WO2013125119A1 - 粒子検出装置 - Google Patents

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WO2013125119A1
WO2013125119A1 PCT/JP2012/080856 JP2012080856W WO2013125119A1 WO 2013125119 A1 WO2013125119 A1 WO 2013125119A1 JP 2012080856 W JP2012080856 W JP 2012080856W WO 2013125119 A1 WO2013125119 A1 WO 2013125119A1
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WO
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light
particles
fluorescence
filter
main surface
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PCT/JP2012/080856
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春樹 上山
藤田　英明
友規 加茂
暁大 鈴木
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シャープ株式会社
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    • G01N15/06—Investigating concentration of particle suspensions
    • G01N15/0606—Investigating concentration of particle suspensions by collecting particles on a support
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    • G01N21/62—Systems in which the material investigated is excited whereby it emits light or causes a change in wavelength of the incident light
    • G01N21/63—Systems in which the material investigated is excited whereby it emits light or causes a change in wavelength of the incident light optically excited
    • G01N21/64—Fluorescence; Phosphorescence
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    • G01N21/64—Fluorescence; Phosphorescence
    • G01N21/6486—Measuring fluorescence of biological material, e.g. DNA, RNA, cells

Definitions

  • the present invention relates to a particle detection device, and more particularly to a particle detection device that detects biologically derived particles.
  • Patent Document 1 As an apparatus for counting microorganisms that are biological particles, for example, Japanese Patent Application Laid-Open No. 2008-1287935 (hereinafter referred to as Patent Document 1) immobilizes microorganisms on the surface of a collecting means such as a membrane filter and penetrates a fluorescent staining reagent.
  • a technique for detecting a microorganism by irradiating a fluorescent dye with excitation light such as laser light to obtain a fluorescent image of the surface and extracting a light emitting point from the fluorescent image is disclosed.
  • Such noise components are limited only by the separation of excitation light by a filter, and sufficient fluorescence detection sensitivity may not be obtained. In particular, in high-sensitivity measurement, the detection accuracy is reduced.
  • the present invention has been made in view of such problems, and an object of the present invention is to provide a particle detection apparatus that detects biologically-derived particles with high sensitivity.
  • the particle detection device has a main surface, and is collected on the main surface, a collecting member for collecting particles on the main surface, and An irradiation unit for irradiating the excited particles with excitation light, a light receiving unit for receiving fluorescence emitted from the particles by irradiating the particles collected on the main surface with excitation light, and on the main surface
  • a heating unit for heating the collected particles and a detection unit for detecting biologically-derived particles from the particles collected on the main surface based on the fluorescence intensity at the light receiving unit, and an irradiation unit
  • a filter for cutting a component scattered by particles collected on the main surface of the excitation light irradiated from the irradiation unit, which is installed between the main surface and the main surface.
  • the main surface is specular and the fluorescence is specularly reflected at the main surface.
  • the filter is a low pass filter.
  • the cutoff wavelength ⁇ s of the low-pass filter is ⁇ s ⁇ 430 nm.
  • the particle detector further includes a high-pass filter disposed between the main surface and the light receiving unit, and the cutoff wavelength ⁇ s of the low-pass filter and the cutoff wavelength ⁇ 1 of the high-pass filter satisfy ⁇ 1 ⁇ ⁇ s.
  • FIG. 33 is a graph showing measurement results of stray light amount and fluorescence intensity when each of the four types of filters shown in FIG. 32 is used.
  • the particle detection device in the present embodiment is a device for detecting particles derived from organisms such as pollen, microorganisms, and mold. First, the principle of detecting biological particles using the particle detection apparatus according to the present embodiment will be described.
  • FIG. 1 is a graph showing changes in fluorescence intensity of biological particles before and after heating and changes in fluorescence intensity of dust before and after heating.
  • FIGS. 2 to 6 are diagrams showing a process for detecting biological particles. Referring to FIG. 2, first, particles are collected on a collection substrate 510 (collection step).
  • the collection substrate 510 is disposed opposite to the electrostatic needle 530, and a potential difference is generated between the collection substrate 510 and the electrostatic needle 530.
  • the particles 600 suspended in the air are charged around the electrostatic needle 530.
  • the charged particles 600 are adsorbed on the surface of the collection substrate 510 by electrostatic force.
  • the particles 600 collected on the collection substrate 510 include biological particles 600A and dust 600B such as chemical fiber dust.
  • the intensity of the fluorescence emitted from the particle 600 before heating is measured.
  • excitation light is irradiated toward the particles 600 collected on the collection substrate 510 from the light emitting element 550 such as a semiconductor laser, and the fluorescence emitted from the particles 600 is received by the light receiving element 565 through the lens 560. To do.
  • the particles 600 collected on the collection substrate 510 are then heated using a heater 520. After the heating, the collection substrate 510 is cooled.
  • the intensity of the fluorescence emitted from the heated particle 600 is measured.
  • the fluorescence intensity emitted from the dust 600B is not changed by the heat treatment, whereas the fluorescence intensity emitted from the biological particle 600A is increased by the heat treatment. For this reason, in this process, the fluorescence intensity having a value larger than the fluorescence intensity measured in the fluorescence measurement process before heating in FIG. 3 is measured.
  • FIG. 7 is a graph showing the relationship between the fluorescence intensity increase ⁇ F before and after heating and the concentration of biological particles.
  • the increase amount ⁇ F1 of the fluorescence intensity is calculated from the difference between the fluorescence intensity before heating and the fluorescence intensity after heating.
  • the biological particle concentration N1 corresponding to the calculated increase amount ⁇ F1 is specified.
  • the correspondence relationship between the increase amount ⁇ F and the biological particle concentration N is experimentally determined in advance.
  • FIG. 6 shows the refresh process shown below.
  • the particles 600 that have been detected from the biological particles are removed from the collection substrate 510 by scraping them out with a brush (not shown).
  • the particle detection apparatus in the present embodiment uses the detection principle described above to detect biologically derived particles such as pollen, microorganisms, and mold.
  • the light emitted from the light emitting element 550 such as a semiconductor laser includes a noise component, and the noise component is included in the light receiving intensity of the light receiving element 565 as stray light.
  • FIG. 8 is a diagram for explaining a detection state in an ideal state. That is, referring to FIG. 8, in the ideal state, the stray light component is removed by taking the difference before and after heating, and only the increase in fluorescence intensity before and after heating is detected. That is, the difference represents the microbial signal.
  • FIG. 9 is a diagram showing the relationship between the increase in stray light due to cleaning residues and the dynamic range of fluorescence intensity. Referring to FIG. 9, when stray light increases due to cleaning residues, the dynamic range of the detected fluorescence intensity decreases, which is insufficient for detecting the fluorescence intensity. As a result, the measurement accuracy of the fluorescence intensity decreases.
  • the size (shape) of the cleaning residue may change due to heating.
  • 10 and 11 are photomicrographs of the surface of the collection substrate 510 with cleaning residues before and after heating, respectively. As shown in FIGS. 10 and 11, it can be seen that the particle size (shape) of the cleaning residue changes due to heating. For this reason, the 2nd subject that the amount of stray light before and behind heating changes with cleaning residues arises. A change in the amount of stray light before and after heating causes an increase in measurement error of fluorescence intensity.
  • FIG. 12 is a diagram showing the relationship between the change in the amount of stray light before and after heating due to the cleaning residue and the measurement error of the fluorescence intensity.
  • the stray light amount after heating is lower than the stray light amount before heating, the increase in fluorescence intensity is offset by the decrease, and the increase in fluorescence is less than the actual increase. The measurement error that it will be measured arises.
  • the simplest method for solving the first and second problems is to eliminate cleaning residues. For this purpose, it is necessary to improve the performance of the brush, but not only particles to be collected but also nitric acid and nitrate compounds are generated on the collection substrate due to ozone during electrostatic collection. As such, it is difficult to remove them completely.
  • the particle detection apparatus includes an optical system that does not become stray light even if the cleaning residue is present on the collection substrate, thereby suppressing the influence of the cleaning residue on the detection accuracy.
  • the first cause of stray light generated by the cleaning residue is that excitation light is scattered by unevenness of the cleaning residue.
  • FIG. 13 is a graph showing a specific example of the filter characteristics of the long pass filter.
  • the horizontal axis of the graph in FIG. 13 indicates the wavelength of light.
  • the unit of wavelength is nm.
  • the vertical axis of the graph in FIG. 13 indicates the transmittance of the filter and the spectral intensity of light.
  • the unit of the transmittance of the filter is%.
  • the spectral intensity of light indicates the relative value of the spectral intensity at each wavelength when the wavelength at which the spectral intensity of excitation light or fluorescence is maximum is 100.
  • the curve (2) is the spectrum intensity of the excitation light from the semiconductor laser element
  • the curve (3) is the spectrum intensity of the fluorescence emitted from the mold fungus irradiated with the excitation light. Indicates.
  • the long pass filter has a characteristic of substantially blocking light having a wavelength of about 440 nm or less and substantially transmitting light having a wavelength of about 500 nm or more.
  • the long-pass filter has a characteristic as a high-pass filter (or a low-cut filter) that blocks light having a wavelength equal to or smaller than a predetermined threshold and transmits light having a wavelength equal to or larger than the threshold.
  • the excitation light from the semiconductor laser has a peak value of optical spectrum intensity at a wavelength of about 400 nm.
  • the fluorescence F from Aspergillus oryzae has a spectrum measured in a wavelength region of about 460 nm or more, and has a peak value of optical spectrum intensity at a wavelength of about 530 nm.
  • the long-pass filter having the filter characteristics of the curve (1)
  • most of the excitation light having the optical spectrum intensity shown in the curve (2) is absorbed by the long-pass filter, and the light incident on the light receiving element is substantially blocked.
  • the fluorescence having the light spectrum intensity indicated by the curve (3) enters the light receiving element while maintaining the light spectrum intensity substantially.
  • FIG. 14 is an enlarged view of a portion where the optical spectrum intensity of the excitation light represented by the curve (2) in FIG. 13 is low.
  • the pumping light from the semiconductor laser shown by the curve (2) has a weak low component on the long wavelength side.
  • the weak long wavelength component included in the excitation light is not blocked by the long pass filter having the filter characteristic of the curve (1), and thus is considered to be a main factor of stray light.
  • a low-pass filter (or a high-cut filter) is used to block light incident on the light receiving element of the long wavelength component of the excitation light.
  • the cleaning residue emits fluorescence when irradiated with excitation light.
  • ozone is generated by applying a high voltage between the collection substrate 510 and the electrostatic needle 530 and performing corona discharge.
  • Nitrogen oxide is generated at the time of ozone generation, and nitric acid is generated by the reaction of the nitrogen oxide with moisture in the air.
  • the produced nitric acid adheres to the collection substrate.
  • it is accumulated on the collection substrate as a nitrate compound such as nitrate.
  • Nitric acid and nitrate compounds are phosphors, and are known to emit fluorescence containing a large amount of infrared components when irradiated with laser light.
  • an IR (infrared) cut filter is provided in front of the light receiving element to block incident infrared component to the light receiving element.
  • FIG. 15 is a perspective view showing an appearance of the particle detection device 1 according to the present embodiment.
  • FIG. 16 is a perspective view showing an exploded state of the particle detector 1 shown in FIG.
  • FIG. 17 is an exploded perspective view showing details of the configuration of the particle detection device 1.
  • the particle detection device 1 according to the present embodiment is a device for detecting biological particles such as pollen, microorganisms, and mold.
  • the particle detection apparatus 1 in the present embodiment includes an upper cabinet 2 as a first casing and a lower cabinet 5 as a second casing.
  • the upper cabinet 2 has a substantially rectangular flat plate shape.
  • the lower cabinet 5 has a substantially rectangular parallelepiped container shape having a bottom and opening in one direction. The upper cabinet 2 and the lower cabinet 5 are assembled so that the upper cabinet 2 closes the opening of the lower cabinet 5 in a lid shape to form a hollow cabinet having a substantially rectangular parallelepiped shape.
  • Each device constituting the particle detection device 1 such as the collection unit 60, the excitation optical system 20, the light receiving optical system 30, and the cleaning unit 96 is accommodated in the cabinet except for the fan 92.
  • the cabinet has a size of 60 mm ⁇ 50 mm (length and width of the upper cabinet 2) ⁇ 30 mm (height).
  • the upper cabinet 2 is integrally formed with a collecting cylinder 4 as a cylindrical member.
