JP5791045B2 - Gas particle detector - Google Patents
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Description
本発明は、気体中に浮遊する微粒子を検出する検査装置に関する。 The present invention relates to an inspection apparatus that detects fine particles floating in a gas.
空気中に浮遊する微小な物質の検出器としては、パーティクルカウンターが一般に用いられており、多く市販されている。パーティクルカウンターでは、個々の粒子の粒径及び個数を測定する為に、粒子と光との相互作用を利用している。一般に、パーティクルカウンターは、内蔵しているポンプによって空気を一定の流量で吸引し細い噴流とした後、レーザー光と交差させ、空気中の粒子１個１個が光線を横切る際に散乱する光を光学系で測定することによって粒子を検出する。ただし、パーティクルカウンターは、同じ直径の粒子でも、光学的性質の違い、特に粒子の光吸収の度合いによって信号強度が変化するため、必ずしも正確な粒径を計測できるわけではない。また、一般に可視光を用いて測定するため、検出対象となる粒子の大きさが０.１μｍ程度以下になると検出が非常に困難になる。そのため、チリや埃は比較的容易に検出できるが、粒径が０.１μｍ程度であるウイルスなどの検出は非常に困難である。また、計測された粒子が何であるかを特定することも困難である。
特許文献１や特許文献２に空気中ウイルスの検出方法及び検出装置が開示されている。特許文献１では、一旦ウイルスを液体媒体中か、霧状媒体中かまたは基板上に捕捉した後、ウイルスを分離してから、蛍光検出法、免疫クロマトグラフィー法、培養法等でウイルスを検出する手法が開示されている。特許文献２では空気中のウイルスをフィルタなどで捉えた後、溶出液中に取り出し、遺伝子解析を行って検出する方法が開示されている。これらの手法では、空気中のウイルスを検出はできるが、検出までに様々な工程が必要であり、煩雑であるという問題点がある。
一方で、微小なドットパターンを高感度で読み取る技術として、光ディスク再生技術が挙げられる。コンパクトディスク（ＣＤ）、デジタルバーサタイルディスク（ＤＶＤ）、Ｂｌｕ−ｒａｙディクスなどが市販されているが、いずれもディクスに書き込まれた微小ピット（信号を記録するために形成された点）を読むことができる技術であり、超解像再生技術を用いれば、２０ｎｍ程度の微小なピットを読みとることが可能である。特許文献３及び特許文献４に光ディスクを用いた空気中の塵埃検出装置が開示されている。しかしながら、開示されているこれらの手法では、空気中の塵埃の量を検出することは可能であるが、１つ１つの塵埃の大きさ、つまり微粒子の大きさや種類を特定することはできない。
光ディスク技術を用いて、溶液中の分子を識別する手法が特許文献５〜８に報告されている。しかし、報告されている技術は、検出対象となる物質（分子）を含む液体を光ディスク上に滴下または塗布し、特定の物質が光ディスク上に付着したものを検出するものであり、やはり空気中の微粒子を測定することはできない。また、特許文献５では、分子の検出が可能とされているが、単一分子の検出ができるという意味ではなく、分子の種類が見分けられることを意味しており、特許文献５〜８のいずれにおいてもやはり微粒子の粒径が０.１μｍ程度以下になる場合に関しては、その検出の可能性は開示されていない。
Particle detectors are generally used as detectors for minute substances floating in the air, and many are commercially available. The particle counter uses the interaction between particles and light to measure the particle size and number of individual particles. Generally, a particle counter sucks air at a constant flow rate with a built-in pump to make a thin jet, then crosses it with laser light, and scatters light that is scattered when each particle in the air crosses the light beam. Particles are detected by measuring with an optical system. However, the particle counter does not always measure the particle diameter accurately because the signal intensity varies depending on the difference in optical properties, particularly the degree of light absorption of the particles, even for particles of the same diameter. In general, since measurement is performed using visible light, detection becomes very difficult when the size of a particle to be detected is about 0.1 μm or less. For this reason, dust and dust can be detected relatively easily, but it is very difficult to detect viruses having a particle size of about 0.1 μm. It is also difficult to identify what the measured particles are.
On the other hand, as a technique for reading a minute dot pattern with high sensitivity, there is an optical disk reproduction technique. Compact discs (CDs), digital versatile discs (DVDs), Blu-ray discs, etc. are commercially available, all of which can read minute pits written on the discs (points formed to record signals) This is a technique that can be used, and if a super-resolution reproduction technique is used, a minute pit of about 20 nm can be read. Patent Document 3 and Patent Document 4 disclose a dust detection device in the air using an optical disk. However, these disclosed methods can detect the amount of dust in the air, but cannot identify the size of each dust, that is, the size and type of the fine particles.
Methods for identifying molecules in a solution using optical disc technology are reported in Patent Documents 5 to 8. However, the reported technique is to drop or apply a liquid containing a substance (molecule) to be detected on an optical disc to detect a specific substance adhering to the optical disc. Fine particles cannot be measured. Further, in Patent Document 5, it is possible to detect a molecule, but this does not mean that a single molecule can be detected, but means that the type of molecule can be distinguished. However, in the case where the particle size of the fine particles is about 0.1 μm or less, the possibility of detection is not disclosed.
本発明では、従来における前記諸問題を解決し、以下の目的を達成することを課題とする。即ち、本発明は、気体中に存在する微粒子を迅速に検出でき、また、その微粒子の粒径を数十ｎｍ程度までの幅広いレンジで正確に測定できる装置を提供することを目的とする。 In the present invention, it is an object to solve the above-described problems and achieve the following objects. That is, an object of the present invention is to provide an apparatus that can rapidly detect fine particles present in a gas and can accurately measure the particle diameter of the fine particles in a wide range up to about several tens of nanometers.
