(57)【要約】  本発明の気中物質検知装置（１）は、気中物質を含む気体が通過可能な微細孔（１１５）が形成された導入板（１１２）と、導入板（１１２）に対向配置され、微細孔（１１５）を通過した気体の衝突により気中物質を衝突させて捕集可能な光透過性の捕集板（１１４）と、導入板（１１２）と捕集板（１１４）とが並設され気中物質を含む気体を微細孔（１１５）に導く流路が形成された本体（１１０）と、捕集板（１１４）を覆い、捕集板（１１４）に気中物質が衝突して捕集される捕集範囲に対応する位置に光透過可能な開口窓（１１８）が設けられた遮光性のマスク（１１７）とを有するカートリッジ（１０）を用いることで、気中物質以外の蛍光をカットすることが可能になり、気中物質の微弱な蛍光を高感度に検知する。
2015049759.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
気中物質を含む気体が通過可能な微細孔が形成された導入板と、
該導入板に対向配置され、前記微細孔を通過した前記気体の衝突により前記気中物質を衝突させて捕集可能な光透過性の捕集板と、
前記導入板と前記捕集板とが並設され気中物質を含む気体を前記微細孔に導く流路が形成された本体と、
前記捕集板を覆い、前記捕集板の前記気中物質が衝突して捕集される捕集範囲に対応する位置に光透過可能な開口窓が設けられた遮光性のマスクと、を有することを特徴とする気中物質検知装置用カートリッジ。
【請求項２】
前記マスクの開口窓は、前記気中物質が捕捉される範囲と重なるように設置され、前記開口窓の面積は前記気中物質が捕捉される範囲の面積と同じか大きいことを特徴とする請求項１に記載の気中物質検知装置用カートリッジ。
【請求項３】
前記マスクの開口窓の数は、前記微細孔の数と同等であることを特徴とする請求項２に記載の気中物質検知装置用カートリッジ。
【請求項４】
前記気中物質検知装置用カートリッジは、前記捕集板の表面に沿って中心部から外周に向けて気中物質を含む気体が流れるように構成され、前記マスクの開口窓は、対応する前記微細孔の位置に対して前記捕集板の外周側に所定のずれ量をもって形成されていることを特徴とする請求項３に記載の気中物質検知装置用カートリッジ。
【請求項５】
前記マスクの開口窓は、前記捕集板の中心部よりも外周側の前記ずれ量が大きいことを特徴とする請求項４に記載の気中物質検知装置用カートリッジ。
【請求項６】
前記マスクの開口窓は、その各々のずれ量が前記捕集板の中心部から外周側に移行するに応じて、徐々に大きくなるように形成されていることを特徴とする請求項５に記載の気中物質検知装置用カートリッジ。
【請求項７】
前記マスクの開口窓のずれ量は、前記微細孔の直径以下であることを特徴とする請求項４に記載の気中物質検知装置用カートリッジ。
【請求項８】
前記マスクの開口窓の面積は、前記微細孔の面積の４倍よりも小さいことを特徴とする請求項４に記載の気中物質検知装置用カートリッジ。
【請求項９】
前記遮光性のマスクは、前記捕集板の捕集面側を覆うものであり、前記捕集面の反対側から捕集した前記気中物質を検知することを特徴とする請求項１に記載の気中物質検知装置用カートリッジ。
【請求項１０】
液体を保持する単数もしくは複数の容器と、前記導入板と前記捕集板の間の空間と前記容器を連結する流路と、前記導入板と前記捕集板の間を流動した前記液体を保管するための廃液容器と、前記導入板と前記捕集板の間の空間と前記廃液容器を連結する流路を有することを特徴とする請求項１に記載の気中物質検知装置用カートリッジ。
【請求項１１】
前記捕集板の前記気中物質を捕捉する面には、粘着性物質もしくは前記気中物質と特異的に結合する物質が結合または吸着していることを特徴とする請求項１に記載の気中物質検知装置用カートリッジ。
【請求項１２】
前記気中物質は、ウイルス、細菌、酵母、原生動物、菌類、胞子、花粉、動物の皮膚の破片、ダニの糞や死骸、ハウスダスト、排ガス粒子、鉱石粒子のいずれかの微粒子であることを特徴とする請求項１に記載の気中物質検知装置用カートリッジ。
【請求項１３】
前記導入板は、光透過性であることを特徴とする請求項１に記載の気中物質検知装置用カートリッジ。
【請求項１４】
請求項１〜１３のいずれかに記載のカートリッジを用いた気中物質検知装置であって、
前記導入板から前記捕集板の向きに空気の流れを発生するためのポンプと、前記捕集板上に捕捉された前記気中物質を光学的に検知するための光学検知器を備え、
前記光学検知器は、前記捕集板の捕集面の背面側に配置されることを特徴とする気中物質検知装置。
【請求項１５】
前記気中物質検知装置は、液体を霧化するための噴霧器を備え、前記噴霧器により発生した液体のミストは、前記ポンプにより前記微細孔を通過し、前記捕集板表面に捕集された前記気中物質に衝突することを特徴とする請求項１４に記載の気中物質検知装置。
【請求項１６】
前記液体は、前記気中物質に特異的に結合する蛍光色素を含む液体であることを特徴とする請求項１５に記載の気中物質検知装置。
【請求項１７】
前記導入板から前記捕集板の向きに空気の流れを発生するためのポンプと、前記捕集板上に捕捉された前記気中物質を光学的に検知するための光学検知器を備え、前記ポンプにより前記容器内の前記液体を前記導入板と前記捕集板の間を経由し、廃液容器まで流動させることを特徴とする請求項１４に記載の気中物質検知装置。
【請求項１８】
前記液体は、前記気中物質に特異的に結合する蛍光色素を含む液体もしくは前記捕集板に付着した蛍光色素を前記捕集板から洗い流すための液体であることを特徴とする請求項１７に記載の気中物質検知装置。
【請求項１９】
患者の呼気を封じ込めた呼気バッグを前記気中物質検知装置に接続することで、前記呼気バッグ中の気中物質を前記カートリッジの前記捕集板に捕集し検知することを特徴とする請求項１４に記載の気中物質検知装置。
【請求項２０】
環境中の空気を封じ込めた空気バッグを前記気中物質検知装置に接続することで、前記空気バッグ中の気中物質を前記カートリッジの前記捕集板に捕集し検知することを特徴とする請求項１４に記載の気中物質検知装置。
【請求項２１】
気中物質を含む気体が通過可能な微細孔が形成された導入板と、
該導入板に対向配置され、前記微細孔を通過した前記気体の衝突により前記気中物質を衝突させて捕集可能な光透過性の捕集板と、を備えたカートリッジを用いた気中物質検知装置であって、
前記導入板から前記捕集板の向きに空気の流れを発生するためのポンプと、前記捕集板上に捕捉された前記気中物質を光学的に検知するための画像取得装置を備え、
前記画像取得装置は、前記捕集板の背面側に配置され、該捕集面に捕集された気中物質の衝突範囲以外の領域の光量を画像処理によって低減させることを特徴とする気中物質検知装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、空気中または呼気中に含まれる微粒子等の気中物質を検出する気中物質検知装置に用いられるカートリッジと、このカートリッジを用いた気中物質検知装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
安心・安全な社会生活を送る上で、インフルエンザや結核などの感染症の感染拡大を防ぐことは非常に重要である。これらの感染症は、患者体内から大気中に放出された菌やウイルスなどの微生物を含む飛沫が他者の体内に吸引されることで感染拡大すると考えられている。感染症の感染拡大を防止する有力な手段は感染者の早期発見及び隔離であり、医療現場ではさまざまな診断方法が使用されている。【０００３】
例えば、インフルエンザなどの呼吸器系の感染症の診断には、免疫クロマトグラフィ法により体液に含まれるウイルスや菌などの微生物の抗原を検知する簡易キットが多用されている。しかし、簡易キットを用いた診断では、患者の鼻腔内に綿棒を挿入し体液を採取する必要があり、例えば幼い患者では苦痛による拒否反応を示す場合もある。また、一般に簡易キットは感度が低く、感染初期の患者の場合には十分な微生物の抗原量が確保できない場合もある。さらに、採取した微生物の抗原量が少ないと陰性判定となる場合がある。さらにまた、患者の鼻腔内に綿棒を挿入する行為は医療行為なので、医療従事者に制限される。【０００４】
そこで、より簡易的に微生物を検知する方法が求められている。この要求に対しては、空気中に漂うウイルスや菌などの微生物を呼気から直接捕集し、光学検知する方法が提案されている。【０００５】
