(57)【要約】      （修正有）【課題】微小物体を含む液体における微小物体の量を測定するにおいて、大きな容器を用いることなく、高感度かつ短時間で測定を行なう。【解決手段】フローセルに前記液体を第１の流量で流しながら、第１の微小物体捕捉手段によって微小物体を捕捉するステップと、第１の微小物体捕捉手段から微小物体を解放するステップと、フローセルに前記液体を第２の流量で流して、第１の微小物体捕捉手段から解放された微小物体をセンサ部近傍に移動させるステップと、微小物体の量をセンサ部において検出するステップとにより測定を行なう。【選択図】図１
2012058040.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
微小物体を含む液体における前記微小物体の量を測定する微小物体量測定装置であって、
前記液体を流すことが可能なフローセルと、
前記フローセルを流れる前記微小物体の捕捉し解放を行なう第１の微小物体捕捉手段と、
第１の微小物体捕捉手段より下流に配置されたセンサ部において微小物体の量を検出する検出手段と、
を備えることを特徴とする微小物体量測定装置。
【請求項２】
前記センサ部近傍に前記微小物体を捕捉する第２の微小物体捕捉手段と、
前記フローセルに流す前記液体の流量を少なくとも第１の流量と第２の流量との２段階に制御する流量制御手段と、
を備え、
前記フローセルにおいて、前記第１の微小物体捕捉手段が配置された上流路の幅は、前記センサ部が配置された下流路の幅より広いことを特徴とする請求項１記載の微小物体量測定装置。
【請求項３】
前記センサ部近傍から前記センサ部中央に前記微小物体を移動させる微小物体移動手段を備えることを特徴とする請求項１記載の微小物体量測定装置。
【請求項４】
前記微小物体移動手段は電気浸透流を発生させる手段であることを特徴とする請求項３記載の微小物体量測定装置。
【請求項５】
前記フローセルに流す前記液体の導電率を調節する導電率調整手段を備えることを特徴とする請求項1記載の微小物体量測定装置。
【請求項６】
微小物体を含む液体における前記微小物体の量を測定する微小物体量測定方法であって、
フローセルに前記液体を第１の流量で流しながら、第１の微小物体捕捉手段によって微小物体を捕捉するステップと、
前記第１の微小物体捕捉手段から前記微小物体を解放するステップと、
前記フローセルに前記液体を第２の流量で流して、前記第１の微小物体捕捉手段から解放された前記微小物体をセンサ部近傍に移動させるステップと、
前記微小物体の量を前記センサ部において検出するステップと、
を備えること特徴とする微小物体検出方法。
【請求項７】
前記第２の流量は、前記第１の流量より少ないことを特徴とする請求項６記載の微小物体検出方法。
【請求項８】
前記微小物体を前記センサ部近傍に移動させるステップにおいて、第２の微小物体捕捉手段が前記センサ部近傍に前記微小物体を捕捉することを特徴とする請求項６記載の微小物体検出方法。
【請求項９】
前記微小物体の量を検出するステップにおいて、前記第１の微小物体捕捉手段によって前記微小物体を捕捉するステップの時間が長い場合に、前記センサ部において測定された信号に対して前記微小物体の量を多く算出することを特徴とする請求項６記載の微小物体量測定方法。
【請求項１０】
前記微小物体の量を検出するステップにおいて、微小物体移動手段によって、前記センサ部近傍の前記微小物体を前記センサ部中央に移動させることを特徴とする請求項６記載の微小物体量測定方法。
【請求項１１】
前記微小物体の量を検出するステップにおいて、前記微小物体を前記センサ部中央に移動させる前にセンサ部において第１の信号を測定し、移動させた後にセンサ部において第２の信号を測定し、
前記第１の信号と前記第２の信号との差分から前記微小物体の量を算出することを特徴とする請求項１０記載の微小物体量測定方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、微小物体量測定装置および微小物体量測定方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
水中に存在する微小物体、具体的には大きさ０．１μｍから１０μｍ程度の細菌やプラスチック粒子の量を測定する方法として、表面プラズモン共鳴を用いた定性定量分析装置が提案されている。
【０００３】
特許文献１には、表面プラズモン共鳴により微小物体の検出を行う方法が記載されている。表面プラズモンとは、金属膜上に励起される自由電子と光の結合モードである。プリズム上に金属膜が配置されており、金属膜上に被検出物が接している場合を考える。プリズムを介して金属膜に光を照射すると、全反射角以上の入射角で入射された光は、全反射され、エバネッセント波が生じる。エバネッセント波は金属膜を減衰しながら透過し、金属膜と被検出物の接する界面まで到達する。このうち特定の入射角（以下、表面プラズモン共鳴角と言う）で入射された場合、金属膜と被検出物の界面に表面プラズモンが励起される。この特定の入射角で波長程度の光の染み出しが生じる。このとき、光の波数と表面プラズモンの波数および周波数が整合しており、共鳴状態にある。表面プラズモンは、金属膜と被検出物の界面を減衰しながら伝搬するため、表面プラズモン共鳴角における反射光の強度は減少する。表面プラズモン共鳴角は、金属膜の表面近傍の誘電率変化に応じて敏感に変化する。従って、表面プラズモン共鳴角の変化量を測定することで、金属表面に付着した物質の濃度を高感度に定量することができる。