  • the collection tube 4 has a hollow cylindrical shape, one end of which is attached to the lower surface of the upper cabinet 2 and extends from the upper cabinet 2 toward the inside of the particle detection device 1.
  • the upper cabinet 2 is formed with an introduction portion 3 penetrating a part of the upper cabinet 2 in the thickness direction, and the outside of the particle detection device 1 communicates with the inside of the collection tube 4 through the introduction portion 3. ing.
  • the collection cylinder 4 is provided so as to surround an electrostatic needle 62 described later. Air containing particles is introduced into the collection tube 4 from the introduction part 3.
  • the collection tube 4 guides air containing particles toward the substrate 10 positioned facing the electrostatic needle 62.
  • the fan 92 is attached outside the bottom surface of the lower cabinet 5.
  • An opening is formed on the bottom surface of the lower cabinet 5 to which the fan 92 is attached.
  • the opening is formed so as to include a range facing the collection tube 4 and a range facing the brush 97 described later, and is continuously formed in a range facing the collection tube 4 and a range facing the brush 97. Yes.
  • the fan 92 can be rotationally driven in the forward direction and the reverse direction. By driving the fan 92 in the forward rotation direction, the air in the internal space of the particle detection device 1 is discharged to the outside of the particle detection device 1 through the fan 92. By driving the fan 92 in the reverse direction, air outside the particle detection device 1 is introduced into the internal space of the particle detection device 1 through the fan 92.
  • the fan 92 is also used for collecting particles in the particle detection device 1, cooling the particles after heating, and cleaning the substrate 10 for collecting the particles. Thereby, size reduction and cost reduction of the particle
  • the particle detection device 1 includes a collection unit 60.
  • the collection unit 60 collects particles contained in the air on the main surface 11 of the substrate 10 as a collection member.
  • the collection unit 60 includes a collection power supply circuit 61 that is a high-voltage power supply and an electrostatic needle 62 as a discharge electrode.
  • the substrate 10 has a main surface 11.
  • the substrate 10 is provided as a collecting member that collects on the main surface 11 particles obtained by mixing biological particles and dust such as chemical fiber dust.
  • the substrate 10 is formed of a silicon flat plate.
  • a conductive transparent film is formed on the main surface 11 of the substrate 10 that adsorbs particles.
  • the substrate 10 is not limited to silicon, and may be formed of glass, ceramic, metal, or the like.
  • the film is not limited to a transparent film, and for example, a metal film may be formed on the surface of the substrate 10 made of ceramic or the like.
  • a metal film may be formed on the surface of the substrate 10 made of ceramic or the like.
  • substrate 10 is formed from a metal, it is not necessary to form a film on the surface. If the substrate 10 is a silicon substrate, the material itself is inexpensive, and mirror processing of the main surface 11 and formation of a conductive coating on the main surface 11 are easy.
  • the collection power supply circuit 61 is provided as a power supply unit for generating a potential difference between the substrate 10 and the electrostatic needle 62.
  • the electrostatic needle 62 extends from the collection power supply circuit 61 and penetrates the collection cylinder 4 to reach the inside of the collection cylinder 4.
  • the substrate 10 is disposed to face the electrostatic needle 62.
  • the electrostatic needle 62 is electrically connected to the positive electrode of the collection power supply circuit 61.
  • the film formed on the main surface 11 of the substrate 10 is electrically connected to the negative electrode of the collection power supply circuit 61.
  • the electrostatic needle 62 may be electrically connected to the positive electrode of the collection power supply circuit 61, and the coating formed on the substrate 10 may be connected to the ground potential. Alternatively, the electrostatic needle 62 may be electrically connected to the negative electrode of the collection power supply circuit 61 and the coating formed on the substrate 10 may be electrically connected to the positive electrode of the collection power supply circuit 61.
  • the fan 92 When the fan 92 is driven in the forward direction, the air inside the cabinet of the particle detector 1 is exhausted, and at the same time, the air outside the cabinet is introduced toward the substrate 10 through the collection tube 4. At this time, when a potential difference is generated between the electrostatic needle 62 and the substrate 10 by the collecting power supply circuit 61, particles in the air are charged to the positive electrode around the electrostatic needle 62. The particles charged to the positive electrode move to the substrate 10 by electrostatic force and are collected by the substrate 10 by being adsorbed by the conductive film formed on the main surface 11 of the substrate 10.
  • particles are collected on the substrate 10 by electrification collection using electrostatic force.
  • the particles can be reliably held on the substrate 10 when the particles are detected, and the particles can be easily removed from the substrate 10 after the particles are detected.
  • the needle-like electrostatic needle 62 as the discharge electrode, the charged particles are attracted to the surface of the substrate 10 facing the electrostatic needle 62 and to a very narrow area corresponding to the irradiation area of the light emitting element described later. Can be made. Thereby, the adsorbed microorganisms can be efficiently detected in the fluorescence measurement step.
  • the particle detector 1 includes an excitation optical system 20 and a light receiving optical system 30.
  • the excitation optical system 20 has a function as a light irradiation unit that irradiates excitation light toward the particles collected on the main surface 11 of the substrate 10.
  • the light receiving optical system 30 has a function as a light receiving unit that receives fluorescence emitted from the particles in response to the excitation light irradiation from the excitation optical system 20.
  • the excitation optical system 20 and the light receiving optical system 30 constitute a fluorescence detection unit that detects fluorescence emitted from the particles collected on the substrate 10.
  • the excitation optical system 20 and the light receiving optical system 30 execute measurement of fluorescence emitted from the particles before and after heating the particles collected on the substrate 10.
  • the excitation optical system 20 includes a light emitting element 21 as a light source, excitation unit frames 22 and 23, a condenser lens 24, a lens holder 25, and a filter 26.
  • a semiconductor laser element that generates blue laser light having a wavelength of 405 nm is used.
  • the light emitting element 21 may be an LED (Light Emitting Diode).
  • the light emitted from the light-emitting element 21 may have a wavelength in either the ultraviolet or visible region as long as it excites biological particles and emits fluorescence.
  • the light receiving optical system 30 includes a metal noise shield 36, a light receiving element 34, a filter 37, a light receiving unit frame 33, a Fresnel lens 32, and a lens holder 31.
  • a photodiode or an image sensor is used as the light receiving element 34.
  • An amplification circuit 55 for amplifying a signal detected by the light receiving element 34 is provided between the light receiving element 34 and the noise shield 36.
  • the cleaning unit 96 removes the particles from the main surface 11 of the substrate 10.
  • the cleaning unit 96 includes a brush 97 as a cleaning tool and a brush fixing unit 98.
  • the cleaning unit 96 is fixedly supported with respect to the collection power supply circuit 61.
  • the brush 97 is formed from a fiber assembly having conductivity.
  • the brush 97 is made of, for example, carbon fiber.
  • the fiber diameter of the fiber aggregate forming the brush 97 is preferably ⁇ 0.05 mm or more and ⁇ 0.2 mm or less.
  • One end of the brush 97 is supported by the brush fixing portion 98, and the other end is formed as a free end depending on the brush fixing portion 98. With the free end of the brush 97 in contact with the main surface 11 of the substrate 10, the brush 97 moves relative to the substrate 10, whereby particles are removed from the substrate 10.
  • the collecting tool for removing particles from the substrate 10 is not limited to the brush 97.
  • the collecting tool may be a flat wiper that contacts the main surface 11 of the substrate 10 or a nozzle that blows air toward the main surface 11 of the substrate 10.
  • the particle detection apparatus 1 further includes a holding member 80 for mounting and holding the substrate 10 and a driving unit 70 as a moving mechanism unit for moving the substrate 10.
  • the drive unit 70 includes a rotation motor 71 that can be driven to rotate, a motor holder 72 that holds the rotation motor 71, and a motor presser 73 that positions the rotation motor 71.
  • the holding member 80 has a rotation base 81.
  • the rotating base 81 is made of a resin material having a low thermal conductivity.
  • a shaft hole 82 is formed in the rotation base 81.
  • the rotation motor 71 and the rotation base 81 are connected by inserting the output shaft of the rotation motor 71 through the shaft hole 82. As the rotation motor 71 is driven, the rotation base 81 rotates (forward rotation, reverse rotation) about the position of the shaft hole 82.
  • the holding member 80 has an arm portion 83 extending in a direction away from the rotation axis of the rotation base 81.
  • the arm portion 83 extends in the radial direction orthogonal to the rotation axis of the rotation base 81 and has a frame-shaped portion at the tip thereof.
  • the frame-shaped portion is formed in a shape that can accommodate the substrate 10.
  • the substrate 10 is mounted on the holding member 80 by being accommodated in the frame shape portion at the tip of the arm portion 83.
  • the particle detector 1 includes a heater 91 as a heating unit.
  • the heater 91 is disposed on the back side of the substrate 10 and heats the particles collected on the main surface 11 of the substrate 10.
  • a heater 91 is bonded to the back surface of the substrate 10.
  • the heater 91 moves together with the substrate 10 when the rotation base 81 rotates.
  • a plurality of wires including a power supply line to the heater 91 and a signal line of a sensor built in the heater 91 are connected to the heater 91. These wires are drawn out of the cabinet of the particle detector 1.
  • a position sensor 76 is disposed on the side surface of the lower cabinet 5.
  • the substrate 10 moves in the cabinet of the particle detector 1 by the rotation of the rotary motor 71.
  • a position sensor 76 is provided in order to detect the current position of the substrate 10.
  • FIG. 18 is a cross-sectional view of the particle detection device 1.
  • FIG. 19 is a schematic diagram illustrating the behavior of light by the optical system included in the particle detection device 1.
  • FIG. 20 is a schematic diagram showing light reflection on the main surface 11 of the substrate 10.
  • the excitation optical system 20 for irradiating the main surface 11 of the substrate 10 with the excitation light includes the light emitting element 21, the condenser lens 24, and the filter 26.
  • the cut-off wavelength ⁇ s of the filter 26 may be equal to or less than the cut-off wavelength ⁇ 1 ( ⁇ 1 ⁇ ⁇ s) in the filter function of the absorbent 32b included in the Fresnel lens 32 described later.
  • the cutoff wavelength ⁇ s of the filter 26 is ⁇ s ⁇ 430 nm.
  • FIG. 21 is a graph showing a specific example of the filter characteristics of the filter 26, and shows the respective filter characteristics when the angle between the optical axis and the principal surface is 20 degrees and 0 degrees.
  • the horizontal axis indicates the wavelength of light.
  • the unit of wavelength is nm.
  • the vertical axis represents the transmittance of the filter.
  • the unit of the transmittance of the filter is%.
  • the filter 26 has a characteristic as a low-pass filter (or a high-cut filter) that blocks light having a wavelength equal to or greater than a predetermined threshold value and transmits light having a wavelength equal to or smaller than the threshold value.
  • the excitation light EL generated by the light emitting element 21 which is a semiconductor laser element passes through the filter 26, and is not absorbed by the absorber 32b included in the Fresnel lens 32 described later, and a wavelength of about 500 nm or more that becomes a noise component is cut. Is done.
  • the excitation light EL passes through the filter 26 and is then condensed through the condenser lens 24 and irradiated on the excitation light irradiation region 104 of the main surface 11 of the substrate 10.
  • the excitation light EL is incident on the main surface 11 of the substrate 10 at an angle.
  • the alternate long and short dash line with the symbol OD ⁇ b> 1 indicates the light beam direction of the excitation light EL.
  • the light ray direction refers to a direction in which a light beam component of light (in this case, excitation light EL) travels.
  • the light beam direction OD1 of the excitation light EL can also be referred to as the optical axis of the excitation optical system 20.
  • the main surface 11 of the substrate 10 is a mirror surface.
  • the excitation light EL incident on the main surface 11 at an incident angle ⁇ is specularly reflected on the main surface 11.
  • the light that is regularly reflected by the excitation light EL on the main surface 11 forms reflected light RL.
  • the alternate long and short dash line with the symbol OD2 indicates the light ray direction of the reflected light RL. Since the excitation light EL is obliquely incident on the main surface 11 of the substrate 10, the reflected light RL that is specularly reflected by the main surface 11 is also reflected obliquely by the main surface 11.
  • the alternate long and short dash line with the symbol A indicates the optical axis of the light receiving optical system 30, that is, the optical axis of the Fresnel lens 32.
  • the light beam direction OD1 of the excitation light EL and the light beam direction OD2 of the reflected light RL intersect the optical axis A.
  • the light beam directions OD1 and OD2 are inclined with respect to the optical axis A.
