JPH08504033A - 螢光を誘起しかつ検出するための装置および方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 本発明は、少なくとも一つの発蛍光団を含む流体の媒体内で蛍光を誘起しかつ検出するための装置に関する。この装置は、流体の媒体内で発蛍光団を励起することが可能な波長の光を放射するように調整された光放射部と、発蛍光団を励起するための励起光により励起された発蛍光団によって放射される蛍光を検出するように調整された光検出器と、蛍光の波長に対応する波長を有する少なくとも一つの光を反射することが可能な反射用の壁部を内部に備えると共に、流体の媒体に晒されるように調整されたセンサ面を備えるセンサ本体、好ましくは、固体のセンサ本体または石英からなるセンサ本体とを具備している。センサ本体は、例えば光ファイバを通して、光放射部からの励起光を受信し、さらに、センサ面を通して上記の受信した励起光を流体の媒体内に伝達し、また一方で、流体の媒体内で励起された発蛍光団により発せられる蛍光を、センサ面を通して受信し、この受信した蛍光の少なくとも一部を光検出器に伝達するように構成される。光放射部および光検出器の両方が、センサ面から少し離れた距離の位置に配置されており、光放射部、光検出器およびセンサ面の相対的な位置関係は、この光検出器が、センサ面内で光放射部からの光を受信する部分の少なくとも一部から伝達された光を受信することができるような関係になっている。本発明の装置は、例えば、発酵タンク用の流体や、廃液浄化設備内の廃液のように、濁った媒体または濁度の高い媒体に対し動作させる場合に特に適している。

Description

【発明の詳細な説明】 蛍光を誘起しかつ検出するための装置および方法 本発明は、蛍光を誘起すると共に検出するための装置および方法に関するもの である。この種の装置は、濁った（不透明な）流体の媒体、または、濁度の高い 流体の媒体から放射された蛍光を測定する場合に特に有用である。この種の蛍光 として、例えば、発酵タンク内に存在する生物の細胞、または、浄水設備内の種 々雑多の培養物中に存在する生物の細胞から放射される蛍光が挙げられる。例え ば、１９９０年９月７日発行の国際出願公開公報WO90/10083号に開示された方法 により蛍光の測定を遂行する場合に、上記のような装置は最も重要なものとなる 。この種の方法は、廃液（Waster Water）または汚水のように、生物学的な分解 を伴う物質を含むような水に関係するシステム（Aqueous System）が、複数種の 微生物の混合体である培養物を使用した生物学的な処理を必要とするようなプロ セスを制御する方法、および／または、最適化する方法に関係している。 米国特許第4,577,110号は、生物学的な媒体内で蛍光を誘起し、かつ、この生 物学的な媒体から放射された蛍光を測定する装置を開示している。この装置は、 連続的な光を生成する光源から、リング状の検出器を通して励起光のビームを送 り出すように調整されている。さらに、上記の装置は、この励起光による照明の 領域が、生物学的な媒体から放射された蛍光を測定する検出器の視野内にほぼ収 まるように設計されている。 欧州特許第47,094号は、媒体内で蛍光を誘起しかつ検出する装置を開示してい る。パルス状の光からなる励起光、および、媒体から 放射される蛍光は、光ファイバを通して、測定の対象となる媒体に導かれたり同 媒体から導かれたりする。 さらに、濁度の高い流体の媒体においては、光がかなりの程度まで減衰するま でに、数mm（２〜３mm）より長い距離、あるいは、１mmのほんの何分の一すら伝 搬することができない。それゆえに、上記のような濁度の高い流体の媒体におけ る測定では、幾つかの深刻な問題が発生する。したがって、高感度かつ広いダイ ナミックレンジ（Dynamic Range）でもって蛍光を測定することが可能な蛍光測 定装置が強く要望されている。 本発明は、特に、濁度の高い流体の媒体においては元来きわめて難しいとされ ていた蛍光測定を遂行することができるように調整された新規のタイプの装置に 関係するものである。ただし、このタイプの装置は、濁度の低い媒体、または全 然濁っていない媒体に関しても適用可能であることに注意すべきである。 発明の開示 一つの態様において、本発明は、少なくとも一つの発蛍光団（Fluorophores） を含む流体の媒体内で蛍光を誘起しかつ検出するための装置に関するものであっ て、この装置は、次の構成要件を具備する。 ・流体の媒体内で上記発蛍光団を励起することが可能な波長の光を放射するよ うに調整された光放射部。 ・上記発蛍光団を励起するための励起光により励起された発蛍光団によって放 射される蛍光を検出するように調整された光検出器。 ・上記蛍光の波長に対応する波長を有する少なくとも一つの光を反射すること が可能な反射用の壁部を内部に備えると共に、流体の媒体に晒されるように調整 されたセンサ面を備えるセンサ本体。 さらに、このセンサ本体は、上記光放射部からの励起光を受信し、さらに、上 記センサ面を通して上記の受信した励起光を流体の媒体内に伝達し、また一方で 、流体の媒体内で励起された発蛍光団により発せられる蛍光を、上記センサ面を 通して受信し、この受信した蛍光の少なくとも一部を上記光検出器に伝達するよ うに構成される。 さらにまた、上記光放射部および上記光検出器の両方が、上記センサ面から所 定の距離の位置に配置されており、上記光放射部、上記光検出器および上記セン サ面の相対的な位置関係は、上記光検出器が、上記センサ面内で上記光放射部か らの光（励起光）を受信する部分の少なくとも一部から伝達された光（蛍光）を 受信することができるような関係になっている。 