【０００４】
図１８に特許文献１に開示された被分析溶液の定性定量分析装置に係る模式図を示す。図１８において、光源１０１から発せられた入射光１０５は、第一のレンズ１０２、第二のレンズ１０３、プリズム１０４、ガラス１０６を経由して第一の金属薄膜１０７に照射される。第一の金属薄膜１０７で反射された反射光１０８は、再度ガラス１０６、プリズム１０４を透過し光検出器１０９へと照射され、ここで入射角毎の光量検出が行われる。またガラス１０６は、被分析溶液１１０を保持する容器１１１の一部を成している。
【０００５】
以上説明した光学測定系を用い、反射光１０８の光量が最も減少する角度、すなわち表面プラズモン共鳴が発生する条件を満たす入射光１０５の角度を測定する。 
【０００６】
ガラス１０６が被分析溶液１１０と接触する面上には第一の金属薄膜１０７のほかに、第二の金属薄膜１１２と第三の金属薄膜１１３とが保持されており、これら二つの金属薄膜１１２、１１３はそれぞれ交流電源１１４と接続されていて電極対を成している。これら電極対間に交流電圧を印加し、被分析溶液１１０に含まれている分子や粒子に誘電泳動力を働かせて、表面プラズモン共鳴を発生する第一の金属薄膜１０７上に分子や粒子を集める。
【０００７】
誘電泳動力とは、不均一電場中において微小物体に誘起されたダイポールモーメントに働く力である。その強度は電場強度の勾配に比例しており、微小物体の誘電率と溶媒の誘電率の大小関係および電極に印加する電圧の周波数によって、電極に対して引力または斥力が働く。例えば、ポリスチレンの微粒子を純水中に懸濁させたポリスチレン懸濁液の場合、この力は１００ｋＨｚで引力となり、２ＭＨｚで斥力となる。引力となる場合は、電場強度が強い電極のエッジ部近傍に微粒子が捕集され、斥力が働く場合は、電場強度強い電極近傍から、微小物体は離れていき、電場強度が弱い位置に集まる。上記の引力の働く場合を正の誘電泳動といい、斥力が働く場合を負の誘電泳動という。
【０００８】
以上のような構成を用いることで、分子や粒子の濃度を局所的に高めて、より高感度な表面プラズモン共鳴を利用した屈折率測定を行うことができる。
【０００９】
また、光検出器で得られた測定結果から屈折率の演算を行うための制御演算装置を用い、電極間に印加する交流電圧の周波数と、この交流電圧の電圧値と、この交流電圧の印加時間と、光検出器で得られた測定結果から求めた屈折率とから、被分析溶液中の分子や粒子の量を計測することができる。
【００１０】
さらに、室温の変動や通電による被分析溶液１１０の温度変動を補正する目的で、温度計測器１１６に接続された温度計測プローブ１１５が第一の金属薄膜１０７の近傍に設けられている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１１】
【特許文献１】特開２００３−６５９４７号（平成１５年３月５日公開）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
特許文献１記載の技術は、容器１１１に保持された被分析溶液１１０を測定する技術である。この場合、最大でも容器１１１内部に存在する微小物体しか捕捉できず、低濃度の試料溶液では測定感度が低下する恐れがあった。微小物体の捕捉数を増やすためには、測定セルを大きくして試料溶液を増やせばよいが、電極間隔が広がり電界が弱くなるため、粒子を集合させるための捕捉時間が長くなるという課題があった。
【００１３】
以上の問題に鑑み、本発明は、大きな容器１１１を用いることなく、高感度かつ短時間で測定を行なうことができる微小物体量測定装置ならびに微小物体量測定方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
上記課題を解決するために、本発明の微小物体量測定装置は、微小物体を含む液体における前記微小物体の量を測定する微小物体量測定装置であって、前記液体を流すことが可能なフローセルと、前記フローセルを流れる前記微小物体の捕捉し解放を行なう第１の微小物体捕捉手段と、第１の微小物体捕捉手段より下流に配置されたセンサ部において微小物体の量を検出する検出手段と、を備えることを特徴とする。
【００１５】
また、前記センサ部近傍に前記微小物体を捕捉する第２の微小物体捕捉手段と、前記フローセルに流す前記液体の流量を少なくとも第１の流量と第２の流量との２段階に制御する流量制御手段と、を備え、前記フローセルにおいて、前記第１の微小物体捕捉手段が配置された上流路の幅は、前記センサ部が配置された下流路の幅より広いことを特徴とする。
【００１６】
また、前記センサ部近傍から前記センサ部中央に前記微小物体を移動させる微小物体移動手段を備えることを特徴とする。
【００１７】
また、前記微小物体移動手段は電気浸透流を発生させる手段であることを特徴とする。
【００１８】
また、前記フローセルに流す前記液体の導電率を調節する導電率調整手段を備えることを特徴とする。