  • the light beam directions OD1 and OD2 are inclined with respect to the direction in which the main surface 11 of the substrate 10 extends.
  • FIG. 20 also shows a distance T between the main surface 11 of the substrate 10 and the Fresnel lens 32.
  • the main surface 11 Since the main surface 11 is formed in a mirror surface, stray light is prevented from being generated by the excitation light EL being scattered on the main surface 11. Therefore, it is set as the structure which can prevent that the stray light becomes noise and the detection accuracy of the particle
  • the main surface 11 is a mirror surface, almost no scattered light is generated when the excitation light EL is reflected by the main surface 11, and therefore, the light receiving optical system 30 for only the reflected light RL that is regularly reflected by the main surface 11. By preventing mixing in, interference due to stray light can be prevented.
  • the filter 26 when there is a cleaning residue on the main surface 11 of the substrate 10 with the brush 97, it is included in the Fresnel lens 32 described later in the excitation light EL scattered by the unevenness of the surface.
  • the component that is not absorbed by the absorbing agent 32b becomes noise and enters the light receiving element 34, thereby preventing the detection accuracy of the particle detecting device 1 from being lowered.
  • the particles 100 are collected in the excitation light irradiation region 104.
  • the particles 100 include biological particles 101 such as microorganisms and non-biological dusts 102 such as chemical fiber dust.
  • the arrow with the symbol F indicates the fluorescence emitted by the particle 100.
  • the fluorescence F is emitted in all directions from the portion irradiated with the excitation light EL on the surface of the particle 100.
  • the fluorescence F traveling toward the light receiving optical system 30 is collected via the Fresnel lens 32 and received by the light receiving element 34 via the filter 37.
  • the Fresnel lens 32 as the condensing lens for condensing the fluorescence F, the condensing lens can be thinned, so that the particle detector 1 can be reduced in size and weight.
  • Fluorescence F is emitted from the particles 100 irradiated with the excitation light EL without directivity in all directions. A part of the fluorescence F goes directly from the particle 100 to the Fresnel lens 32, and another part of the fluorescence F is emitted from the particle 100 toward the main surface 11 of the substrate 10. If the main surface 11 is a mirror surface, the fluorescence F is specularly reflected by the main surface 11, and the reflected fluorescence F goes to the Fresnel lens 32. Therefore, the fluorescence F collected by the Fresnel lens 32 and received by the light receiving element 34 is reflected. Strength can be increased. Thereby, the detection sensitivity of the fluorescence F in the light receiving element 34 can be improved.
  • the Fresnel lens 32 By disposing the Fresnel lens 32 at a position away from the main surface 11 of the substrate 10 by a distance T, the excitation light EL toward the main surface 11 of the substrate 10 and the reflected light RL specularly reflected by the main surface 11 are reflected in the Fresnel lens 32. It does not enter.
  • the light incident on the Fresnel lens 32 is limited to only the fluorescence F emitted by the particles 100, and both the excitation light EL and the reflected light RL are not collected by the Fresnel lens 32.
  • the light receiving optical system 30 is disposed at a position where the excitation light EL and the reflected light RL are not incident on the Fresnel lens 32 and the light receiving element 34 does not receive the excitation light EL and the reflected light RL. In this way, the excitation light EL, the reflected light RL, and the fluorescence F can be reliably separated, and the excitation light EL or the reflected light RL can be prevented from becoming noise for the detection of the fluorescence F. Can be improved.
  • FIG. 22 is a schematic diagram showing a cross section of the Fresnel lens 32.
  • the Fresnel lens 32 is formed of a material having a base material 32a and an absorbent 32b finely dispersed in the base material 32a.
  • the base material 32a is formed of any material that can be used as the Fresnel lens 32, and may be formed of, for example, an acrylic material or a glass material that transmits the fluorescence F.
  • the absorber 32b absorbs light including the wavelength of the excitation light EL.
  • the absorbent 32b prevents light including the wavelength of the excitation light EL from passing through the Fresnel lens 32.
  • the Fresnel lens 32 has a filter function that blocks the excitation light EL and the reflected light RL.
  • the absorbent 32b has a long-pass filter characteristic represented by the curve (1) in FIG. That is, according to the filter characteristic shown in the curve (1), the absorbent 32b has a characteristic of substantially blocking light having a wavelength of about 440 nm or less and substantially transmitting light having a wavelength of about 500 nm or more.
  • the absorbent 32b has a characteristic as a high-pass filter (or a low-cut filter) that blocks light having a wavelength equal to or smaller than a predetermined threshold and transmits light having a wavelength equal to or larger than the threshold.
  • the excitation light EL from the semiconductor laser has a peak value of the optical spectrum intensity at a wavelength of about 400 nm, and the spectrum is not measured in other wavelength regions.
  • the fluorescence F from Aspergillus oryzae has a spectrum measured in a wavelength region of about 460 nm or more, and has a peak value of optical spectrum intensity at a wavelength of about 530 nm.
  • the Fresnel lens 32 By providing the Fresnel lens 32 with such a filter function, the excitation light EL or the reflected light RL can be blocked by the Fresnel lens 32 even if the excitation light EL or the reflected light RL is incident on the Fresnel lens 32 by mistake. it can. Therefore, since a configuration is provided in which the fluorescence F selectively passes through the Fresnel lens 32, noise can be prevented from being mixed into the light receiving element 34 that detects the fluorescence F, and the detection sensitivity of the fluorescence F can be improved.
  • the filter 37 is an IR (infrared) cut filter, and the cut-off wavelength ⁇ i may be equal to or greater than the infrared wavelength (about 780 nm).
  • the cutoff wavelength ⁇ i is ⁇ i ⁇ 650 nm.
  • FIG. 23 is a graph showing a specific example of the filter characteristics of the filter 37.
  • the horizontal axis indicates the wavelength of light.
  • the unit of wavelength is nm.
  • the vertical axis represents the transmittance of the filter.
  • the unit of the transmittance of the filter is%.
  • the filter 37 blocks light having a wavelength in the infrared region and transmits light having a wavelength shorter than that.
  • the infrared component is cut from the light transmitted through the Fresnel lens 32 and enters the light receiving element 34. Therefore, when there is nitric acid or a nitric acid compound that is a cleaning residue on the brush 97 on the main surface 11 of the substrate 10, the fluorescence containing a large amount of infrared components generated by irradiating the excitation light EL with respect thereto is noisy. Thus, the detection accuracy of the particle detection device 1 can be prevented from being lowered by entering the light receiving element 34.
  • FIG. 24 is a flowchart showing an operation flow of the particle detection apparatus 1.
  • particles 100 are collected on the main surface 11 of the substrate 10 (S101).
  • air is introduced into the cabinet of the particle detection device 1 via the introduction unit 3 to form an air flow toward the main surface 11 of the substrate 10.
  • the electrostatic needle 62 is disposed opposite to the main surface 11 of the substrate 10, and a potential difference is generated between the electrostatic needle 62 and the substrate 10 by the collection power supply circuit 61.
  • the particles 100 floating in the air are charged, and the charged particles 100 are collected on the main surface 11 of the substrate 10 by electrostatic force.
  • the excitation light EL is irradiated toward the particles 100 collected on the substrate 10 by the excitation optical system 20, and the fluorescence F emitted from the particles 100 as the excitation light EL is irradiated by the light receiving optical system 30. Is received.
  • Excitation light EL is emitted toward the particle 100 from the light emitting element 21 which is a semiconductor laser element, and at this time, the fluorescence F emitted from the particle 100 is received by the light receiving element 34 through the Fresnel lens 32. Thereby, the fluorescence intensity before the heating of the particles 100 collected on the substrate 10 is measured (S102).
  • the particles 100 collected on the substrate 10 are heated by energizing the heater 91 (S103).
  • energization to the heater 91 is stopped, and the substrate 10 is cooled (S104).
  • driving the fan 92 in the reverse direction air is introduced into the cabinet of the particle detector 1 via the fan 92 to promote cooling of the substrate 10.
  • the excitation light EL is irradiated toward the particles 100 collected on the substrate 10 by the excitation optical system 20, and the fluorescence F emitted from the particles 100 as the excitation light EL is irradiated by the light receiving optical system 30. Is received.
  • the fluorescence intensity after heating of the particles 100 collected on the substrate 10 is measured (S105).
  • the intensity of the fluorescence F before heating and the intensity of the fluorescence F after heating the amount of the biological particles 101 contained in the particles 100 collected on the substrate 10 is calculated (S106).
  • FIG. 25 is a diagram showing temporal changes before and after the heat treatment of the fluorescence spectrum of blue mold.
  • FIG. 25 shows, as an example of the biological particle 101, fluorescence spectrum measurement results before and after heat treatment (curve C1) and after heat treatment (curve C2) when the blue mold is heat treated at 200 ° C. for 5 minutes. is there. As shown in these figures, it is understood that the fluorescence intensity from the blue mold is greatly increased by the heat treatment.
  • FIG. 26 is a diagram illustrating a fluorescence spectrum before heat treatment of dust emitting fluorescence.
  • FIG. 27 is a diagram showing a fluorescence spectrum after heat treatment of dust that emits fluorescence.
  • Each of FIG. 26 and FIG. 27 is a measurement result of the fluorescence spectrum before and after the heat treatment (curve C4) when the dust that emits fluorescence is heat treated at 200 ° C. for 5 minutes.
  • curve C4 the fluorescence spectrum shown by the curve C3 and the fluorescence spectrum shown by the curve C4 are overlapped, it is verified that they almost overlap. That is, it turns out that the fluorescence intensity from dust does not change before and after the heat treatment.
  • the biological particle 101 floating in the air When the biological particle 101 floating in the air is irradiated with ultraviolet light or blue light, the biological particle 101 emits fluorescence F. However, dust that emits fluorescence, such as chemical fiber dust, is floating in the air. If only fluorescence F is detected, it is from biological particles 101 or from dust 102. Is not distinguished.
  • the biological particles 101 and dust 102 are each subjected to heat treatment, and the change in fluorescence intensity (fluorescence amount) before and after heating is measured, the fluorescence intensity emitted from the dust 102 does not change due to the heat treatment. Thus, the fluorescence intensity emitted from the biological particles 101 is increased by the heat treatment.
  • the biological particles 101 are measured by measuring the fluorescence intensity before and after heating the particles 100 in which the biological particles 101 and the dusts 102 are mixed, and obtaining the difference therebetween. Identify the amount of.
  • step (S105) a fluorescence intensity having a value larger than the fluorescence intensity measured in the fluorescence measurement before heating in step (S102) is measured.
  • the amount of increase in fluorescence intensity is calculated from the difference between the fluorescence intensity before heating and the fluorescence intensity after heating. Based on the relationship between the amount of increase in fluorescence intensity prepared in advance and the concentration of biological particles, the concentration of biological particles 101 corresponding to the calculated amount of increase can be specified. Note that the correspondence between the increase amount and the concentration of biological particles is experimentally determined in advance.
  • the particle detection device 1 in the present embodiment may be used as a single device for detecting biological particles 101, or an air purifier, an air conditioner, a humidifier, a dehumidifier, a vacuum cleaner, a refrigerator, You may incorporate in household appliances, such as a television.
  • FIG. 28 is a diagram illustrating a specific example of the appearance of the air cleaner 300 including the particle detection device 1.
  • the air cleaner 300 is an example of a particle removal device for efficiently removing the biological particles 101 detected by the particle detection device 1.
  • the air cleaner 300 includes a switch 310 for receiving an operation instruction and a display panel 330 for displaying a detection result and the like.
  • a suction port for introducing air, an exhaust port for exhausting, and the like, which are not shown, are included.
  • the air cleaner 300 includes a communication unit 350 for mounting a recording medium.
  • the communication unit 350 may be used for connecting a communication line for communicating with other devices via the Internet.
  • the communication unit 350 may be for communicating with other devices by infrared communication or Internet communication.
  • the particle detection device 1 is disposed inside the housing of the air cleaner 300. By providing the particle detection apparatus 1 that can accurately detect the biological particles 101 and can achieve downsizing, the air cleaner 300 can efficiently clean the surrounding air.
  • FIG. 29 is a block diagram illustrating a specific example of a functional configuration of the air purifier 300.
  • FIG. 29 shows an example in which the function of the signal processing unit 50 is realized by a hardware configuration mainly including an electric circuit. However, at least a part of these functions may be a software configuration that is realized when the signal processing unit 50 includes a CPU (Central Processing Unit) (not shown) and the CPU executes a predetermined program. .