別の態様において、本発明は、少なくとも一つの発蛍光団を含む流体の媒体内 で蛍光を誘起しかつ検出するための方法に関するものであって、この方法は、次 のステップを含む。 ・上記蛍光の波長に対応する波長を有する一つの光を最低限反射することが可 能な反射用の壁部を内部に備えたセンサ本体を通して、光放射部からの光を伝達 し、さらに、このセンサ本体のセンサ面を通して、この流体の媒体内に伝達する ステップ。 ここで、上記の伝達された光の少なくとも一部が、上記蛍光の放射を誘起する ことができるように、上記発蛍光団を励起することが可能な波長を有している。 ・上記センサ面を通して、流体の媒体内で励起された発蛍光団により放射され る蛍光を受信し、さらに、上記センサ本体を通して、この受信した蛍光の少なく とも一部を光検出器に伝達するステップ。 ここで、光検出器は、上記発蛍光団を励起するための励起光により励起された 発蛍光団によって放射される蛍光を検出するように調整されている。 さらに、上記光検出器に伝達される蛍光の少なくとも一部が、上記センサ面の 一部を通して受信される蛍光であり、このセンサ面から、上記光放射部からの光 が流体の媒体に放射されるようになっている。 上記のような流体の媒体は、通常、液体である。しかしながら、この種の流体 の媒体は、液体および気体の混合物であってもよい。あるいは、この種の流体の 媒体は、発蛍光団を含む浮遊状態の粒子からなる気体であってもよい。 ここで、「発蛍光団」という用語は、受け入れ可能な意味において、電磁照射 （光）の吸収により励起されたときに、励起電磁照射光の波長よりも長い波長を 有する電磁放射線の放出に伴い、より低いエネルギ状態で減衰するような物質で あるとして理解されるべきものである。多くの蛍光体の物質が、紫外線（Ultra Violet Light：ＵＶ Light）により励起され得る。さらに、これらの蛍光体の物 質は、可視光線の領域で減衰するであろう。しかしながら、一方で、紫外線の領 域で吸収されると共に、この紫外線の領域で放出される物質が存在する。さらに 、可視光線の領域で吸収されると共に、この可視光線の領域で放出される物質も 存在する。さらにまた、近赤外線の領域で放出される物質も存在する。本発明の 装置は、上記のタイプの任意の物質に関連した測定に使用され得る。ただし、こ れ以降は、紫外線の領域で吸収を行い、可視光線を放出するような物質の測定に 関する説明に特に重点が置かれている。 本発明の装置の主要な特徴は、センサ本体である。このセンサ本体は、一方で 、光放射部と光検出器との間で特に有利な機能的な境界領域を構成する。さらに 上記のセンサ本体は、他方で、流体の媒体と光検出器との間で特に有利な機能的 な境界領域を構成する。センサ本体の一つの機能は、光検出器が、流体の媒体内 で励起光によ る照射によって励起された部分と同じ部分から光を受信することができるような 形で、一方では、液体の媒体と光検出器との間の幾何学的な位置関係を確立し、 他方では、光放射部と光検出器との間の幾何学的な位置関係を確立することであ る。 このような位置関係の重要性は、濁度の高い媒体では、励起光により励起され 得る有効な流体の体積が、ほんの数mmの厚さしか有しない層により表され、ある いは、１mmのほんの何分の一の厚さしか有しない層により表されという事実にあ る。換言すれば、励起光を受信することのないような流体の媒体の層のいかなる 部分も、実際に機能する測定可能な体積に寄与しないであろう。 このような観点より、一つの好適な実施例においては、光放射部、センサ面お よび光検出器の相対的な位置関係は、光放射部により放射された光が、センサ面 の大部分を直接照射することができるような関係になっている。また一方で、セ ンサ本体の壁部が励起光を反射することができるので、センサ面に向かって直接 進行しない光の任意の部分は、壁部での反射を介してセンサ面に伝達されるであ ろう。 センサ本体の境界領域の利用によって実現可能となるような他の好適な実施例 においては、光放射部、センサ面および光検出器の相対的な位置関係は、この光 検出器が、センサ面内で光により照射される部分中の大半の領域から光を直接受 信することができるような関係になっている。この場合、センサの壁による反射 は、検出に利用することが可能な蛍光の量をさらに増加させるであろう。 好ましくは、励起光として、パルス状の光が生成される。このパルス状の光は 、幾つかの利点を提供する。上記のようにパルス状の光を生成することによって 、測定における任意の暗信号を補償することが可能になる。例えば、浄水設備内 で生物学的な物質を含む流 体の測定のような、幾つかの重要な種類の測定においては、昼光がエラー信号を 発生するであろう。このエラー信号は、励起の後に生成されるピークの蛍光信号 から暗信号を差し引くことによって補償することが可能である。 パルス状の光を用いて蛍光を誘起することに関する他の重要な利点は、励起光 により生成される蛍光もまた、パルス信号として測定されることである。この場 合、パルス信号のピークの強度は、このピーク値と同じ値の平均の強度を有する 連続モードの光によって流体の媒体を励起する場合よりも高いオーダーの値にな る。このように、パルスにより光源の出力を生成した場合、複数の光パルスの各 ピークの強度は、連続モードの５０〜１００kWの光源から放射される光の強度に 対応するであろう。 パルス生成モードの光源を使用した場合、この種の光源や電子工学上の制御回 路により発生する雑音から電子工学上の検出用回路を遮蔽（シールド）すること に注意を払わなければならない。パルス生成モードの光源に起因する雑音を減少 させるための有利な方法は、電子工学上のパルス生成回路と電子工学上の検出用 回路とを物理的に分離することである。