JPS61501728A - 生物学的粒子の状態の調査 - 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】 生物学的粒子の状態の調査 本発明は媒体中のバクテリアのような生物学的粒子の状態乞調べる方法と装置に 関するものである。一つの例においては。

本発明はバクテリアのどの画分が生育し得るかを確証することに関係する。

あるバクテリアの懸濁液の電気的インピーダンスの研究に従来検討が行われてき た。インピーダンスは主として抵抗的成分と容量的成分とから成るが、ただし測 定される導電性と相対的誘電率は一定ではな（周波数の関数であるということが 証明されている。相対的誘電率対周波数のプロットにおいては、バクテリア内の 各種の膜層のそれぞれの寄与と関係すると感じられるアルファーおよびベーター 分散を識別することが可能である。

各々の膜層は抵抗／キャパシタンスの回路網として機能し、各種の層の相対的寄 与は周波数とともに変る、と考えられている。

アルファー分散は外側の膜層と関連があり、ベーター分散は最内層と関連があっ た。

バクテリア懸濁液のインピーダンスの測定の慣例的試みは手動ブリッジ法を含む 。これらは時間がかかりバランシングと検量に対してきわめて注意深い配慮を必 要とする。それらの手続きはリアルタイムの連続的なモニタリングを必要とする 商業規模のバイオリアクターで使用するのには向かない。

商業的に利用できる多数のインピーダンス・アナライザか懸濁体中の誘電分散の 研究に使用するのに提唱されてきた。ここでの困難は、インピーダンス・アナラ イザが、未知ではあるが一定である抵抗、キャパシタンスおよびインダクタンス の回路網の上で作動するよう組立ておよび組織されることである。商業的に利用 できるインピーダンス・アナライザの出力が有用な関連情報を提供し得る前に、 導電性と相対的誘電率が周波数の関数であると知られていることを頭に置いて、 きわめて注意深いその後の分析が必要とされる。

本発明の一つの面の目的は１例えば生育可能バクテリアと生育不能バクテリアと を弁別することができる、生物学的粒子の濃度を調査する改善された方法と装置 を提供することである。

従って、本発明は一つの面においては、媒体中の生物学的粒子の状態を調べる方 法にあり、その方法は、変化する周波数の交流電圧を媒体の本体乞横断して印加 し、媒体に隣接する検出器コイルの中で誘起される電圧ｔモニタし、そして、媒 体と粒子の複合アドミッタンスの周波数曲線（プロファイル）を得る。

諸段階から成る。

もう一つの面においては１本発明は媒体中の生物学的粒子の状態を調べる装置に あり、その装置は、使用時に媒体で以て満たされる室、室中の媒体を横切って電 圧を付与する電極手段、この電極手段において選択された周波数の交流電圧を発 生させる電圧発生手段、中で誘起される電圧が媒体中の電流の流れと関連する磁 場の指標であるよう配置されたコイル手段、および。

コイル手段中の測定電圧の、電極手段へ付与された電圧の周波数に対する曲線Ｚ つくり上げるためのプロセッサ手段、から成る。

有利には、プロセッサはプロファイ、ＦＩ／を記憶するための記憶手段を含んで いる。

適切には、室は媒体が連続的に流れる導管から成り、そして。

好ましくは、導管は円筒状であり、コイル手段はその円筒の軸に対して直角の軸 乞もつ螺旋状コイルから成る。

もう一つの形態においては、本発明は媒体中の生物学的粒子の状態を調べる装置 にあり、その装置は、使用時に媒体で以て満たされる室、電圧を媒体中に誘起さ せるための駆動コイル手段、この駆動コイル手段へ可変周波数の交流電圧乞付与 するための電圧発生器手段、中で誘起される電圧が媒体中の電流の流れと関連す る磁場の指標であるよう配置された検出器コイル手段。

および駆動コイル手段へ付与した電圧の周波数に対する検出器コイル手段中の測 定電圧のプロファイＡ／Ｙつくり上げるためのプロセッサ手段、かう成る。

有利には、上記の電圧発生器手段は、各種の周波数において駆動コイルに一定の 大きさの電流χ維持するよ５に１発生される交流電圧の大きさを変えるよう適合 させる。

同一懸濁液について異なる時間においてインピーダンス／周波数のプロファイル を得ることによって、生育可能バクテリアの割合の変化で以て証明できるアルフ ァーおよびベーター分散のウェイティング（ｗｅ　ｉｇｈｔ　ｉ　ｎｇ）の変化 を検出することか、比較ン通じて可能である。バクテリアの例においては、生育 可能バクテリアと細胞質が失なわれてしまったこわれた細胞壁から成る「ゴース ト」とｔ区別することが必要である。「ゴースト」はアルファー分散に寄与する ものであり、それは外側のセル層と関連するが、ベーター分散へは寄与しないと 信じられている。