  • the configuration of the measurement unit 40 is a software configuration is shown. However, at least some of these functions may be realized by a hardware configuration such as an electric circuit.
  • the signal processing unit 50 includes a current-voltage conversion circuit 54 connected to the light receiving element 34 and an integration type amplification circuit 55 connected to the current-voltage conversion circuit 54.
  • the measurement unit 40 includes a control unit 41, a storage unit 42, and a clock generation unit 43. Furthermore, the measurement unit 40 executes an input unit 44 for receiving an input of information by receiving an input signal from the switch 310 in response to an operation of the switch 310, and a process of displaying a measurement result or the like on the display panel 330.
  • the fluorescence F from the particle 100 in the excitation light irradiation region 104 is changed to the light receiving element 34. It is focused on.
  • a current signal corresponding to the amount of received light is output from the light receiving element 34 to the signal processing unit 50. The current signal is input to the current-voltage conversion circuit 54.
  • the current-voltage conversion circuit 54 detects the peak current value H representing the fluorescence intensity from the current signal input from the light receiving element 34 and converts it into the voltage value Eh.
  • the voltage value Eh is amplified to a preset amplification factor by the amplification circuit 55 and is output to the measurement unit 40.
  • the control unit 41 of the measurement unit 40 receives the input of the voltage value Eh from the signal processing unit 50 and sequentially stores it in the storage unit 42.
  • the clock generation unit 43 generates a clock signal and outputs it to the control unit 41.
  • the control unit 41 outputs a control signal for rotating the fan 92 to the driving unit 48 at a timing based on the clock signal, and controls the introduction of air by the fan 92.
  • the control part 41 is electrically connected with the light emitting element 21 and the light receiving element 34, and controls those ON / OFF.
  • the control unit 41 includes a calculation unit 411.
  • the calculation unit 411 an operation for calculating the amount of living organism-derived particles in the introduced air is performed using the voltage value Eh stored in the storage unit.
  • the concentration of the biological particles 101 in the collected particles 100 calculated by the calculation unit 411 is output from the control unit 41 to the display unit 45.
  • the display unit 45 performs a process for causing the display panel 330 to display the input microorganism concentration.
  • the display panel 330 includes a lamp for each density, and the display unit 45 identifies a lamp corresponding to the calculated density as a lamp to be lit, and turns on the lamp.
  • the lamp may be lit in a different color for each calculated density.
  • the display panel 330 is not limited to the lamp display, and may display numbers or display a message prepared in advance corresponding to the density.
  • the measurement result may be written to a recording medium attached to the communication unit 350 by the external connection unit 46 or may be transmitted to an external device via the communication unit 350.
  • the input unit 44 may accept selection of a display method on the display panel 330 according to an operation signal from the switch 310. Alternatively, the selection of whether to display the measurement result on the display panel 330 or to output it to an external device may be accepted. A signal indicating the content is output to the control unit 41, and a necessary control signal is output from the control unit 41 to the display unit 45 and / or the external connection unit 46.
  • the particle detection device 1 uses the difference in properties due to heat treatment between the fluorescence F from the biological particles 101 and the fluorescence F from the dust 102 that emits the fluorescence F, and based on the increase after the predetermined heat treatment, The originating particle 101 is detected. Therefore, even when the dust 102 that emits fluorescence F is included in the introduced air, the particle detection device 1 can accurately convert the biological particles 101 to the dust 102 that emits fluorescence in real time. Detected separately from
  • the air cleaner 300 changes the operating state according to the output of the particle detection device 1 by using the concentration of the biological particle 101 detected by the particle detection device 1, thereby changing the biological particle 101. It can be removed efficiently. That is, when the output of the particle detector 1 is large and the concentration of the biological particles 101 is high, the particle removal capability of the air cleaner 300 is improved by rotating the fan 92 at a high speed to increase the air flow rate, for example. Can do. When the output of the particle detection device 1 is small and the concentration of the biological particles 101 is low, the particle removal capability can be reduced. Therefore, the rotational speed of the fan 92 is reduced to reduce the ventilation rate, thereby reducing power consumption. Can be done.
  • the amount of stray light in state 2 is about 50% of the amount of stray light in state 1, so that the stray light amount due to the cleaning residue is reduced by about 50% by providing filter 26.
  • the stray light amount in the state 3 is about 20% of the stray light amount in the state 1, it is found that the stray light amount due to the cleaning residue is reduced by about 80% by providing the filter 26 and the filter 37. Therefore, from this experiment, it was found that the provision of the filter 26 has an effect of cutting the scattering of excitation light due to the unevenness of the cleaning residue on the substrate surface. Furthermore, it has been found that providing this filter 37 further increases this effect.