このような方法は、光学的なファイバを 使用することにより遂行可能になる。このような点を考慮し、本発明の装置の好 適な実施例においては、光放射部が、光学的なファイバ束（Fiber Bundle）等の 光ファイバ手段の光放射用端部になっている。この場合、上記の光ファイバ手段 は、光源からの光を受信するように調整された光受信用端部を有している。 光ファイバ手段が、非常に小さな領域から光を放射し、かつ、ファイバの材料 と光の波長により規定される最大の角度でもって光を放射するという事実は、光 ファイバ手段の光放射用端部が、センサ面から少し離れた距離に配置されるとい う事実により補償される。 この場合、上記の最大の角度に関していえば、紫外線を伝達するファイバのほう が、可視光線を伝達するファイバよりも小さくなっている。今後、添付の図面を 参照しながら比較的詳細に説明するように、上記の構成は、光ファイバ手段が、 流体の媒体中の充分大きな領域を照射し、かつ、励起することを可能にさせるも のである。 光ファイバ手段の光放射用端部を、センサ面から少し離れた距離の位置に配置 したままの状態で光ファイバ手段を使用することにより、励起光による照射領域 が大きくなると共に、光検出器にとって照射領域のすべての部分、または、かな りの部分が見えるようになるという事実は、本質的に新規なことであると考えら れる。それゆえに、本発明の特殊な態様が、少なくとも一つの発蛍光団を含む流 体の媒体内で蛍光を誘起しかつ検出するための装置により表される。この種の装 置は、次の構成要件を具備する。 ・流体の媒体内で発蛍光団を励起することが可能な波長の光を放射するように 調整された光放射部。 ・この光放射部からの光を受信し、かつ、予め定められた位置に導くように調 整され、さらに、一つの光放射用端部を有する光ファイバ手段。 ・上記発蛍光団を励起するための励起光により励起された発蛍光団によって放 射される蛍光を検出するように調整された光検出器。 ・流体の媒体に晒されるように構成されたセンサ面を備えるセンサ本体。 この場合、センサ本体は、光ファイバ手段の光放射用端部から励起光を受信し 、かつ、この受信した励起光を流体の媒体内に伝達し、さらに、流体の媒体内で 励起された発蛍光団により放射される蛍光を受信し、そして、この受信した蛍光 の少なくとも一部を光検出器に伝達するように調整される。 さらに、上記センサ面は、光ファイバ手段の光放射用端部から少し離れた位置 に配置される。ここで、光ファイバ手段の光放射用端部、センサ面および光検出 器の相対的な位置関係は、上記光ファイバ手段により放射される光が、センサ面 の一部を照射すると共に、上記光検出器が、センサ面内で光放射部により照射さ れた部分の少なくとも一部から光を受信することができるような関係になってい る。 遂行されるべき特殊な測定に応じて、１秒の数分の一から、分または時間のオ ーダーまで変化させることが可能な時間間隔でもって複数のパルスからなる光が 放射される。さらに、各々のパルス（一つのパルス）の持続期間は、通常、１秒 の何分の一かのオーダーになっている。 二者択一的に、本発明の好適な実施例においては、例えば、１２乃至２００個 のパルスのような一連のパルスを伝達し、かつ、パルスのピーク時と異なるピー ク間に生成された蛍光を実測し、そして、この実測された蛍光を実際の値として 規定することにより、蛍光の測定が遂行される。この種の測定における複数のパ ルスは、基本的に、任意の周波数にて生成され得る。現在、好ましくは、４Hzの オーダーの周波数が採用されている。さらに、上記の測定は、一定の時間間隔、 例えば、１時間につき１０乃至６０回、またはそれより多くの回数に対応する間 間隔でもって遂行される。当然のことながら、上記の測定における複数のパルス の周波数、同測定におけるパルスの数、および、同測定が遂行される時間間隔は 、互いに調整し合うことが可能である。例えば、１時間に１８０回の測定が遂行 された場合、各々の測定に使用されるパルスの数は、通常、４〜３２のオーダー になる。 測定すべき発蛍光団の特性に応じた励起光を生成するために、紫 外線用の光源から広帯域用の光源まで及ぶような種々の光源が使用可能である。 大部分の応用例においては、励起光として、紫外線の領域の光が使用される。 一般的にいって、励起光の波長の範囲は、例えば、光放射部に対しフィルタ処 理がなされた光を放射させる光フィルタ手段をこの光放射部に組み込むことによ って制限される。好適な実施例においては、上記の光フィルタ手段は、光源と、 光ファイバ手段の光受信用端部との間に配設される。 ここで、センサ本体は、通常、一体型の本体である。しかしながら、本発明の 範囲内において、一緒に組み合わされた状態でセンサ本体を構成するような２つ または３つ以上の個々の部品の組み合わせにより、センサ本体の機能を確立する ことが可能である。さらに、上記センサ本体は、中空の本体であってもよい。こ のような中空のセンサ本体は、光の経路において潜在的に蛍光を発生するおそれ のあるような物質（大抵の物質は、ある程度の蛍光を発生し得る）が減少すると いう利点を提供することが可能である。ただし、多くの場合、実際の使用に際し ては、センサ本体は固体であることが好ましい。このような固体のセンサ本体を 使用することにより、コンパクトでかつロバスト（Robust）な設計が可能になる という利点が得られる。さらに、固体のセンサ本体を使用することにより、装置 の内部の部分が臨界状態になったときに凝縮された水が形成される危険性が回避 されるか、または、かなりの程度まで減少するという利点も得られる。 さらに、センサ本体は、励起光および蛍光を効率的に伝達することができるよ うな任意の材料により作製され得る。