上記課題を解決するために、本発明の気体中微粒子検出手段は、検査対象となる気体中に含まれる微粒子を捕捉するディスクと、前記ディスクを回転させる回転手段と、前記ディスクに光を照射する光照射手段と、前記ディスクから反射された光を検出する検出手段とを有し、捕捉した微粒子が存在している部分からの光の反射率が変化することを利用し、前記検出手段で検出される信号により反射率の変化が観測された時間的長さとディスクの回転速度から算出される大きさから光照射手段から照射される光のスポット径を差し引くことによって、微粒子の大きさを算出することを特徴とする。
また、本発明は、前記気体中微粒子検出装置において、前記ディスクの微粒子を捕捉する面に、前記微粒子を効率よく捕捉する捕捉物質が塗布または化学修飾されていることを特徴とする。
また、本発明は、前記気体中微粒子検出装置において、前記捕捉物質は、抗体またはアプタマーであることを特徴とする。
また、本発明は、前記気体中微粒子検出装置において、前記ディスクは円盤状の基板からなることを特徴とする。
また、本発明は、前記気体中微粒子検出装置において、ディスクは円盤状の基板上に、前記基板と屈折率の異なる薄膜層が1層以上配され、前記薄膜層が配された側の面が微粒子を捕捉する面となることを特徴とする。
また、本発明は、前記気体中微粒子検出装置において、前記基板は表面にトラッキングを取るための溝構造を有することを特徴とする。
また、本発明は、前記気体中微粒子検出装置において、前記溝構造の表面は樹脂によってコーティングされていることを特徴とする。
また、本発明は、前記気体中微粒子検出装置において、前記光照射手段から発せられる光は、トラッキングを取るため及び微粒子を検出するための両方に用いられることを特徴とする。
また、本発明は、前記気体中微粒子検出装置において、前記光照射手段は、トラッキングを取るために用いられる光と、微粒子を検出するために用いられる光をそれぞれ別々に照射することを特徴とする。
また、本発明は、前記気体中微粒子検出装置において、前記微粒子は、ウイルス、菌、又は、花粉であることを特徴とする。
In order to solve the above-mentioned problems, the particulate matter detection means of the present invention irradiates light to a disk that captures particulates contained in the gas to be inspected, a rotating means that rotates the disk, and the disk. It has a light irradiating means and a detecting means for detecting the light reflected from the disk, and it is detected by the detecting means by utilizing the change in the reflectance of light from the portion where the captured fine particles are present. The size of the fine particles is calculated by subtracting the spot diameter of the light emitted from the light irradiating means from the size calculated from the time length in which the change in reflectance is observed by the generated signal and the rotational speed of the disk. It is characterized by that.
Further, the present invention is characterized in that, in the fine particle detection apparatus in gas, a trapping substance that efficiently captures the fine particles is applied or chemically modified on a surface of the disk where fine particles are captured.
The present invention is also characterized in that, in the gas particulate detector, the capture substance is an antibody or an aptamer.
Further, the present invention is characterized in that, in the gas particulate detector, the disk is formed of a disk-shaped substrate.
Further, the present invention provides the fine particle detection apparatus according to the present invention, wherein the disk has a disk-shaped substrate on which at least one thin film layer having a refractive index different from that of the substrate is disposed, and the surface on which the thin film layer is disposed has a surface. It is a surface that captures fine particles.
Moreover, the present invention is characterized in that in the gas particulate detector, the substrate has a groove structure for tracking on the surface.
The present invention is also characterized in that, in the fine particle detection device in gas, the surface of the groove structure is coated with a resin.
Moreover, the present invention is characterized in that in the fine particle detection device in gas, the light emitted from the light irradiation means is used for both tracking and detecting fine particles.
Further, the present invention is characterized in that in the fine particle detection apparatus in the gas, the light irradiating means irradiates light used for tracking and light used for detecting fine particles separately. .
Moreover, the present invention is characterized in that in the gas particulate detector, the particulate is a virus, a fungus, or pollen.
本発明によれば、従来技術における前記諸問題を解決することができ、ディスク表面で微粒子を捕捉し、瞬時にその捕捉粒子の粒径を正確に測定することができ、なお且つその測定検出感度は、数十ｎｍ程度の微粒子まで検出可能である気体中微粒子検出装置を提供することができる。 According to the present invention, the above-mentioned problems in the prior art can be solved, fine particles can be captured on the disk surface, the particle size of the captured particles can be measured accurately instantaneously, and the measurement detection sensitivity can be obtained. Can provide a fine particle detection apparatus in gas that can detect fine particles of about several tens of nanometers.