【００１９】
また、本発明の微小物体量測定方法は、微小物体を含む液体における前記微小物体の量を測定する微小物体量測定方法であって、フローセルに前記液体を第１の流量で流しながら、第１の微小物体捕捉手段によって微小物体を捕捉するステップと、前記第１の微小物体捕捉手段から前記微小物体を解放するステップと、前記フローセルに前記液体を第２の流量で流して、前記第１の微小物体捕捉手段から解放された前記微小物体をセンサ部近傍に移動させるステップと、前記微小物体の量を前記センサ部において検出するステップと、
を備えること特徴とする。
【００２０】
また、前記第２の流量は、前記第１の流量より少ないことを特徴とする。
【００２１】
また、前記微小物体を前記センサ部近傍に移動させるステップにおいて、第２の微小物体捕捉手段が前記センサ部近傍に前記微小物体を捕捉することを特徴とする。
【００２２】
また、前記微小物体の量を検出するステップにおいて、前記第１の微小物体捕捉手段によって前記微小物体を捕捉するステップの時間が長い場合に、前記センサ部において測定された信号に対して前記微小物体の量を多く算出することを特徴とする。
【００２３】
また、前記微小物体の量を検出するステップにおいて、微小物体移動手段によって、前記センサ部近傍の前記微小物体を前記センサ部中央に移動させることを特徴とする。
【００２４】
また、前記微小物体の量を検出するステップにおいて、前記微小物体を前記センサ部中央に移動させる前にセンサ部において第１の信号を測定し、移動させた後にセンサ部において第２の信号を測定し、前記第１の信号と前記第２の信号との差分から前記微小物体の量を算出することを特徴とする。
【発明の効果】
【００２５】
本発明は、大きな容器を用いることなく、高感度かつ短時間で測定を行なうことができる。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】本発明の実施形態に係る微小物体量測定装置の側方断面図である。
【図２】本発明の実施形態に係る微小物体量測定装置の上面図である。
【図３】本発明の実施形態に係る第１電極対に係る他の形状を示す図である。
【図４】本発明の実施形態に係る処理フロー図である。
【図５】本発明の実施形態に係る正の誘電泳動により微小物体が捕捉された状態を示す模式図である。
【図６】本発明の実施形態に係る微小物体がセンサ部近傍に移動していく様子を示す模式図である。
【図７】本発明の実施形態に係る電極対の選択部に微小物体の捕捉された様子を示す模式図である。
【図８】本発明の実施形態に係る微小物体がセンサ部に誘導される様子を示した模式図である。
【図９】（ａ）本発明の実施形態に係る入射角を横軸とし、光の強度を縦軸とする第１信号および第２信号のグラフである。（ｂ）本発明の実施形態に係る第２信号から第１信号を減算した差分を表す差分信号のグラフである。
【図１０】本発明の実施形態に係る差分検出信号強度と微小物体の数との関係を示すグラフである。
【図１１】本発明の実施形態に係る微小物体量測定装置の側方断面図である。
【図１２】微小物体の捕捉状態を示す模式図である。
【図１３】微小物体の捕捉状態を示す模式図である。
【図１４】本発明の実施形態に係る微小物体量測定装置の側方断面図である。
【図１５】本発明の実施形態に係る微小物体量測定装置の上面図である。
【図１６】微小物体の捕捉状態を示す模式図である。
【図１７】微小物体の捕捉状態を示す模式図である。
【図１８】従来技術に係る被分析溶液の定性定量測定装置を表す模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００２７】
以下、本発明の実施形態である微小物体量測定装置および微小物体量測定方法について、以下に詳細に説明する。
【実施例１】
【００２８】
図１は本実施例に係る微小物体検出装置の側方断面図を概略的に示したものである。本実施例に係る微小物体検出装置は光源１、コリメートレンズ２、集光レンズ３、プリズム４、フローセル１０、第１電極９ａと第２電極９ｂとからなる第１電極対９、センサ部６、第２電極対５、コリメートレンズ７、光検出手段８、電圧制御手段１７、交流電源１８、導電率制御手段１４、流量制御手段１５、信号演算手段１９、試料供給管１２、試料排出管１３とからなる。
【００２９】
光源１から発せられた光ビームが、コリメートレンズ２により平行光となり、集光レンズ３によりプリズム４を透過してプリズム４に密着して配置されたセンサ部６の中央に位置する測定点Ｓに集光されるよう構成される。センサ部６の金属薄膜にプラズモン共鳴を励起するためには、センサ部６に入射する光線はＰ偏光である必要がある。
【００３０】
光源１は、半導体レーザ、外部共振半導体レーザ、固体レーザ、ガスレーザのいずれを用いてもよい。また、単色性の良いものであれば、ＬＥＤであってもよい。本実施例では波長６６０ｎｍの赤色半導体レーザを用いる。この場合、視認性がよいため組み立て調整が容易になる。
【００３１】
プリズム４は、ガラス、プラスチック、いずれの材料でもよい。光源１が出射する光に対して吸収率が低い材料を用いれば検出感度が良くなり、また屈折率の高い材料を用いれば検出精度が良くなるので、光源１が発する光量と波長、被測定物である液体（以下、「試料溶液」と呼ぶ）およびその濃度、要求する検出精度、検出感度等に応じて適切な材料を選択すれば良い。
