JPH06507025A - 粒子測定装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるため要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 粒子測定装置 本発明は粒子の光学的測定装置に関し、特には、粒子サイズの測定に関するが、 それに限られるものではない。

粒子が光のフィールドを通過するときに粒子によって散乱される光の量を測定す るドツプラーの方法を用いた光学的技術により粒子のサイズをめることが広く行 なわれている。直径１〜ＩＯμｍの生物学的粒子およびサブミクロン粒子の場合 、散乱光のレベルは低い、したがって通常は、粒子が、フローセル（ｆｌｏｗ　 ｃｅｌｌ）を通じて、集光された（フォーカスされた）光のフィールド内を流れ るようにする。

ドツプラーの方法に基づく特別なサイズ測定技術は、交差されたレーザービーム のインタフェロメトリックな組み合わせを要求し、これにより構成されたパター ンを作り出す、このためにコヒーレントなレーザー源とプレシジゴンレーザーを 必要とし、最近では回折格子も用いられる。光フィールド構成の広がりは、必然 的に検査体積の大きな部分を占め、高品位な光学部品を要求とする。

これらの要求は低コストな粒子サイズ測定装置の製造と相客れない。

純粋に散乱光に依っている公知の技術における一つの問題は、焦点領域が実際の サンプル体積を占めるときに、頻繁に放射強度の有意の変化にさらされることで ある。

高集光強度（ｈｉｇｈ　ｆｏｃａｌ　ｉｎｔ＠ｎ５ｉｔｙ）領域を通過する所与 の粒子は、したがって、デフォーカス領域におけるより大きな粒子と同様の信号 を散乱する。この問題を解決するために、一つの波長を持つ同心のトリガービー ムを第２の波長を持つ周囲の解析ビームを中心に通した複合光ビームを用いるこ とが提案されている。そしてトリガービームによってその存在が示される粒子の みが解析される。このことは粒子が解析ビームの一様な領域を横切る場合に起こ る。これにより散乱光強度の測定は、再現可能な粒子証明条件下で行なわれるよ うになる。しかしながら、この技術は依然として高精度の光学系を必要とし、か つ粒子により散乱された光の強度が粒子サイズの一価関数ではないという困難を 打ち消すものではなく、よって、必ずしも粒子サイズの信頼の右ける指標を与え るものではない。

例えば医学における尿のバクテリアテストでは、バクテリア（典型的には１〜４ μｍ）は残留赤血球（５〜８μｍ）から、あるいは白血球（１０−１５μｍ）か らさえはっきりと区別できない、加えて更に高価になり、複雑さが増す。

本発明は以上に述べた不都合を軽減しようとするものである。

発明の一つの態様による光検知方法は、相対移動方向に沿って離隔しており、複 数の強度変化を有する光フィールドを発生する光源に対して流体媒体中に粒子を 通過させることと、光フィールドの変化中を通過する粒子により引き起される光 強度の変化を検知することを含む。

発明の第２の態様による粒子測定装置は離隔された複数の強度変化を有する光フ ィールドを発生する光源と、粒子を光フィールドに対して流体媒体中を移動させ 、粒子が強度変化を順次通過させる手段と、光フィールドに対する粒子の通過に より引き起される光強度の変化を検知する手段を含む。

本発明の様々な実施例を、添付実施例を参照して例により以下に説明する。

第１図および第１Ａ図は、本発明による粒子の寸法測定器の一形態を取る光学構 成要素のレイアウトを示している。

第２図は、第１図の光検出器からの信号に基づいて。

粒子サイズ分布の解析のための典型的な信号処理システムのブロックダイヤグラ ムである。

第３図は、第１図の実施例により一般化された出方信号の一般的形態を示してい る。

第４図（ａ）−（ｂ）は、第１図の実施例の検出器からの電圧出力信号の経験的 結果を示している。

第５図は、９μｍより３μｍの範囲の粒子の分布を示す構成された出力から得ら れたスキャタープロットであ第６ＡＪ５よび６Ｂ図は、光検出光学システムの別 な実施例を示している。