本発明の気体中微粒子検出装置は、検査対象となる気体中に含まれる微粒子を捕捉する微粒子検出用ディスクと、微粒子検出用ディスクを回転させる回転手段と、光照射手段と、光検出手段と、必要に応じて、その他の部材とを有する。図１は気体中微粒子検出装置の概略を示す。気中に浮遊する微粒子が吸気口から取り込まれ、微粒子検出用ディスクの表面に付着すると、前記光照射手段から発せられ前記微粒子検出用ディスクにて反射される光の強度、つまり反射率に変化が生じる。この反射率の変化を光検出手段にて検出することによって、微粒子を検出する。
本発明の気体中微粒子検出装置では、目的物質として、例えば、ウイルス、菌、花粉、埃、チリ、などの気中に浮遊する微小な物質を検出することができる。検査対象となる気体としては、空気、ガスボンベ中のガス、ガス配管中のガス、ガス貯蔵庫中のガスなど、あらゆる気体を検査対象とすることができる。
The fine particle detection device in the gas of the present invention includes a fine particle detection disk that captures fine particles contained in a gas to be inspected, a rotating means that rotates the fine particle detection disk, a light irradiation means, a light detection means, It has other members as needed. FIG. 1 shows an outline of a gas particulate detector. When the fine particles floating in the air are taken in from the intake port and adhere to the surface of the fine particle detection disk, the intensity of light emitted from the light irradiation means and reflected by the fine particle detection disk, that is, the reflectance is changed. Arise. Fine particles are detected by detecting the change in reflectance by the light detection means.
In the gas fine particle detection apparatus of the present invention, as a target substance, for example, a minute substance floating in the air, such as a virus, fungus, pollen, dust, or dust, can be detected. As the gas to be inspected, any gas such as air, gas in a gas cylinder, gas in a gas pipe, and gas in a gas storage can be inspected.
（１）吸気口
吸気口は検査対象となる気体を吸い込む部材としてなる。
前記吸気口の形状及び材質としては、検査対象となる気体を吸入可能である限り特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができる。効率よく気体を吸入するため、ファンなどの送風装置を備えていることが好ましい。
図１に示した装置では、検査対象となる気体を取り込む吸気口を設けているが、吸気口に代えて穴に外から検査対象となる気体を吹き込んだり、あるいは、予め患者の呼気などの検査対象となる気体を微粒子検出用ディスクに直接吹きかけるようにしてもよい。
(1) Intake port The intake port serves as a member that sucks in the gas to be inspected.
The shape and material of the air inlet are not particularly limited as long as the gas to be inspected can be inhaled, and can be appropriately selected according to the purpose. In order to inhale gas efficiently, it is preferable to provide a blower such as a fan.
In the apparatus shown in FIG. 1, an intake port for taking in the gas to be examined is provided. However, instead of the intake port, the gas to be examined is blown into the hole from the outside, or the patient's exhalation is examined in advance. The target gas may be directly sprayed on the particle detection disk.
（２）微粒子検出用ディスク
微粒子検出用ディスクは、その円盤状部材からなり、必要に応じて、その他の部材を有する。
（２−１）円盤状部材
前記円盤状部材の形成材料としては、円盤状の板に加工可能な材料であれば特に制限はなく、目的に応じ適宜選択することができる。この円盤状部材で構成される微粒子検出用ディスクに光を照射し、反射してくる光の強弱、つまり反射率の変化、で微粒子の存在を検知する。微粒子は、円盤状部材の表面か裏面のいずれか一方の面で捕捉される。微粒子を捕捉する側の面を微粒子捕捉面と呼ぶ。光は、微粒子捕捉面側から照射しても良いし、微粒子捕捉面とは反対側の面から照射しても良い。但し、微粒子捕捉面側から光を照射する場合、光照射手段を気体が吸引されてくる側に配置することとなってしまい、構造上、邪魔になる恐れがあることから、光は、微粒子捕捉面とは反対側の面から照射することが好ましい。図１では、微粒子検出用ディスクにおいて、微粒子捕捉面とは反対側の面から光照射を行う場合を図示している。
微粒子捕捉面とは反対側の面から光照射を行う場合、前記円盤状部材の形成材料は光透過性を有することが好ましく、例えば、射出成型技術を用いて量産が可能なポリカーボネート、アクリル、ポリスチレンなどのポリマー材料、高い透明性が確保できるガラス材料が好ましい。
(2) Particle Detection Disk The particle detection disk is composed of a disk-shaped member, and has other members as necessary.
(2-1) Disk-shaped member The material for forming the disk-shaped member is not particularly limited as long as it is a material that can be processed into a disk-shaped plate, and can be appropriately selected according to the purpose. Light is applied to the fine particle detection disk composed of this disk-shaped member, and the presence of fine particles is detected by the intensity of reflected light, that is, a change in reflectance. The fine particles are captured on either the front surface or the back surface of the disk-shaped member. The surface on the side of capturing the fine particles is called a fine particle capturing surface. The light may be irradiated from the fine particle capturing surface side or from the surface opposite to the fine particle capturing surface. However, when irradiating light from the particle capturing surface side, the light irradiating means is disposed on the side from which the gas is sucked, and there is a risk that the light is trapped in the structure. It is preferable to irradiate from the surface opposite to the surface. FIG. 1 illustrates a case where light irradiation is performed from the surface opposite to the particle capturing surface in the particle detection disk.
In the case where light irradiation is performed from the surface opposite to the fine particle capturing surface, the material for forming the disk-shaped member is preferably light transmissive. For example, polycarbonate, acrylic, polystyrene that can be mass-produced using an injection molding technique. A polymer material such as a glass material that can ensure high transparency is preferable.