例えば、特許文献１には、膜法により微生物を捕捉し検知する方法の技術が記載されている。具体的には、上面パーツと底面パーツの２個の部材間に細孔を有する膜（フィルタ）を配置し、この膜で細孔よりも大きな流体中に含まれる微生物を捕捉する。その後、捕捉した微生物を可視化試薬で染色して、ＣＣＤカメラで撮像し画像処理、または電子顕微鏡等を用いて観察及び分析している。【０００６】
特許文献１に記載されているような膜を用いて空気中の微生物を直接捕集する方法は、患者に苦痛を与えずに微生物を採取することが可能であり、また医療行為ではないため、医療従事者以外も実施することができる。また、膜上に捕集した菌を直接検知するので、捕集と検知を自動かつ連続的に実施することが可能である。【０００７】
また、特許文献２には、チップ上のスポットに抗原抗体反応もしくは核酸ハイブリダイゼーションにより目的成分を結合したのち、蛍光色素を目的成分と結合させ、光学系装置により目的成分からの蛍光の光量を測定する分析装置の技術が示されている。この分析装置では、目的のスポットからの蛍光と隣のスポットからの蛍光を光学的に分離するため、チップを保持する架台にスポットごとに間隙が施されており、光学マスクとして機能している。【０００８】
特許文献２で記載されているようなＤＮＡなどの測定対象物の蛍光の光量を測定する方法は、画像解析に比べると迅速に測定対象物の有無を判定することが可能であり、測定対象物からの蛍光を通過し、測定対象物以外からの蛍光を遮断するマスクを設けることで測定対象物を高感度に検知することが可能になる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特表2005-533502号公報
【特許文献２】特開2005-227051号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
特許文献１に記載の方法は、大きさ数μｍの菌の形状を判別するために高倍率で拡大した画像を取得する必要があるが、数ｍｍ２の膜面の全面の画像を取得し微生物を判別するには長時間必要になる。その結果、検査結果を迅速に取得することが困難になる。【００１１】
また、特許文献１記載の方法では、微生物が捕集されるフィルタ上の場所が予測できないので、特許文献２に記載の方法を用いて測定対象物である微生物が捕集されていない場所をマスクし、微生物の蛍光のみを選別することは難しい。そのため、この方法では微少の微生物を高感度に検知することは難しいと考える。【００１２】
本発明は、上述した従来技術の課題に鑑みて達成されたものであり、その目的は、空気中もしくは呼気中の物質を簡便・迅速に検知する気中物質検知装置及びそれに用いられるカートリッジを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
上記課題を解決するため、本発明の気中物質検知装置用カートリッジは、気中物質を含む気体が通過可能な微細孔が形成された導入板と、該導入板に対向配置され、微細孔を通過した気体の衝突により気中物質を衝突させて捕集可能な光透過性の捕集板と、導入板と捕集板とが並設され気中物質を含む気体を微細孔に導く流路が形成された本体と、捕集板を覆い、捕集板の気中物質が衝突して捕集される捕集範囲に対応する位置に光透過可能な開口窓が設けられた遮光性のマスクと、を有することを特徴とする。【００１４】
また、本発明に係る気中物質検知装置は、前記の気中物質検知装置用カートリッジを用いており、導入板から捕集板の向きに空気の流れを発生するためのポンプと、捕集板上に捕捉された気中物質を光学的に検知するための光学検知器を備え、光学検知器は、捕集板の捕集面の背面側に配置されることを特徴とする。【００１５】
本発明によれば、捕集板を覆う遮光性のマスクには、捕集範囲に対応する位置に光透過可能な開口窓が設けられているので、捕集板に捕集された気中物質を光学検知器によって蛍光検知する場合に、捕集板の捕集範囲以外の位置で発光する蛍光が光学検知器に到達するのを防ぎ、結果として捕集板に捕集された気中物質から発生する微弱な蛍光のみを選別し、気中物質を高感度に検知することができる。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、呼気中微生物等の気中物質の捕集及び検出を迅速かつ自動的に行うことにより、検査者の技量の有無にかかわらず、気中物質を高感度で検知することができ、簡便・迅速・高感度に感染症の患者の早期発見が可能になるという極めて優れた効果を発揮する。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本発明に係る気中物質検知装置の一実施例として呼気中微生物検知装置の原理を示す模式図。
【図２】図１に示す呼気中微生物検知装置に蛍光色素噴霧手段を付加した構成を示す模式図。
【図３】図１に示す呼気中微生物検知装置に試薬供給回収手段を付加した構成を示す模式図。
【図４Ａ】呼気中微生物検知装置にマスクを使用しない場合の微生物を光学検知器で検知する説明図である。
【図４Ｂ】図４Ａの検知状態説明図である。
【図５Ａ】呼気中微生物検知装置にマスクを使用した場合の微生物を光学検知器で検知する説明図である。
【図５Ｂ】図５Ａの検知状態説明図である。
【図６Ａ】遮光性のマスクに設けられた開口窓の位置や形状を説明するための一部破断斜視図と要部断面図である。
【図６Ｂ】図６Ａの開口窓を詳細に示す要部断面図である。
【図７Ａ】遮光性のマスクを捕集板の外側に設けた位置関係を説明する要部断面図である。
【図７Ｂ】遮光性のマスクを捕集板の内側に設けた位置関係を説明する要部断面図である。
【図８Ａ】本発明に係るカートリッジの実施例１の正面側から見た斜視図である。
【図８Ｂ】図８Ａのカートリッジの裏面側から見た斜視図である。
【図９Ａ】図８Ａに示したカートリッジのＡ−Ａ’線断面図である。
【図９Ｂ】図９Ａに示したカートリッジのＢ部の拡大図である。
【図９Ｃ】図９Ｂに示したカートリッジのＣ部の拡大図である。
【図１０】図８Ａ，Ｂに示したカートリッジの分解斜視図である。
【図１１】図８Ａ，Ｂに示したカートリッジを用いた呼気中微生物検知装置の外観を示す斜視図である。
【図１２】図１１に示す呼気中微生物検知装置の配管を示す図である。
【図１３】本発明に係る呼気中微生物検知装置の実施例１の検査工程のフローチャートである。
【図１４Ａ】実施例１の呼気中微生物検知装置に用いるカートリッジの微生物を捕集する工程を説明する図である。
【図１４Ｂ】実施例１の呼気中微生物検知装置に用いるカートリッジの微生物を標識する工程を説明する図である。
【図１４Ｃ】実施例１の呼気中微生物検知装置に用いるカートリッジを洗浄する工程を説明する図である。
【図１５】本発明に係る呼気中微生物検知装置の実施例１の光学系の詳細を示す図である。
【図１６】本発明に係るカートリッジの実施例２の斜視図と要部拡大図である。
【図１７】本発明に係る呼気中微生物検知装置の図１６に示すカートリッジを用いた実施例２の配管を示す図である。
【図１８Ａ】図１７に示す呼気中微生物検知装置の実施例２に用いるカートリッジの微生物を捕集する工程を説明する図である。
【図１８Ｂ】図１７に示す呼気中微生物検知装置の実施例２に用いるカートリッジの微生物を標識する工程を説明する図である。
【図１８Ｃ】図１７に示す呼気中微生物検知装置の実施例２に用いるカートリッジを洗浄する工程を説明する図である。
【図１９】本発明に係る呼気中微生物検知装置の実施例３の検知工程を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
既述したように、感染症の拡大を防ぐには患者の早期発見及び隔離が重要である。そのためには、患者体内の微生物を簡便に採取し、さらに微生物を簡便・迅速・高感度に検知することが求められる。そこで本願発明の発明者らは空気中もしくは呼気中の微生物を迅速検知するための方法及び装置を種々検討した結果。本願発明に至った。
【００１９】
以下、図面を参照して、本発明に係るいくつかの好ましい実施例を説明する。なお、本発明では、検知対象となる「気中物質」とは、大気や呼気等の気体中に含まれる微小物質であり、一例として「空気中もしくは呼気中に含まれる微生物」は、一般的な定義の微生物より広い範囲であり、ウイルスや細菌、酵母、原生動物、菌類、胞子、花粉をも含むほか、気中物質としては、動物の皮膚の破片、ダニの糞や死骸、ハウスダスト、排ガス粒子、鉱石粒子のいずれかの微粒子が含まれる。
【実施例１】
【００２０】
図１は、本発明に係る気中物質検知装置の一種である呼気中微生物検知装置１を模式的に示す概略構成図である。呼気中微生物検知装置１は部分断面図で示されている。呼気中微生物検知装置１では、箱状に形成された検知装置本体の一側面に、カートリッジ１０を着脱可能に付設している。呼気中微生物検知装置１が配設された場所または遠隔地で採取された患者の呼気を封入した呼気バッグ１２１を、カートリッジ１０に後述する連結管１２８１を介して接続する。排ガス粒子等の微粒子を検知するときは、呼気バッグの代わりに空気バッグが使用される。【００２１】