添付図面の第１図を参照するに、そこには本願発明による装置実施例の光学レイ アウトが示されており、この装置は、流体流れの中の粒子の寸法測定を行なうも のであり、一般的には符号１０で表わされ、流体流れ中の粒子の寸法測定を行な うものである０本装置の潜在的な適用は、尿中のバクテリアの存在を検出するこ とにある。

しかしながら、本装置は、ガス状の媒体により運ばれる粒子を測定する同様の方 法に右いても使用されることは理解できよう、また、本願明細書中で使用される 「流体媒体」は、ガス状及び液状の媒体を含むものであることも理解されたい。

装置ｌＯは、光源１２、フローセル１４及び光検出器１６かうなる。

光源１２は、等間隔に隔置された離散光発行要素の列からなる。好適な実施例に おいては、構成された光源１２は、多面を何するレーザダイオードにより具現化 されてなる。光源は、３つの小面からなるよう図示されているが、実際には等間 隔に隔壁された発光要素を適切な数だけ使用することができる。

光源１２は、開口１５および円筒レンズ１７、１８により、フローセル１４の検 査容積部に結像される０本発明の好適な実施例においては、構成された光源は、 レーザダイオード、たとえば３つの発光面が約３Ｘ１ミクロンであって５０ミク ロン毎に隔置された、５ｈａｒｐ形り丁ｏ９０鋪ＦＯ（商標名）である、尿中の Ｅコエリ（ｃｏｅｌｌｉ）を検出するために、レンズシステム１７、１８の倍率 は、合焦像において強調ピークの分離が約５ミクロンであるよう選定される。こ のように述べられた実施例において、光の有効領域における流体の実際の体積は 、約２０×２０Ｘ２０ミクロンである。試験下における流体は、檀準２０−セル を通過できるが、皮下注射針のような狭い腔パイプ１５によりセル１４番ご流体 流れを噴射して、流れが合焦された光を通過するようにすることが望ましい。

そのようなケースに右いては、針の腔の径は、好ましくは１００から３００ミク ロンである。流体は１重力もしくは適切なポンプにより供給され得る。

図１ａは、光源１２の３個の焦点の合った面（ｆａｃｅｔｓ）を通過する流体の 流れを示している。

図１ａに示すように、線光源面の像は、流れの方向に垂直なフローセル（ｆｌｏ ｗ　ｃｅｌｌ）を細か（分け、フローセルの幅Ｗを越えて広がる。基本的な条件 ではないが、焦点深度は理想的にはセルの深さよりも太き（される、シリンドリ カルレンズの倍率は、像の綿（ｉｍａｇｅ　ｂａｒｓ　ｏｒｌｉｎｅｓ）の分Ｉ ＩＩ　（ｑ）が　Ｓ定される粒子の大きさの範囲に近似するように選ばれる。

フローセル内のイメージボリューム（ｉｍａｇｅ　ｖｏｌｕ腸ｅ）からの光は、 レンズ２２によってディテクター１６に集められる。絞り２０は、通常には、粒 子が無い場合やイメージコラム（ｉｍａｇｅ　ｃｏｌｕ■ｎ）内の他の散乱の場 合において、ディテクター１６が露光されないように大きさが決められる。その 時に前方への散乱が集められ、検出される。ディテクター１６はＰＩＮダイオー ドあるいはアバランシェ・フォト・ダイオードでよい。

集光された光フィールドを横切る粒子は、各小面（ｅａｃｈ　ｆａｃｅｔ）から の光又は順次、光強度変化した集光された光にさらされれる。検出された光の強 度は、このように周波数ｑ／ｕＪ５よび粒子散乱断面（ｐａｒｔｉｃｌｅ　ｓｃ ａｔｔｅｒｉｎｇ　ｃｒｏｓｓ　５ｅｃｔｆｏｎ）と光像構成（５ｔｒｕｃｔｕ ｒｅｄ　ｌｉｇｈｔ　ｉｓａｇｅ　）のコンボリューションで与えられる強度と により変調される。ここでＵは粒子が横切る速度である。直径ｄがｄ＞＞ｑであ る粒子は、実際上構造（５ｔｒｕｃｔｕｒｅ）が不鮮明となり、均一な強度が表 示される。