（２−２）捕捉物質
前記円盤状部材の微粒子捕捉面の最表面には、微粒子を捕捉するための捕捉物質を付けておくことも好ましい。例えば、粘着性のある物質を捕捉物質として微粒子捕捉面に塗布しておき、捕捉した微粒子が微粒子捕捉面から取れにくくすれば、より正確に微粒子の存在を検出することができる。
また、ウイルスや菌などの生体物質を検出する場合、例えば、グルタルアルデヒドを捕捉物質として微粒子捕捉面に化学修飾すれば、生体物質を効率よく捕捉することができる。また、特定のウイルスや菌などを選択的に捕捉したい場合、微粒子捕捉面に、そのウイルスや菌などを特異的に捉える抗体やアプタマーを捕捉物質として表面修飾によって固定化しておくことも有効である。
(2-2) Capture substance It is also preferable to attach a capture substance for capturing fine particles to the outermost surface of the fine particle capture surface of the disk-shaped member. For example, the presence of fine particles can be detected more accurately by applying a sticky substance as a capture substance on the fine particle capture surface and making it difficult to remove the captured fine particles from the fine particle capture surface.
Moreover, when detecting biological substances such as viruses and fungi, biological substances can be efficiently captured by, for example, chemically modifying the particulate capturing surface using glutaraldehyde as a capturing substance. In addition, when it is desired to selectively capture specific viruses or bacteria, it is also effective to immobilize antibodies or aptamers that specifically capture the virus or bacteria on the surface of the microparticles by surface modification. .
（２−３）薄膜層
前記光照射手段から発せられ前記微粒子検出用ディスクにて反射される光の反射率は、前記円盤状部材の屈折率によって決まる。もし微粒子捕捉面に前記捕捉物質がある場合は前記捕捉物質の屈折率と厚さもこの反射率に影響を与える。この時得られる反射率が、必ずしも微粒子検出に最適であるとは限らない。
微粒子検出を行う際には、例えば、微粒子が微粒子捕捉面に捕捉された時に、より大きな反射率変化が得られるように設定することが好ましい。または、微粒子捕捉時に、必ず反射率が減少するか、または必ず反射率が増加するように設定することも、捕捉の有無を判定する上で好ましい。このような設定は、前記円盤状部材の微粒子捕捉面側に前記円盤状部材と屈折率の異なる材料で形成される薄膜層を形成することによって実現できる。
図２は、ポリカーボネートで形成された円盤状部材の上に薄膜層としてＺｎＳ−ＳｉＯ2を堆積した時の反射率とＺｎＳ−ＳｉＯ2層の厚さ（ｔ）の関係を示す。また、図中には、このＺｎＳ−ＳｉＯ2層上に微粒子が捕捉された際、反射率がどのように変化するかも示す。ここで、照射する光の波長は４０５ｎｍとし、ＺｎＳ−ＳｉＯ2層が形成されていない方の面から入射するとした。
図２から分かるように、ｔの変化によって反射率が上下する。微粒子はこのＺｎＳ−ＳｉＯ2層の上に捕捉される。微粒子が捕捉された時、反射率は、ｔが見掛け上厚くなった場合と同じ挙動を取る。例えば、微粒子が捕捉される前の反射率が図２中で最も高くなる点、つまりＡ点となるようにｔを選択すると、微粒子捕捉時には反射率は低下する。よって、この場合、反射率の減少を捉えることによって微粒子を検出する。微粒子が捕捉される前の反射率が図２中で最も低くなる点、つまり図２中のＢ点となるようにｔを選択すれば、微粒子捕捉時には反射率は上昇する。よって、この場合、反射率の増加を捉えることによって微粒子を検出する。
図２中で、ｔの増加に対して反射率が増加している領域、例えばｔが８４ｎｍから１２６ｎｍの範囲内では、微粒子捕捉時に反射率は増加する。この時、変曲点、つまり図２中のＣ点となるようにｔを選択すると、微粒子捕捉時の反射率の増加量が最も大きくなる。一方、図２中で、ｔの増加に対して反射率が減少している領域、例えばｔが４２ｎｍから８４ｎｍの範囲内では、微粒子捕捉時に反射率は減少する。この時、変曲点、つまり図２中のＤ点となるようにｔを選択すると、微粒子捕捉時の反射率の減少量が最も大きくなる。
但しｔに対して反射率はサインカーブ的に変化することに注意しなければならない。微粒子が図２における反射率の増減の半周期に相当する厚さの大きい場合、反射率の変化量から粒子の大きさを見積もることができなくなってしまう。例えば、もともとの反射率が、Ａとなるように設定してあった場合で、ＺｎＳ−ＳｉＯ2と同等の屈折率を持った微粒子が付着した場合、この粒子の大きさが２２ｎｍであった場合と６４ｎｍであった場合とでは、得られる反射率変化量が同じになってしまい、区別できなくなってしまう。このような場合には、下記＜回転手段＞の項で詳述する、微粒子検出用ディスクの回転速度と反射率変化が観測された時間から、微粒子の大きさを特定する。
図３に、前記円盤状部材の上に前記薄膜層が形成され、さらにその上に前記捕捉物質が乗っている微粒子検出用ディスクの断面図を示す。
(2-3) Thin Film Layer The reflectance of the light emitted from the light irradiation means and reflected by the fine particle detection disk is determined by the refractive index of the disk-shaped member. If the trapping substance is present on the particulate trapping surface, the refractive index and thickness of the trapping substance also affect the reflectivity. The reflectance obtained at this time is not necessarily optimal for detecting fine particles.
When performing fine particle detection, for example, it is preferable to set so that a larger change in reflectance is obtained when the fine particles are captured on the fine particle capturing surface. Alternatively, it is also preferable to determine whether or not trapping is performed so that the reflectance is always decreased or the reflectance is always increased at the time of capturing the fine particles. Such a setting can be realized by forming a thin film layer made of a material having a refractive index different from that of the disk-shaped member on the particle capturing surface side of the disk-shaped member.