具体的には、励起光が紫外線の領域にある 場合には、石英やサファイヤ等が使用され、励起光が可視光線の領域にある場合 には、ガラス等が使用され る。センサ本体内を伝搬する励起光のために、このセンサ本体の材料の種類に応 じて、同センサ本体を形成する材料から蛍光が発生するおそれがある。それゆえ に、センサ本体を形成する材料として、最小限の蛍光しか放射しないような材料 を選定することが重要になる。大抵の場合には、不純物が蛍光の量を増加させる 傾向にあるので、上記のような材料選定を行うことは、センサ本体の材料に関し 高純度を保証すべきであることを意味する。 さらに、センサ本体は、センサ面と直交する方向に関しほぼ対称の断面を有す ることが好ましい。この場合、「直交（Transverse）」という言葉は、「厳密に 直角に交わる（Perpendicular to）」ことに限定するものであると理解すべきで はなく、むしろ、直交関係、および、任意の傾斜した関係または斜めに交わる関 係の両方を含んでいると理解すべきである。ここで開示されている種類のセンサ 本体を作製するための適切な方法は、例えば石英棒のような、論議の対象とする 一片の材料の棒を切断し、この切断したものを加工しかつ研磨することである。 このような処理を施すことにより、一片の材料の棒を切断したものを要望どおり の形に仕上げ、センサ面や、光検出器の受信用の面や、光放射部の放射面にそれ ぞれ適した端部を確立することができるようになる。 さらに、センサ本体の断面は、例えば、ほぼ楕円形をなすか、または、ほぼ円 形をなすことも可能である。 センサ本体の壁部の被覆層により、適切な反射特性を有する壁部が得られる。 この種の被覆層は、例えば、誘電体の被覆層や金属の被覆層から選択される被覆 層のように、結果として要望どおりの反射特性を得ることが可能な任意の適切な 被覆層であればよい。このような被覆層を形成する方法は、被覆層の材料に応じ て調整されるであろう。さらに、上記の被覆層は、液体または蒸気から形成され るものも含む。現在の好適な実施例においては、センサ本体は、蒸着により形成 されるアルミニウムを使用した外面の被覆層により被覆される。 さらに、センサ本体は、好ましくは、長く伸びた本体である。 センサ本体の直径は、広い範囲にわたって変化させることが可能である。通常 は、上記センサ本体は、３〜５０mmの範囲の長さを有しており、好ましくは、５ 〜５０mmの範囲の長さを有しており、さらに好ましくは、１０〜２５mmの範囲の 長さを有しており、例えば、約１５mmの長さを有している。 また一方で、センサ本体の直径は、通常、２〜４０mmの範囲にあり、好ましく は、３〜３０mmの範囲にあり、さらに好ましくは、５〜２０mmの範囲にあり、例 えば、約１０mmである。 本発明の装置における実際の物理的な外観は、使用すべき装置の環境に応じて さまざまに変化する。一つの例として、センサ本体の少なくとも一部が流体の内 部にまで伸びているような実施例が挙げられる。この実施例では、センサ本体の センサ面は、例えば、処理の対象となる流体内に存在するような微生物または任 意の物質によって覆われたり汚染されたりすることのないように、傾斜を比較的 小さくしている。 上記の検討結果からわかるように、光放射部は、光ファイバ手段の光放射用端 部であってよい。あるいは、この光放射部は、度々、光ファイバ手段の光放射用 端部であることが好ましい。しかしながら、センサ本体に接続するように配設さ れる光源が光放射部として機能する点も、本発明の範囲内に入る。 ついで、下記の第１図から第４図までの図面を参照しながら、本発明を説明す ることとする。 第１図は、本発明に係るセンサの現在の好適な実施例を示す概略 的な図である。 第２図は、本発明に係るセンサ本体の動作を説明するための詳細な図である。 第３図は、市販用として入手可能なセンサの感度に比べて本発明に係るセンサ の感度が増加したことを証明するために実行される試験を示すものである。 第４図は、市販用として入手可能なセンサの感度に比べて本発明に係るセンサ の感度が増加したことを証明するために実行される試験を示すものである。 第４図は、本発明に係るセンサの感度と、市販用として入手可能なセンサの感 度とを比較した結果を示すものである。この場合、センサの感度は、蛍光性の物 体からセンサの端部までの距離の関数として捉えた場合のセンサの出力の形で把 握される。 第１図においては、励起光源１０からの光、例えば、電気的な制御手段（図示 していない）により制御される閃光ランプから発せられる紫外線に対し、レンズ １２によって視準合せがなされる。さらに、帯域フィルタ１４が、上記のように して視準合せがなされた光（励起光）から、流体内の発蛍光団を励起することが できるような波長をもたない光のほとんどすべてを除去する。このようなフィル タ処理がなされた後に、上記の光は、レンズ１６を通過する。このレンズ１６の 作用により、上記の光は、光ファイバ手段２０、好ましくは、それ自体が公知の ファイバ束の光受信用端部２１に対し焦点が合わせられる。さらに、光受信端２ １上の励起光は、光ファイバ手段２０により、この光ファイバ手段２０の光放射 用端部２２に導かれる。さらに、上記の励起光は、この光放射用端部２２からセ ンサ本体３０に導かれる。この場合、センサ本体３０は、上記の励起光と、この 励起光による励起作用の結果として生成される蛍光と を伝達することができるような材料、例えば石英により作製される。 さらに、第１図において、センサ本体は、端部３１、３２および壁部３３を含 む円形の筒の形状を有している。ここで、壁部３３は、円形の筒の外周部により 構成されると共に、蒸着により形成された数μmの厚さのアルミニウムの被覆層 を有している。この被覆層により、センサ本体３０の周囲部に反射層が形成され る。