ｄ＞ｑである粒子は部分的に構造を解像（ｒｅｓｏｌｖｅ）　Ｌ／。

部分的に信号強度を変調する。ｄ＞＞ｑである粒子は完全に構造を解像し、検出 ノイズ限界によってのみ制限される強度でもって完全な変調を表示する。

実施例は光の吸収の弱いバクテリアの粒子が測定できることで評価されるであろ う、もし装置が良く光を吸収する粒子を測定するように意図されるならば、単純 な掩ぺい方法（ｏｂｓｃｕｒａｔｉｏｎ　ｍｅｔｈｏｄ）が使われるであろう。

このような場合、絞り２０は省略することができ、ディテクター！６の出力は通 常のように高くなるであろう。

そして検査容積（１ｎｓｐｅｃｔｉｏｎ　ｖｏｌｕｍｅ）を通る粒子の通過は、 測定される入力光の適切な減少を生じるであろう。

しかしながら、吸収の低い粒子の場合、粒子の掩へいによる信号は、直接入射す る光による光センサーのノイズレベルに比較して小さいものである。この理由に より、装置は散乱光を検出することが好ましい。

出力信号の処理は、図２のブロックダイヤグラムを参照することで述べられてい る。

フローセルの検査容積を粒子が横切る時に、粒子により構成された光フィールド 内で散乱された光はディテクター１６に集められ、アンプ２２により増巾される 出力信号を生成する。そいてしきい値回路２４によりしきい値処理され、アナロ グ・デジタル　コンバータ２４によりサンプルされ、適切なマイクロプロセッサ −ユニット２６で解析される。

表示部は２８で示され、解析の結果を表示する。そして表示部はＣＲＴベースの ビデオシステムやブロック−のようなハードコピー装置などのように巾広い異な った形式をとることができ、他方マイクロプロセッサ一部はＰＣでもよい。

１個の粒子の通過により生じる出方信号１６の一般的な形を図３に示す。

この信号の一般形状を考慮して、Ａ−Ｄ検出器は一般的に、光源構造の各小面（ ｆａｃｅｔ）及び２つのトラフ電圧ＶＴ１、ＶＴ２に対応する背景電圧Ｖｂ、１ 組の３つのピーク電圧ｖ２１、Ｖｐ２、ｖｐ９の平均値が発生するサンンプルを 発生する。

図４（ａ）〜（ｆ）に示された実験結果から明らかなように、−１Ｑ的に熱及び 流れの効果により、　１つのパルスの期間の間でさえ、一般にシステムノイズは 変化する。

したがって、平均ピーク電圧Ｖ、及びトラフ電圧Ｖ、の値は、次式に示すように 後者を引くことにより背景電圧値に関して修正される。

次に、抽出された各粒子について更なる計算が行われ、次に、可視度Ｖが計算さ れる。

Ｖ＝（ＶＰ　ＶＴ）／　（Ｖ、＋Ｖ７）図５は、この基準化されたピーク−トラ フ変化の計算の効果を特に明確に示すものである。したがって、この図の左側に 示される層、即ち、９μｍの粒子は、信号の平均可視度により定義される最も高 い平均ピーク散乱レベルと最も小さい変調深さを示した粒子である。同様に、最 も小さい、即ち、図の右側の大部分を占める３μｍ粒子は、最も低い平均ピーク 散乱レベルと最も高い変調深さを示している。

明らかに、　３以上の多くの数の小面を有する光源に関して、多くのピーク及び トラフの発生についての対応する合計が行われる。これらの計算はマイクロプロ セッサ一部２６で行われ、その結果は２８で表示される０粒子サイズは集められ ヒストグラムまたは他の適当な表示形式で表示され、存在する粒子のサイズを示 す、一般に、可視度は粒子サイズの単一の評価関数であることがわかり、粒子分 類装置の構成は、したがって、簡単になる。