【００３２】
センサ部６は厚さ１００ｎｍ以下の金属の薄膜である。材質としては、金または銀が適しているが、他の金属であっても良い。センサ部６の最適な厚さはその材質によって異なるが、金の場合は、５０ｎｍが最適である。また、センサ部６とプリズム４との密着性を高めるため、間にＴｉやＮｉＣｒ等の下地膜を形成しても良い。
【００３３】
測定点Ｓに集光された光線は、測定点Ｓで反射され、光検出手段８に受光される。光検出手段８はＣＣＤやＣＭＯＳの１次元センサが適している。ＣＣＤやＣＭＯＳの２次元のセンサでもよい。また、検出面が複数に分割されたフォトダイオードであってもよい。
【００３４】
光源１、コリメートレンズ２、集光レンズ３、プリズム４、センサ部６、光検出手段８は、全体として表面プラズモン共鳴センサを構成する。表面プラズモン共鳴センサは、センサ部６において測定点Ｓ近傍の試料溶液の誘電率に関係する信号を検出する手段である。また、前記試料溶液中の微小物体の量と試料溶液の誘電率との間には因果関係があるので、表面プラズモン共鳴センサは、センサ部６において測定点Ｓ近傍の微小物体の量に関係する信号を検出する手段でもある。
【００３５】
表面プラズモンセンサと信号演算手段１９とは、全体として試料溶液の微小物体の量をセンサ部６において検出する検出手段を構成する。信号演算手段１９は、光検出手段８と配線される。信号演算手段１９は、光検出手段８が検出した信号から微小物体の量を算出する手段である。
【００３６】
フローセル１０は底面基板１０ａとカバー部材１０ｂとを貼り合わせて作製される。センサ部６はフローセル１０の底面基板１０ａ上に形成されている。プリズム４とフローセル１０の底面基板１０ａとはガラスまたはプラスチックなどの透明材料が使用される。表面プラズモン共鳴角を小さくして検出手段としての検出精度を向上させるため、プリズム４の屈折率および底面基板１０ａの屈折率は高い方が好ましい。流路の深さは１００μｍ程度である。
【００３７】
プリズム４と底面基板１０ａとの界面からの反射光の影響を除去するために、プリズム４及び底面基板１０ａと略等しい屈折率の接着剤またはマッチングオイルの塗布によりプリズム４と底面基板１０ａとが密着している。
【００３８】
フローセル１０の内部は、所定の方向に試料溶液を流すことができるよう流路が形成されている。フローセル１０の上流には試料供給管１２が接続され、下流には試料排出管１３が接続されている。流量制御手段１５によりバルブ２０の開閉が制御され、第１の流量ｖ１と第２の流量ｖ２との２段階に流量を制御する流量制御手段によって、前記いずれかの流量の試料溶液がフローセル１０に導入される。試料供給管１２の上流には、さらに導電率制御手段１４が接続されることが望ましい。導電率制御手段１４は、具体的にはイオン交換樹脂などで構成され、試料溶液中のイオンを除去する。また、試料溶液を流動させる目的でポンプ（図示せず）を備えていても良い。ポンプは試料供給管１２の手前に設置する注入ポンプでもよいし、試料排出管１３の先に設置する吸引ポンプでもよい。
【００３９】
図２は本実施例に係る微小物体検出装置の上面図を概略的に示したものである。フローセル１０には、図２に示すように、上流側が広く、下流側が狭い流路が形成される。上流路の幅は１０００μｍ程度、下流路の幅は、上流路の幅より狭く２００μｍ程度である。ガラスまたはシリコーンゴムの一種であるＰＤＭＳ（ポリジメチルシロキサン）などが材料に用いられ、成型やエッチングなどにより流路が形成される。
【００４０】
第１電極対９、センサ部６、第２電極対５が、フローセル１０の底面基板１０ａの上に形成されている。第１電極対９は上流路に配置されている。第１電極対９は第１電極９ａと第２電極９ｂとから構成される。櫛歯状の電極９ａと電極９ｂとが試料溶液が流れる方向に対して直交する向きに交互に配置されている。電極９ａと電極９ｂとの試料溶液が流れる方向に関する間隔は３０μｍ程度である。電極９ａおよび電極９ｂは交流電源１８に配線されている。第１電極対９と交流電源１８とは、第１の微小物体捕捉手段を構成する。微小物体捕捉手段は、フローセルを流れる前記微小物体の捕捉および該微小物体の解放を行なう手段である。
【００４１】
センサ部６および第２電極対５は下流路に配置されている。センサ部６の中央は測定点Ｓである。第２電極対５は、４個の電極５ａ〜５ｄで構成されており、センサ部６を中心として角度間隔９０度で回転対称に配置されている。電極形状は、センサ部６に近い先端部が細くなる形状であることが望ましい。また、電極５ａ〜５ｄは交流電源１８に配線されている。第２電極対５と交流電源１８とは、第１の周波数ｆ１の交流電圧を第２電極対５に印加することによって、第２電極対５の間に微小物体を捕捉する第２の微小物体捕捉手段として機能する。また、第２の周波数ｆ２の交流電圧を第２電極対５に印加することによって、第２電極対５の間に存在する微小物体をセンサ部６中央に移動させる微小物体移動手段として機能する。なお、第２電極対５は、電極の数と配置については偶数個であって、回転対称であれば、他の形状であってもよい。
【００４２】
