JP6497427B1 - 殺菌装置 - Google Patents
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Abstract
Description
UV殺菌を生体に対して行う殺菌装置においては、殺菌対象生物に対してはUV殺菌効果が得られながらヒト細胞などの動物細胞に対しては無害な190nm以上230nm以下の波長域にある紫外線を選択的に照射しており、このような殺菌装置によれば、ヒト細胞などの動物細胞を害することなく当該生体組織の表面に存在する細菌やウィルスなどを選択的にUV殺菌することができる。
この殺菌装置においては、第一波長光(紫外線)が照射されることによって、ヒト細胞などの動物細胞を害することなく生体組織の表面に存在する殺菌対象生物をUV殺菌することができ、さらに、第二波長光は可視域の光なので目視が可能であり、従って、第一波長光と共に第二波長光が照射されることにより、第一波長光の照射範囲を可視化することができる。その結果、この殺菌装置によれば、安全性と、照射範囲の把握という操作性とが両立して実現される。
上記の殺菌装置を、例えば内視鏡に組み込んで生体内において使用する場合には、第一波長光および第二波長光を、例えば光ファイバにより伝搬させて生体内に照射することになるが、その際、第二波長光の演色性が低いため、カメラ画像を視認しながら内視鏡を操作して紫外線を照射すべき部位(照射対象部位)に正確に第一波長光を照射することは困難である、という問題がある。なお、本明細書においては、「目視」とは、直接的な目視に加え、内視鏡のカメラ等で撮影し、モニタを介して視認する間接的な目視も含むものとする。
また、別の問題として、第一波長光と共に照射される第二波長光に青色光(380nm〜460nmの波長域の光)が過度に含まれていると動物細胞を死滅させてしまう等の悪影響が生じることが、発明者の鋭意検討により判明した。
230nm超〜400nmの波長域の光をカットし、400nm超〜500nmの波長域の光を減衰させるフィルタとを備えてなり、
前記フィルタを透過した光が生体に照射されることを特徴とする。
図1は、本発明の第1の実施形態に係る殺菌装置の構成の一例を示す模式図である。
第1の実施形態に係る殺菌装置1は、ショートアーク型放電ランプ(以下、単に「放電ランプ」ともいう。)11および当該放電ランプ11の周囲を取り囲むよう配置された反射鏡12を有する集光光学系よりなる光源部10と、200nm〜230nmの波長域の光(以下、「特定波長光A」ともいう。)を透過させ、230nm超〜400nmの波長域の光(以下、「特定波長光B」ともいう。)をカットすると共に、400nm超〜500nmの波長域の光(以下、「特定波長光C」ともいう。)を減衰させる光学フィルタ20とを備えている。この殺菌装置1においては、光学フィルタ20を透過した光が生体組織に照射される。
発光管部14の内部には、一対の電極である陽極18および陰極19が互いに対向して配置されている。ここに、陽極18と陰極19との電極間距離は、例えば1〜10mmである。
発光ガスの封入圧(水銀蒸気圧)は、例えば1×107 Paである。
陰極19は、例えば酸化バリウム(BaO)、酸化カルシウム(CaO)などの易電子放射性物質(エミッタ物質)が含浸されたタングステン焼結体により構成されている。
具体的には、例えば、頂部にランプ挿入用開口部12aが形成された、第1焦点および第2焦点を有する楕円面反射鏡により構成されており、その内表面に反射面12bが形成されて構成されている。
反射鏡12は、ランプ挿入用開口部12a内に放電ランプ11の陰極19側の封止管部16が挿入され、光軸Xが放電ランプ11のランプ中心軸Cと一致し、第1焦点の位置が陽極18と陰極19の電極間中心位置(発光点)と一致する状態で、配置されている。