カートリッジ１０は、扁平な直方体状または厚みのあるカード状をしており、直方体状の本体１１０内に、複数の微細孔１１５が形成された多孔の導入板１１２と、この導入板１１２と僅かな間隔をおいてほぼ平行に配置された捕集板１１４とを保持している。本体１１０の扁平な側面の中央部には、呼気バッグ１２１に連結する連結管１２８１を着脱するために、吸気口１００が形成されている。【００２２】
このように、呼気中微生物検知装置１は、患者の呼気を封入した呼気バッグ１２１と、呼気バッグ１２１に連結したカートリッジ１０を備えており、カートリッジ１０は、複数の微細孔１１５を備えた板である導入板１１２と、微細孔１１５を通過した微生物粒子１５０を表面に捕集する光透過性の捕集板１１４を備えている。捕集板１１４は、微生物粒子１５０の捕集範囲のみを開口した遮光性のマスク１１７で覆われている。図では捕集板１１４の端の一部とカートリッジ１０の間に隙間があり、この隙間が通気口１１６として機能する。空気や呼気を排出する通気口１１６を外周に設けることで、捕集板１１４の中心部に光を照射しやすく、検知感度を高めることができる。また、捕集板１１４を光透過性とすることで光の反射や散乱を防ぎ、ノイズの発生を抑えることができる。【００２３】
遮光性のマスク１１７は、円形の捕集板１１４の全面を覆い、捕集板の気中物質が衝突して捕集される捕集範囲に対応する位置に光透過可能な開口窓１１８が設けられている。マスクの開口窓１１８は気中物質が捕捉される範囲と重なるように設置され、開口窓１１８の面積は気中物質が捕捉される範囲の面積と同じか大きいように形成される。また、マスク１１７の開口窓１１８の数は、導入板１１２の微細孔１１５の数と同等に形成される。マスク１１７の開口窓１１８と導入板１１３の微細孔１１５との位置合わせは、アライメントマーク等を用いて一致させる。【００２４】
また、図１には記載されていないが、呼気中微生物検知装置１は、呼気バッグ１２１内の呼気を吸引するため後述するポンプを備えており、ポンプにより、呼気バッグ１２１の呼気はカートリッジ１０側に矢印１２２２の方向に吸引される。微生物粒子１５０を含む呼気は複数の微細孔１１５を通過後に捕集板１１４表面付近で流れ方向を変える。呼気は外周に設けた通気口１１６からカートリッジ１０外に流れるが、呼気中の微生物粒子１５０は慣性力により気流から外れ、捕集板１１４の表面に衝突し捕集される。この方法は一般的にインパクション法と呼ばれている。ウイルス等の微生物粒子はガラス板等の捕集板１１４と衝突すると剥がれにくいため、容易に捕集することができる。【００２５】
さらに呼気中微生物検知装置１は、カートリッジ１０の捕集板１１４に捕集された微生物粒子１５０を、捕集板１１４の裏側から光学的に検知するための光学検知器１２４を備え、捕集板１１４の表面に捕集された微生物粒子１５０に、光学検知器１２４から励起光１２４１を照射するときに発せられる微生物粒子１５０の蛍光１２４２を光学検知器１２４で検知することで呼気中の微生物粒子１５０を検知する。【００２６】
詳細は図４〜図５を用いて後述するが、マスク１１７は、捕集板１１４の微生物粒子１５０を捕集する場所（以下捕集範囲とする）以外を覆うことにより、捕集範囲以外から発生する蛍光が光学検知器１２４に到達することを防ぎ、結果として、捕集板１１４上の微生物粒子１５０から発生する微弱な蛍光のみを選別し、微生物粒子１５０を高感度に検知することができる。捕集範囲以外から発生する蛍光の種類としては、捕集板の蛍光（自家蛍光）などがある。【００２７】
検査者は、患者が呼気を吹き込んだ呼気バッグ１２１を呼気中微生物検知装置１のカートリッジ１０に接続するだけで、呼気中の微生物粒子１５０を自動的にカートリッジ１０の捕集板１１４の表面に捕集し、蛍光検知により自動的に微生物粒子１５０を高感度で検知することができる。ここで、光学検知器１２４と微生物粒子１５０の間には光透過性の捕集板１１４しか配置されていないので、光の屈折や反射、散乱の影響を可能な限り排除でき、捕集板１１４は遮光性のマスク１１７で開口窓１１８以外を覆っているため、微生物粒子１５０が発生する微弱な蛍光でも検出可能となる。【００２８】
次に、図２及び図３は、捕集した微生物粒子１５０を特定の蛍光色素で標識するための機構を追加した呼気中微生物検知装置１の概略構成を示す図である。インフルエンザウイルスや結核などの特定の微生物を検知する場合、これらの微生物に特異的に結合する蛍光色素を使用することで検知感度や判別性能が飛躍的に向上する。例えばインフルエンザウイルスに対しては、蛍光標識した抗インフルエンザウイルス抗体を使用し、結核菌に対しては蛍光標識した抗結核菌抗体を使用する。【００２９】
図２の呼気中微生物検知装置１は、呼気バッグ１２１の他、内部に保持する液体を霧化するための噴霧器１２３がカートリッジ１０に連結している。噴霧器１２３は蛍光色素液を霧化することで蛍光色素を含むミスト１５３を発生させる機能を備える。微生物粒子１５０を捕集板１１４に捕集した後、噴霧器１２３から発生したミスト１５３は複数の微細孔１１５を通過したのち捕集板１１４表面に衝突する。衝突したミスト１５３に含まれる蛍光色素と捕集板１１４表面に捕集された微生物粒子１５０は特異的に結合する。微生物粒子１５０から発せられた蛍光色素の蛍光１２４２を光学検知器１２４で検知することで微生物粒子１５０を高感度に検知することができる。【００３０】
図１の説明と同様の理由で、マスク１１７は捕集板１１４上の微生物粒子１５０から発生する微弱な蛍光のみを通過し、捕集範囲以外から発生する蛍光を遮断するため、高感度に微生物粒子１５０を検知することができる。捕集範囲以外から発生する蛍光の種類としては、捕集板の蛍光（自家蛍光）、捕集板１１４表面に付着した蛍光色素の蛍光などがある。【００３１】
さらに図３の呼気中微生物検知装置１は、カートリッジ１０に試薬１０６１を保持する試薬容器１０６と試薬１０６１を廃棄するための廃液容器１０３が連結している。試薬容器１０６から捕集板１１４表面に試薬１０６１を供給し、供給した試薬１０６１を廃液容器１０３に廃棄する機能を備える。試薬１０６１の組成を蛍光色素液や洗浄液にすることで、試薬１０６１の流動により微生物粒子１５０への蛍光色素の標識や捕集板１１４表面の洗浄を行うことができる。【００３２】
次に、図４〜５を用い、遮光性のマスク１１７の効果を説明する。図４Ａはマスクを使用していない場合の一部を破断した概略構成図である。図４Ｂは、捕集した微生物粒子１５０の数を横軸とし、光学検知器１２４に入射する蛍光の光量を縦軸としたときの棒グラフである。棒グラフに付随した絵は、捕集板１１４表面に捕集された微生物粒子１５０の蛍光像であり、右の像ほど捕集した微生物粒子１５０の数が多いため、蛍光光量も増大する。【００３３】
光学検知器１２４に入射する蛍光には微生物粒子１５０から発生した蛍光の他に、捕集板から発生する蛍光（自家蛍光）や捕集板表面に付着した蛍光色素などの物質から発生する蛍光も含む。これらの微生物粒子１５０以外から発生した蛍光を背景光と表現する。捕集した微生物粒子１５０の数が多いときは背景光の蛍光光量は無視できるが、捕集した微生物粒子１５０の数が少ないときは背景光の蛍光光量は無視できない。よって微少の微生物粒子１５０を検知するために光学検知器１２４に入射する背景光を低減する必要がある。【００３４】
図５Ａは、マスク１１７を使用した場合での一部を破断した概略構成図である。インパクション法では捕集する微生物１５０の大きさや質量、微細孔１１５を通過する気流の流速が同じであれば、捕集板１１４上で微生物１５０が衝突し捕集される範囲（捕集範囲）は変わらない。そのため、捕集範囲を計算や実験的手法により調べ、捕集範囲と重なる位置に開口窓１１８を設けたマスク１１７で捕集板１１４を覆うことにより、微生物粒子１５０の捕集範囲以外から発せられる微生物粒子１５０以外の蛍光が光学検知器１２４に到達することを防ぐことができる。図５Ｂは、捕集した微生物粒子１５０の数を横軸とし、光学検知器１２４で蛍光光量を縦軸としたときの棒グラフである。先ほどと同様に、棒グラフに付随した像は捕集板１１４表面に捕集された微生物粒子１５０の像であり、右のイメージほど捕集した微生物粒子１５０の数が多い。【００３５】