FIG. 2 shows the relationship between the reflectance and the thickness (t) of the ZnS—SiO 2 layer when ZnS—SiO 2 is deposited as a thin film layer on a disk-shaped member made of polycarbonate. The figure also shows how the reflectance changes when fine particles are trapped on the ZnS-SiO 2 layer. Here, it is assumed that the wavelength of light to be irradiated is 405 nm and is incident from the surface where the ZnS—SiO 2 layer is not formed.
As can be seen from FIG. 2, the reflectance rises and falls according to the change in t. Fine particles are trapped on the ZnS-SiO 2 layer. When fine particles are captured, the reflectivity behaves the same as when t is apparently thicker. For example, if t is selected so that the reflectance before capturing the fine particles becomes the highest in FIG. 2, that is, the point A, the reflectance decreases when capturing the fine particles. Therefore, in this case, the fine particles are detected by capturing the decrease in reflectance. If t is selected so that the reflectance before the particles are captured becomes the lowest in FIG. 2, that is, the point B in FIG. 2, the reflectance increases at the time of capturing the particles. Therefore, in this case, the fine particles are detected by capturing the increase in reflectance.
In FIG. 2, in a region where the reflectivity increases with respect to an increase in t, for example, in a range where t is from 84 nm to 126 nm, the reflectivity increases when particles are captured. At this time, if t is selected so as to be the inflection point, that is, the point C in FIG. 2, the amount of increase in reflectance at the time of capturing the fine particles becomes the largest. On the other hand, in FIG. 2, in a region where the reflectance decreases with increasing t, for example, in a range where t is from 42 nm to 84 nm, the reflectance decreases when capturing the fine particles. At this time, if t is selected so as to be the inflection point, that is, the point D in FIG. 2, the amount of decrease in reflectance at the time of capturing the fine particles becomes the largest.
However, it should be noted that the reflectance changes in a sine curve with respect to t. When the fine particle has a large thickness corresponding to the half cycle of the increase / decrease in reflectance in FIG. 2, the size of the particle cannot be estimated from the amount of change in reflectance. For example, when the original reflectivity is set to be A and fine particles having a refractive index equivalent to that of ZnS—SiO 2 are adhered, the size of the particles is 22 nm. And 64 nm, the obtained reflectance change amounts are the same, and cannot be distinguished. In such a case, the size of the fine particles is specified from the rotational speed of the fine particle detection disk and the time at which the reflectance change is observed, which will be described in detail in the section <Rotating means> below.
FIG. 3 shows a cross-sectional view of a fine particle detection disk in which the thin film layer is formed on the disk-shaped member and the trapping substance is on the thin film layer.
（２−４）溝構造
前記微粒子検出用ディスクは、光ディスクと同様に、そのディスクを回転させることによって、ディスク表面の様々な位置に捕捉された微粒子の存在を検知する。つまり、光照射手段から照射される光は、前記微粒子検出用ディスクが回転することによって、前記微粒子検出用ディスク上の広い範囲に照射され、よって、前記微粒子検出用ディスク上を走査することができる。ただ、このディスク表面に設定された微粒子を検出するための部位全体を走査するには、光ディスク同様、トラッキングを取る必要がある。よって、前記円盤状部材の表面にはトラッキングを取るための溝構造が形成されていることが好ましい。
このトラッキングを取るための溝構造は、トラッキングを取ることが可能である限り特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができるが、例えば、光ディスクで用いられているような、ランドとグルーブと呼ばれる溝構造をディスクの中心を中心軸としたスパイラル状に配した構造や、ドット形状を連ねる形で形成した溝構造をディスクの中心を中心軸としたスパイラル状に配した構造を、円盤状部材の表面に形成することが好ましい。
図４は、ランドとグルーブと呼ばれる溝構造が形成された円盤状部材の上に前記薄膜層が形成され、さらにその上に前記捕捉物質が乗っている微粒子検出用ディスクの断面図を示す。
トラッキングを取るための光照射の手法は、トラッキングを取ることが可能である限り特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができるが、例えば、光ディスクで用いられているような光照射手法を用いることが可能である。トラッキングを取るために照射する光は、検出に用いられる光を用いてもよいし、別途光照射手段を設け、トラッキング用の光を照射してもよい。
トラッキング用の光照射手段を別途設ける場合、その光は、微粒子捕捉面側から照射しても良いし、微粒子捕捉面とは反対側の面から照射しても良い。但し、微粒子捕捉面側から光を照射する場合、前記光照射手段を気体が吸引されてくる側に配置することとなってしまい、構造上、邪魔になる恐れがあることから、光は、微粒子捕捉面とは反対側の面から照射することが好ましい。
前記溝構造を形成すると、その断面は図４に示すように、前記溝構造を反映した形状となってしまう。微粒子を捕捉し、安定した信号を得るには、前記微粒子検出用ディスクの微粒子捕捉面は、平らであることが好ましい。よって、溝構造は、樹脂などによってコーティングし、埋めてしまっても良い。この溝構造を埋める手法としては、溝部分を埋めて平らな表面を形成可能である限り特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができるが、例えば、流動性があり、熱硬化性または光硬化性のある樹脂を溝構造上部に塗布後、加熱するか又は光を照射して樹脂を硬化させることによって溝部分を埋める方法が好ましい。図５は、ランドとグルーブと呼ばれる溝構造が形成された円盤状部材の上に、樹脂を塗布して溝構造を埋め、その上に前記薄膜層が形成され、さらにその上に前記捕捉物質が乗っている微粒子検出用ディスクの断面図を示す。
図５に示したような断面構造を持つ微粒子検出用ディスクの場合、トラッキングを取るために照射する光は、検出に用いることができないため、光照射手段は、トラッキング用の光と検出用の光とをそれぞれ別々に照射することが必要となる。
(2-4) Groove Structure The fine particle detection disk detects the presence of fine particles captured at various positions on the disk surface by rotating the disk in the same manner as the optical disk. That is, the light emitted from the light irradiating means is applied to a wide range on the fine particle detection disk by rotating the fine particle detection disk, so that the fine particle detection disk can be scanned. . However, in order to scan the entire part for detecting the fine particles set on the surface of the disk, it is necessary to perform tracking like the optical disk. Therefore, it is preferable that a groove structure for tracking is formed on the surface of the disk-shaped member.