アルファー分散のウェイティ７グの相対的増加は従って生育可能セルの数の減少 と解釈できる。

もう一つの面において５本発明は、媒体の本体中乞通る交流電流によって誘起さ れる電圧を増幅し、この電圧を媒体へ印加して共鳴を励起し、共鳴周波数を測定 することから取る。媒体中の生物学的粒子の濃度を調べる方法にある。

さらにもう一つの面においては、本発明は、媒体中の生物学的粒子の濃度を調べ る装置にあり、その装置は、使用時に媒体で以て満たされる室、その室中の媒体 ン横切って電圧を付与するだめの電極手段、中で誘起される電圧が媒体中を通る 電流の流れと関連する磁場の指標であるように配置されたコイル手段。

この誘起電圧を電極手段へ共鳴乞励起する方式で提供するための増幅器手段、お よびその共鳴周波数を測定する手段、かう成る。

本発明はここで図面を参照しながら例で以て説明する。

第１図は本発明において使用するためのテストセルを多少線図的に描いており。

第２図は第１図のテストセル？含む本発明による装置のブロック線図であり、 第５８）、ｂ）、およびＣ）図は例証的な周波数プロットであり。

第４図は本発明による別法装置のブロック線図であり。

第５図は本発明のもう一つの具体比による装置の部分線図であり。

第６図は本発明において使用するためのテストセルの変種を描いており。

第７　ａ）　、　ｂ）　、およびＣ）は例証的周波数プロットであり。

第８図は本発明によるもう一つの装置の勝因である。

第１同音参照すると、両端に電極１２および１４乞接合したシリカまたはパイレ ックスガラスの管１０かも成る、本発明によるテストセルが示されている。電極 は同じものであり、ガラス管の端をとっかこむカップ部分１６から成り、カップ 部分の内側表面は切り込みをつけて滑らかな複合体表面を保証する。

電極は開口２０へ開く円錐内面ｔもち試料流体の入口／出口として役立つ。慣用 的形態の電極コネクタ２２が各電極上に設けられている。電極の間で、管１０は その外面上にすき間なく巻いた螺旋コイル２４を担持している。コイル２４は管 軸に直角のコイルの軸で以て適当なフォーマ−（図示せず）上に配置される。

ガラス管中に導電性媒体がある場合に、電極１２および１４間の交流電圧の付与 は媒体中の電流通過音もたらし、これは振動磁場をつくり出しコイルに電圧を誘 起し、コイルの巻線がこの磁場を切ることは理解される。

第２図を参照すると、ここではこの誘起電圧および周波数によるそれの変動から 情報ｔひき出すための系が記載されている。

第１図に示すテストセｋＹ、媒体貯槽５０、駆動ポンプ５２゜および水浴５４と 連結し、一定温度でセル中ン流れる試料の均質流を確立てるようにする。別の配 列としては、試料をバイオリアクターの室または供給配管から転換させ、温度浴 乞通してセルへ送ってもよい。信号発生器５６χ電極１２および１４とつないで 、それらの電極間に固定振幅で選択された周波数の正弦波電圧乞付与する。プロ セッサ５８を信号発生器５６へつないでこの信号発生器に周波数範囲全体を走査 させる。プロセッサ５８は信号振幅、周波数サンプル点の数、サンプル間のおく れ、一つの周波数についての繰返しサンプル数、および関係周波数範囲の予備選 択を可能にする。

コイル２４中で誘起される交流電圧は低周波数において高利得をもつ増幅器４０ へ送られる。増幅器の応答はファラデー則に従って誘起電圧の周波数変動を低周 波数において補償するように選ばれる。より高い周波数においては、誘起電圧は 十分に高く増＠を必要としない。増幅器４０の出力はアナログ−デジタル変換器 ４２を通してプロセッサ５８へ送られる。