さらに、上記の励起光は、センサ本体３０を通してその端部３２に伝達され る。この端部３２は、センサ本体３０のセンサ面を構成する。このセンサ本体３ ０のセンサ面は、発蛍光団を含む流体と接触する。 励起光がセンサ本体３０内に入ってきたときに、この励起光の大部分は、セン サ本体３０を照射する。また一方で、この励起光の一部は、センサ本体３０の壁 部３３に向かって進む。この壁部３３に向かって進行する励起光の一部は、壁部 ３３により反射される。さらに、壁部３３により反射された光は、センサ本体３ ０のセンサ面３２に向かって進む。この結果、光の損失を最小限に抑えることが 可能になる。 上記のセンサ面３２が、励起光により励起され得る発蛍光団を含む流体に晒さ れた場合、励起光が流体内に入ってきたときに、この流体内で蛍光が生成される であろう。このようにして生成された蛍光は、センサ面３２に向かって進み、セ ンサ本体３０内に入っていくであろう。 さらに、図１において、光検出器４０が、端部３１の位置に配設される。この 位置において、光検出器４０は、センサ面３２のほとんどすべての部分から蛍光 を検出することができる。その上、光検出器４０は、壁部３３から反射された蛍 光を受信することができる。それゆえに、励起された蛍光の量の大部分が検出さ れる。この結果、蛍光を反射する壁部３３は、センサの感度を増加させることに なる。 光検出器４０は、受信した光信号を、光検出器自体が受け取った光の量を表す 電気信号に変換する。この電気信号は、特に図示していないが、記録に関するエ レクトロニクス、および／または、計算に関するエレクトロニクス、および／ま たは、プロセス調整に関するエレクトロニクスに利用される。 センサ面３２が晒される流体の媒体が、例えば、浄水設備内の複数種の微生物 の混合体である培養物により処理される汚水または廃液のように、濁度の高い媒 体である場合、励起光がかなりの程度まで減衰するまでに、この励起光は数mmよ り長い距離を伝搬することができないであろう。同様に、励起光による励起に基 づいて生成された蛍光は、厚さが数mmよりも厚い媒体を介して検出することがで きないであろう。 このような理由により、蛍光の測定を実際に遂行することができる体積を得る ために、センサのセンサ面は、このセンサ面を通して相当な量の媒体が励起光に 晒される程の比較的大きな領域を有することが重要になる。さらに、検出器は、 励起光による照射が行われる領域の少なくとも一部から蛍光を受信することがで きるようにすることが重要になる。この場合、好ましくは、励起光による照射が 行われる領域のほとんどすべての部分から、蛍光を受信することができるように することが重要になる。第２図は、上記のような考慮すべき要件を図示したもの である。 第２図において、光ファイバ手段２０の光放射用端部２２の形状を有する光放 射部は、センサ本体３０と接するように図示されている。さらに、前述したよう に、光ファイバ手段から発せられた光は、この光ファイバ手段内の個々のファイ バの心線部（Core）および被覆部（Cladding）を形成する材料により規定される 最大の角度でもって放射される。ライン（I）およびライン（II）は、光ファイ バ手段 から発せられた光（励起光）に関し、光ファイバ手段２０が光学的なファイバ束 からなるような好適な実施例に対する最大の角度を示している。この図より、励 起された励起光（例えば、ライン（II））の一部が壁部３３に向かって進み、さ らに、この壁部３３上で反射された後にセンサ面３２に向かって進むことがわか る。上記の好適な実施例においては、センサ面３２のほとんどすべての部分が、 励起光により直接照射されることがわかる。さらに、上記の好適な実施例におい ては、光学的なファイバ束２０は、基本的に、検出器４０に対し最も接近した位 置にあるセンサ面３２を照射することができるように配設される。 第２図のライン（III）およびライン（IV）は、例えば下記に示すような、発 蛍光団により生成される蛍光の例を提供するものである。すなわち、この種の蛍 光として、ライン（III）のように検出器の表面５０に向かって直接進む蛍光、 または、ライン（IV）のように壁部３３上での反射を介して検出器の表面５０に 向かう蛍光のいずれか一方が考えられる。この場合、壁部３３での反射が、検出 器４０により受信される蛍光の量を顕著に増加させることは明白なことである。 具体例 一つの例として、本発明に係るセンサの好適な実施例は、下記の構成要件を備 えている。 ・光放射部 １０…バルク型のキセノン閃光ランプ ・視準合せ用のレンズ １２…非球面形集光コンデンサ ・フィルタ １４…紫外線用の帯域フィルタ３００〜４００nm ・集束用のレンズ １６…平凸形の石英レンズ ・光学的なファイバ束 ２０…石英／石英ファイバ、直径３mm ・センサ本体 ３０…石英の円筒 ・反射用被覆層 アルミニウム、蒸着により形成 ・フィルタ ４２…可視光線用の帯域フィルタ４００〜５００ nm ・検出器 ４０…ＰＩＮ型シリコンダイオード この場合、センサ本体は、好ましくは、次に示すような寸法を有する固体の 石英である。 ・直径： １０mm ・長さ： １５mm 当然のことながら、センサ本体の形状および大きさは、上記の例と異なるこ ともあり得る。センサ本体の機能は、ただ単に、光を導くにすぎないので、上記 のようなセンサの目的を支持するための任意の形状、大きさ、および材料が使用 され得る。 石英の外面は、好ましくは研磨され、その後に、蒸着により形成された数μm の厚さのアルミニウムでもって石英の壁部が被覆される。 ２種のレンズは、好ましくは、光学的なファイバ束の一端に集束された光が、 光源内で光を放射する部分と同一の形状および大きさを有するように選択される 。 