捕集板１１４の微生物粒子１５０の捕集範囲以外はマスク１１７で覆われているため、捕集範囲以外から発生する背景光はマスク１１７により遮断され、光学検知器１２４に入射する光量は、マスクを使用しない場合（図４Ａ）より小さくなる。結果として、捕集板１１４上の微生物粒子１５０から発せられる微弱な蛍光のみを選別することになるので、微少の微生物粒子１１５を高感度に検知することが可能になる。【００３６】
図６Ａ，Ｂはマスク１１７の開口窓１１８の位置や形状を説明するための図である。ここでは、捕集板１１４の外周に通気口１１６を設けた場合を考える。このとき捕集板１１４上では中心から外周の方向に捕集板の表面に沿って気流が発生し、この気流の影響のため気流の下流側（導入板１１２の外周側）に位置する微細孔１１５を通過した微生物粒子１５０ほど、微細孔１１５の位置から気流方向にずれた範囲に衝突する。また、衝突範囲の形状は気流方向に引き伸ばされた楕円のような形状になる。このため、捕集板１１４の外周側に位置する開口窓１１８ほど、ずれ量が大きくなるように各開口窓の位置を設定することが好ましく、中心部から外周側に移行するに応じて、開口窓１１８の各々のずれ量が徐々に大きくなることが好ましい。【００３７】
微生物粒子１５０の衝突範囲の位置や形状は微生物粒子１５０が通過する微細孔１１５の直径Ｄ、導入板１１２と捕集板１１４の間隔Ｌ、導入板１１２と捕集板１１４の間を流れる気流の流速Ｖｒ、微細孔１１５を通過する流速Ｖｉ、微生物粒子１５０の直径ｄと密度ρなどのパラメータで決まるため、計算や実験的手法により衝突範囲の形状や位置を求め、マスク１１７の開口窓１１８の位置や形状ｄｍを設計する。【００３８】
例えば、Ｄ：７０μｍ、Ｌ：３００μｍ、Ｖｒ：１５ｍ／ｓｅｃ、Ｖｉ：１００ｍ／ｓｅｃ、ｄ：０．３μｍ、ρ：１．２ｋｇ／ｍ３のとき、微細孔１１５を通過した微生物粒子１５０の９０％以上捕集することができるが、衝突範囲の中心軸（重心の軸）と微細孔の中心軸は約４０μｍ（微細孔の半径程度）気流の下流側（捕集板の中心から外周方向）にずれ、捕集範囲の面積は微細孔の３倍弱になる。このように、微生物粒子１５０が捕捉される範囲の中心軸と、微細孔１１５の中心軸との距離は、微細孔１１５の直径よりも短く設定される。【００３９】
インパクション法では、導入板１１２の微細孔１１５と微生物粒子１５０の捕集範囲のずれが大きくなるほど、捕集板１１４に衝突せずに捕集されない微生物粒子１５０が増える。計算及び実験の結果から、微細孔１１５の中心軸と捕集範囲の中心軸のずれが微細孔１１５の直径より大きくなると捕集されない微生物粒子１５０が無視できないほど多くなるため、衝突範囲の中心軸と微細孔の中心軸との位置のずれが微細孔１１５の直径以下、微生物粒子１５０の衝突範囲の面積が微細孔１１５の面積の４倍以内となるように微細孔１１５の位置や形状を設計することが好ましい。【００４０】
また、本実施例では通気口を捕集板１１４の外周側に設けた場合について説明したが、捕集板１１４の中心に通気口を設けた場合、捕集板１１４上では中心に向かう気流が発生するため、導入板１１２の中心側に位置する微細孔１１５を通過した微生物粒子１５０ほど微細孔１１５の位置から中心側にずれた範囲に衝突する。【００４１】
図７Ａ，Ｂは、遮光性のマスク１１７と捕集板１１４の位置関係を説明するための図である。図７Ａはマスク１１７の面と微生物粒子１５０の捕集面が捕集板１１４の表裏に位置する場合であり、図７Ｂはマスク１１７の面と微生物粒子１５０の捕集面が捕集板１１４の同一面に位置する場合である。図７Ａでのマスク１１７の面と捕集面が表裏に位置する場合では、微生物粒子１５０の捕集面とマスク１１７の面は捕集板１１４の厚さだけ離れているため、図７Ｂでのマスク１１７の面と捕集面が同一面の場合に比べ、微生物粒子１５０から発せられる蛍光１１９のうち開口窓１１８を通過する割合（開口率）は低くなる。よってより多くの蛍光が光学検知器１２４に入射するためには、マスク１１７の面と捕集面が捕集板１１４の同一面に位置する（図７Ｂ）ことが好ましい。【００４２】
次に、図８Ａ〜１０を用いて、本発明におけるカートリッジ１０の詳細について説明をする。図８Ａはカートリッジ１０を正面側から見たときの斜視図であり、図８Ｂはカートリッジ１０を裏面側からみたときの斜視図である。図９Ａは、図８ＡにおけるＡ−Ａ’線断面図であり、図９Ｂは図９ＡのＢ部拡大図、図９Ｃは図９ＢのＣ部拡大図、図１０はカートリッジの分解斜視図である。【００４３】
カートリッジ１０は、液体を内部に保持し、呼気中もしくは空気中の微生物を捕集および検知するのに必要ないくつかの工程を行うための機構を内部に備えている。カートリッジ１０の大部分を占める本体１１０の正面中央部には、呼気バッグ１２１に連通する連結管１２８１が着脱自在に接続される吸気口１００が形成され、呼気バッグ１２１から微生物を含む呼気もしくは大気が吸気口１００へ流入するように構成されている。カートリッジ１０の周縁部には、複数の通気口１０１１〜１０１４が形成されている。また、カートリッジ１０の内部に複数の流路１０５１、１０５２、…が形成され、これら流路内の圧力を変化させて、呼気や試薬、洗浄液等の流動を制御するのに用いられる。【００４４】
カートリッジ１０は、微生物を含む呼気もしくは空気が流入する吸気口１００と、カートリッジ１０内部の気圧を変化させるための通気口１０１１〜１０１４と、微生物を捕集・検知するための捕集・検知部１０４と、捕集・検知部１０４を洗浄するための洗浄液１０２１を保持するための洗浄液容器１０２と、捕集・検知部１０４を通過した洗浄液１０２１を廃棄するための廃液容器１０３と、洗浄液容器１０２と捕集・検知部１０４を連結し、洗浄液１０２１が流動するための洗浄液容器−捕集・検知部連結流路１０５１と、捕集・検知部１０４と廃液容器１０３を連結し、洗浄液１０２１が流動するための捕集検知部−廃液容器連結流路１０５２で構成されている。【００４５】
図８Ｂの拡大図はカートリッジ１０での吸気口１００や捕集・検知部１０４の位置を把握するための図であり、マスク１１７を表示していない。通気路１０１２は前記の連結流路１０５１と連結され、捕集・検知部１０４への連結部１０４６を形成している。また、通気路１０１１は前記の連結流路１０５２と連結され、捕集・検知部１０４への連結部１０４５を形成している。この明細書においては、洗浄液の流れに沿って洗浄液容器１０２の側を上流側、廃液容器１０３の側を下流側と定義する。【００４６】
洗浄液容器１０２と捕集・検知部１０４との連通流路１０５１の末端側は、２つに分岐した分岐流路１０４８を形成しており、一方は上記通気口１０１２を端部とし、他方は捕集・検知部１０４まで延びて捕集・検知部１０４への連結部１０４６を形成している。同様に、廃液容器１０３と捕集・検知部１０４との連通流路１０５２の末端側も２つに分岐した分岐流路１０４７を形成しており、一方が通気口１０１１を端部とし、他方が捕集・検知部１０４まで延びて捕集・検知部１０４への連結部１０４５を形成している。【００４７】
カートリッジ１０のｘ方向及びｚ方向の長さは１０ｍｍ〜３００ｍｍ、ｙ方向の長さは３ｍｍ〜１００ｍｍの範囲で形成され、吸気口１００の直径φｄは１ｍｍ〜１００ｍｍの範囲で形成される。また洗浄液容器１０２の容積は液量０．１ｍｌ〜１００ｍｌの洗浄液１０２１を内部に保持することができる範囲で形成される。洗浄液容器１０２と捕集・検知部１０４との連結流路１０５１や捕集・検知部１０４と廃液容器１０３との連結流路１０１４の深さ及び流路幅は０．１ｍｍ〜１０ｍｍの範囲で形成される。典型的には、Ｌｘ，Ｌｚは６０ｍｍ程度であり、Ｌｙは１０ｍｍ程度である。【００４８】
カートリッジ１０の断面図を図９に、分解斜視図を図１０に示す。図９Ａは、図８ＡのＡ−Ａ’線での断面図であり、図９Ｂは、カートリッジ１０の捕集・検知部１０４の拡大断面図であり、図９Ｃは、捕集・検知部１０４の範囲１０５の拡大断面図である。図９と図１０を用いて、カートリッジ１０を構成する各部品とその好ましい材質や寸法について説明する。【００４９】
カートリッジ１０は、吸気口１００を備えた本体１１０と、単数もしくは複数の微細孔１１５を備えた導入板１１２と、光透過性の平板で表面に微生物を捕集するための捕集板１１４と、捕集板１１４を覆う遮光性のマスク１１７と、本体１１０と導入板１１２を接着するための粘着層１１１と、導入板１１２と捕集板１１４を接着し、二つの部品間に空間を設けるための環状の部品であるスペーサ１１３で構成されている。これらの部品を接合することで、カートリッジ１０内に容器や流路が構成される。【００５０】