適切なサンプル採取馨通じて、プロセッサは誘起電圧対周波数のグラフをつくり 上げるが１例えば特定の周波数帯域において５００個のデータ値乞含む。Ｅ・コ リの懸濁体についてのその種のグラフは第５８）図に示す。定性的比較は、生存 バクテリアの割合の変化の指標であるアルファーおよびベーター分散の相対的ウ ェイトの変ｒヒがあることを示している。定量的評価を可能にするために、バク テリアＺ除いた媒体についてのグラフχつくり上げることができる。これは、例 えば第４図に示す装置を使用して達成することができ、図において、試料の流れ は直接的にテストセルへ取るかあるいはバクテリアまたは他の生物学的粒子を分 離するよう配置したフィルタ５０乞通して取ることができる。バクテリア抜きの 媒体についてつくった数値的プロファイル乞プロセッサに記憶し、その後のプロ ファイル評価のためのベースラインとして用いる。媒体だけについての周波数プ ロットの例は第５ｂ）図に示す。

第５ｂ）図のプロット（媒体のみ）を第５８）図のプロット（媒体十Ｅ・コリ） から減算した結果は第５Ｃ）図のプロットＩに示される。約１ＱＱＨｚにおける 最大と約５５０　Ｈｚにおける最小との間の部分はアルファー分散と解釈するこ とができ、電圧に関してのこれら２点間の差はアルファー分散の強さの指標であ る。上述のとおり、アルファー分散は外側の細胞膜と関連する。プロット■はバ クテリアの一部が死滅した懸濁液に相当する。定性的には、アルファー分散の強 さが増したことを見ることができる。定量的分析のためには、アルファーおよび ベーター分散の相対的ウェイティングの比較がなされ、ベーター分散はより高い 周波数１代表的には５０ＭＨｚにおいて見出される。

ここで第５同音参照すると１本発明のもう一つの具体比が示されている。媒体用 の循還通路は並列路１１０ａ、１１０ｂ；　貯槽１１２；　温度調節浴１１４； 　および駆動ポンプ１１６を通して確立される。並列の脚１１０ｂはその外側表 面に、流路に直角で紙面に平行な軸で以て巻かれたコイル１１８を担持している 。プロセッサ１２０からの制御下で信号発生器１２２は交流電圧ｔコイル１１８ に対し選択されかつ可変の周波数で交流電圧ン付与する。信号発生器とコイルの 間の連結は直列精密抵抗器１２４ン含み、タップがこの抵抗器から取られて信号 発生器内の電流感知を可能にする。

周波数がいかなるものであっても、一定の駆動電流かコイル１１８中で流れるこ とが重要であり、従って信号発生器１２２内で、もし感知電流（精密抵抗器１２ ４に渡る電圧によって表わされる）がプリセット電流レベルから外れる場合には 誤差信号乞発生するコンパレータが含まれる。もし感知電流が所望電流以下に落 ちる場合には、信号発生器によって付与される電圧の振幅が増される。この一定 電流の条件が周波数の有用範囲にわたって満たされることｔ可能にするためには 、信号発生器は電力増幅器を含む。

コイル１１８によってつくり出される振動磁場は媒体中にある電圧乞誘起して通 路の長さに沿って電流を流させる。この電流は平行流路１１０ａと１１０ｔｌ循 還する傾向がある。この電流乞検出するために、検出器コイ＃１２６が脚１１０ ａの外側に配置される。このコイルはコイル１１８と類似であるが、紙面に垂直 な軸ｔもっている。この検出器コイル１２６中で誘起された電圧は増幅され、整 流されて、データ・ロガー１２８へ送うれる。プロセッサ１２０はさらに慣用的 方式でプリンタ１５０、　プロッタ１５２、ＶＤＵ　１５４オヨヒキ−ホ−ｔ” １５６へ接続される。

操作に際しては、プロセッサは駆動コイル１１８へ印加される電圧の周波数ン所 望の周波数帯域全体にわたって掃引させる。

記述のとおり、駆動コイル中の電流が感知できる程度に一定であることが保証さ れる。周波数掃引全体にわたって、検出器コイル１２６中の電圧がサンプリング される。一つの例においては、栄養媒体中で１４．５容積係のＥ・コリの懸濁液 が並列脚１１０ａ、１１０ｂの中へ通された。印加電圧の周波数は５００Ｈｚか ら５ＱＱＫＨｚへ掃引された。周波数に対する検出器コイル電圧のプロファイル がつくられ、第７ａ図に示されている。この周波数掃引ｗ濾過によってバクテリ ア乞除去した媒体で以て繰返し、媒体だけについてのプロファイルが第７ｂ図に 示されている。この図において、鎖線は流路中のオーミック液体で以て得られる 検量線を表わす。第７ａ図と第７ｂ図のグラフを減算し合うことによって、第７ Ｃ図のグラフがつくられ、これはバクテリア単独に関する所望の情報乞含む。こ の図において、アルファー分散が明瞭に見られる。バクテリア集団の寿命中の繰 返し測定で以て、アルファー分散のクエイテイングの変化を上述のとおりに測定 できる。