  • the fluorescence intensity measured from substrate 10 in state 2 does not change significantly from state 1, but in state 3 the fluorescence intensity measured from substrate 10 is about 90% in state 1. is there. From this, it was found that the fluorescence intensity measured from the substrate 10 was reduced by 10% or more by providing the filter 37, and the fluorescence from nitric acid and nitrate compounds as cleaning residues was cut. Therefore, from this experiment, it was found that the provision of the filter 26 has an effect of cutting fluorescence from a nitrate compound or the like that is a cleaning residue. Furthermore, it has been found that providing this filter 37 further increases this effect.
  • FIG. 32 is a diagram showing the filter characteristics of the IR filter used as the filter 37. Referring to FIG. 32, in this experiment, four types of IR filters having cutoff wavelengths of 650 nm, 700 nm, 750 nm, and 780 nm were used.
  • An IR filter having a cutoff wavelength of 650 nm blocks light having a wavelength of about 650 nm or more, an IR filter having a cutoff wavelength of 700 nm blocks light having a wavelength of about 700 nm or more, and an IR filter having a cutoff wavelength of about 750 nm is about
  • An IR filter having a cutoff wavelength of 780 nm blocks light having a wavelength of about 780 nm or more.
  • FIG. 33 is a graph showing the measurement results of stray light amount and fluorescence intensity when these four types of filters are used as the filter 37.
  • the vertical axis of the graph shows the relative value when each filter is used when the measured value when the IR filter is not used is 100.
  • both the amount of stray light and the fluorescence intensity are reduced as compared with the state without the filter 37 in any of the filters. Therefore, from this experiment, it was found that the provision of the filter 37 has an effect of cutting off the fluorescence from the nitrate compound as a cleaning residue and the scattering of excitation light due to the unevenness of the cleaning residue on the substrate surface. It was also found that these effects were obtained when the cutoff wavelength ⁇ i of the filter 37 was ⁇ i ⁇ 650 nm. Furthermore, it has been found that as the cut-off wavelength becomes shorter, the stray light amount reduction rate and the fluorescence intensity reduction rate increase, that is, the above effect increases.

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Abstract

高感度で生物由来の粒子を検出する粒子検出装置を提供する。粒子検出装置は、主表面を有し、前記主表面上に粒子を捕集するための捕集部材１０と、主表面上に捕集された粒子に励起光を照射するための照射部２１と、励起光を粒子に照射することで粒子から発される蛍光を受光するための受光部３４と、粒子を加熱するための加熱部と、受光部での蛍光強度に基づいて主表面上に捕集された粒子から生物由来の粒子を検出するための検出部とを備え、照射部と主表面との間に設置された、照射部から照射される励起光のうちの主表面上に捕集された粒子によって散乱される成分をカットするためのフィルタ２６をさらに備える。

Description

粒子検出装置
　この発明は粒子検出装置に関し、特に、生物由来の粒子を検出する粒子検出装置に関する。
　生物由来の粒子である微生物を計数する装置として、たとえば特開２００８－１２８７９３５号公報（以下、特許文献１）は、メンブレンフィルタなどの捕集手段の表面に微生物を固定して蛍光染色試薬を浸透させて、蛍光色素に対してレーザ光などの励起光を照射してその表面の蛍光像を取得し、蛍光像から発光点を抽出することで微生物を検出する技術を開示している。
特開２００８－１８７９３５号公報
　生物由来の粒子に励起光を照射して粒子からの蛍光を検知する手法において、励起光が受光部に到達するとノイズとなり、受光部における蛍光の検出感度が悪化する。特許文献１のように光源としてレーザ光源を利用する場合であってもノイズとなる成分は存在するものであり、特に高感度の測定ではそのノイズ成分が蛍光の検出感度へ影響する。
　こうしたノイズ成分は、フィルタによる励起光の分離だけでは限度があり、十分な蛍光の検出感度を得られない場合がある。特に、高感度の測定では、検出精度の低下を招くことになる。
　本発明はこのような問題に鑑みてなされたものであって、高感度で生物由来の粒子を検出する粒子検出装置を提供することを目的としている。
　上記目的を達成するために、本発明のある局面に従うと、粒子検出装置は、主表面を有し、主表面上に粒子を捕集するための捕集部材と、主表面上に捕集された粒子に励起光を照射するための照射部と、励起光を主表面上に捕集された粒子に照射することで粒子から発される蛍光を受光するための受光部と、主表面上に捕集された粒子を加熱するための加熱部と、受光部での蛍光強度に基づいて主表面上に捕集された粒子から生物由来の粒子を検出するための検出部とを備え、照射部と主表面との間に設置された、照射部から照射される励起光のうちの主表面上に捕集された粒子によって散乱される成分をカットするためのフィルタをさらに備える。
　好ましくは、主表面は鏡面であって、蛍光は主表面で鏡面反射する。
　好ましくは、フィルタはローパスフィルタである。
　より好ましくは、ローパスフィルタのカットオフ波長λｓはλｓ≧４３０ｎｍである。
　好ましくは、粒子検出装置は主表面と受光部との間に設置されたハイパスフィルタをさらに備え、ローパスフィルタのカットオフ波長λｓとハイパスフィルタのカットオフ波長λ１とはλ１≧λｓを満たす。
　この発明によると、高感度で生物由来の粒子を検出することができる。
加熱前後における生物由来の粒子の蛍光強度の変化と、加熱前後における粉塵の蛍光強度の変化とを示すグラフである。 生物由来の粒子を検出する捕集工程を示す図である。 生物由来の粒子を検出する蛍光測定工程（加熱前）を示す図である。 生物由来の粒子を検出する加熱工程を示す図である。 生物由来の粒子を検出する蛍光測定工程（加熱後）を示す図である。 生物由来の粒子を検出するリフレッシュ工程を示す図である。 加熱前後の蛍光強度の増大量ΔＦと、生物由来の粒子濃度との関係を示すグラフである。 本実施の形態にかかる粒子検出装置での、理想状態での検出状態を説明するための図である。 クリーニング残渣による迷光の増加と蛍光強度のダイナミックレンジとの関係を表わした図である。 加熱前のクリーニング残渣のある捕集基板の表面の顕微鏡写真である。 加熱後のクリーニング残渣のある捕集基板の表面の顕微鏡写真である。 クリーニング残渣による加熱前後での迷光量の変化と蛍光強度の測定誤差との関係を表わした図である。 ロングパスフィルタのフィルタ特性の具体例を示すグラフである。 図１３の曲線（２）に表わされた励起光の光スペクトル強度の低い部分を拡大して表わした図である。 実施の形態にかかる粒子検出装置の外観を示す斜視図である。 図１５に示す粒子検出装置の分解状態を示す斜視図である。 粒子検出装置の構成の詳細を示す分解斜視図である。 粒子検出装置の断面図である。 粒子検出装置に含まれる光学系による光の挙動を示す模式図である。 基板の主表面における光の反射を示す模式図である。 粒子検出装置の励起光学系に含まれるフィルタのフィルタ特性の具体例を示すグラフである。 フレネルレンズの断面を示す模式図である。 粒子検出装置の受光光学系に含まれるフィルタのフィルタ特性の具体例を示すグラフである。 粒子検出装置の動作の流れを示すフローチャートである。 アオカビ菌の蛍光スペクトルの加熱処理前後の時間変化を示す図である。 蛍光発光する埃の加熱処理前の蛍光スペクトルを示す図である。 蛍光発光する埃の加熱処理後の蛍光スペクトルを示す図である。 粒子検出装置を含む空気清浄機の外観の具体例を示す図である。 空気清浄機の機能構成の具体例を示すブロック図である。 励起光学系に含まれるフィルタおよび受光光学系に含まれるフィルタのいずれもない状態（状態１）、前者のフィルタのみを設けて後者のフィルタを設けていない状態（状態２）、および両フィルタを設けた状態（状態３）の３つの状態で、迷光量を測定した結果を表わすグラフである。 励起光学系に含まれるフィルタおよび受光光学系に含まれるフィルタのいずれもない状態（状態１）、前者のフィルタのみを設けて後者のフィルタを設けていない状態（状態２）、および両フィルタを設けた状態（状態３）の３つの状態で、基板１０で所定量のカビ菌を捕集した状態での蛍光強度を測定した結果を表わすグラフである。 受光光学系に含まれるフィルタであるＩＲ（赤外線）フィルタとして４種類のフィルタ特性を表わした図である。 図３２に表わされた４種類のフィルタそれぞれを用いたときの迷光量および蛍光強度の測定結果を表わしたグラフである。
　以下に、図面を参照しつつ、本発明の実施の形態について説明する。以下の説明では、同一の部品および構成要素には同一の符号を付してある。それらの名称および機能も同じである。
　［生物由来の粒子の検出原理について］
　本実施の形態における粒子検出装置は、花粉や微生物、カビといった生物由来の粒子を検出するための装置である。最初に、本実施の形態における粒子検出装置を用いて生物由来の粒子を検出する原理について説明する。
　図１は、加熱前後における生物由来の粒子の蛍光強度の変化と、加熱前後における粉塵の蛍光強度の変化とを示すグラフである。
　空気中に浮遊する生物由来の粒子に紫外光または青色光を照射すると、生物由来の粒子は蛍光を発する。しかしながら、空気中には化学繊維の埃など（以下、粉塵ともいう）の、同様に蛍光を発する粒子が浮遊しており、蛍光を検出するのみでは、生物由来の粒子からのものであるのか粉塵からのものであるのかが区別されない。
　一方、図１中に示すように、生物由来の粒子および粉塵に対してそれぞれ加熱処理を施し、加熱前後における蛍光強度（蛍光量）の変化を測定すると、図１（ｂ）に示すように粉塵から発せられる蛍光強度が加熱処理によって変化しないのに対して、図１（ａ）に示すように生物由来の粒子から発せられる蛍光強度は、加熱処理によって増加する。本実施の形態における粒子検出装置では、生物由来の粒子と粉塵とが混合する粒子に対して、加熱前後の蛍光強度を測定し、その差分を求めることにより、生物由来の粒子の量を特定する。
　図２～図６は、生物由来の粒子を検出する工程を示す図である。図２を参照して、まず、粒子を捕集基板５１０に捕集する（捕集工程）。
　本工程では、捕集基板５１０を静電針５３０に対向配置するとともに、捕集基板５１０および静電針５３０間に電位差を生じさせる。ファン５００の駆動により、空気を捕集基板５１０に向けて導入すると、空気中に浮遊する粒子６００は、静電針５３０の周囲にて帯電される。帯電された粒子６００は、静電気力によって捕集基板５１０の表面に吸着される。捕集基板５１０に捕集された粒子６００には、生物由来の粒子６００Ａと、化学繊維の埃などの粉塵６００Ｂとが含まれる。
　図３に示すように、次に、加熱前の粒子６００から発せられる蛍光の強度を測定する。本工程では、半導体レーザなどの発光素子５５０から捕集基板５１０に捕集された粒子６００に向けて励起光を照射するとともに、粒子６００から発せられた蛍光をレンズ５６０を通じて受光素子５６５にて受光する。
　図４に示すように、次に、ヒータ５２０を用いて、捕集基板５１０に捕集された粒子６００を加熱する。加熱後、捕集基板５１０を冷却する。
　図５に示すように、次に、加熱後の粒子６００から発せられる蛍光の強度を測定する。既に説明したように、粉塵６００Ｂから発せられる蛍光強度が加熱処理によって変化しないのに対して、生物由来の粒子６００Ａから発せられる蛍光強度は、加熱処理によって増加する。このため、本工程では、図３中の加熱前の蛍光測定工程で測定された蛍光強度よりも大きい値の蛍光強度が測定される。