The groove structure for tracking is not particularly limited as long as it can be tracked and can be appropriately selected according to the purpose. For example, the land and groove used in an optical disk are used. A disk-shaped structure with a groove structure called a spiral centered on the center of the disk or a structure with a dot structure connected in a spiral shape centered on the disk center It is preferable to form on the surface of a member.
FIG. 4 shows a cross-sectional view of a fine particle detection disk in which the thin film layer is formed on a disk-like member in which a groove structure called a land and a groove is formed, and the trapping substance is placed thereon.
The light irradiation method for tracking is not particularly limited as long as tracking can be performed and can be appropriately selected according to the purpose. For example, the light irradiation method used in an optical disk is used. Can be used. The light used for tracking may be light used for detection, or a separate light irradiating unit may be provided to irradiate tracking light.
In the case where a tracking light irradiating means is separately provided, the light may be irradiated from the particle capturing surface side or from the surface opposite to the particle capturing surface. However, when irradiating light from the fine particle capturing surface side, the light irradiating means is disposed on the side from which the gas is sucked, and there is a possibility that the light is in the structure. It is preferable to irradiate from the surface opposite to the capturing surface.
When the groove structure is formed, the cross section becomes a shape reflecting the groove structure as shown in FIG. In order to capture fine particles and obtain a stable signal, the fine particle capturing surface of the fine particle detection disk is preferably flat. Therefore, the groove structure may be coated and filled with resin or the like. The method for filling the groove structure is not particularly limited as long as the groove portion can be filled to form a flat surface, and can be appropriately selected according to the purpose. For example, it has fluidity and is thermosetting. Alternatively, a method of filling the groove portion by applying a photocurable resin on the upper portion of the groove structure and then heating or irradiating light to cure the resin is preferable. FIG. 5 shows that a resin is applied on a disk-like member having a groove structure called land and groove to fill the groove structure, the thin film layer is formed thereon, and the trapping substance is further formed thereon. A cross-sectional view of a loaded particle detection disk is shown.
In the case of a particle detection disk having a cross-sectional structure as shown in FIG. 5, the light irradiated for tracking cannot be used for detection. Therefore, the light irradiation means includes tracking light and detection light. Must be irradiated separately.
（３）回転手段
既述の通り、微粒子検出用ディスクはその微粒子捕捉面を走査するために、回転機構によって回転させられる。前記回転機構としては、微粒子検出用ディスクの中心を軸に微粒子検出用ディスクを回転可能である限り特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができるが、例えば、光ディスクで用いられている回転機構が好ましい。
微粒子検出用ディスクを回転させる時、一般的な回転方式として、線速が一定となるように回転させる方式と、回転数が一定となるように回転させる方式とが挙げられる。線速が一定となるように回転させる方式は、光ディスクでよく用いられる回転方式であり、光ディクスにおいて、ある一定時間に、光が当たっている部分を通過する光ディクスの距離が一定となるように回転させる方式である。つまり光が当たる部分がディスクの外周側の場合、ディスクは遅く回転し、光が当たる部分がディスクの内周側の場合、ディスクは早く回転する。回転数が一定となるように回転させる方式では、常に同じ回転数でディスクが回転する。
線速が一定となるように回転させる方式を用いた場合、反射率の変化が観測された時間と線速から微粒子の大きさが推測できる。図６に示すように、微粒子がビームスポット内に入った直後から信号が出始め、ビームスポットが微粒子を通り過ぎるときに信号が消える。よって、反射率変化が観測された時間をＸ秒とし、線速を毎秒Ｙメートルとすると、微粒子の大きさは、Ｘ×Ｙメートルからビームスポット径を差し引いた値となる。
回転数が一定となるように回転させる方式では、反射率の変化が観測された時間と回転数と微粒子が検出された位置のディスク中心からの距離から微粒子の大きさが推測できる。反射率変化が観測された時間をＥ秒とし、回転数を毎秒Ｆ回転とし、微粒子が検出された位置のディスク中心からの距離をＧメートルとすると、微粒子の大きさは、２πＧ×Ｆ×Ｅメートルからビームスポット径を差し引いた値となる。
微粒子検出用ディスクは動作中、常に回転している必要はない。回転は、微粒子検出用ディスクの微粒子捕捉面を光で走査する為に行なうものであることから、微粒子の捕捉に長時間を要するような場合や、微粒子の捕捉と前記走査を個別に行う場合には、微粒子を捕捉している間は、微粒子検出用ディスクは回転していなくてもよい。場合によっては、微粒子の捕捉は、微粒子検出用ディスクを回転機構から取り外した状態で行い、微粒子捕捉後に微粒子検出用ディスクを回転機構にセットしてもよい。
(3) Rotating means As described above, the particle detection disk is rotated by the rotation mechanism in order to scan the particle capturing surface. The rotation mechanism is not particularly limited as long as the particle detection disk can be rotated about the center of the particle detection disk, and can be appropriately selected according to the purpose. For example, the rotation mechanism is used in an optical disk. A rotating mechanism is preferred.