センサ本体が研磨されている場合、好ましくは、第２図に示すように、センサ 本体と境界を接するという関係において、光学的なファイバ束の光放射用端部を センサ本体の外側に配置することは、本発明の目的を達成する上で充分なことで ある。このような配置を行うことにより、励起光が光学的なファイバ束を励起し たときに、この励起光がセンサ本体内に入り込んでセンサ面を照射することが可 能になる。しかしながら、光学的なファイバ束からセンサ本体への 光の転送をより確実に遂行することができるような形状のセンサ本体を設計する ことも可能であり、ある目的に対しては、この種の形状のセンサ本体がより好ま しいことも理解されるであろう。この種の形状のセンサ本体としては、例えば、 光学的なファイバ束を受けることができるような寸法の内径を有するセンサ本体 が挙げられる。 センサの光源は、好ましくは、測定の間中、４Hzの周波数でもってパルス状の 光を生成する。さらに、検出器は、発蛍光団により生成される蛍光の複数のパル スに対応する電気信号を生成することが可能である。一つの蛍光のパルスと、他 の蛍光のパルスとの間の期間内に、バックグラウンドとなる信号（すなわち、暗 信号）、例えば、昼光に対応する信号が測定される。この場合、検出器により検 出された蛍光のピークに対応する個々のピークは、上記の暗信号測定の際の平均 値に変換されることが好ましい。さらに、暗信号として、測定の間に検出される 各々の暗信号の平均値を採用することも好ましいことである。 検出器が蛍光のパルスを精度良く検出することができるようにするために、こ の検出器の感知可能領域は、好ましくは、比較的小さくすべきである。例えば、 上記の感知可能領域の面積は、５〜１０mm²、またはそれよりも小さな値にすべ きである。前述したような現在の好適な実施例においては、検出器の感知可能領 域の面積は、約７mm²である。検出器の感知可能領域の大きさにより、検出器の 速度（検出速度）が決定される。時間に対し小さな持続期間を有するパルスは、 小さな感知可能領域を有する検出器により検出すべきである。 当然のことながら、比較的小さな感知可能領域は、比較的大きな感知可能領域 よりも感度が低くなる。しかしながら、この場合、励起光のパルスのピーク値と 同じ値の平均の強度でもって励起光が連 続的に放射される場合に生成される蛍光よりもレベルの高い蛍光を生成すること ができるように、光強度の大きなパルスからなる励起光でもって検出器の感度の 低下を補償することが可能である。さらに、比較的大きな感知可能領域を有する 検出器は、比較的小さな感知可能領域を有する検出器よりも大きな雑音を発生す る。 さらに、上記のような検出器に関していえば、小さな感知可能領域を有する検 出器は、通常、大きな感知可能領域よりも安価であるという利点を備えている。 上記のような小さな感知可能領域を有する検出器として、小さなサイズでかつ市 販用として入手可能なＰＩＮ型のシリコンのホトダイオードが適している。 小さな感知可能領域と、光源のパルス生成モードとを結合させた場合に、全体 的に見て、従来よりも大きな出力信号が得られる。この場合の信号対雑音比の値 は、連続モードで動作するセンサを使用しかつ比較的大きな感知可能領域を有す る検出器を使用することにより得られる信号対雑音比の値よりも減少することは ない。信号対雑音比は、検出器の感知可能領域により発生する雑音、および、信 号の増幅の際に発生する雑音の両方に依存する。 蛍光のパルスの信号から暗信号を差し引いたときに、流体内の蛍光の量が評価 される。あるいは、要望される場合には、それ自体が公知の手法であるような適 切な較正に基づいて流体内の蛍光の量が算出される。 比較実験 市販用として入手可能なセンサの感度に比べて本発明に係るセンサの感度が増 加したことを証明するために、デンマークのビボルウ（Viborg）市内にある中央 浄水設備（Central Purification Tank）のエアレーション・タンク（Aeration Tank）内で一つの試験が遂 行された。 この中央浄水設備のエアレーション・タンクは、複数種の微生物の混合体であ る培養物を含んでいる。さらに、このような混合体としての培養物内に存在する 微生物には、発蛍光団であるＮＡＤＨが含まれている。微生物中のＮＡＤＨの量 は、有機体内での活性化レベルに依存する。 上記の試験においては、本発明に関係すると共にこれまでに例示された好適な 実施例に対応し、かつ、前述の「具体例」の項で説明したようなセンサが、市販 用として入手可能な蛍光センサと比較するために試験される。この種の入手可能 な蛍光センサとしては、例えば、米国のペンシルバニア州のマルバーン（Malver n）に設立されているバイオケミカル・テクノロジー社（Biochem Technology In c.）から入手可能な蛍光センサが挙げられる。 本発明に係るセンサは、１回の測定につき４Hzの周波数の２００個のパルスを 生成し、１分間で１回の測定を行うように動作する。 市販用として入手可能なセンサは、液体の環境に晒されるように配置された前 面部を有している。この場合、上記の液体の環境において、発蛍光団が測定され ることになっている。さらに、センサの前面部は、円形のチャネルを備えている 。この円形のチャネルを通して、連続モードで動作するランプからの光線が前面 窓の方へ伝搬し、さらに、この前面窓を通して、流体の媒体内に伝搬する。上記 の前面窓は、チャネルの前面部の端に密封状態で取り付けられる。上記のチャネ ルは、環状の光検出器により包囲されている。この光検出器は、環状の光学フィ ルタの後部に配置されると共に、この光学フィルタを考慮してセンサの前面部の 端部にできる限り接近するように配置される。 しかしながら、上記のような構成では、検出器（光検出器）は、 光放射部からの光を伝える前面窓の部分から光を受信することができない。