上述したように本体１１０には、各容器１０２、１０３および各流路１０４７、１０４８、１０５１、１０５２と通気口１０１１〜１０１４、１０４５、１０４６が形成されている。これら容器１０２、１０３および流路１０４７、１０４８、１０５１、１０５２等が作成容易なように、加工性や製造コストをも考慮して、本体１１０には耐水性の樹脂材料を用いる。耐水性樹脂材料として、ポリプロピレンやポリエチレンテレフタレート、ポリカーボネイト、ポリスチレン、アクリロニトリルブタジエンスチレン樹脂、ポリメタクリル酸メチルエステル等を使用する。これら材料を用いて、容器１０２、１０３や流路１０４７、１０４８、１０５１、１０５２を本体１１０に射出成型で形成する。【００５１】
粘着層１１１の中央部には、本体１１０の中央部の吸気口１００に対応する位置に連通孔１００ｂが、連結部１０４５、１０４６に対応する位置に連通孔１０４３、１０４４が、それぞれ形成されている。導入板１１２の中央部には、前記複数の微細孔１１５が形成され、粘着層１１１の連通孔１０４３、１０４４に対応する位置に、連通孔１０４１、１０４２が形成されている。【００５２】
導入板１１２の背面側であって、微細孔１１５が形成された部分の周囲には、中央部に開口１１３１が形成されたリング状のスペーサ１１３を接着する。スペーサ１１３は、両面に接着剤が塗布されたシート状をしており、スペーサ１１３の表面にはスペーサ１１３とほぼ同外径の捕集板１１４が接着剤により接着されている。スペーサ１１３は、導入板１１２と捕集板１１４との間に介在して、これら２種の板１１２，１１４間に所定の隙間δを形成する（図９Ｂ参照）。そして、スペーサ１１２の開口１１３１に対応して捕集板１１４を覆う遮光性のマスク１１７の開口窓１１８が位置している。【００５３】
導入板１１２の材質には、微生物の蛍光検知に対する影響を小さくする目的で迷光や自家蛍光が発生しにくいポリエチレンテレフタレート、ポリメタクリル酸メチルエステル、シクロオレフィンポリマーなどの光透過性の樹脂材料を使用することが好ましい。導入板１１２の微細孔１１５は、機械加工、超音波、エッチング、レーザーなどの微細加工法により形成する。また、インパクション法では捕集する微生物の粒径が小さいほど微細孔の直径を小さくする必要があり、吸引量が多いほど微細孔数を多くする必要があるため、測定対象によって微細孔１１５の最適な直径や微細孔数は変わる。【００５４】
例えば直径０．３μｍのウイルス粒子から直径数１０μｍの花粉を検知対象とし、０．００１ｍ３/分〜１ｍ３/分の範囲の吸引量で検査を実施する場合、微細孔１１５の直径は０．０１ｍ〜３ｍｍ、微細孔１１５の間隔は０．０５ｍｍ〜１５ｍｍ、微細孔１１５の数は１〜１０，０００個の範囲とすることが好ましい。さらに一例として直径０．３μｍ以上のウイルス粒子を含む呼気を０．００３ｍ３/分の吸引量で吸引する場合は、微細孔１１５の直径は０．１ｍｍ、微細孔１１５の間隔は０．６ｍｍ、微細孔１１５の数は１００個で構成することが好ましい。【００５５】
粘着層１１１は、本体１１０と導入板１１２を接着させるための部品であり、アクリル系やシリコーン系の粘着剤を使用するか、もしくは超音波溶着などの方法で接合する場合は使用しなくてもよい。【００５６】
スペーサ１１３は両面が粘着性の耐水性の樹脂材料が好ましく、ポリプロピレン、ポリエチレンテレフタレート、ポリカーボネイト、ポリスチレン、アクリロニトリルブタジエンスチレン樹脂、ポリメタクリル酸メチルエステル等の樹脂で形成されることが好ましい。またインパクション法では、スペーサ１１３の厚さは微細孔１１５の直径の１倍から１０倍の範囲で構成されることが好ましく、例えば微細孔１１５の直径が０．１ｍｍのときはスペーサ１１３の厚さは０．１ｍｍ〜１ｍｍの範囲となることが好ましい。【００５７】
捕集板１１４は、微生物粒子１５０（図１）を捕集する板として機能するだけでなく、光学検知器１２４（図１）で蛍光検知を行う際には光学的な窓として機能し、励起光１２４１及び蛍光１２４２の光導通路としても作用するため、光学特性に優れた材料で構成する必要がある。そのため、近紫外〜近赤外の波長域（３００ｎｍ〜８００ｎｍ）における一部波長域にて、光透過率が８０％以上でかつ自家蛍光が小さい材料を使用することが好ましく、例えば、ガラス、石英の他、ポリエチレンテレフタレート、ポリメタクリル酸メチルエステル、シクロオレフィンポリマー、ポリジメチルシロキサンなどの光透過性樹脂が好ましい。またこれらの部材を貼り合わせた部品を使用してもよい。また、捕集板１１４の厚さは０．１ｍｍ〜１０ｍｍの範囲となることが好ましい。【００５８】
また、衝突した微生物粒子１５０を確実に捕集するために、捕集板１１４表面は粘着性の物質を塗布もしくは貼りつけてもよく、もしくは特定の微生物粒子と特異的に結合する抗体もしくは人工抗体などの物質を物理的結合や化学的結合により修飾してもよい。【００５９】
マスク１１７は微生物粒子１５０以外の蛍光や励起光１２４１の反射光が光学検知器１２４に入射することを防ぐ機能が必要となるため、光透過率や光反射率が０に近く、自家蛍光が発生しにくい材質を使用することが好ましい。例えば、黒色ポリエチレンテレフタレート、黒色ポリメタクリル酸メチルエステルなどの遮光性の樹脂材料、黒色アルマイト処理したアルミ、黒色塗料を塗布した樹脂板や金属板を使用することが好ましい。【００６０】
また、マスク１１７の開口窓１１８は、機械加工、超音波、エッチング、レーザーなどの微細加工法により形成する。先述したように、開口窓１１８の大きさや位置は、導入板１１２の微細孔１１５の大きさや位置によって変わる。気流の上流側に位置する開口窓１１８の位置と大きさは、図６Ａに示されるように、対向する微細孔１１５とほぼ同じだが、気流の下流側に位置する開口窓１１８では、対向する微細孔１１５に比べ、面積は最大４倍まで大きくなり、位置も気流の下流側にずれる。【００６１】
次に図１１を用い、呼気中微生物検知装置１の構成及び使用方法について説明をする。図１１は、前記のカートリッジ１０を用いた呼気中微生物検知装置１の外観を示す斜視図である。呼気中微生物検知装置１は、患者の呼気を吹き込んだ呼気バッグ１２１と、呼気中の微生物を捕集・検知するためのカートリッジ１０と、カートリッジ１０を保持するカートリッジホルダ１２７と、呼気中の微生物に特異的に結合する蛍光色素を含む液体を霧化するための噴霧器１２８と、呼気バッグ１２１中の呼気や噴霧器１２８により霧化された蛍光色素のミストをカートリッジ１０に吸引するためのポンプ１２２と、カートリッジ１０に捕集された微生物粒子を蛍光検知するための光学検知器１２４を備え、図中には記載されていないが呼気バッグ１２１、カートリッジ１０、噴霧器１２８、ポンプ１２２を連結する配管と配管の開閉を行うバルブを備えている。【００６２】
呼気中微生物検知装置１は、呼気バッグ１２１を着脱自在とするために、呼気バッグ１２１の取付口１２８２が上面に固定されている。この取付口１２８２には、呼気中微生物検知装置１の内部を這うように設けられた連結管１２８１が連結されている。連結管１２８１の端部は、カートリッジ１０の中央部に形成した呼気口１００に嵌合可能となっている。【００６３】
呼気中の微生物を捕集・検知するカートリッジ１０は、呼気中の微生物検知装置１の一側面の上部に形成した窓部１２８３の近傍に設けたカートリッジホルダ１２７に収容される。カートリッジ１０をカートリッジホルダ１２７に収容した後に呼気中微生物検知装置１を封止するため、窓部１２８３には開閉可能なふた１２８が取り付けられている。ふた１２８には、連結管１２８１が取り付けられている。したがって、ふた１２８が窓部１２８３を閉じると、Ｌ字状に曲げられた連結管１２８１の先端がカートリッジ１０の吸気口１００に自動的に嵌合する。【００６４】
呼気中微生物検知装置１の背面側には、カートリッジ１０に捕集された微生物粒子を蛍光検知するための光学検知器１２４が配置されている。光学検知器１２４の背面側には、カートリッジ１０に形成された各流路１０５１，１０５２等を減圧して、呼気バッグ１２１中の呼気や噴霧機１２８により霧化された蛍光色素のミストをカートリッジ１０に吸引するポンプ１２２が配置されている。【００６５】
呼気中微生物検知装置１の内部であってカートリッジホルダ１２７の側部には、呼気中の微生物に特異的に結合する蛍光色素を含む液体を霧化する噴霧機１２３が配置されている。また、カートリッジホルダ１２７の下方には、呼気中微生物検知装置１の動作を制御する制御部１２５と、検査内容や検査結果を表示する表示部１２６とが配置されている。図１１では、制御部１２５と表示部１２６を呼気中微生物検知装置１に組み込んでいるが外部接続したパーソナル・コンピュータ等のシステム機器で代用してもよい。【００６６】
図１２は、呼気中微生物検知装置１における呼気バッグ１２１と、カートリッジ１０と、噴霧器１２３と、ポンプ１２２を接続する配管１３１と、配管１３１の開閉を行うバルブ１３１１〜１３１５の位置関係を示すための図である。配管１３１はカートリッジ１０の通気口１０１１〜１０１４に接続されている。【００６７】
