装置によって撮像する。
上記の吸着シートを、複数用いることによって、広範囲のにおい物質の分布についての測定を行う事ができる。この場合、上記吸着シートににおい物質を吸着後に、さらに吸着が進行することを阻害する吸着阻害層を形成する。吸着阻害層としては、薄いフィルムを貼ってもよいし、例えばアクリル系の接着剤をスプレー等で塗布して固定してもよい。
１ 吸着シート
２ フィルター
３ 撮像装置
４ 励起光光源
５ 暗箱
６ 表示装置
２ フィルター
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４ 励起光光源
５ 暗箱
６ 表示装置
Claims (3)
- におい物質分布を画像化する画像化装置であって、
におい物質を吸着する吸着面をもった吸着シートと、
上記吸着シートに励起光を照射する励起光源と、
上記励起光による上記吸着シート上の蛍光の強度分布を撮像する撮像装置と、
上記撮像装置からの蛍光の強度分布を表示する表示装置と、を具備し、
上記吸着シートは、所定のにおい物質を吸着することで、所定の波長の蛍光が変化する蛍光色素を含む吸着材料が層状に設けられたものであり、
上記吸着シートとして、水とグリセリン水溶液を溶媒とした硫酸キニーネ溶液をアクリル板に吸着させたものを用いて、上記蛍光の強度分布の時間変化を上記表示装置に表示するものであることを特徴とするにおい分布の画像化装置。 - 上記吸着シートは、におい物質を吸着後に、さらに吸着が進行することを阻害する吸着阻害層を形成するものであることを特徴とする請求項１に記載のにおい分布の画像化装置。
- 上記吸着シートは、上記におい分布の画像化装置から脱着可能であり、上記吸着シートににおい物質を吸着させる際には、上記におい分布の画像化装置から分離し、上記励起光を照射する際には、上記におい分布の画像化装置に装着するものであることを特徴とする請求項１あるいは２に記載のにおい分布の画像化装置。
Priority Applications (1)
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| JP2010201093A JP5597871B2 (ja) | 2010-09-08 | 2010-09-08 | におい分布の画像化装置 |
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