第1減衰フィルタとしては、例えば中心波長が214nmのバンドパスフィルタであって、特定波長光Bに対するOD(Optical Density)値が4.0以上であるものを用いることができる。
第2減衰フィルタとしては、カットオン/カットオフ波長が400nmのショートパスフィルタであって、特定波長光Cに対するOD値が2.0以上、ブロック波長帯レンジが400nm〜500nmであるものを用いることができる。
特定波長光Aに対する特定波長光Cの比率が過大である場合は、生体組織に対して青色光が強く照射されることとなり、動物細胞に対する高い安全性を確保することができなくなるおそれがある。また、特定波長光Aに対する特定波長光Cの比率が過小である場合は、照射対象部位を確実に視認することができず、紫外線照射範囲の把握が不十分となるおそれがある。
特定波長光Aに対する特定波長光Dの比率が過大である場合は、生体組織に対して近赤外光が照射されることとなり、動物細胞に対する高い安全性を確保することができなくなるおそれがある。
また、光学フィルタ20から出射された光は、特に、R9(赤色)に係る特殊演色評価数、R13(白色系のコーカソイドの肌色)に係る特殊演色評価数、R15(モンゴロイドの肌色)に係る特殊演色評価数が80以上、好ましくは90以上、より好ましくは95以上となる分光放射特性を有することが特に好ましい。
平均演色評価数Raは、JIS Z 8726:1990(光源の演色性評価方法)に準じて測定されるものである。
このとき、光学フィルタ20においては、放電ランプ11から放射された200nm〜500nmの波長域の光のうち、特定波長光Aは当該光学フィルタ20を透過し、特定波長光Bはカットされると共に、特定波長光Cが減衰される。
本発明の殺菌装置を用いて、細胞へ紫外線を照射する実験を行った。具体的には、以下の通りである。
図5に示されるように、水銀が封入されたショートアーク型放電ランプ51(型式:UXL−S155A)からの光を、光学フィルタ52を介してシャーレ53に入っている細胞サンプルに照射した。
フィルタ〔A〕を透過した後の光における特定波長光Aに対する特定波長光Cの比率は0.18であった。また、フィルタ〔A〕を透過した後の光における特定波長光Aに対する特定波長光Dの比率は0.03であった。
上記照射条件において、細胞に照射される光の強度(照度)は22.3μW/cm2 で共通とし、照射時間を変更した。
照射試験後、新鮮な細胞培養液を2mL加え、24時間培養した後、「Cell Counting Kit−8」(同仁化学社製)を用いて、細胞の生存率を測定した。このとき、露光量0mJ/cm2 (=照射していないサンプル)を生存率100%として相対評価した。露光量と、細胞の生存率との関係を図6のグラフにおいて「■」で示す。
また、細胞に照射される光の平均演色評価数Raは77、R9に係る特殊演色評価数は20、R13に係る特殊演色評価数は85、R15に係る特殊演色評価数は86であった。
実験例A1において、光学フィルタをフィルタ〔A〕からフィルタ〔B〕に代えたこと以外は同様にして、細胞へ紫外線を照射する実験を行った。
フィルタ〔B〕は、波長230nm超の波長域の光を透過させない(特定波長光Bに対するOD値が4.0)ものである
フィルタ〔B〕を透過した後の光における特定波長光Aに対する特定波長光Cの比率は0.03であった。また、フィルタ〔B〕を透過した後の光における特定波長光Aに対する特定波長光Dの比率は0.04であった。
露光量と、細胞の生存率との関係を図6のグラフにおいて「●」で示す。
また、細胞に照射される光の平均演色評価数Raは85、R9に係る特殊演色評価数は20、R13に係る特殊演色評価数は90、R15に係る特殊演色評価数は90であった。
実験例A1において、光学フィルタを用いず、ショートアーク型放電ランプの代わりに低圧水銀ランプを用いたこと以外は同様にして、細胞へ紫外線を照射する実験を行った。