図１２において、呼気バッグ１２１には、呼気を収集した後に収集した呼気が漏れるのを防止する図示しないバルブが形成されており、このバルブは呼気中微生物検知装置１に呼気バッグ１２１を取り付けると自動的に開放する。【００６８】
呼気中微生物検知装置１では、呼気バッグ１２１の連結管１２８１にバルブ１３１１が、この連結管１２８１から分岐した噴霧機１２３用の配管の途中にバルブ１３１２が、それぞれ設けられている。上述したように、連結管１２８１の先端部は、カートリッジ１０の吸気口１００に連結する。【００６９】
一方、ポンプ１２２の吸気配管１３１は複数の配管系に分岐しており、その一つの配管系１３２はカートリッジ１０の廃液容器１０３に連結する通気口１０１４に、他の一つの配管系１３３は洗浄液容器１０２に連通する通気口１０１２及び廃液容器１０３に連通する空気口１０１１に連結する。配管１３２にはバルブ１３１５が、配管１３３にはバルブ１３１３が介在されている。カートリッジ１０の洗浄液容器１０２に連通する通気口１０１３には、大気開放される配管１３４が連結する。この配管１３４には、バルブ１３１４が取り付けられている。なお、上記各バルブは、呼気中微生物検知装置１の内部に設けられている。【００７０】
検査者は患者の呼気を吹き込んだ呼気バッグ１２１とカートリッジ１０を呼気中微生物検知装置１に装着し、ふた１２８を閉じたのち、制御部１２５と介し検査内容を指定し、検査を行う。また、ここでは患者の呼気を検査対象としたが、呼気バッグ１２１に測定したい生活環境の空気を封入することで、生活環境の空気中の微生物粒子や、動物の皮膚の破片、ダニの糞や死骸、ハウスダストなどのアレルゲンの他、排ガス粒子、アスベストなどの鉱石粒子の検知を行うことも可能である。【００７１】
次に図１３，１４と、表１を用いて、呼気中の微生物を検知するときの詳細を説明する。図１３のフローチャートに従い呼気中の微生物粒子の検知を行う。捕集、標識、洗浄、検知の各工程におけるバルブ各１３１１〜１３１５の開閉、ポンプ１２２及び光学検知器１２４の動作を表１に示す。また、図１４は、捕集、標識、洗浄の各工程におけるカートリッジ１０内の流動の状態と捕集板１１４での微生物粒子１５０や蛍光色素１５４の状態を示す図である。
【表１】
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【００７２】
以下各工程について説明する。【００７３】
（１）準備工程
呼気中の微生物を検知する作業が開始されると、検査者は患者の呼気を吹き込んだ呼気バッグ１２１とカートリッジ１０を呼気中微生物検知装置１に装着し、ふた１２８を閉じる。その後、制御部１２５に設けた入力手段から検査内容を指定し、検査する。これらの情報は表示部１２６に表示される。呼気中微生物検知装置１に必要道具もしくはカートリッジ１０や呼気バッグ１２１が装着されているか否かを制御部１２５がステップＳ３１０でチェックする。必要道具が設置もしくは装着されていないときには、表示部１２６に警告が表示される（ステップＳ３００）。準備が完了したら捕集工程が開始される（ステップＳ３２０）。以下、表１と図１３、図１４Ａ〜図１４Ｃを参照しながら、捕集、標識、洗浄、検出の各工程について説明する。【００７４】
（２）捕集工程
呼気バッグ１２１とカートリッジ１０の吸気口１００を接続する配管のバルブ１３１１と、カートリッジ１０の通気口１０１１、１０１２とポンプ１２２を接続するバルブ１３１３が開状態（図１２）であるためポンプ１２２の吸引動作により、図１４Ａに示すように呼気バッグ１２１中の呼気はカートリッジ１０の吸気口１００と通気口１０１１、１０１２を流動する。また、通気口１０１３、１０１４に接続する配管のバルブ１３１４、１３１５は閉状態であるため、カートリッジ１０の洗浄液容器１０２内の洗浄液１０２１は容器内に留まる。【００７５】
このとき呼気中に含まれる微生物粒子１５０は導入板１１２の微細孔１１５を通過し捕集板１１４に衝突する。衝突した微生物粒子１５０は、捕集板１１４の表面に結合している抗体１５１と特異的に結合するため捕集板１１４表面に捕集される。【００７６】
（３）標識工程
設定した捕集時間ｔａ分が経過したのち、標識工程に移る（図１３）。噴霧器１２３とカートリッジ１０の吸気口１００を接続する配管のバルブ１３１２と、カートリッジ１０の通気口１０１１、１０１２とポンプ１２２を接続するバルブ１３１３が開状態（図１２）であるためポンプ１２２の吸引動作により、図１４Ｂに示すように噴霧器１２３で発生した蛍光色素１５４を含むミスト１５３はカートリッジ１０の吸気口１００を経由しカートリッジ１０内に噴霧される。このときミスト１５３は導入板１１２の微細孔１１５を通過し捕集板１１４に衝突する。衝突したミスト１５３は、捕集板１１４の表面に捕集されている微生物粒子１５０と衝突し、ミスト１５３内の蛍光色素１５４と微生物粒子１５０は特異的に結合する。【００７７】
（４）洗浄工程
設定した捕集時間ｔｂ分が経過したのち、洗浄工程に移る（図１３）。カートリッジ１０の通気口１０１３に接続するバルブ１３１４と、通気口１０１４に接続するバルブ１３１５が開状態（図１２）であるため、ポンプ１２２の吸引動作により、図１４Ｃに示すようにカートリッジ１０の洗浄液容器１０２内の洗浄液１０２１は洗浄液容器−捕集・検知部連結流路１０５１、捕集・検知部１０４、捕集検知部−廃液容器連結流路１０５２を経由し廃液容器１０３に流動する。【００７８】
このとき捕集板１１４に非特異的に吸着した蛍光色素１５４は水流１５５とともに除去される。捕集板１１４に非特異的に吸着した蛍光色素１５４は微生物検知の障害となるため、正確な検知を行う際にはできる限り除去することが重要である。【００７９】
（５）検知工程
設定した洗浄時間ｔｃ分が経過したのち、検知工程に移る（図１３）。光学検知器１２４からカートリッジ１０の捕集板１１４に励起光を照射し、微生物粒子１５０に結合した蛍光色素１５４の蛍光を検知することで、微生物粒子１５０を検知する。【００８０】
図１５は光学検知器１２４の光学系の一例である。光学検知器１２４は、励起光を発する光源１４３と、光源１４３から発せられた励起光を集光するための励起光集光レンズ１４１２と、励起光の波長域の光を反射し、微生物粒子１５０に結合した蛍光色素からの蛍光の波長域の光を透過するダイクロイックミラー１４２１と、励起光を捕集板１１４に照射し、微生物粒子１５０に結合した蛍光色素からの蛍光を集光するための対物レンズ１４１１と、蛍光の波長域の光のみを透過するバンドパスフィルタ１４２２と、蛍光の光路を変えるためのミラー１４２３と、蛍光を光検知器１４４に集光するための蛍光集光レンズ１４１３と、蛍光の光エネルギーを電気エネルギーに変換するための光検出器１４４で構成される。【００８１】
光源１４３はレーザー、ＬＥＤ、水銀ランプ、ハロゲンランプのいずれかを使用することが好ましく、光検出器１４４には光電子増倍管や半導体光センサを使用する。捕集板１１４に捕集された微生物粒子１５０の形状を取得する場合には、光検出器１４４をＣＣＤなどの画像取得装置に置き換えてもよい。【００８２】
励起光には、波長３００ｎｍ〜８００ｎｍの範囲内の光を利用するが、長波長の励起光を使用するほど捕集板１１４や導入板１１２から発生する自家蛍光を抑えることができるため、６００ｎｍ以上の波長の光を利用することが好ましい。蛍光の波長は使用する蛍光色素の種類にもよるが、励起光の波長よりも長波長となる。【００８３】
検知工程では、捕集板１１４に捕集された微生物粒子１５０からの蛍光を、光検出器１４４が電圧値で取得する(ステップＳ３９０)。そして、光検出器１４４の出力値を予め定めた値Ｙ（ｍＶ）と制御部１２５が比較する(ステップＳ４００)。値Ｙは、捕集された微生物粒子がない状態で、捕集板１１４から発せられる蛍光を光検出器１４４で測定した電圧値である。この値Ｙを、捕集工程から標識工程に移行する直前のある時点で測定する。光検出器１４４の検出値が予め定めた値Ｙ（ｍＶ）より大きければ、「Ｐｏｓｉｔｉｖｅ」を(ステップＳ４１０)、予め定めた値Ｙ（ｍＶ）以下であれば、「Ｎｅｇａｔｉｖｅ」を、表示部１２６等に出力する。
【実施例２】
【００８４】
先の実施例１では、標識工程は蛍光色素を含むミストを捕集した微生物粒子に衝突させることで、微生物粒子と蛍光色素を結合させていたが、微生物粒子を捕集した捕集板表面に蛍光色素を含む液体を流動させることでも微生物粒子と蛍光色素を結合させることはできる。以下、蛍光色素を含む液体を捕集板表面に流動させることで標識工程を行う実施例２について説明する。【００８５】