図５は、直径９μｍ、５μｍ、　３μｍの粒子についての実験結果の散乱プロッ トを示す。

図１に示される検出光学系は、検査体積に粒子が存在しないとき検出器１６を絞 り２０により暗視野照明に置く、これは、散乱光信号を小領域検出器に集めるこ とができ全ての集められた光を出力信号を発生するのに用いることによりノイズ を最小にするという効果をもたらす。

しかし、上述のように、絞りを取り去ることにより、通常は検出器１５を連続光 照明にさらす０粒子は、検査体積を通過するとき、検出器を部分的に暗くして照 明を低下させる０図３の信号が結果において反転した場合は、■２、ＶＴはＶｂ よりも低くなる。しかし、同じ計算が行われて可視度が導かれ、このように粒子 のサイズが得られる。しかし、この構成のノイズ甘いふんは上述のものより大き く、粒子サイズ分類の正確さは低く、検出できる最小粒子サイズは大きくなる。

絞り２０のないシステムはしたがって、バクテリアや血球のような被測定粒子が 悪い光吸収特性を有する場合、実用性は低くなる。

散乱した光を収集及び検出するための別の装置が第６図に示しである。何れの例 においても前方に進む散乱を利用する。これに代えて、側方又は後方に散乱する 光を使うこともでき、実際適用の拘束によりで選択された幾何学を指示すること ができる。

第６図（ａ）に示した１つの別の収光装置は、流れセル１４に隣接して位置決め された絞り２０′により部分的に写し出された検出器１６′から成る。この場合 、検出器は収光レンズ２２なくして光を集めることができ、その結果、検出器は 幾分太き（なる、かかる配置は費用が少なくて済むが、大きな検出領域のために 、検出回路内のノイズが増大する。

ミラー１９及びレンズ２２゛を導入すれば、もっとコンパクトな配置が可能であ る。これに代えて、ミラー１９を適当に湾曲させて湾曲ミラーをレンズとして作 用させ、それによって流れセル１４からの散乱光を集光しかつ合焦させる簡単な 要素を提供することができる。

従来例においては、可干渉性のレーザ光源からを２つの光路を介して検出量中に 合焦することにより、組織化された光域は縞の形状で干渉的に発生されていた。

これに対して、本発明では組織化された光域は可干渉方法を利用することにより 発展させ、数々の形態をとり得る。

上述した好適な形態は多面発光又はレーザダイオードの形態をとり、それは適当 な円筒状レンズ又はこれと等価な光学的装置によって検出量の中へ合焦される。

しかし、一般に源は構造的に離れ適当なビームスプリッタによって光学的に合体 された多数の光源及び円筒状の複数のレンズから成り、それによって検出量中に 等価な構造の像を形成する。光源はまた像平面内に合焦される共通の光源を露光 するアレイ又はスリットによっても得られるし、またはプリズムによって分割さ れたライン源、又は二つ又はそれ以上にふるい落とす回折によっても得られる。

可干渉性の像形成方法を使用して展開された他の組織化された光域でも良い３本 発明の目的は、合焦光のための二つ又はそれ以上の基礎を有する組織化された光 域を提供することであり、合焦光は製造コストは安価であるが高い光強度を有す る所定の分離（ｑ）を有する。

以上では本発明を粒子寸法の測定について説明したが。

粒子速度は電圧信号の周波数をモニタすることにより引き出すこともできる。ま た、−以上の方向の粒子速度は第２の組織化された光域及びこれに関連する光学 的装置によっても測定できる。その場合、第２光域の面は第１光域のそれに直交 している。上述した装置は距離を変化させて面を分離した状態で粒子流れの通路 に沿って適宜選択しても良い。