低圧水銀ランプは、波長254nmに輝線スペクトルを有する光を放射するものである。
露光量と、細胞の生存率との関係を図6のグラフにおいて「◇」で示す。
また、細胞に照射される光の平均演色評価数Raは50、R9に係る特殊演色評価数は−46、R13に係る特殊演色評価数は53、R15に係る特殊演色評価数は57であった。
実験例A1において、細胞サンプルを黄色ブドウ球菌(NBRC.12732)に代えたこと以外は同様にして、黄色ブドウ球菌へ紫外線を照射する実験を行った。具体的には、生菌数濃度が9×105 CFU/mLである菌液を3mLシャーレに入れたものをサンプルとして用いた。
上記照射条件において、黄色ブドウ球菌に照射される光の強度(照度)は22.3μW/cm2 で共通とし、照射時間を変更した。
照射試験後、寒天培地にサンプル原液を0.1mL塗布し、37℃で48時間培養した。その後、寒天培地に発生したコロニーの数を調べた。このとき、不活化率は下記式(1)で表される計算式を用いて算出した。なお、コロニー数が300CFU以上であった場合には、サンプル原液を生理食塩水で10倍希釈し、希釈後の菌液を0.1mL分取し、これを寒天培地に塗布し、同様に培養した。この操作を、コロニー数が300CFU以下となるまで繰り返し、300CFU以下となった場合に、このときのコロニー数に希釈倍率を掛けることで、そのサンプルのコロニー数を算出した。
式(1):不活化率(LOG)=LOG10{(N1)/(N0)}
〔N1:照射後のコロニー数[CFU]、N0:照射前のコロニー数[CFU]=9×104 [CFU]〕
露光量と、黄色ブドウ球菌の不活化率との関係を図7のグラフにおいて「■」で示す。
実験例B1において、光学フィルタをフィルタ〔A〕から、実験例A2において用いたものと同じフィルタ〔B〕に代えたこと以外は同様にして、黄色ブドウ球菌へ紫外線を照射する実験を行った。
露光量と、黄色ブドウ球菌の不活化率との関係を図7のグラフにおいて「●」で示す。
実験例B1において、光学フィルタを用いず、ショートアーク型放電ランプの代わりに低圧水銀ランプを用いたこと以外は同様にして、黄色ブドウ球菌へ紫外線を照射する実験を行った。
低圧水銀ランプは、波長254nmに輝線スペクトルを有する光を放射するものである。
露光量と、黄色ブドウ球菌の不活性率との関係を図7のグラフにおいて「△」で示す。
一方、フィルタ〔A〕を用いた場合およびフィルタ〔B〕を用いた場合は、低圧水銀ランプからの光そのまま照射した場合と比較して、平均演色評価数Raが高く、さらに、R9に係る特殊演色評価数、R13に係る特殊演色評価数、および、R15に係る特殊演色評価数について、いずれも高い値が得られることが確認された。
また、図7から明らかなように、細菌(黄色ブドウ球菌)は、フィルタ〔A〕を用いた場合、フィルタ〔B〕を用いた場合、および、低圧水銀ランプからの光そのまま照射した場合の3つの構成の間において、ほとんど不活化速度に差がないことが確認された。
以上のことから、フィルタ〔A〕を用いた場合およびフィルタ〔B〕を用いた場合には、ヒト細胞に対する安全性が確保された上で選択的に殺菌対象生物(黄色ブドウ球菌)を死滅させることができ、しかも、照射対象部位を確実に視認することができることが確認された。
例えば、光学フィルタ20を構成する第1減衰フィルタおよび第2減衰フィルタが特定波長光Bおよび特定波長光Cをそれぞれ吸収する性質のものである場合においては、当該第1減衰フィルタおよび第2減衰フィルタは、放電ランプ11から放射された光が反射鏡の反射面12bに至るまでの光路上、例えば反射鏡12の反射面12bの内面に設けられている構成とされていてもよい。
本発明の第2の実施形態に係る殺菌装置は、光源部がレーザ励起ランプを用いたものに変更されたことの他は第1の実施形態に係る殺菌装置と同様の構成を有するものである。
図3は、本発明の第2の実施形態に係る殺菌装置の構成の一例を示す模式図である。