図１６は、液体を内部に保持し、呼気中もしくは空気中の微生物を捕集・検知するのに必要な工程を行うための機構を内部に備えたカートリッジ２０の構成を示す図であり、カートリッジ２０を裏面から見たときの斜視図である。カートリッジ２０は、微生物を含む呼気もしくは空気が流入する吸気口１００と、カートリッジ２０内部の気圧を変化させるための通気口１０１１〜１０１４と、微生物を捕集・検知するための捕集・検知部１０４と、微生物に特異的に結合する蛍光色素液２０６１を保持するための色素液容器２０６と、捕集・検知部１０４を洗浄するための洗浄液１０２１を保持するための洗浄液容器１０２と、捕集・検知部１０４を通過した洗浄液１０２１を廃棄するための廃液容器１０３と、色素液容器２０６と捕集・検知部１０４を連結し、色素液２０６１が流動するための色素液容器−捕集・検知部連結流路２０５１と、洗浄液容器１０２と捕集・検知部１０４を連結し、洗浄液１０２１が流動するための洗浄液容器−捕集・検知部連結流路１０５２と、捕集・検知部１０４と廃液容器１０３を連結し、洗浄液１０２１が流動するための捕集検知部−廃液容器連結流路１０５２が構成されている。図１６の拡大図はカートリッジ２０での吸気口１００や捕集・検知部１０４の位置を把握するための図であり、マスク１１７を表示していない。【００８６】
図１７は、呼気中微生物検知装置１における、呼気バッグ１２１と、カートリッジ２０と、ポンプ１２２を接続する配管１３１と、配管１３１の開閉を行うバルブ１３１１、１３１４〜１３１７の位置関係を示すための図である。配管１３１はカートリッジ２０の通気口１０１１、１０１４に接続されている。通気口１０１３に連結された配管１３４にはバルブ１３１４が介在されており、配管１３４の端部は大気に開放されている。通気口１０１２に連結された配管１３５にはバルブ１３１７が介在されており、配管１３５の端部は大気に開放されている。実施例１と同様に、図１３のフローチャートに従い呼気中の微生物粒子の検知を行う。図１８Ａ〜図１８Ｃは、呼気中の微生物粒子を検出する上記フローにおいて、捕集および標識、洗浄の各工程を示す図である。これらの図では、カートリッジ２０内の流動の状態と捕集板１１４での微生物粒子１５０や蛍光色素１５４の流動状態を示している。【００８７】
以下各工程についての説明である。【００８８】
（１）準備工程
準備工程は前記のカートリッジ１０の場合と同じであるため、詳細な記載は省略するが、カートリッジ２０や呼気バッグ１２１が装着されているか否かを制御部１２５がステップＳ３１０でチェックし、必要道具が設置もしくは装着されていないときには、ステップＳ３００で表示部１２６に警告が表示される。【００８９】
表２に、捕集、標識、洗浄、検知の各工程におけるバルブ１３１１，１３１４〜１３１７の開閉、ポンプ１２２及び光学検知器１２４の動作を示す。また、図１８Ａ〜図１８Ｃを参照しながら、捕集、標識、洗浄の各工程におけるカートリッジ２０内の流動の状態と捕集板１１４での微生物粒子１５０や蛍光色素１５４の状態を示す図である。
【表２】
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【００９０】
（２）捕集工程
呼気バッグ１２１とカートリッジ２０の吸気口１００を接続する配管のバルブ１３１１と、カートリッジ２０の通気口１０１１とポンプ１２２を接続するバルブ１３１６が開状態（図１７）となり、ポンプ１２２の吸引動作により、図１８Ａに示すように呼気バッグ１２１中の呼気はカートリッジ２０の吸気口１００と通気口１０１１を流動する。また、通気口１０１２、１０１３、１０１４に接続する配管のバルブ１３１７、１３１４、１３１５は閉状態であるため、カートリッジ２０の色素液容器２０６内の色素液２０６１と洗浄液容器２０２内の洗浄液２０２１は容器内に留まる。【００９１】
このとき呼気中に含まれる微生物粒子１５０は導入板１１２の微細孔１１５を通過し捕集板１１４に衝突する。衝突した微生物粒子１５０は、捕集板１１４の表面に結合している抗体１５１と特異的に結合するため捕集板１１４表面に捕集される。【００９２】
（３）標識工程
設定した捕集時間ｔａ分が経過したのち、標識工程に移る（図１３）。カートリッジ２０の通気口１０１２に接続するバルブ１３１７と、通気口１０１４に接続するバルブ１３１５が開状態（図１７）となり、ポンプ１２２の吸引動作により、図１８Ｂに示すようにカートリッジ２０の色素液容器２０６内の色素液２０６１は色素液容器−捕集・検知部連結流路２０５１、捕集・検知部１０４、捕集検知部−廃液容器連結流路１０５２を経由し廃液容器１０３に流動する。このとき蛍光色素１５４を含む液体は水流２５５とともに捕集板１１４上を流れ、捕集板１１４の表面に捕集されている微生物粒子１５０と蛍光色素１５４は特異的に結合する。【００９３】
（４）洗浄工程
設定した捕集時間ｔｂ分が経過したのち、洗浄工程に移る（図１３）。カートリッジ２０の通気口１０１３に接続するバルブ１３１４と、通気口１０１４に接続するバルブ１３１５が開状態（図１７）となり、ポンプ１２２の吸引動作により、図１８Ｃに示すようにカートリッジ２０の洗浄液容器１０２内の洗浄液１０２１は洗浄液容器−捕集・検知部連結流路１０５１、捕集・検知部１０４、捕集検知部−廃液容器連結流路１０５２を経由し廃液容器１０３に流動する。【００９４】
このとき捕集板１１４に非特異的に吸着した蛍光色素１５４は水流２５６とともに除去される。【００９５】
（５）検知工程
設定した洗浄時間ｔｃ分が経過したのち、検知工程に移る（図１３）。光学検知器１２４からカートリッジ２０の捕集板１１４に励起光を照射し、微生物粒子１５０に結合した蛍光色素１５４の蛍光を検知することで、微生物粒子１５０を検知する。
【実施例３】
【００９６】
先の実施例１，２では、物理的に遮光するマスクを使用することにより背景光を低減させたが、光学検知器にＣＣＤカメラなどの画像取得装置を使用することで、取得した画像に画像処理技術によるマスク処理が可能になる。以下、画像処理技術によるマスク処理を行う実施例について説明する。【００９７】
本実施例では光学検知器としてＣＣＤカメラなどの画像取得装置を使用する。本実施例においても先の実施例と同様に、捕集、標識、洗浄の工程を実施したのち検知の工程に移る。図１９は、本実施例における検知工程の手順を説明するための図である。捕集板３１４に捕集された微生物粒子１５０の検知するため、光学検知器で捕集板の一部の範囲（撮影範囲３００）を撮影する。撮影範囲３００の面積は捕集板３１４の面積よりも小さいときは、光学検知器もしくはカートリッジをステップ状に動かすことで撮影範囲３００を変え、捕集板３１４全体を撮影する。【００９８】
取得した画像から捕集板３１４の総光量を計測することにより、微生物粒子１５０の数を評価することができる。さらに、図１９のように、取得画像３００の微生物の衝突範囲３０１以外を画像処理技術により黒（光量＝０）に変換することで微生物粒子１５０が衝突していない範囲からの光量を大きく削減することができ、ＳＮ比（微生物粒子１５０からの蛍光量をＳ、微生物粒子１５０以外からの蛍光量をＮ）を向上させることが可能になる。なお、微生物の衝突範囲以外の領域の光量を「０」とする例を示したが、必ずしも「０」にせずに、この領域の光量を低減させることでも、Ｓ／Ｎ比を向上させることが可能である。【００９９】
以上説明したように本発明の各実施例によれば、ディスポーザブルなカートリッジにインパクタとなる導入板１１２及び捕集板１１４を設けているので、呼気中微生物検知装置１の本体側の汚染を極力低減できる。これにより、多数回の使用においても誤検出が少なくなる。また、カートリッジのインパクタとして使用する捕集面側と反対側に検出面を構成し、検出面側を透明にしたので、背面側からの光学的検出が可能になり、呼気中微生物検知槽置のコンパクト化が可能になる。さらに、検査者は呼気バッグを取り付けるだけであり、医療行為に該当せず、短時間で自動的に微生物を検出できる。【０１００】
なお、上記実施例では導入板として多孔板を使用しているが、検出対象物質が比較的大きな物質の場合には微細孔を１個にして検出対象物質を検出するようにしてもよい。この場合、検出対象物質をより正確に特定できる。
【符号の説明】
【０１０１】
１…呼気中微生物検知装置（気中物質検知装置）、１０，２０…カートリッジ、１００…吸気口、１０２…洗浄液容器、１０３…廃液容器、１０４…捕集・検知部、１０６…試薬容器、１１０…本体、１１２…導入板、１１４…捕集板、１１５…微細孔、１１６…通気口、１１７…遮光性のマスク、１１８…開口窓、１２１…呼気バッグ、１２２…ポンプ、１２３…噴霧器、１２４…光学検知器、１５０…微生物粒子（気中物質）