When rotating the particle detection disk, as a general rotation method, there are a method of rotating so that the linear velocity is constant and a method of rotating so that the number of rotations is constant. The method of rotating so that the linear velocity is constant is a rotation method often used in optical disks, and in an optical disc, the distance of the optical disc that passes through the portion that is exposed to light is constant for a certain period of time. This is a method of rotating. That is, the disk rotates slowly when the light hit part is on the outer periphery side of the disk, and the disk rotates fast when the light hit part is on the inner periphery side of the disk. In the method of rotating the disk so that the rotation speed is constant, the disk always rotates at the same rotation speed.
In the case of using a method of rotating so that the linear velocity is constant, the size of the fine particles can be estimated from the time when the change in reflectance is observed and the linear velocity. As shown in FIG. 6, a signal starts to appear immediately after the fine particle enters the beam spot, and the signal disappears when the beam spot passes through the fine particle. Therefore, if the time when the reflectance change is observed is X seconds and the linear velocity is Y meters per second, the size of the fine particles is a value obtained by subtracting the beam spot diameter from X × Y meters.
In the method of rotating so that the rotational speed is constant, the size of the fine particles can be estimated from the time when the change in reflectance is observed, the rotational speed, and the distance from the center of the disk where the fine particles are detected. When the time when the change in reflectance is observed is E seconds, the rotation speed is F rotations per second, and the distance from the center of the disk where the fine particles are detected is G meters, the size of the fine particles is 2πG × F × E. The value obtained by subtracting the beam spot diameter from the meter.
The particle detection disk need not always rotate during operation. Since the rotation is performed to scan the particle capturing surface of the particle detection disk with light, it takes a long time to capture the particle, or when the particle capturing and the scanning are performed separately. The particle detection disk does not need to rotate while the particles are captured. In some cases, the capturing of the particulates may be performed with the particulate detection disk removed from the rotating mechanism, and the particulate detecting disk may be set in the rotating mechanism after capturing the particulates.
（４）光照射手段及び光検出装置
前記光照射手段は、微粒子検出用ディスクに対して検出用の光を照射可能である限り、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができる。例えば、光を発する光源と、その光を集光して微粒子捕捉面に照射する光学部品とで構成される。また、検出用の光に加え、別途、トラッキングを取る光を照射する場合、前記光照射手段は、微粒子検出用ディスクに対してトラッキング用の光を照射可能である限り、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができる。例えば、光を発する光源と、その光を集光して微粒子捕捉面に照射する光学部品とで構成される。
前記光検出手段は、微粒子検出用ディスクに対して照射された検出用の光の反射光の強度を検出可能である限り、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができる。例えば、反射光を集光して集める光学部品と、光を検出する光検出器とで構成される。
前記照射手段及び前記光検出手段には、光ディスクに用いられるような光ピックアップと呼ばれる光学素子が適用可能である。また、光ディスクに用いられているトラッキングを取る機構も適宜適用可能である。
(4) Light irradiating means and light detecting device The light irradiating means is not particularly limited as long as it can irradiate detection light to the particle detecting disk, and can be appropriately selected according to the purpose. For example, it includes a light source that emits light and an optical component that collects the light and irradiates the particle capturing surface. Further, in the case of separately irradiating tracking light in addition to detection light, the light irradiation means is not particularly limited as long as it can irradiate tracking light to the particle detection disk. It can be selected as appropriate according to the conditions. For example, it includes a light source that emits light and an optical component that collects the light and irradiates the particle capturing surface.
The light detection means is not particularly limited as long as it can detect the intensity of the reflected light of the detection light irradiated on the fine particle detection disk, and can be appropriately selected according to the purpose. For example, it is composed of an optical component that collects and collects reflected light and a photodetector that detects the light.
An optical element called an optical pickup used for an optical disk can be applied to the irradiating means and the light detecting means. Further, a tracking mechanism used for an optical disc is also applicable as appropriate.
（５）その他の部材
前記その他の部材としては、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができ、例えば、エアフィルタが挙げられる。
エアフィルタとしては、目的に応じて様々な機能を持つエアフィルタを用いることができる。例えば、ウイルスや菌などの小さい粒子を検出する場合で、大きな埃やチリが検出を妨げる恐れある場合には、検出対象である、ウイルスや菌は通過し、大きな埃やチリは捕獲除去される目の大きさのエアフィルタを用いるとよい。
エアフィルタは吸気口付近または、吸気口と微粒子検出用ディスクとの間に設置されることが好ましい。
(5) Other member There is no restriction | limiting in particular as said other member, According to the objective, it can select suitably, For example, an air filter is mentioned.
As an air filter, an air filter having various functions can be used according to the purpose. For example, when detecting small particles such as viruses and fungi, and when large dust or dust may interfere with detection, the detection target virus or fungus passes through and large dust or dust is captured and removed. Use an air filter of eye size.
The air filter is preferably installed near the air inlet or between the air inlet and the particulate detection disk.