それ ゆえに、検出器の“視野”は、前面窓のすぐ前方の位置に“盲点”を有している ことになる。この理由として、前面窓にじかに接するような液体の環境では、検 出器の“視野”は、この液体の体積に対し実質的に関係する部分を有していない ことが挙げられる。 上記の２種のセンサ（市販用として入手可能なセンサと本発明に係るセンサ） が、同じ時間の期間中に測定された。さらに、これらのセンサが、流体内の同じ 測定位置に置かれた。上記の試験は、１６時間にわたって実行された。 第３図は、多くの時間にわたってセンサの感度を評価するために、時間の関数 として、mA単位で測定された２種のセンサからの電流出力を示すものである。さ らに詳しくいえば、第３Ａ図は、本発明に係るセンサからの出力を図示しており 、第３Ｂ図は、市販用として入手可能なセンサからの出力を図示している。 第３図に示すように、本発明に係るセンサからの出力は、市販用として入手可 能なセンサからの出力に対し２．５の係数（２．５倍）だけ高くなっている。さ らに、パルス生成モードで動作する本発明のセンサを使用した場合、さらに高い 出力が得られる。この理由として、本発明のセンサの信号対雑音比が、このよう なパルス信号の増幅を可能にすることが挙げられる。 しかしながら、より重要なことは、下記の点にある。すなわち、本発明に係る センサは、３．２mAのダイナミックレンジ（測定における最大電流と最小電流と の間の電流値の差）を有しているのに対し、市販用として入手可能なセンサは、 たった０．２mAのダイナミックレンジしか有していないという点が重要である。 上記の結果より、本発明に係るセンサが、正確でかつ非常に高感 度の測定を遂行する際に特に有用であることは明白なことである。例えば、本発 明のセンサは、浄水設備のように、濁度の高い媒体に対する任意のプロセスを正 確に監視する場合に有用である。 第４図は、前述の場合と同じ手順で動作するような本発明のセンサの感度と、 市販用として入手可能なセンサの感度とを比較した結果を示すものである。この 場合、センサの感度は、上記の２種のセンサの前方に１枚の紙を配置することに より決定される。さらに、センサの端部から１枚の紙までの距離の関数としてセ ンサの出力（信号）が測定される。ここで、本発明に係るセンサの出力の最大値 を１と規定する。このときに、市販用として入手可能なセンサは、上記の本発明 の出力の最大値に基づいて調整されることになる。 第４図からわかるように、市販用として入手可能なセンサの盲点が存在すると いう結果が生じることは明白なことである。第４図では、蛍光性の物体が、市販 用として入手可能なセンサから３mmの距離にあるときに、このセンサは最大の感 度を有する。これに対し、本発明に係るセンサは、蛍光性の媒体がセンサの端部 に最大限に接近したときに最適の感度を有する。 例えば、浄水設備内に存在する濁った媒体においては、光がほんの数mmの距離 を伝搬しただけで、この光のほとんどすべてが減衰してしまう。それゆえに、発 生した蛍光の大部分が、センサの前面の端部のすぐ前方の位置と、当然のことで はあるが、媒体が照射されるようなセンサの前面の端部の領域において生成され る。ここで、センサの前面の端部の領域は、市販用として入手可能なセンサの盲 点に相当する。このような事実により、濁った媒体に対し使用される最適のセン サは、蛍光性の媒体がセンサの端部に最大限に接近したときに最適の感度を有す ることは明白なことである。さらに、上記のセンサはまた、蛍光が生成され、か つ、この蛍光が検出され得 る程の大きな領域を有することも明白なことである。 市販用として入手可能なセンサの最適の感度は、本発明に係るセンサの感度の ２０％にしかならない。この場合、パルス生成モードによる動作や、より適切な 構造のセンサ本体を用いることにより比較的良好な信号対雑音比に基づく比較的 良好な信号を提供するような本発明のセンサによっても、同様に、上記のような 感度増加の結果が得られる。さらに、センサ本体の反射用被覆層もまた、本発明 のセンサの感度を増加させる役割を有している。 上記のとおり、本発明に係るセンサは、上記の種類の媒体内での蛍光の生成お よび検出に使用する場合に最適の特徴および感度を備えているけれども、この種 のセンサはまた、励起光が媒体内部の相当な距離まで送り出されるような比較的 濁度の低い媒体に対しても同じような特徴および感度を備えている。 本発明に係るセンサは、濁度の比較的低い媒体に対しても、濁度の比較的高い 媒体の場合と同程度の正確な測定を行うことが可能である。この理由として、励 起光により励起される媒体の体積と、媒体から放射される蛍光が検出され得る体 積との重なりが、媒体の内部で大きくなっていることが挙げられる。

───────────────────────────────────────────────────── 【要約の続き】 光検出器およびセンサ面の相対的な位置関係は、この光 検出器が、センサ面内で光放射部からの光を受信する部 分の少なくとも一部から伝達された光を受信することが できるような関係になっている。本発明の装置は、例え ば、発酵タンク用の流体や、廃液浄化設備内の廃液のよ うに、濁った媒体または濁度の高い媒体に対し動作させ る場合に特に適している。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．