また、交流電源１８は電圧制御手段１７に接続される。電圧制御手段１７は交流電源１８の電圧および周波数を所望の値に制御する。
【００４３】
図３に第１電極対９に係る他の形状を示す。本実施例の微小物体検出装置は、図２に示す第１電極対９に代えて、図３に示す形状の第１電極対９を具備しても良い。図３においては、櫛歯状の電極９ａと電極９ｂとが試料溶液が流れる方向に対して平行に交互に配置されている。電極９ａおよび電極９ｂの各櫛歯からは、該櫛歯に対し垂直に枝状の導体が突起しており、電極９ａの枝と電極９ｂの枝とが対向する形態となっている。
【００４４】
（本実施例の処理フロー）
図４は本発明の微小物体検出装置を用いた微小物体検出方法を説明する処理フロー図である。まず初めに、導電率調整手段１４が試料溶液のイオンを除去する。次に流量制御手段１５がバルブ２０を開き、試料供給管１２に試料溶液を供給する。流量制御手段１５は流量が第１の流量ｖ１となるようにバルブ２０を調整する。試料供給管１２に供給された試料溶液はフローセル１０に導入される（Ｓ１）。
【００４５】
次に、第１の流量ｖ１でフローセル１０の中に試料溶液が流しながら、電圧制御手段１７は交流電源１８を制御し、交流電源１８は第１電極対９に第１の周波数ｆ１の電圧を印加する（Ｓ２）。第１の周波数ｆ１は微小物体に対し正の誘電泳動を働かせる。正の誘電泳動は、電界強度が弱い所から電界強度の強い所に向かって働く力なので、微小物体は電界強度の強い第１電極対９の電極間に捕捉される。微小物体が大腸菌、試料溶液が純水の場合、第１の周波数ｆ１は１ＭＨｚ程度に設定される。交流電圧波形は電圧振幅２０Ｖｐｐ程度の正弦波が用いられる。
【００４６】
図５は正の誘電泳動により微小物体１１が捕捉された状態を示す模式図である。微小物体１１が試料溶液の流動から受ける抵抗力Ｆ２より誘電泳動力Ｆ１が大きくなるように流量ｖ１が設定されているので、微小数体１１は試料溶液の流動により押し流されることなく、第１電極対９の電極間に補捉された状態を維持する。この状態を維持しているあいだもフローセル１０には試料溶液が流れているので、試料供給管１２から流れてきた微小物体が順次、第１電極対９に補捉され、溶液および補足されなかった一部の微小物体のみが試料排出管１３から排出される。これにより、微小物体のみが第１電極対９の電極間に残留して捕捉され、濃縮される。これを予備濃縮と呼ぶ。
【００４７】
電圧の印加を開始後、所定時間を経過した後に、流量制御手段１５がバルブ２０を制御して、フローセルに流れる流量を、第１の流量ｖ１より少ない第２の流量ｖ２に変更する（Ｓ３）。
【００４８】
ここで、電圧制御手段１７は交流電源１８を制御し、交流電源１８は第１電極対９への電圧の印加を停止する（Ｓ４）。電圧の印加が停止されると、微小物体１１は第１電極対９から解放され、第２の流量ｖ２に従い下流路へ流れる。
【００４９】
図６に微小物体が下流路に配置されたセンサ部６近傍に移動していく様子を示す。
【００５０】
続いて、電圧制御手段１７は交流電源１８を制御し、交流電源１８は第２電極対５に第１の周波数ｆ１の交流電圧を印加する（Ｓ５）。第１の周波数ｆ１は微小物体に対し正の誘電泳動を働かせる。第２電極対５の隣り合う電極間で間隔が狭い所は電界強度の強く、微小物体が捕捉される。
【００５１】
図７は、正の誘電泳動により第２電極対５の電極間に微小物体の捕捉された様子を示す模式図である。センサ部６の中央に位置する測定点Ｓは電界強度が弱いため、測定点Ｓ付近には微小物体があまり捕捉されていない。
【００５２】
以下のステップ（Ｓ６）からステップ（Ｓ１１）は、試料溶液の微小物体の量をセンサ部６において検出するステップである。
【００５３】
まずステップ（Ｓ５）完了時の状態で、センサ部６において測定点Ｓにおける反射光の強度の測定を行なう。具体的には、光源１が光を出射し、プリズム４とセンサ部６との界面で反射した光を光検出手段８で受光し、受光した光の強度に対応する信号を取得する。前記信号は、プリズム４と第１電極５との界面への入射角毎に測定する。これを第１信号とする（Ｓ６）。
【００５４】
以下に、Ｓ６における光の強度の測定について、詳細に説明する。図１に示すように、光源１から発せられた光線はコリメートレンズ２を透過する。コリメートレンズ２により光線は平行光となり集光レンズ３に入射し集光されつつプリズム４に入射し、プリズム４上に配置されたセンサ部６の中央に位置する測定点Ｓに集光される。
【００５５】
センサ部６に入射された光は、集光された光であるため、さまざまな入射角の光を含んでいる。このうち、全反射する入射角で入射した光のうち表面プラズモン共鳴角を入射角として入射された光は、センサ部６と被測定物との界面に表面プラズモンを励起し、前記界面を減衰しながら伝搬するため、表面プラズモン共鳴角を入射角として入射された光の反射率は他の入射角で入射された光と比較して低下し、反射光の強度は低下する。
【００５６】
センサ部６で反射された光は、コリメートレンズ７に入射し、平行光とされたのち光検出手段８へ到達する。光検出手段８は、プリズム４と第１電極５との界面への入射角毎に反射された光の強度を計測する。なお、光検出手段８として、２次元のセンサを用いる場合は、同一の入射角に係る信号を合算または平均化することにより、入射角毎の光の強度とする。