Ｈ６，４ ｚ×９）１ｆｒ１粒子 ５、ｕｍ　９７ＬＩｍ 奮　ロ　０　０　ロ　ロ　ロ　ロ　ロ ロ　ロ　ロ　ロ　ロ　ロ　ロ ー　ロ　−　ロ　−　ロ　１ 覇（′−１ｎＮＮ−一 １〉 手続補正書 平成６年２月１４日

Claims (18)

【特許請求の範囲】
1. １．相対移動方向に沿って隔置された複数の強度変化を有する光フィールドを発 生させる光源に対して、流体媒体中の粒子を通過させる段階と、 該光フィールドにおける変化部を通過する粒子により生じた光強度の変化を検出 する段階とからなる粒子測定方法。
2. ２．請求の範囲第１項の方法において、検出される光は粒子により散乱された光 である方法。
3. ３．請求の範囲第２もしくは３項の方法において、前記光源は、粒子が順次通過 してパルスを発生させる３つの強度変化を発生させる方法。
4. ４．請求の範囲第１ないし４項の何れかの方法において、検出される粒子のサイ ズは、前記粒子が前記光フィールドを通過することで発生される出力パルスにお ける基準化されたピータートラフ変化を関数として、平均ピーク信号をプロット することで測定される方法。
5. ５．前記光源に対する粒子の速度が光フィールドを粒子が通過することにより発 生する出力パルス中の周波数容量を計算することによって測定される請求項１か ら３のいずれか１項に記載の方法。
6. ６．複数の離隔した強度を有する光フィールドを発生するための光源と、粒子が 順次強度変化を通過するように前記光フィールドに対して流体媒体中の粒子を移 動させるための手段と、前記光フィールドに対して粒子を通過させることにより 生じる光強度の変化を検出するための手段とを具備する粒子測定装置。
7. ７．前記光源は３つの離隔した強度変化を有する光フィールドを発生する請求項 １に記載の装置。
8. ８．前記検出手段は、粒子が光フィールドに対して移動するに従い、粒子により 散乱された光を検出するように構成されている請求項６または７に記載の装置。
9. ９．前記光源は三つの離間された光源から成ることを特徴とする請求項６乃至８ のいずれかに記載の装置。
10. １０．強度変化間の間隔が測定される粒子の大きさにほぼ等しくなるように、少 なくとも一つのレンズが光源からの光を光フィールドに集光せしめるように配さ れていることを特徴とする請求項９に記載の装置。
11. １１．粒子を担持する流体媒体が狭い内径のバイブ内の流れの中の光りフィール ドに供給されることを特徴とする請求項６ないし１０のいずれかに記載の装置。
12. １２．前記バイブは約１００乃至３００ミクロンの直径を有することを特徴とす る請求項１２に記載の装置。
13. １３．検知手段が直接照射されるのを防ぐための絞りを含むことを特徴とする請 求項６乃至１２のいずれかに記載の装置。
14. １４．光路上において、粒子による散乱光を光検出器上に集光するレンズの前に 絞りが配置されていることを特徴とする請求項１３に記載の装置。
15. １５．光検出器の作動領域が粒子による散乱光のみを検出するように、絞りが光 り検出器の近くに配されていることを特徴とする請求項１３に記載の装置。
16. １６．更に、光源により射出された非散乱光が通過出来る中心開口を有するミラ ーを有し、該ミラーは、散乱光を光検出器上に集光するレンズに向けて粒子によ る散乱光を反射することを特徴とする請求項１３に記載の装置。
17. １７．更に、光源により射出された非散乱光が通過出来る中心開口を有するミラ ーを有し、該ミラーは、粒子による散乱光を光検出器上に集光させるレンズとし て機能するように湾曲されていることを特徴とする請求項１３に記載の装置。
18. １８．光フィールドを粒子が通過することにより生成される出力パルスにおいて ，基準化されたビータートラフ変化関数として平均ピーク信号をプロットするこ とにより粒子の大きさを導出する手段を含む請求項６乃至１７のいずれかに記載 の装置。