　図７は、加熱前後の蛍光強度の増大量ΔＦと、生物由来の粒子濃度との関係を示すグラフである。図７を参照して、加熱前の蛍光強度と加熱後の蛍光強度との差から、蛍光強度の増大量ΔＦ１を算出する。予め用意した蛍光強度の増大量ΔＦと生物由来の粒子濃度Ｎとの関係に基づき、算出された増大量ΔＦ１に対応する生物由来の粒子濃度Ｎ１を特定する。なお、増大量△Ｆと生物由来の粒子濃度Ｎとの対応関係は、予め実験的に決められる。
　図６は以下に示すリフレッシュ工程を表す。リフレッシュ工程では、生物由来の粒子の検出を終えた粒子６００を図示しないブラシで掻き出すことで捕集基板５１０から除去する。
　［課題の説明］
　本実施の形態における粒子検出装置では上述の検出原理を利用して、花粉や微生物、カビといった生物由来の粒子を検出する。その際に半導体レーザなどの発光素子５５０から照射光にはノイズ成分が含まれ、そのノイズ成分が迷光として受光素子５６５での受光強度に含まれることになる。
　図８は、理想状態での検出状態を説明するための図である。すなわち、図８を参照して、理想状態では、加熱前後の差分をとることで迷光成分が除去されて、加熱前後の蛍光強度の増加分のみが検出されることになる。即ち差分は微生物信号を表している。
　しかしながら、図６で表わされたリフレッシュ工程において図示しないブラシでのクリーニングで粒子６００が完全に捕集基板５１０から除去されない場合、捕集基板５１０表面に残渣が蓄積されることになる。
　クリーニング残渣が増加すると迷光が増加するという第１の課題が生じる。迷光の増加により蛍光強度のダイナミックレンジが低下することになる。
　図９は、クリーニング残渣による迷光の増加と蛍光強度のダイナミックレンジとの関係を表わした図である。図９を参照して、クリーニング残渣に起因して迷光が増加すると、検出される蛍光強度のダイナミックレンジが低下し、蛍光強度の検出には不足する。これにより、蛍光強度の測定精度が低下することになる。
　また、クリーニング残渣のサイズ（形状）が加熱によって変化することがある。図１０および図１１は、それぞれ、加熱前後のクリーニング残渣のある捕集基板５１０の表面の顕微鏡写真である。図１０および図１１に表わされるように、加熱によってクリーニング残渣の粒子サイズ（形状）が変化することが分かる。このため、クリーニング残渣によって加熱前後の迷光量が変化するという第２の課題が生じる。加熱前後での迷光量の変化は蛍光強度の測定誤差の増加を招くことになる。
　図１２は、クリーニング残渣による加熱前後での迷光量の変化と蛍光強度の測定誤差との関係を表わした図である。図１２を参照して、加熱後の迷光量が加熱前の迷光量よりも低下することで、その減少分で蛍光強度の増加分が相殺されて蛍光の増加分が実際の増加分よりも少なく測定されることになる、という測定誤差が生じる。
　上記第１の課題および第２の課題を解消する最も簡単な方法としてはクリーニング残渣をなくすことが挙げられる。このためにはブラシの性能を向上させることが必要であるが、捕集される粒子のみならず静電捕集時にオゾンに起因して硝酸や硝酸性化合物が捕集基板に生成されるものであるため、それらを完全に除去することは困難である。
　そこで、本実施の形態にかかる粒子検出装置では、クリーニング残渣が捕集基板上に存在していても迷光とならないような光学系を備えることで、検出精度へのクリーニング残渣の影響を抑える。
　クリーニング残渣によって迷光が発生する第１の原因としては、クリーニング残渣の凹凸により励起光が散乱されることが挙げられる。
　上記第１の原因への対処として、受光素子の手前にロングパスフィルタを設置して励起光の受光素子への入光を遮断することが考えられる。図１３は、ロングパスフィルタのフィルタ特性の具体例を示すグラフである。図１３のグラフの横軸は光の波長を示す。波長の単位はｎｍである。図１３のグラフの縦軸はフィルタの透過率および光のスペクトル強度を示す。フィルタの透過率の単位は％である。光のスペクトル強度は、励起光または蛍光のスペクトル強度が最大となる波長を１００としたときの、各波長でのスペクトル強度の相対値を示す。図１３中の曲線（１）がロングパスフィルタのフィルタ特性、曲線（２）が半導体レーザ素子による励起光のスペクトル強度、曲線（３）が励起光を照射された青カビ菌から発せられる蛍光のスペクトル強度を示す。
　曲線（１）に示すフィルタ特性によると、ロングパスフィルタは、約４４０ｎｍ以下の波長を有する光をほぼ遮断し、約５００ｎｍ以上の波長を有する光をほぼ透過させる特性を有する。ロングパスフィルタは、所定のしきい値以下の波長の光を遮り、当該しきい値以上の波長の光を透過させる、ハイパスフィルタ（またはローカットフィルタ）としての特性を有する。
　曲線（２）に示すように、半導体レーザによる励起光は、約４００ｎｍの波長に光スペクトル強度のピーク値を有する。一方曲線（３）に示すように、青カビ菌からの蛍光Ｆは、約４６０ｎｍ以上の波長域においてスペクトルが測定され、約５３０ｎｍの波長に光スペクトル強度のピーク値を有する。
　曲線（１）のフィルタ特性を有するロングパスフィルタを用いることにより、曲線（２）に示す光スペクトル強度を有する励起光の大半がロングパスフィルタに吸収されて、受光素子への入光が概ね遮断される。一方、曲線（３）に示す光スペクトル強度を有する蛍光は光スペクトル強度をほぼ維持したまま受光素子へ入光する。
　図１４は、図１３の曲線（２）に表わされた励起光の光スペクトル強度の低い部分を拡大して表わした図である。図１４に表わされたように、曲線（２）に示される半導体レーザによる励起光は長波長側に微弱な低い成分を有する。この励起光に含まれる微弱な長波長成分は曲線（１）のフィルタ特性を有するロングパスフィルタでは遮断されないため、迷光の主要因であると考えられる。
　そこで、本実施の形態にかかる粒子検出装置では、上記第１の原因への対処としてローパスフィルタ（またはハイカットフィルタ）を利用して、励起光の長波長成分の受光素子への入光を遮断する。
　次に、クリーニング残渣による迷光の発生の第２の原因としてクリーニング残渣が励起光が照射されることで蛍光を発することが挙げられる。先述のように、上記原理を利用して粒子を捕集する際に捕集基板５１０および静電針５３０間に高電圧が印加されてコロナ放電されることでオゾンが発生する。オゾン生成時には窒素酸化物が生成され、その窒素酸化物が空気中の水分と反応することで硝酸が生成される。生成された硝酸は捕集基板に固着する。または、硝酸塩のような硝酸性化合物として捕集基板上に蓄積される。硝酸や硝酸性化合物は蛍光体であり、レーザ光が照射されることで赤外成分を多く含む蛍光を発することが知られている。
　そこで、本実施の形態にかかる粒子検出装置では、上記第１の原因への対処として受光素子の手前にＩＲ（赤外線）カットフィルタを設けて、受光素子への赤外成分の入光を遮断する。
　［粒子検出装置の全体構造］
　図１５は、本実施の形態における粒子検出装置１の外観を示す斜視図である。図１６は、図１に示す粒子検出装置１の分解状態を示す斜視図である。図１７は、粒子検出装置１の構成の詳細を示す分解斜視図である。本実施の形態における粒子検出装置１は、花粉や微生物、カビといった生物由来の粒子を検出するための装置である。
　本実施の形態における粒子検出装置１は、第一筐体としての上キャビネット２と、第二筐体としての下キャビネット５とを備える。上キャビネット２は、略矩形の平板形状を有する。下キャビネット５は、底を有しかつ一方向に開口する、略直方体の容器形状を有する。上キャビネット２が下キャビネット５の開口を蓋状に閉塞するように、上キャビネット２と下キャビネット５とが組み付けられて、略直方体の外形を有する中空のキャビネットが形成される。
　捕集部６０、励起光学系２０、受光光学系３０および清掃部９６などの、粒子検出装置１を構成する各機器は、ファン９２を除き、キャビネットの内部に収容される。一例として、キャビネットは、６０ｍｍ×５０ｍｍ（上キャビネット２の縦、横）×３０ｍｍ（高さ）の大きさを有する。
　上キャビネット２には、筒状部材としての捕集筒４が一体に形成されている。捕集筒４は、中空の円筒形状を有し、その一端が上キャビネット２の下面に取付けられて、上キャビネット２から粒子検出装置１の内部に向けて延びている。上キャビネット２には、上キャビネット２の一部を厚み方向に貫通する導入部３が形成されており、導入部３を介して粒子検出装置１の外部と捕集筒４の内部とが連通している。捕集筒４は、後述する静電針６２を取り囲むように設けられている。粒子を含む空気は、導入部３から捕集筒４の内側へ導入される。捕集筒４は、静電針６２と対向して位置決めされた基板１０に向けて、粒子を含む空気を案内する。
　ファン９２は、下キャビネット５の底面外側に取付けられている。ファン９２が取り付けられた下キャビネット５の底面には、開口部が形成されている。この開口部は、捕集筒４と向かい合う範囲と、後述するブラシ９７と向かい合う範囲とを含むように開口し、捕集筒４と向かい合う範囲とブラシ９７と向かい合う範囲とで連続的に形成されている。
　ファン９２は、正転方向および反転方向に回転駆動可能である。ファン９２が正転方向に駆動されることにより、粒子検出装置１の内部空間の空気がファン９２を通じて粒子検出装置１の外部に排出される。ファン９２が反転方向に駆動されることにより、粒子検出装置１の外部の空気がファン９２を通じて粒子検出装置１の内部空間に導入される。ファン９２は、粒子検出装置１内への粒子の捕集、粒子の加熱後の冷却、および、粒子を捕集するための基板１０のクリーニングのために、兼用して用いられている。これにより、粒子検出装置１の小型化および低コスト化が図られている。
　粒子検出装置１は、捕集部６０を備える。捕集部６０は、空気中に含まれる粒子を、捕集部材としての基板１０の主表面１１上に捕集する。捕集部６０は、高圧電源である捕集電源回路６１と、放電電極としての静電針６２とを有する。基板１０は、主表面１１を有する。基板１０は、生物由来の粒子と化学繊維の埃などの粉塵とが混合した粒子を主表面１１上に捕集する、捕集部材として設けられている。
　基板１０は、シリコン製の平板で形成されている。粒子を吸着する基板１０の主表面１１には、導電性の透明被膜が形成されている。基板１０は、シリコンに限定されず、ガラス、セラミックまたは金属などから形成されてもよい。被膜は、透明被膜に限定されず、たとえば、セラミック等から形成された基板１０の表面に、金属被膜が形成されてもよい。また、基板１０が金属から形成される場合、その表面に被膜を形成する必要はない。基板１０がシリコン基板であれば、材料自体安価であり、主表面１１の鏡面加工と、主表面１１への導電性被膜の形成が容易である。
　捕集電源回路６１は、基板１０と静電針６２との間に電位差を生じさせるための電源部として設けられている。静電針６２は、捕集電源回路６１から延出し、捕集筒４を貫通して捕集筒４の内部に達している。基板１０は、静電針６２と対向して配置される。本実施の形態では、静電針６２が、捕集電源回路６１の正極に電気的に接続されている。基板１０の主表面１１に形成された被膜は、捕集電源回路６１の負極に電気的に接続されている。
　なお、静電針６２が捕集電源回路６１の正極に電気的に接続され、基板１０に形成された被膜が接地電位に接続されてもよい。または、静電針６２が捕集電源回路６１の負極に電気的に接続され、基板１０に形成された被膜が捕集電源回路６１の正極に電気的に接続されてもよい。
　ファン９２が正転方向に駆動されると、粒子検出装置１のキャビネット内部の空気が排気されると同時に、キャビネットの外部の空気が捕集筒４を通って基板１０に向けて導入される。この際、捕集電源回路６１によって静電針６２と基板１０との間に電位差を発生させると、空気中の粒子は、静電針６２の周囲で正極に帯電される。正極に帯電された粒子が、静電気力によって基板１０に移動し、基板１０の主表面１１に形成された導電性の被膜に吸着されることによって、基板１０に捕集される。
　このように本実施の形態における粒子検出装置１においては、静電気力を利用した帯電捕集により、粒子を基板１０に捕集する。この場合、粒子の検出時に粒子を確実に基板１０に保持するとともに、粒子の検出後には粒子を容易に基板１０から除去することができる。放電電極として針状の静電針６２を用いることによって、帯電した粒子を、静電針６２に対向する基板１０の表面であって、後述する発光素子の照射領域に対応した極めて狭い領域に吸着させることができる。これにより、蛍光測定工程において、吸着された微生物を効率的に検出することができる。
　粒子検出装置１は、励起光学系２０と、受光光学系３０とを備える。励起光学系２０は、基板１０の主表面１１上に捕集された粒子に向けて励起光を照射する、光照射部としての機能を有する。受光光学系３０は、励起光学系２０からの励起光の照射に伴って粒子から発せられる蛍光を受光する、受光部としての機能を有する。励起光学系２０および受光光学系３０は、基板１０に捕集された粒子から発する蛍光を検出する蛍光検出部を構成する。励起光学系２０および受光光学系３０は、基板１０に捕集された粒子の加熱前および加熱後の、粒子から発する蛍光の測定を実行する。
　励起光学系２０は、光源としての発光素子２１と、励起部フレーム２２，２３と、集光レンズ２４と、レンズ押さえ２５と、フィルタ２６とを有する。発光素子２１としては、波長４０５ｎｍの青色のレーザ光を発生する半導体レーザ素子が用いられる。または発光素子２１は、ＬＥＤ（Light Emitting Diode）が用いられてもよい。発光素子２１から発せられる光は、生物由来の粒子を励起して蛍光を発せさせるものであれば、紫外または可視いずれの領域の波長を有してもよい。
　受光光学系３０は、金属製のノイズシールド３６と、受光素子３４と、フィルタ３７と、受光部フレーム３３と、フレネルレンズ３２と、レンズ押さえ３１とを有する。受光素子３４としては、フォトダイオードまたはイメージセンサなどが用いられる。受光素子３４とノイズシールド３６との間には、受光素子３４で検出された信号を増幅するための増幅回路５５が設けられている。
　清掃部９６は、粒子を基板１０の主表面１１から除去する。清掃部９６は、清掃具としてのブラシ９７と、ブラシ固定部９８とを有する。清掃部９６は、捕集電源回路６１に対して固定支持されている。
　ブラシ９７は、導電性を有する繊維集合体から形成されている。ブラシ９７は、たとえば、カーボンファイバから形成されている。ブラシ９７を形成する繊維集合体の線径は、φ０．０５ｍｍ以上φ０．２ｍｍ以下であることが好ましい。ブラシ９７の一端は、ブラシ固定部９８に支持され、他端はブラシ固定部９８から垂れ下がる自由端として形成されている。ブラシ９７の自由端が基板１０の主表面１１に接触した状態で、基板１０に対しブラシ９７が相対移動することにより、粒子が基板１０から除去される。