第2の実施形態に係る殺菌装置1Aの光源部10Aを構成するレーザ励起ランプ31は、発光空間S2内に電極を備えない無電極ランプであり、集光レンズ38によって励起用レーザ光源からのレーザ光が外部から発光空間S2内に集光され、集光レンズ38の焦点位置Fにおいてプラズマが発生し、発生したプラズマによって発光空間S2内に封入された発光ガスが励起されて発光するものである。
レーザ励起ランプ31は、具体的には、外形が円柱状であり、内部に、前方に開口する凹状に湾曲した反射面30aを有するセラミックス(多結晶アルミナ)よりなる胴体30と、当該胴体30の前面開口30bを塞ぐための光出射窓部材32と、当該胴体30の後方における反射面30aの底部に開口する貫通孔(ホール部)34に対向するよう設けられた光入射窓部材33と、胴体30、光出射窓部材32および光入射窓部材33によって囲まれた発光空間S2の外部に配置された、レーザ光を出射する励起用レーザ光源(図示せず)と、この励起用レーザ光源からのレーザ光を発光空間S2に集光する集光レンズ38と、を有している。胴体30は円柱状の金属ベース35によって支持されている。
反射面30aは、特定波長光Aを含む230nm以下の波長域の紫外線および特定波長光Cについての反射性を有するものであればよく、230nm以下の波長域の紫外線に対する反射率を高めるという観点から、例えばアルミニウムなどによる金属蒸着膜や誘電体多層膜より構成されることが好ましい。
励起用レーザ光源から発振されるレーザ光の波長は1090nm、平均出力は100Wのものとすることができる。
発光ガスの封入圧は、封入時で20気圧、点灯時で40〜60気圧とされる。
このとき、光学フィルタ20においては、放電ランプ11から放射された200nm〜500nmの波長域の光のうち、特定波長光Aは当該光学フィルタ20を透過し、特定波長光Bはカットされると共に、特定波長光Cが減衰される。
例えば、光学フィルタ20は、光出射窓部材32の光出射面に接触して設けられることに限定されず、光出射窓部材32から出射された光が第2焦点に集光されるまでの光路上における、当該光出射窓部材32の光出射面に接触しない位置に設けられる構成とされていてもよい。
10,10A 光源部
11 ショートアーク型放電ランプ
12 反射鏡
12a ランプ挿入用開口部
12b 反射面
14 発光管部
15,16 封止管部
18 陽極
19 陰極
30 胴体
30a 反射面
30b 前面開口
31 レーザ励起ランプ
32 光出射窓部材
32a 窓支持部材
33 光入射窓部材
34 貫通孔(ホール部)
35 金属ベース
35A 第1凹所
35B 貫通孔
35C 第2凹所
36 排気管
37a 第1の金属筒体
37b 第2の金属筒体
38 集光レンズ
40 入射光学系
40a 入射端面
51 ショートアーク型放電ランプ
52 光学フィルタ
53 シャーレ
S1,S2 発光空間
Claims (3)
- 200nm〜500nmの波長域にわたって連続スペクトルを有する光を放射する光源部と、
230nm超〜400nmの波長域の光をカットし、400nm超〜500nmの波長域の光を減衰させるフィルタとを備えてなり、
前記フィルタを透過した光が生体に照射されることを特徴とする殺菌装置。 - 前記フィルタが、当該フィルタを透過した透過光における、200nm〜230nmの波長域の光に対する400nm超〜500nmの波長域の光の比率が0.18以下のものであることを特徴とする請求項1に記載の殺菌装置。
- 前記フィルタが、当該フィルタを透過した透過光における、200nm〜230nmの波長域の光に対する701nm〜800nmの波長域の光の比率が0.05以下のものであることを特徴とする請求項1に記載の殺菌装置。
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