少なくとも一つの発蛍光団を含む流体の媒体内で蛍光を誘起しかつ検出する ための装置であって、 前記流体の媒体内で前記発蛍光団を励起することが可能な波長の光を放射する ように調整された光放射部と、 前記発蛍光団を励起するための励起光により励起された発蛍光団によって放射 される蛍光を検出するように調整された光検出器と、 前記蛍光の波長に対応する波長を有する少なくとも一つの光を反射することが 可能な反射用の壁部を内部に備えると共に、前記流体の媒体に晒されるように調 整されたセンサ面を備えるセンサ本体とを具備しており、 該センサ本体は、前記光放射部からの励起光を受信し、さらに、前記センサ面 を通して前記の受信した励起光を前記流体の媒体内に伝達し、また一方で、前記 流体の媒体内で励起された発蛍光団により発せられる蛍光を、前記センサ面を通 して受信し、該受信した蛍光の少なくとも一部を前記光検出器に伝達するように 構成され、 前記光放射部および前記光検出器の両方が、前記センサ面から所定の距離の位 置に配置されており、前記光放射部、前記光検出器および前記センサ面の相対的 な位置関係は、前記光検出器が、前記センサ面内で前記光放射部からの光を受信 する部分の少なくとも一部から伝達された光を受信することができるような関係 になっていることを特徴とする、蛍光を誘起しかつ検出するための装置。 ２．前記光放射部、前記センサ面および前記光検出器の相対的な位置関係は、前 記光放射部により放射された光が、前記センサ面の大部分を直接照射することが できるような関係になっている請求項１記載の装置。 ３．前記光放射部、前記センサ面および前記光検出器の相対的な位置関係は、前 記光検出器が、前記センサ面内で光により照射される部分中の大半の領域から光 を直接受信することができるような関係になっている請求項２記載の装置。 ４．前記光放射部が、光源からの光を受信するように調整された光受信用端部を 有する光ファイバ手段の光放射用端部である請求項１、２または３記載の装置。 ５．前記光ファイバ手段が、光学的なファイバ束である請求項４記載の装置。 ６．前記光放射部が、パルス状の光を放射することが可能である請求項１から５ のいずれか１項に記載の装置。 ７．前記光放射部により放射され得る光の少なくとも一部が、紫外線の領域にあ る請求項１から６のいずれか１項に記載の装置。 ８．前記装置が、さらに、前記光放射部に対しフィルタ処理がなされた光を放射 させる光フィルタ手段を具備する請求項１から７のいずれか１項に記載の装置。 ９．前記センサ本体が、一体型の本体である請求項１から８のいずれか１項に記 載の装置。 １０．前記センサ本体が、固体である請求項１から９のいずれか１項に記載の装 置。 １１．前記センサ本体が、前記センサ面と直交する方向に関しほぼ対称の断面を 有する請求項１から１０のいずれか１項に記載の装置。 １２．前記断面が、ほぼ楕円形をなす請求項１１記載の装置。 １３．前記断面が、ほぼ円形をなす請求項１２記載の装置。 １４．前記センサ本体が、長く伸びた本体である請求項１から１３のいずれか１ 項に記載の装置。 １５．前記センサ本体が、石英から作製される請求項１から１４の いずれか１項に記載の装置。 １６．前記センサ本体の壁部における反射特性が、該壁部に形成された被覆層に 基づくものである請求項１から１５のいずれか１項に記載の装置。 １７．前記被覆層が、誘電体の被覆層および金属の被覆層から選択される請求項 １６記載の装置。 １８．前記被覆層が、アルミニウムの被覆層である請求項１６または１７記載の 装置。 １９．前記センサ本体が、３〜５０mmの範囲の長さを有しており、好ましくは、 ５〜５０mmの範囲の長さを有しており、さらに好ましくは、１０〜２５mmの範囲 の長さを有しており、例えば、１５mmの長さを有している請求項１から１８のい ずれか１項に記載の装置。 ２０．前記センサ本体が、２〜４０mmの範囲の直径を有しており、好ましくは、 ３〜３０mmの範囲の直径を有しており、さらに好ましくは、５〜２０mmの範囲の 直径を有しており、例えば、１０mmの直径を有している請求項１から１９のいず れか１項に記載の装置。 ２１．前記装置が、さらに、前記光検出器により検出される蛍光に対しフィルタ 処理を行うためのフィルタ手段を具備しており、該フィルタ手段により、実質的 に、前記の励起された発蛍光団から放射される蛍光の波長領域内の一つの波長を 有する光のみが、前記光検出器により受信される請求項１から２０のいずれか１ 項に記載の装置。 ２２．少なくとも一つの発蛍光団を含む流体の媒体内で蛍光を誘起しかつ検出す るための方法であって、該方法は、 前記蛍光の波長に対応する波長を有する一つの光を最低限反射することが可能 な反射用の壁部を内部に備えたセンサ本体を通して、光放射部からの光を伝達し 、さらに、該センサ本体のセンサ面を通 して、該流体の媒体内に伝達するステップを含み、該伝達された光の少なくとも 一部が、前記蛍光の放射を誘起することができるように、前記発蛍光団を励起す ることが可能な波長を有しており、 さらに、前記方法は、 前記センサ面を通して、前記流体の媒体内で励起された発蛍光団により放射さ れる蛍光を受信し、さらに、前記センサ本体を通して、該受信した蛍光の少なく とも一部を光検出器に伝達するステップを含み、該光検出器は、前記発蛍光団を 励起するための励起光により励起された発蛍光団によって放射される蛍光を検出 するように調整されており、 前記光検出器に伝達される蛍光の少なくとも一部が、前記センサ面の一部を通 して受信される蛍光であり、該センサ面から、前記光放射部からの光が前記流体 の媒体に放射されるようになっていることを特徴とする、蛍光を誘起しかつ検出 するための方法。 ２３．前記流体の媒体が、濁った媒体である請求項２２記載の方法。 ２４．前記流体の媒体が、複数種の微生物の混合体である培養物によって生物学 的に分解されるような廃液であり、 該微生物は、少なくとも一つの生物発生に関係する発蛍光団を含んでおり、該 発蛍光団の蛍光は、前記励起光により誘起され、かつ、前記光検出器により検出 され得る請求項２２または２３記載の方法。