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
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【図５Ａ】
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【図５Ｂ】
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【図６Ａ】
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【図６Ｂ】
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【図７Ａ】
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【図７Ｂ】
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【図８Ａ】
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【図８Ｂ】
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【図９Ａ】
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【図９Ｂ】
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【図９Ｃ】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４Ａ】
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【図１４Ｂ】
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【図１４Ｃ】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８Ａ】
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【図１８Ｂ】
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【図１８Ｃ】
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【図１９】
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【手続補正書】
【提出日】平成28年10月26日(2016.10.26)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
気中物質を含む気体が通過可能な微細孔が形成された導入板と、
該導入板に対向配置され、前記微細孔を通過した前記気体の衝突により前記気中物質を衝突させて捕集可能な光透過性の捕集板と、
前記導入板と前記捕集板とが並設され気中物質を含む気体を前記微細孔に導く流路が形成された本体と、
前記捕集板を覆い、前記捕集板の前記気中物質が衝突して捕集される捕集範囲に対応する位置に光透過可能な開口窓が設けられた遮光性のマスクと、を有し、
前記気中物質検知装置用カートリッジは、前記捕集板の表面に沿って中心部から外周に向けて気中物質を含む気体が流れるように構成され、前記マスクの開口窓は、対応する前記微細孔の位置に対して前記捕集板の外周側に所定のずれ量をもって形成されていることを特徴とする気中物質検知装置用カートリッジ。
【請求項２】
前記マスクの開口窓は、前記気中物質が捕捉される範囲と重なるように設置され、前記開口窓の面積は前記気中物質が捕捉される範囲の面積と同じか大きいことを特徴とする請求項１に記載の気中物質検知装置用カートリッジ。
【請求項３】
前記マスクの開口窓の数は、前記微細孔の数と同等であることを特徴とする請求項２に記載の気中物質検知装置用カートリッジ。
【請求項４】
前記マスクの開口窓は、前記捕集板の中心部よりも外周側の前記ずれ量が大きいことを特徴とする請求項１に記載の気中物質検知装置用カートリッジ。
【請求項５】
前記マスクの開口窓は、その各々のずれ量が前記捕集板の中心部から外周側に移行するに応じて、徐々に大きくなるように形成されていることを特徴とする請求項１に記載の気中物質検知装置用カートリッジ。
【請求項６】
前記マスクの開口窓のずれ量は、前記微細孔の直径以下であることを特徴とする請求項１に記載の気中物質検知装置用カートリッジ。
【請求項７】
前記マスクの開口窓の面積は、前記微細孔の面積の４倍よりも小さいことを特徴とする請求項１に記載の気中物質検知装置用カートリッジ。
【請求項８】
前記遮光性のマスクは、前記捕集板の捕集面側を覆うものであり、前記捕集面の反対側から捕集した前記気中物質を検知することを特徴とする請求項１に記載の気中物質検知装置用カートリッジ。
【請求項９】
液体を保持する単数もしくは複数の容器と、前記導入板と前記捕集板の間の空間と前記容器を連結する流路と、前記導入板と前記捕集板の間を流動した前記液体を保管するための廃液容器と、前記導入板と前記捕集板の間の空間と前記廃液容器を連結する流路を有することを特徴とする請求項１に記載の気中物質検知装置用カートリッジ。
【請求項１０】
前記捕集板の前記気中物質を捕捉する面には、粘着性物質もしくは前記気中物質と特異的に結合する物質が結合または吸着していることを特徴とする請求項１に記載の気中物質検知装置用カートリッジ。
【請求項１１】
前記気中物質は、ウイルス、細菌、酵母、原生動物、菌類、胞子、花粉、動物の皮膚の破片、ダニの糞や死骸、ハウスダスト、排ガス粒子、鉱石粒子のいずれかの微粒子であることを特徴とする請求項１に記載の気中物質検知装置用カートリッジ。
【請求項１２】
前記導入板は、光透過性であることを特徴とする請求項１に記載の気中物質検知装置用カートリッジ。
【請求項１３】
請求項１から請求項１２のいずれか一項に記載のカートリッジを用いた気中物質検知装置であって、
前記導入板から前記捕集板の向きに空気の流れを発生するためのポンプと、前記捕集板上に捕捉された前記気中物質を光学的に検知するための光学検知器を備え、
前記光学検知器は、前記捕集板の捕集面の背面側に配置されることを特徴とする気中物質検知装置。
【請求項１４】
前記気中物質検知装置は、液体を霧化するための噴霧器を備え、前記噴霧器により発生した液体のミストは、前記ポンプにより前記微細孔を通過し、前記捕集板表面に捕集された前記気中物質に衝突することを特徴とする請求項１３に記載の気中物質検知装置。
【請求項１５】
前記液体は、前記気中物質に特異的に結合する蛍光色素を含む液体であることを特徴とする請求項１４に記載の気中物質検知装置。
【請求項１６】
前記導入板から前記捕集板の向きに空気の流れを発生するためのポンプと、前記捕集板上に捕捉された前記気中物質を光学的に検知するための光学検知器を備え、前記ポンプにより前記容器内の前記液体を前記導入板と前記捕集板の間を経由し、廃液容器まで流動させることを特徴とする請求項１３に記載の気中物質検知装置。
【請求項１７】
前記液体は、前記気中物質に特異的に結合する蛍光色素を含む液体もしくは前記捕集板に付着した蛍光色素を前記捕集板から洗い流すための液体であることを特徴とする請求項１６に記載の気中物質検知装置。
【請求項１８】
患者の呼気を封じ込めた呼気バッグを前記気中物質検知装置に接続することで、前記呼気バッグ中の気中物質を前記カートリッジの前記捕集板に捕集し検知することを特徴とする請求項１３に記載の気中物質検知装置。
【請求項１９】
環境中の空気を封じ込めた空気バッグを前記気中物質検知装置に接続することで、前記空気バッグ中の気中物質を前記カートリッジの前記捕集板に捕集し検知することを特徴とする請求項１３に記載の気中物質検知装置。
【請求項２０】
請求項１から請求項１２のいずれか一項に記載のカートリッジを用いた気中物質検知装置であって、
前記導入板から前記捕集板の向きに空気の流れを発生するためのポンプと、前記捕集板上に捕捉された前記気中物質を光学的に検知するための画像取得装置を備え、
前記画像取得装置は、前記捕集板の背面側に配置され、該捕集面に捕集された気中物質の衝突範囲以外の領域の光量を画像処理によって低減させることを特徴とする気中物質検知装置。
【国際調査報告】
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