もう一つの変形においては、きわめて高い周波数で使用するのに適するテストセ ルが第６図に示されており、そこでは、第１図のガラス管が非伝導性フォーマ− １５４のまわりに巻かれた軟質ＰＴＦＥ管１５２によって置き換えられている。

コイル１５４はＰＴＦＢ管１５２の周りでオーブン巻きになっている。

もう一つの観点において、この変形テストセルは第１図に記載の方式と類似の方 式で使用される。

本発明に従うさらにもう一つの別法配置においては、テストセルは、セル中味が その系の共鳴周波数を決定する際の支配的役割をもつよう、閉発振回路の中へ組 込まれる。これは導電性セル内容物とフィードコイルとの間の磁束鎖交を高ゲイ ン増幅器の入力と出力との間の正滞還路として使用することによって達成される 。増幅器応答は応用に応じて広帯域あるいは周波数制御することができるが、し かしいずれの場合においても、振幅依存ゲイン系ｔもちそれによって１反応性成 分か主要変数であるか電導度の測定される範囲か低すぎて発振音維持できない流 体を、その系にモニタさせるように設計することができる。

第８図を参照すると、検出器コイルは増幅器１６０の高インピーダンス入力へ接 続され、そして必要なときに、駆動コイルまたは電極が増幅器の低インピーダン ス入力から供給される。実際には、各コイルの一端または電極の一つχ接地する 。出力は増幅器の中間段から高分解能カウンタ１６２へとられ、共鳴発振期間を 測定する。

振動の周波数が媒体中で懸濁する生存バクテリアの集団とともに変動することが 見出されている。生存バクテリアの数の減少は周波数の減少によって識別される 。この挙動は細胞壁の破壊時におこる媒体中への追加的電解質の放出によって説 明することができる。生存細胞の数の減少はそれゆえ誘電的成分の減少χもたら すがしかし電解質電導Ｚ増丁。従って時定数が増し。

共鳴の周波数が落ちる。

本発明は例示のためだけで説明してきたが、各種の変形が本発明の領域から外れ ることなしに可能であることか理解されるはずである。このように、全体７通じ て、媒体が連続的に通るテストセルについて言及してきたが１本発明による装置 はテストセル中の定常容積の媒体で以て、あるいは実際に、プローブの方式で試 料本体中に浸漬した電極で以て１機能することができる。

分析に関しては、一つの特定バクテリア、Ｅ・コリ、の場合に、アルファー分散 の強度の探求が生存に関する有用情報を示すことが発見されたのである。その他 の環境下でかつ各種の微生物の場合には、別の形態の分析が適切である。

本発明は各種の形態において、集団中の生存しているバクテリアの割合を測定す る際に特定の応用をもつが、しかし、懸濁液、スラリーあるいはコロイドであっ てよい媒体の中の生物学的粒子の濃度の研究においてその他の応用ｔもっことが できる。

記述の方法の部分において１本発明による装置は、参照水準乞提供するために、 生物学的物質を分離した媒体のインピーダンス乞決定するのに用いられる。この 用法は媒体のインピーダンス（あるいは電導度）の測定が主要関心事である場合 へ延長できる。

浄書（内容に変更なし］ Ａでルト（をＨヒ♂・ンタ１竣） ！５４ 肥Ｌ　Ｌ　（’、１ｉｒＪ ９Ｌｌ：＞　チ　リ　）　〒　０ ヤ九に６１老ノ 手続補正書（方式） 昭和６１年　６月ζ日 特許庁長官　宇　賀　道　部　殿 １、事件の表示 ＰＣＴ／ＧＢ８５１００１５０ ２、発明の名称 生物学的粒子の状態の調査 ３、補正をする者 事件との関係　出　願　人 住所 名　称　パブリック・ヘルス・ラボラトリ−・サーヴイス・ボード ４、代理人 住　所　東京都千代田区大手町二丁目２番１号新大手町ビル　２０６号室 国際調査報告 ＡＮＮＥＸ　Ｔｏ　Ｔｈ−ＩＮＴＥＲＮＡτＺＯＮＡＬ　５ＥＡＲＣＨＲＥＰＯ ＲＴ　０１ｎＩＮＴＥＲＮＡＴＩＯＮＡＬ　ＡＰＰＩ、ＩＣＡＴＩＯＮ　Ｎｏ、 　ＰＣＴ／ＣＢ　８５１００１５０　（ＳＡ　９４２９）