　基板１０から粒子を除去する捕集具は、ブラシ９７に限られるものではない。たとえば捕集具は、基板１０の主表面１１と接触する平板状のワイパーであってもよいし、基板１０の主表面１１に向けて空気を噴き出すノズルであってもよい。
　粒子検出装置１は、基板１０を搭載し保持する保持部材８０と、基板１０を移動させる移動機構部としての駆動部７０とをさらに備える。駆動部７０は、回転駆動可能な回転モータ７１と、回転モータ７１を保持するモータホルダ７２と、回転モータ７１の位置決めをするモータ押さえ７３とを有する。
　保持部材８０は、回転ベース８１を有する。回転ベース８１は、熱伝導率の低い樹脂材料により形成されている。回転ベース８１には、軸穴８２が形成されている。軸穴８２に回転モータ７１の出力軸が挿通されることにより、回転モータ７１と回転ベース８１とが連結されている。回転モータ７１の駆動に伴って、回転ベース８１は、軸穴８２の位置を中心に回転（正転、反転）する。
　保持部材８０は、回転ベース８１の回転軸から離れる方向に延びるアーム部８３を有する。アーム部８３は、回転ベース８１の回転軸に対し直交する径方向に延伸し、その先端に枠形状部を有する。枠形状部は、基板１０を収容可能な形状に形成されている。基板１０は、アーム部８３の先端の枠形状部に収容されることにより、保持部材８０に搭載される。
　粒子検出装置１は、加熱部としてのヒータ９１を備える。ヒータ９１は、基板１０の裏面側に配置され、基板１０の主表面１１上に捕集された粒子を加熱する。基板１０の裏面には、ヒータ９１が貼り合わされている。ヒータ９１は、回転ベース８１の回転時、基板１０とともに移動する。ヒータ９１には、ヒータ９１への電力供給線や、ヒータ９１に内蔵されたセンサの信号線を含む、複数の配線が接続されている。これら配線は、粒子検出装置１のキャビネットの外部に引き出されている。
　下キャビネット５の側面には、位置センサ７６が配置されている。基板１０は、回転モータ７１の回転により、粒子検出装置１のキャビネット内を移動する。基板１０の現在位置を検出するために、位置センサ７６が設けられている。
　［蛍光検出部の構成］
　図１８は、粒子検出装置１の断面図である。図１９は、粒子検出装置１に含まれる光学系による光の挙動を示す模式図である。図２０は、基板１０の主表面１１における光の反射を示す模式図である。
　上述したように、基板１０の主表面１１に励起光を照射するための励起光学系２０は、発光素子２１と、集光レンズ２４と、フィルタ２６とを有する。
　フィルタ２６のカットオフ波長λｓは、後述するフレネルレンズ３２に含まれる吸収剤３２ｂの有するフィルタ機能でのカットオフ波長λ１以下（λ１≧λｓ）であればよい。好ましくは、フィルタ２６のカットオフ波長λｓは、λｓ≧４３０ｎｍである。詳しくは、図２１は、フィルタ２６のフィルタ特性の具体例を示すグラフであって、光学軸と主面とのなす角度が２０度および０度のときのそれぞれのフィルタ特性を表わしている。横軸は光の波長を示す。波長の単位はｎｍである。縦軸はフィルタの透過率を示す。フィルタの透過率の単位は％である。
　図２１に示されたように、フィルタ２６は、一例として、約４３０ｎｍ（＝λｓ）以上の波長を有する光をほぼ遮断し、約４３０ｎｍ（＝λｓ）以下の波長を有する光をほぼ透過させる特性を有する。フィルタ２６は、所定のしきい値以上の波長の光を遮り、当該しきい値以下の波長の光を透過させる、ローパスフィルタ（またはハイカットフィルタ）としての特性を有する。
　半導体レーザ素子である発光素子２１で発生した励起光ＥＬは、フィルタ２６を通過することで後述するフレネルレンズ３２に含まれる吸収剤３２ｂでは吸収されずにノイズ成分となる約５００ｎｍ以上の波長がカットされる。
　励起光ＥＬは、フィルタ２６を通過した後に集光レンズ２４を経由して集光され、基板１０の主表面１１の励起光照射領域１０４に照射される。励起光ＥＬは、基板１０の主表面１１に対して斜めに入射する。図１９および図２０において符号ＯＤ１が付された一点鎖線は、励起光ＥＬの光線方向を示す。ここで、光線方向とは、光（この場合は励起光ＥＬ）の光束成分の進行する方向をいう。励起光ＥＬの光線方向ＯＤ１は、励起光学系２０の光軸ということもできる。
　基板１０の主表面１１は、鏡面である。主表面１１に対して入射角θで入射する励起光ＥＬは、主表面１１において鏡面反射する。主表面１１で励起光ＥＬが正反射した光は、反射光ＲＬを形成する。図１９および図２０において符号ＯＤ２が付された一点鎖線は、反射光ＲＬの光線方向を示す。励起光ＥＬが基板１０の主表面１１に対して斜めに入射するため、主表面１１で鏡面反射する反射光ＲＬも主表面１１に対して斜めに反射する。
　図２０において符号Ａが付された一点鎖線は、受光光学系３０の光軸、すなわちフレネルレンズ３２の光軸を示す。励起光ＥＬの光線方向ＯＤ１、および反射光ＲＬの光線方向ＯＤ２は、光軸Ａと交差している。光線方向ＯＤ１，ＯＤ２は、光軸Ａに対して傾斜している。光線方向ＯＤ１，ＯＤ２は、基板１０の主表面１１の延びる方向に対して傾斜している。また図２０には、基板１０の主表面１１とフレネルレンズ３２との間の距離Ｔが図示されている。
　主表面１１が鏡面に形成されているので、主表面１１において励起光ＥＬが散乱することによる迷光の発生が防止される。そのため、迷光がノイズとなり粒子検出装置１の検出精度が低下することを防止できる構成とされている。主表面１１が鏡面である場合、主表面１１での励起光ＥＬの反射の際に散乱光が殆ど発生しないので、励起光ＥＬが主表面１１で正反射した反射光ＲＬのみの受光光学系３０への混入を防止することで、迷光による混信を防止できる。
　さらに、フィルタ２６が設けられているので、基板１０の主表面１１にブラシ９７でのクリーニング残渣があった場合に、その表面の凹凸によって散乱した励起光ＥＬのうちの後述するフレネルレンズ３２に含まれる吸収剤３２ｂでは吸収されない成分がノイズとなって受光素子３４へ入光することで粒子検出装置１の検出精度が低下することを防止できる構成とされている。
　励起光照射領域１０４には、粒子１００が捕集されている。粒子１００は、微生物などの生物由来の粒子１０１と、化学繊維の埃などの非生物由来の塵埃１０２とを含む。図５において符号Ｆが付された矢印は、粒子１００が発した蛍光を示す。蛍光Ｆは、粒子１００の表面の励起光ＥＬが照射された部分から全方位に向かって放出される。受光光学系３０へ向かう蛍光Ｆは、フレネルレンズ３２を経由して集光され、フィルタ３７を経由して受光素子３４により受光される。蛍光Ｆを集光するための集光レンズをフレネルレンズ３２にすることで、集光レンズを薄型化できるので、粒子検出装置１の小型化および軽量化を達成できる。
　蛍光Ｆは、励起光ＥＬが照射された粒子１００から、全方位に指向性なく放出される。蛍光Ｆの一部は、粒子１００から直接フレネルレンズ３２へ向かい、蛍光Ｆの他の一部は、粒子１００から基板１０の主表面１１へ向かって放出される。主表面１１が鏡面であれば、主表面１１で蛍光Ｆが鏡面反射され、反射された蛍光Ｆはフレネルレンズ３２へ向かうので、フレネルレンズ３２で集光され受光素子３４で受光される蛍光Ｆの強度を増大できる。これにより、受光素子３４における蛍光Ｆの検出感度を向上することができる。
　フレネルレンズ３２を基板１０の主表面１１から距離Ｔだけ離れた位置に配置することにより、基板１０の主表面１１へ向かう励起光ＥＬおよび主表面１１で正反射した反射光ＲＬは、フレネルレンズ３２へ入射しない。フレネルレンズ３２に入射する光は、粒子１００が発する蛍光Ｆのみに限定され、励起光ＥＬと反射光ＲＬとの両方がフレネルレンズ３２により集光されない。励起光ＥＬと反射光ＲＬとがフレネルレンズ３２に入射されず、受光素子３４が励起光ＥＬと反射光ＲＬとを受光しない位置に、受光光学系３０が配置される。このようにすれば、励起光ＥＬおよび反射光ＲＬと蛍光Ｆとを確実に分離でき、励起光ＥＬまたは反射光ＲＬが蛍光Ｆの検出に対するノイズとなることを回避できるので、蛍光Ｆの検出感度を向上することができる。
　図２２は、フレネルレンズ３２の断面を示す模式図である。フレネルレンズ３２は、母材３２ａと、母材３２ａ中に細かく分散された吸収剤３２ｂとを有する材料により形成されている。母材３２ａは、フレネルレンズ３２として使用できる任意の材料により形成されており、たとえば蛍光Ｆを透過するアクリル材またはガラス材で形成されてもよい。吸収剤３２ｂは、励起光ＥＬの波長を含む光線を吸収する。吸収剤３２ｂは、励起光ＥＬの波長を含む光線がフレネルレンズ３２を透過するのを妨げる。フレネルレンズ３２は、励起光ＥＬおよび反射光ＲＬを遮断するフィルタ機能を有している。
　吸収剤３２ｂは、図１３の曲線（１）で表わされた、ロングパスフィルタのフィルタ特性を有する。すなわち、吸収剤３２ｂは、曲線（１）に示すフィルタ特性によると、約４４０ｎｍ以下の波長を有する光をほぼ遮断し、約５００ｎｍ以上の波長を有する光をほぼ透過させる特性を有する。吸収剤３２ｂは、所定のしきい値以下の波長の光を遮り、しきい値以上の波長の光を透過させる、ハイパスフィルタ（またはローカットフィルタ）としての特性を有する。
　曲線（２）に示されたように、半導体レーザによる励起光ＥＬは、約４００ｎｍの波長に光スペクトル強度のピーク値を有し、他の波長域ではスペクトルが測定されない。一方曲線（３）に示されたように、青カビ菌からの蛍光Ｆは、約４６０ｎｍ以上の波長域においてスペクトルが測定され、約５３０ｎｍの波長に光スペクトル強度のピーク値を有する。
　曲線（１）のフィルタ特性を有する吸収剤３２ｂをフレネルレンズ３２に分散させることにより、曲線（２）に示された光スペクトル強度を有する励起光ＥＬがフレネルレンズ３２に入射すると、励起光ＥＬは吸収剤３２ｂに吸収されて遮断される。一方、曲線（３）に示された光スペクトル強度を有する蛍光Ｆがフレネルレンズ３２に入射すると、蛍光Ｆは光スペクトル強度をほぼ維持したまま、フレネルレンズ３２を透過する。
　このようなフィルタ機能をフレネルレンズ３２に持たせることで、フレネルレンズ３２に誤って励起光ＥＬまたは反射光ＲＬが入射しても、フレネルレンズ３２において励起光ＥＬまたは反射光ＲＬを遮断することができる。したがって、蛍光Ｆが選択的にフレネルレンズ３２を透過する構成が提供されるので、蛍光Ｆを検出する受光素子３４へのノイズの混入を抑制でき、蛍光Ｆの検出感度を向上することができる。
　フィルタ３７はＩＲ（赤外線）カットフィルタであって、そのカットオフ波長λｉは赤外線の波長（約７８０ｎｍ）以上であればよい。好ましくは、カットオフ波長λｉは、λｉ≧６５０ｎｍである。詳しくは、図２３は、フィルタ３７のフィルタ特性の具体例を示すグラフである。横軸は光の波長を示す。波長の単位はｎｍである。縦軸はフィルタの透過率を示す。フィルタの透過率の単位は％である。
　図２３に示されたように、この例でのフィルタ３７は、約６５０ｎｍ（＝λｉ）以上の波長を有する光をほぼ遮断し、約６５０ｎｍ（＝λｉ）以上の波長を有する光をほぼ透過させる特性を有する。すなわち、フィルタ３７は、赤外領域の波長の光を遮り、それ以下の波長の光を透過させる。
　フレネルレンズ３２を透過した光がフィルタ３７を経由することで、フレネルレンズ３２を透過した光から赤外成分がカットされて受光素子３４へ入光する。そのため、基板１０の主表面１１にブラシ９７でのクリーニング残渣である硝酸や硝酸性化合物があった場合に、それに対して励起光ＥＬが照射されることで生じる赤外成分を多く含む蛍光がノイズとなって受光素子３４へ入光することで粒子検出装置１の検出精度が低下することを防止できる構成とされている。
　［粒子検出装置の動作］
　以上の構成を有する粒子検出装置１を用いて生物由来の粒子１０１の量を検出する動作について説明する。図２４は、粒子検出装置１の動作の流れを示すフローチャートである。
　図２４を参照して、まず、基板１０の主表面１１に、粒子１００を捕集する（Ｓ１０１）。このとき、ファン９２を正転方向に駆動させることによって、粒子検出装置１のキャビネット内に導入部３を経由させて空気を導入し、基板１０の主表面１１へ向かう空気の流れを形成する。加えて、静電針６２を基板１０の主表面１１に対向配置するとともに、捕集電源回路６１によって静電針６２と基板１０との間に電位差を発生させる。これにより、空気中に浮遊する粒子１００を帯電させ、帯電された粒子１００を静電気力によって基板１０の主表面１１に捕集する。
　次に、励起光学系２０によって、基板１０に捕集された粒子１００へ向けて励起光ＥＬを照射するとともに、受光光学系３０によって、励起光ＥＬの照射に伴って粒子１００から発せられる蛍光Ｆを受光する。半導体レーザ素子である発光素子２１から励起光ＥＬを粒子１００に向けて照射し、このとき粒子１００から発せられる蛍光Ｆをフレネルレンズ３２を通じて受光素子３４にて受光する。これにより、基板１０に捕集された粒子１００の加熱前の蛍光強度を測定する（Ｓ１０２）。
　次に、ヒータ９１に通電することによって、基板１０に捕集された粒子１００を加熱する（Ｓ１０３）。次に、ヒータ９１への通電を停止して、基板１０を冷却する（Ｓ１０４）。この際、ファン９２を反転方向に駆動させることによって、ファン９２を経由して空気を粒子検出装置１のキャビネット内に導入し、基板１０の冷却を促進させる。
　次に、励起光学系２０によって、基板１０に捕集された粒子１００に向けて励起光ＥＬを照射するとともに、受光光学系３０によって、励起光ＥＬの照射に伴って粒子１００から発せられる蛍光Ｆを受光する。これにより、基板１０に捕集された粒子１００の加熱後の蛍光強度を測定する（Ｓ１０５）。加熱前の蛍光Ｆの強度と加熱後の蛍光Ｆの強度とを比較することにより、基板１０に捕集された粒子１００に含まれる生物由来の粒子１０１の量を算出する（Ｓ１０６）。
　図２５は、アオカビ菌の蛍光スペクトルの加熱処理前後の時間変化を示す図である。図２５には、生物由来の粒子１０１の一例として、アオカビ菌を２００℃にて５分間加熱処理したときの加熱処理前（曲線Ｃ１）および加熱処理後（曲線Ｃ２）の蛍光スペクトルの測定結果である。これらに示されるように、加熱処理を施すことによってアオカビ菌からの蛍光強度が大幅に増加していることが分かる。
　図２６は、蛍光発光する埃の加熱処理前の蛍光スペクトルを示す図である。図２７は、蛍光発光する埃の加熱処理後の蛍光スペクトルを示す図である。図２６および図２７のそれぞれは、蛍光を発する埃を２００℃にて５分間加熱処理したときの加熱処理前（曲線Ｃ３）および加熱処理後（曲線Ｃ４）の蛍光スペクトルの測定結果である。曲線Ｃ３により示された蛍光スペクトルと曲線Ｃ４により示された蛍光スペクトルとを重ねると、これらはほぼ重なることが検証される。すなわち、埃からの蛍光強度は加熱処理の前後において変化がないことが分かる。