微粒子検出用ディスク形成には、円盤状部材として、直径１２ｃｍ、厚さ０.６ｍｍのポリカーボネート製の円板を用いた。円板の表面には、トラッキングを取るために、円板の中心を中心軸とするスパイラル状の溝が形成されている。溝は深さが３９ｎｍ、幅３４０ｎｍである、溝と溝の間隔は３４０ｎｍとした。円板の中心には、直径１５ｍｍの穴があけられており、この部分を用いて回転機構にセットし、微粒子検出用ディスクを回転させる。図７は円盤状部材の斜視図を示す。
この円盤状部材の溝構造の上に、薄膜層として、厚さ１２０ｎｍのＺｎＳ−ＳｉＯ2層と厚さ５ｎｍのＳｉＯ2層をこの順番で堆積した。いずれの層もスパッタリング法にて形成した。これらの層は、前記薄膜層として形成したものであり、これらの層を形成することによって、微粒子検出用ディスクからの反射率は、図２のＡ点と同等の特性を示すように設定した。また、表面に形成されたＳｉＯ2層はシランカップリング材などを用いた表面修飾が容易であり、捕捉物質を表面に付ける際に有効である。
For forming a disk for detecting fine particles, a disk made of polycarbonate having a diameter of 12 cm and a thickness of 0.6 mm was used as a disk-shaped member. A spiral groove having the center of the disk as the central axis is formed on the surface of the disk for tracking. The groove had a depth of 39 nm and a width of 340 nm, and the distance between the grooves was 340 nm. A hole with a diameter of 15 mm is formed in the center of the disk, and this part is used to set the rotating mechanism to rotate the particle detection disk. FIG. 7 shows a perspective view of the disk-shaped member.
On the groove structure of the disk-shaped member, a 120 nm thick ZnS—SiO 2 layer and a 5 nm thick SiO 2 layer were deposited in this order as a thin film layer. All layers were formed by a sputtering method. These layers were formed as the thin film layers, and by forming these layers, the reflectance from the fine particle detection disk was set so as to exhibit the same characteristics as point A in FIG. Further, the SiO 2 layer formed on the surface can be easily surface-modified using a silane coupling material or the like, and is effective when attaching a trapping substance to the surface.
検出対象物質には、直径１００ｎｍのポリスチレンビーズを用いた。ポリスチレンビーズが吸着した微粒子検出用ディスクの表面を電子顕微鏡で観測した結果を図８に示す。図８中の点線で囲った部分（トラック）を走査した結果を図９に示す。走査は、ディクスを線速４.９ｍ／ｓで回転させながら、このトラック部分の裏側から光照射手段にて波長４０５ｎｍの光を照射し、その反射光の強度を測定することによって行った。走査方向は、図８の左から右方向に向かって走査がなされるように設定した。図９の縦軸は、反射光強度をフォトディテクタで検出した際の電気信号強度を示す。横軸は走査時間である。図９中にＡ、Ｂ、Ｃ、の３つの信号が観測される。これは、図８中のポリスチレンビーズＡ、Ｂ、Ｃに対応する。このように、直径１００ｎｍの微粒子を容易に検出可能であることが分かる。
図９に示すように、各ビーズからの信号は０.１５μ秒間観測された。線速４.９ｍ／ｓであることから、信号を距離に換算すると７３５ｎｍとなる。今回使用したビームのスポット径は約６２０ｎｍであったことから、ビーズの大きさは、信号から得た距離からビームスポット径６２０ｎｍを差し引き、１１５ｎｍとなる。これは使用したビーズの大きさとほぼ同じであることから、本手法では、１００ｎｍ程度の物質の大きさを精度良くかつ簡易に計測可能であることが分かる。
As the detection target substance, polystyrene beads having a diameter of 100 nm were used. FIG. 8 shows the result of observing the surface of the fine particle detection disk adsorbed with polystyrene beads with an electron microscope. FIG. 9 shows the result of scanning the portion (track) surrounded by the dotted line in FIG. Scanning was performed by irradiating light with a wavelength of 405 nm from the back side of the track portion while rotating the disk at a linear velocity of 4.9 m / s, and measuring the intensity of the reflected light. The scanning direction was set so that scanning was performed from the left to the right in FIG. The vertical axis in FIG. 9 indicates the electric signal intensity when the reflected light intensity is detected by the photodetector. The horizontal axis is the scanning time. In FIG. 9, three signals A, B, and C are observed. This corresponds to polystyrene beads A, B, and C in FIG. Thus, it can be seen that fine particles having a diameter of 100 nm can be easily detected.
As shown in FIG. 9, the signal from each bead was observed for 0.15 μsec. Since the linear velocity is 4.9 m / s, the signal is converted to a distance of 735 nm. Since the spot diameter of the beam used this time was about 620 nm, the size of the bead is 115 nm by subtracting the beam spot diameter of 620 nm from the distance obtained from the signal. Since this is almost the same as the size of the beads used, it can be understood that the size of a substance of about 100 nm can be accurately and easily measured by this method.
Claims (10)
捕捉した微粒子が存在している部分からの光の反射率が変化することを利用し、前記検出手段で検出される信号により反射率の変化が観測された時間的長さとディスクの回転速度から算出される大きさから光照射手段から照射される光のスポット径を差し引くことによって、微粒子の大きさを算出することを特徴とする気体中微粒子検出装置。 A disk for capturing fine particles contained in a gas to be inspected, a rotating means for rotating the disk, a light irradiating means for irradiating the disk with light, and a detecting means for detecting light reflected from the disk; Have
Using the fact that the reflectance of light from the part where the captured fine particles exist changes, it is calculated from the time length when the change in reflectance is observed by the signal detected by the detection means and the rotational speed of the disk A device for detecting fine particles in gas, wherein the size of fine particles is calculated by subtracting the spot diameter of the light emitted from the light irradiation means from the measured size.
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