Claims (17)

【特許請求の範囲】
1. １．媒体中の生物学的粒子の状態を調べる方法であつて、媒体本体を横切つて変 化する周波数の交流電圧を付与し；媒体と隣接する検出器コイルの中で誘起され る電圧をモニタし；媒体および粒子の複合アドミツタンスの周波数プロフアイル を得る；各段階から成る、方法。
2. ２．媒体から生物学的粒子を分離するもう一つの段階を含み；交流電圧を付与し 誘起電圧をモニタして媒体アドミツタンス単独の周波数プロフアイルを得る；請 求の範囲第１項に記載の方法。
3. ３．上記の交流電圧が間隔を置いた電極の間に付与される、請求の範囲第１項ま たは第２項に記載の方法。
4. ４．検出器コイルが上記電極間の配管に直角である軸をもつ螺旋コイルから成る 、請求の範囲第３項に記載の方法。
5. ５．上記交流電圧が駆動コイルを通して誘起される、請求の範囲第１項または第 ２項に記載の方法。
6. ６．駆動コイルが変化する周波数の交流駆動電圧によつて励起され、駆動電圧の 大きさが周波数が変動するにつれて変動して駆動コイル中の電流の大きさが一定 に保たれる、請求の範囲第５項に記載の方法。
7. ７．媒体中の生物学的粒子の状態を調べる装置であつて、使用時に媒体で以て満 たされる室；室中の媒体を横切つて電圧を付与する電極手段；この電極手段に選 ばれた周波数の交流電圧を発生させるための電圧発生器手段；中で誘起される電 圧が媒体中の電流の流れと関連する磁場の指標であるように配置されたコイル手 段；および、電極手段へ付与される電圧の周波数に対するコイル手段中の測定電 圧のプロフアイルを集めるためのプロセツサ手段；から成る装置。
8. ８．プロセツサがプロフアイルを記憶するための記憶手段を含む、請求の範囲第 ７項に記載の装置。
9. ９．室が、媒体が連続的に流れることができる導管から成る、請求の範囲第７項 または第８項に記載の装置。
10. １０．導管が円筒状であり、コイル手段がその円筒の軸に対して直角である軸を もつ螺旋コイルから成る、請求の範囲第９項に記載の装置。
11. １１．電極手段が導管の各端における電極から成り、両電極がそれを通して媒体 の流れを許すよう開口している、請求の範囲第９項または第１０項に記載の装置 。
12. １２．媒体中の生物学的粒子の状態を調べる装置であつて、使用時に媒体で以て 満たされる室；媒体中で電圧を誘起させるための駆動コイル手段；この駆動コイ ル手段へ可変周波数の交流電圧を付与するための電圧発生器手段；中で誘起され る電流が媒体中の電流の流れと関連する磁場の指標であるように配置した検出器 コイル手段；および、駆動コイル手段へ付与した電圧の周波数に対する検出器コ イル手段中の測定電圧のプロフアイルを集めるためのプロセツサ手段；から成る 装置。
13. １３．プロセツサがプロフアイルを記憶するための記憶手段とプロフアイルを比 較するためのコンパレータ手段とを含む、請求の範囲第１２項に記載の装置。
14. １４．上記駆動コイル手段と検出器コイル手段が相互に直角な軸で以て配置され たそれぞれの螺旋コイルから成る、請求の範囲第１２項または第１３項に記載の 装置。
15. １５．上記の電圧発生器手段が、変化する周波数において駆動コイル中で一定の 大きさの電流を保つように、発生される交流電圧の大きさを変えるように適合さ れている、請求の範囲第１２項から第１４項のいずれかに記載の装置。
16. １６．上記電圧発生器が、駆動コイル手段の中の電流を感知するための電流感知 手段、プリセツト可能な基準電流手段、および、感知された電流がプリセツト基 準電流と異なるときに誤差信号をつくり出すコンパレータ手段、から成る、請求 の範囲第１５項に記載の装置。
17. １７．使用時に媒体で以て満たされる室；室中の媒体を横切つて電圧を付与する 手段；中で誘起される電圧が媒体を通る電流の流れと関連する磁場の指標である ように配置したコイル手段；上記の誘起電圧を共鳴を励起するように上記の電圧 を付与するための手段へ提供する増幅手段；および、共鳴周波数を測定する手段 ；から成る、媒体中の生物学的粒子の状態を調べるための装置。