【００５７】
次に、電圧制御手段１７は交流電源１８を制御し、交流電源１８は第２電極対５に印加する交流電圧を第２の周波数ｆ２に切り替える（Ｓ７）。第２の周波数ｆ２は微小物体に対し負の誘電泳動を働かせる。負の誘電泳動は、電界強度が強い所から電界強度の弱い所に向かって働く力なので、第２電極対５は微小物体移動手段として第２電極対５の電極間に捕捉された微小物体を電界強度が弱いセンサ部６の中央に移動させ、凝集させる。微小物体が大腸菌、試料溶液が純水の場合、第２の周波数ｆ２は１００ＭＨｚ程度に設定される。
【００５８】
図８は第２電極対５による負の誘電泳動で微小物体がセンサ部６に誘導された様子を示した模式図である。ここで、Ｓ６と同様に測定を行ない、第２信号とする（Ｓ８）。
【００５９】
次に信号演算手段１９が第１信号と第２信号の差を算出する（Ｓ９）。
【００６０】
図９（ａ）に、第１信号および第２信号のグラフを示す。グラフの横軸は入射角であり、縦軸は光の強度を示す。第１信号および第２信号は、表面プラズモン共鳴角を底とするＶ字型の谷型波形である。第１信号におけるグラフの谷は、微小物体はほとんど存在しない溶媒の表面プラズモン共鳴角であり、第２信号におけるグラフの谷は、微小物体が凝集した場合の表面プラズモン共鳴角である。測定点Ｓの上面近傍の微小物体の量の変化に伴い、測定点Ｓの上面近傍の誘電率が変化するため、表面プラズモン共鳴角は、第１信号、第２信号でそれぞれ異なる。その差を図９（ａ）のＡに示す。
【００６１】
図９（ｂ）は、第２信号から第１信号を減算した差分を表す差分信号のグラフである。差分信号は、第１信号の表面プラズモン共鳴角付近で最大値となり、第２信号の表面プラズモン共鳴角付近で最小値となるグラフとなる。
【００６２】
次に、最大値と最小値の差の絶対値Ｂを算出し、差分検出信号強度とする（Ｓ１０）。また、最大値における入射角と最小値における入射角の差Ｃや、０を横切る点の傾きＤや、０を横切る点の入射角Ｅを差分検出信号強度としても良い。
【００６３】
また、第１信号における表面プラズモン共鳴角と第２信号における表面プラズモン共鳴角との差Ａを差分検出信号強度としても良く、その場合、図９（ｂ）に示す差分信号を求めなくても良い。
【００６４】
最後に、微小物体の量を算出する（Ｓ１１）。ステップ（Ｓ１１）において算出する量は、被測定物である試料溶液の体積あたりの量であり、すなわち濃度である。
【００６５】
図１０に差分検出信号強度と微小物体の量との関係をグラフで示す。図１０に示すように差分検出信号強度と微小物体の量との間には有意な対応関係があるので、差分検出信号強度と微小物体の量との対応関係をあらかじめ数式またはテーブルとして記憶しておくことで、差分検出信号強度から微小物体の量を定量できる。なお、差分検出信号強度はステップ（Ｓ２）、ステップ（Ｓ５）、ステップ（Ｓ７）において濃縮された試料溶液に係る信号強度であり、ステップ（Ｓ９）において算出すべき微小物体の量は、被測定物である試料溶液における微小物体の濃度であるので、図９に示す対応関係には、ステップ（Ｓ２）、ステップ（Ｓ５）、ステップ（Ｓ７）における微小物体の濃縮率が含まれている。
【００６６】
また、予備濃縮する時間と濃縮率とは正の相関があるので、予備濃縮する時間と濃縮率との関係を示す情報をあらかじめ記憶しておき、予備濃縮する時間に基づいて濃縮率を特定し、差分検出信号強度から算出した微小物体の量を濃縮率で除して被測定物である試料溶液における微小物体の量としてもよい。これにより、予備濃縮時間が短くても、また長くても微小物体の量を正確に測定することができる。予備濃縮時間を短くすれば短時間で測定することができる。また、予備濃縮時間を長くすれば、予備濃縮時間中により多くの微小物体を補集することができるので、より高感度で測定することができる。
【００６７】
なお、差分検出信号強度と予備濃縮する時間と微小物体の量との関係を、濃縮率を含めた情報としてあらかじめ記憶しておき，予備濃縮する時間が長い場合に差分検出信号強度に対し微小物体の量を少なく、予備濃縮する時間が短い場合に差分検出信号強度に対し微小物体の量を多く算出しても良い。
【００６８】
その後は、電圧制御手段１７が第２電極対５に対する電圧印加を停止させる（Ｓ１２）。微小物体が濃縮された高濃度の試料溶液が試料排出管１３からフローセル外部に排出される。
【００６９】
本実施例によれば、フローセルを通過する試料溶液に含まれる微小物体を予備濃縮するので、大きな容器を用いることなく、高感度かつ短時間で測定を行なうことができる。
【００７０】
本実施例によれば、フローセルにおいて、第１の微小物体捕捉手段が配置された上流路の幅は、センサ部６が配置された下流路の幅より広い。上流路においては、第１の微小物体捕捉手段によって微小物体を捕捉するために必要な流速の遅さを維持しつつ、より多くの流量ｖ１を流すことができる。従って、短時間でより高濃度の予備濃縮をすることができ、高感度かつ短時間で微小物体の測定を行なうことができる。
【００７１】