　空気中に浮遊する生物由来の粒子１０１に紫外光または青色光を照射すると、生物由来の粒子１０１は蛍光Ｆを発する。しかしながら、空気中には化学繊維の埃などの、同様に蛍光を発する塵埃１０２が浮遊しており、蛍光Ｆを検出するのみでは、生物由来の粒子１０１からのものであるのか塵埃１０２からのものであるのかが区別されない。
　一方、生物由来の粒子１０１および塵埃１０２に対してそれぞれ加熱処理を施し、加熱前後における蛍光強度（蛍光量）の変化を測定すると、塵埃１０２から発せられる蛍光強度が加熱処理によって変化しないのに対して、生物由来の粒子１０１から発せられる蛍光強度は、加熱処理によって増加する。本実施の形態における粒子検出装置１では、生物由来の粒子１０１と塵埃１０２とが混合する粒子１００に対して、加熱前後の蛍光強度を測定し、その差分を求めることにより、生物由来の粒子１０１の量を特定する。
　生物由来の粒子１０１から発せられる蛍光Ｆの強度は、加熱処理によって増加する。このため、ステップ（Ｓ１０５）では、ステップ（Ｓ１０２）の加熱前の蛍光測定で測定された蛍光強度よりも大きい値の蛍光強度が測定される。加熱前の蛍光強度と加熱後の蛍光強度との差から、蛍光強度の増大量を算出する。予め用意した蛍光強度の増大量と生物由来の粒子濃度との関係に基づき、算出された増大量に対応する生物由来の粒子１０１の濃度を特定することができる。なお、増大量と生物由来の粒子濃度との対応関係は、予め実験的に決められる。
　［粒子除去装置の構成］
　本実施の形態における粒子検出装置１は、生物由来の粒子１０１を検出するための装置単体として用いられてもよいし、空気清浄機やエアーコンディショナ、加湿器、除湿機、掃除機、冷蔵庫、テレビなどの家電製品に組み込まれてもよい。図２８は、粒子検出装置１を含む空気清浄機３００の外観の具体例を示す図である。空気清浄機３００は、粒子検出装置１により検出された生物由来の粒子１０１を効率的に除去するための、粒子除去装置の一例である。
　空気清浄機３００は、操作指示を受け付けるためのスイッチ３１０と、検出結果などを表示するための表示パネル３３０とを含む。その他、図示されない、空気を導入するための吸引口、排気するための排気口、などを含む。さらに、空気清浄機３００は、記録媒体を装着するための通信部３５０を含む。通信部３５０は、インターネットを介して他の装置と通信するための通信回線を接続するためのものであってもよい。または、通信部３５０は、赤外線通信やインターネット通信などで他の装置と通信するためのものであってもよい。粒子検出装置１は、空気清浄機３００の筐体の内部に配置される。生物由来の粒子１０１を精度よく検出できるとともに小型化を達成できる粒子検出装置１を備えることにより、空気清浄機３００は、周辺の空気を効率よく清浄化できる。
　図２９は、空気清浄機３００の機能構成の具体例を示すブロック図である。図２９では、信号処理部５０の機能が主に電気回路であるハードウェア構成で実現される例が示されている。しかしながら、これら機能のうちの少なくとも一部は、信号処理部５０が図示しないＣＰＵ（Central Processing Unit）を備え、該ＣＰＵが所定のプログラムを実行す
ることによって実現される、ソフトウェア構成であってもよい。また、測定部４０の構成がソフトウェア構成である例が示されている。しかしながら、これら機能のうちの少なくとも一部は、電気回路などのハードウェア構成で実現されてもよい。
　図２９を参照して、信号処理部５０は、受光素子３４に接続される電流－電圧変換回路５４と、電流－電圧変換回路５４に接続される積分型の増幅回路５５とを含む。
　測定部４０は、制御部４１、記憶部４２、およびクロック発生部４３を含む。さらに、測定部４０は、スイッチ３１０の操作に伴ったスイッチ３１０からの入力信号を受け付けることで情報の入力を受け付けるための入力部４４と、表示パネル３３０に測定結果等を表示させる処理を実行するための表示部４５と、通信部３５０に接続された外部装置とのデータ等のやり取りに必要な処理を行なうための外部接続部４６と、ファン９２およびヒータ９１を駆動させるための駆動部４８とを含む。
　基板１０の主表面１１上に捕集された粒子１００に対して発光素子２１から励起光ＥＬが照射されることで、励起光照射領域１０４にある当該粒子１００からの蛍光Ｆが、受光素子３４に集光される。受光素子３４から、受光量に応じた電流信号が信号処理部５０に対して出力される。電流信号は、電流－電圧変換回路５４に入力される。
　電流－電圧変換回路５４は、受光素子３４から入力された電流信号より蛍光強度を表わすピーク電流値Ｈを検出し、電圧値Ｅｈに変換する。電圧値Ｅｈは増幅回路５５で予め設定した増幅率に増幅され、測定部４０に対して出力される。測定部４０の制御部４１は信号処理部５０から電圧値Ｅｈの入力を受け付けて、順次、記憶部４２に記憶させる。
　クロック発生部４３はクロック信号を発生させ、制御部４１に対して出力する。制御部４１は、クロック信号に基づいたタイミングで、ファン９２を回転させるための制御信号を駆動部４８に対して出力して、ファン９２による空気の導入を制御する。また、制御部４１は発光素子２１および受光素子３４と電気的に接続され、それらのＯＮ／ＯＦＦを制御する。
　制御部４１は計算部４１１を含み、計算部４１１において、記憶部４２に記憶された電圧値Ｅｈを用いて、導入された空気中の生物由来の粒子量を算出するための動作が行なわれる。
　計算部４１１で算出された捕集された粒子１００中の生物由来の粒子１０１の濃度は、制御部４１から表示部４５に対して出力される。表示部４５は、入力された微生物の濃度を、表示パネル３３０に表示させるための処理を行なう。たとえば、表示パネル３３０には、濃度ごとのランプが備えられ、表示部４５は、算出された濃度に対応したランプを点灯するランプとして特定し、該ランプを点灯する。他の例として、算出された濃度ごとに、ランプを異なる色に点灯させてもよい。また、表示パネル３３０はランプ表示に限定されず、数字を表示したり、濃度や対応して予め用意されているメッセージを表示したりしてもよい。また、測定結果は、外部接続部４６によって、通信部３５０に装着された記録媒体に書き込まれてもよいし、通信部３５０を介して外部装置に送信されてもよい。
　入力部４４はスイッチ３１０からの操作信号に従って、表示パネル３３０での表示方法の選択を受け付けてもよい。または、測定結果を、表示パネル３３０に表示するか、外部装置に出力するか、の選択を受け付けてもよい。その内容を示す信号は、制御部４１に対して出力され、制御部４１から表示部４５および／または外部接続部４６に対して必要な制御信号が出力される。
　粒子検出装置１は、生物由来の粒子１０１からの蛍光Ｆと蛍光Ｆを発する塵埃１０２からの蛍光Ｆとの加熱処理による性質の差を利用し、所定の加熱処理後の増大量に基づいて生物由来の粒子１０１を検出する。そのため、導入された空気中に蛍光Ｆを発する塵埃１０２が含まれている場合であっても、粒子検出装置１は、リアルタイムに、かつ精度よく、生物由来の粒子１０１を、蛍光を発する塵埃１０２から分離して検出する。
　空気清浄機３００は、この粒子検出装置１により検出された生物由来の粒子１０１の濃度を利用して、粒子検出装置１の出力に応じて運転状態を変化させることにより、生物由来の粒子１０１を効率的に除去することができる。すなわち、粒子検出装置１の出力が大きく生物由来の粒子１０１の濃度が高い場合には、たとえばファン９２を高速回転させ通風量を増加させることにより、空気清浄機３００による粒子除去能力を向上させることができる。粒子検出装置１の出力が小さく生物由来の粒子１０１の濃度が低い場合には、粒子除去能力を低下できるので、ファン９２の回転数を低下させて通風量を減少させ、省電力化した運転を行なうことができる。
　［実施の形態の効果を確認する実験］
　粒子検出装置１にフィルタ２６およびフィルタ３７を設けたことによる効果を確認するために、フィルタ２６およびフィルタ３７のいずれもない状態（状態１）、フィルタ２６のみを設けてフィルタ３７を設けていない状態（状態２）、およびフィルタ２６，３７の両フィルタを設けた状態（状態３）の３つの状態で、迷光量および基板１０で所定量のカビ菌を捕集した状態での蛍光強度を測定し、比較した。図３０および図３１は、それぞれの結果を表わしている。図３０の縦軸は検出光量を示す。検出光量は、上記状態１での検出光量を１００としたときの状態２，３での相対値を示す。図３１の縦軸は蛍光強度に相当する信号強度を示す。信号強度は、上記状態１での信号強度を１００としたときの状態２，３での相対値を示す。
　詳しくは、図３０を参照して、状態２での迷光量は状態１での迷光量の５０％程度であることから、クリーニング残渣による迷光量は、フィルタ２６を設けることで約５０％減少することが分かった。また、状態３での迷光量は状態１での迷光量の２０％程度であることから、クリーニング残渣による迷光量は、フィルタ２６およびフィルタ３７を設けることで約８０％減少することが分かった。したがって、この実験より、フィルタ２６を設けることで基板表面のクリーニング残渣の凹凸による励起光の散乱をカットできる効果があることが分かった。さらに、フィルタ３７を設けることでこの効果がより増すことが分かった。
　また、図３１を参照して、状態２で基板１０から測定された蛍光強度は状態１から大きく変化がないものの、状態３では基板１０から測定された蛍光強度が状態１での９０％程度である。このことから、フィルタ３７を設けることで基板１０から測定される蛍光強度が１０％以上も減少し、クリーニング残渣である硝酸や硝酸性化合物からの蛍光がカットされることが分かった。したがって、この実験より、フィルタ２６を設けることでクリーニング残渣である硝酸性化合物等からの蛍光をカットできる効果があることが分かった。さらに、フィルタ３７を設けることでこの効果がより増すことが分かった。
　さらに、フィルタ３７でのカットオフ波長をさまざまに変化させて、迷光量および蛍光強度を測定した。図３２は、フィルタ３７として用いたＩＲフィルタのフィルタ特性を表わした図である。図３２を参照して、この実験では、カットオフ波長が６５０ｎｍ、７００ｎｍ、７５０ｎｍ、および７８０ｎｍの４種類のＩＲフィルタを用いた。カットオフ波長が６５０ｎｍのＩＲフィルタは約６５０ｎｍ以上の波長の光を遮断し、カットオフ波長が７００ｎｍのＩＲフィルタは約７００ｎｍ以上の波長の光を遮断し、カットオフ波長が７５０ｎｍのＩＲフィルタは約７５０ｎｍ以上の波長の光を遮断し、カットオフ波長が７８０ｎｍのＩＲフィルタは約７８０ｎｍ以上の波長の光を遮断する。
　図３３は、フィルタ３７としてこれら４種類のフィルタを用いたときの迷光量および蛍光強度の測定結果を表わしたグラフである。グラフの縦軸はＩＲフィルタを用いないときの測定値を１００としたときの、各フィルタを用いたときの相対値を示す。
　図３３より、いずれのフィルタであっても、フィルタ３７のない状態よりも迷光量および蛍光強度共に減少している。そのため、この実験より、フィルタ３７を設けることで、クリーニング残渣である硝酸性化合物等からの蛍光や、基板表面のクリーニング残渣の凹凸による励起光の散乱をカットできる効果があることが分かった。また、フィルタ３７のカットオフ波長λｉがλｉ≧６５０ｎｍである場合に、これらの効果があることが分かった。さらに、カットオフ波長が短くなるほど迷光量の低減率および蛍光強度の低減率が増加する、つまり上の効果がより増すことが分かった。
　今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
　１　粒子検出装置、２　上キャビネット、３　導入部、４　捕集筒、５　下キャビネット、１０　基板、１１　主表面、２０　励起光学系、２１，５５０　発光素子、２２，２３　励起部フレーム、２４　集光レンズ、２５，３１　レンズ押さえ、２６，３７　フィルタ、３０　受光光学系、３２　フレネルレンズ、３２ａ　母材、３２ｂ　吸収剤、３３
　受光部フレーム、３４，５６５　受光素子、３６　ノイズシールド、４０　測定部、４１　制御部、４２　記憶部、４３　クロック発生部、４４　入力部、４５　表示部、４６
　外部接続部、４８，７０　駆動部、５０　信号処理部、５４　電圧変換回路、５５　増幅回路、６０　捕集部、６１　捕集電源回路、６２，５３０　静電針、７１　回転モータ、７２　モータホルダ、７３　モータ押さえ、７６　位置センサ、８０　保持部材、８１
　回転ベース、８２　軸穴、８３　アーム部、９１，５２０　ヒータ、９７　ブラシ、９２，５００　ファン、９６　清掃部、９８　ブラシ固定部、１００，１０１，６００，６００Ａ　粒子、１０２　塵埃、１０４　励起光照射領域、３００　空気清浄機、３１０　スイッチ、３３０　表示パネル、３５０　通信部、４１１　計算部、５１０　捕集基板、５６０　レンズ、６００Ｂ　粉塵。

Claims (5)

  1. 　主表面を有し、前記主表面上に粒子を捕集するための捕集部材と、
    　前記主表面上に捕集された前記粒子に励起光を照射するための照射部と、
    　前記励起光を前記粒子に照射することで前記粒子から発される蛍光を受光するための受光部と、
    　前記粒子を加熱するための加熱部と、
    　前記受光部での蛍光強度に基づいて前記主表面上に捕集された前記粒子から生物由来の粒子を検出するための検出部とを備え、
    　前記照射部と前記主表面との間に設置された、前記照射部から照射される励起光のうちの前記主表面上に捕集された前記粒子によって散乱される成分をカットするためのフィルタをさらに備える、粒子検出装置。
  2. 　前記主表面は鏡面であって、
    　前記蛍光は前記主表面で鏡面反射する、請求項１に記載の粒子検出装置。
  3. 　前記フィルタはローパスフィルタである、請求項１または２に記載の粒子検出装置。
  4. 　前記ローパスフィルタのカットオフ波長λｓはλｓ≧４３０ｎｍである、請求項３に記載の粒子検出装置。
  5. 　前記主表面と前記受光部との間に設置されたハイパスフィルタをさらに備え、
    　前記ローパスフィルタのカットオフ波長λｓと前記ハイパスフィルタのカットオフ波長λ１とはλ１≧λｓを満たす、請求項３または４に記載の粒子検出装置。
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