また、上流路に比較して下流路の幅が狭くなっており、上流路から下流路に微小物体を流す際に、幅方向に関し微小物体を集合させることができる。下流路には第２の微小物体捕捉手段があるので、第２の流量ｖ２を第１の流量ｖ１より少なくして第２の微小物体捕捉手段によって微小物体を補足するために必要な流速の遅さが維持できる流量とすることによって、下流路を流れる微小物体を捕捉し、上流路の幅と下流路の幅との割合に比例して、さらに微小物体を濃縮することができ、高感度かつ短時間で微小物体の測定を行なうことができる。
【００７２】
また、本実施例によれば、前記検出手段は、センサ部６近傍からセンサ部中央に微小物体を移動させる微小物体移動手段を備え、ステップ（Ｓ７）において、微小物体移動手段によって、前記センサ部６近傍の微小物体をセンサ部６中央に移動させるので、センサ部６中央に位置する測定点Ｓ付近に微小物体の濃度を高くすることができ、高感度で検出を行なうことができる。
【００７３】
また、本実施例によれば、ステップ（Ｓ６）において第１の信号を検出し、ステップ（Ｓ７）において、微小物体をセンサ部６の中央に移動させ、ステップ（Ｓ８）において第２の信号を検出し、ステップ（Ｓ９）において、第２の信号と第１の信号の差を算出し、ステップ（Ｓ１０）およびステップ（Ｓ１１）において前記差に基づき微小物体の量を算出する。第１の信号は微小物体を多く含まない溶媒に係る信号となるので、第２の信号から第１の信号を差し引くことにより、溶媒のイオン濃度等の違いによる第２の信号の変化を補正することができ、より正確に微小物体の量を算出することができる。
【００７４】
また、本実施例によれば、導電率調整手段１４が試料溶液のイオンを除去するので、イオン濃度の違いによって第１の信号および第２の信号が変化することを防止することができ、正確に微小物体の量を算出することができる。
【００７５】
センサ部６の金属の薄膜の上に、ＳｉＮ、ＡｌＮなどの窒化膜で保護膜（図示せず）を形成すると、金属の水中への溶出を抑制することが可能になり、センサ部６の長期信頼性が向上する。
【００７６】
また、センサ部６の金属の薄膜の上に、フッ素樹脂などで疎水膜（図示せず）を形成すると、金属薄膜表面への微小物体や不要物の付着が防止できるので、検出信号の再現性が向上する。
【００７７】
なお、本実施例の微小物体検出装置は家庭用浄水器の浄水タンク内の微生物量検査や浄水タンクから浄水を一部誘導して微生物量を検出することに用いることができる。また、浄水プラントや洗浄機用水質センサまた分析装置としても使用することができる。
【実施例２】
【００７８】
図１１は本発明の実施例２に係る微小物体検出装置の側方断面図を概略的に示したものである。実施例１との違いは交流電源１８とセンサ部６とが配線されていることと、ステップ（Ｓ７）におけるセンサ部６中央への微小物体の誘導方法である。
【００７９】
第２電極対５と交流電源１８とは、第１の周波数ｆ１の交流電圧を第２電極対５に印加することによって、第２電極対５の間に微小物体を捕捉する第２の微小物体捕捉手段として機能する。また、第２電極対５とセンサ部６と交流電源１８とは、第３の周波数ｆ３の交流電圧を第２電極対５とセンサ部６との間に印加することによって、第２電極対５の間に存在する微小物体をセンサ部６中央に移動させる微小物体移動手段として機能する。
【００８０】
図１２は、ステップ（Ｓ７）開始時点における微小物体の捕捉状態を示す。図１２に示すように、ステップ（Ｓ５）において電界強度が強かった第２電極対５の隣り合う電極間で間隔が狭くなっている所に微小物体１１が捕捉されている。
【００８１】
ステップ（Ｓ７）において、第２電極対５とセンサ部６との間に第３の周波数ｆ３の交流電圧を印加するとセンサ部６と電極５ｆのエッジ部との間において電気浸透流が起こり、電位の勾配方向に沿って電極５ｆの外周近傍に捕捉された微小物体はセンサ部６の中央へ誘導される。微小物体が大腸菌、試料溶液が純水の場合、第３の周波数ｆ３は１０ｋＨｚ程度に設定される。
【００８２】
電気浸透流とは、電極近傍に形成される電気二重層に存在するイオンに電気力が働き、当該イオンが動き出すことによって生じる流体の流れのことである。電極に電圧が印加されると印加された電圧と反対の極性を持つイオンが電極近傍に集まり、印加された電圧と同極性をもつイオンは遠ざけられ、電極近傍に電気二重層が形成される。当該イオンには、電極印加された電圧から生じた電場により電気力が働き、電極面近傍で流体の流れが生じる。この流れが電気浸透流である。ここで電極近傍に微小物体があると、上記により発生した流体の流れにより、微小物体は流される。電気浸透流による力の大きさは電極のエッジ部近傍で特に大きく電極中心部に近づくにつれて小さくなる。よって、微小物体は電極上の中央近傍に誘導される。
【００８３】
図１３は電気浸透流によりセンサ部６中央に微小物体が誘導された様子を示した模式図である。電気浸透流では、電極の中央部に向かって力が働くので、外周近傍に捕捉された微小物体はセンサ部６中央へ移動し凝集される。この状態で微小物体の第２の信号を測定する（Ｓ８）。
【００８４】
なお、ステップ（Ｓ７）においてバルブ２０を閉じて流速を０とすると、より安定して凝集することができ、測定誤差がより小さくなる。
【００８５】
本実施例によれば、電気浸透流によって、微小物体をセンサ部６中央に移動させる。電気浸透流は，流体の流れによるストークス抵抗力で微小物体を動かすため，実施例１と比較して微小物体を測定点Ｓに凝集させる時間を短縮することができる。
【実施例３】
【００８６】
図１４は実施例３に係る微小物体検出装置の側方断面図を概略的に示したものである。実施例２との違いは第２電極対５の形態である。
【００８７】
図１５に示す上面図を用いてセンサ部６および第２電極対５の形態を説明する。センサ部６には第２電極対５の片方の電極５ｆが接続されており、交流電源１８に接続されている。さらに、電極５ｅおよび電極５ｆも交流電源１８に接続されている。
【００８８】
第２電極対５とセンサ部６と交流電源１８とは、第１の周波数ｆ１の交流電圧を電極５ｆとセンサ部６との間に印加することによって、電極５ｆとセンサ部６との間に微小物体の捕捉する第２の微小物体捕捉手段として機能する。また、第２電極対５とセンサ部６と交流電源１８とは、第３の周波数ｆ３の交流電圧を第２電極対５とセンサ部６との間に印加することによって、電極５ｆとセンサ部６との間に存在する微小物体をセンサ部６中央に移動させる微小物体移動手段として機能する。
【００８９】
図１６は、ステップ（Ｓ７）開始時点における微小物体の捕捉状態を示す。図１６に示すように、ステップ（Ｓ５）において電界強度が強かったセンサ部６と電極５ｆとの間で間隔が狭くなっている所に微小物体１１が捕捉されている。
【００９０】
ステップ（Ｓ７）において、第２電極対５に第３の周波数ｆ３の交流電圧を印加するとセンサ部６と電極５ｆのエッジ部との間において電気浸透流が起こり、電位の勾配方向に沿って電極５ｆの外周近傍に捕捉された微小物体はセンサ部６の中央へ誘導される。微小物体が大腸菌、試料溶液が純水の場合、第３の周波数ｆ３は１０ｋＨｚ程度に設定される。
【００９１】
なお、電極５ｅはセンサ部６の下流側に配置されることが好ましい。電極５ｅをセンサ部６の上流側に配置した場合、ステップ（Ｓ５）において電極５ｅの外周近傍に多くの微小物体が捕捉されてしまうため、センサ部６の外周近傍に補集される微小物体の量は少なくなる。電極５ｅの外周近傍に捕捉された微小物体はステップ（Ｓ７）において電極５ｅの中央に誘導され、センサ部６の中央には誘導されない。そのため、センサ部６の中央に誘導される微小物体の数は少なくなる。従って、より多くの微小物体をセンサ部６の中央に誘導するためには、電極５ｅはセンサ部６の下流側に配置されることが好ましい。
【００９２】
図１７は電気浸透流によりセンサ部６中央に微小物体が誘導された様子を示した模式図である。電気浸透流では、電極の中央部に向かって力が働くので、外周近傍に捕捉された微小物体はセンサ部６中央へ移動し凝集される。この状態で微小物体の第２の信号を測定する（Ｓ８）。
【００９３】
本実施例によれば、電気浸透流によって、微小物体をセンサ部６中央に移動させる。電気浸透流は，流体の流れによるストークス抵抗力で微小物体を動かすため，実施例１と比較して微小物体を測定点Ｓに凝集させる時間を短縮することができる。また、実施例２と比較して、電極の数が少なく、配線も単純である。
【００９４】
なお、上記の実施例では信号検出方法として表面プラズモン共鳴を用いる方法で説明しているが、予備濃縮により濃縮した試料溶液を用いて微小物体量を測定するという技術思想を用いれば、濃縮後の信号検出としては、インピーダンス変化を用いる方法や、散乱光を用いて光学的に検出する方法や、蛍光物質と反応させて光学的に検出する方法や、抗原抗体反応を用いる方法、試料溶液の抵抗変化を測定するコールターカウンター法など適宜選択可能である。
【産業上の利用可能性】
【００９５】
本発明は微小物体量測定装置及び微小物体量測定方法に係るものであり、水中の微生物の量等の、微小物体の量を検出する水質センサや上記水質センサを搭載した分析装置、浄水器、洗浄機、浄水プラントなどに利用することができる。
【符号の説明】
【００９６】
１  光源
２  コリメートレンズ
３  集光レンズ
４  プリズム
５  第２電極対
６  センサ部
７  コリメートレンズ
８  光検出手段
９  第１電極対
１０  フローセル
１５  流量制御手段
１７  電圧制御手段
１８  交流電源
１９  信号演算手段
【図１】
2012058040.tif 000003
【図２】
2012058040.tif 000004
【図３】
2012058040.tif 000005
【図４】
2012058040.tif 000006
【図５】
2012058040.tif 000007
【図６】
2012058040.tif 000008
【図７】
2012058040.tif 000009
【図８】
2012058040.tif 000010
【図９】
2012058040.tif 000011
【図１０】
2012058040.tif 000012
【図１１】
2012058040.tif 000013
【図１２】
2012058040.tif 000014
【図１３】
2012058040.tif 000015
【図１４】
2012058040.tif 000016
【図１５】
2012058040.tif 000017
【図１６】
2012058040.tif 000018
【図１７】
2012058040.tif 000019
【図１８】
2012058040.tif 000020