JP4145651B2 - 空気中のバイオエアロゾル粒子を検出して同定する方法および装置 - Google Patents

Description

本発明は、空気中のバイオエアロゾル粒子を検出して同定する方法、およびその装置に関する。

空気中のバイオエアロゾル粒子を検出して同定する方法や、その方法に用いられる試験装置は、Ｍ．Ａ．Ｓｔｏｗｅｒｓらの論文「Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｏｆ ｍａｔｒｉｘ−ａｓｓｉｓｔｅｄ ｌａｓｅｒｄｅｓｏｒｐｔｉｏｎ／ｉｏｎｉｚａｔｉｏｎ ｔｏ ｏｎ−ｌｉｎｅ ａｅｒｏｓｏｌ ｔｉｍｅ−ｏｆ−ｆｌｉｇｈｔｍａｓｓｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ」（マトリックス支援レーザー脱離／イオン化のオンラインエアロゾル飛行時間質量分析法への応用）Ｒａｐｉｄ Ｃｏｍｍｕｎ．Ｍａｓｓ Ｓｐｅｃｔｒｏｍ．１４，８２９−８３３ （２０００）に開示されている。この論文には、「疑似−リアルタイムバイオエアロゾル検出」に対して、二種の方法、すなわち、生物分子の固有蛍光を利用する方法と、レーザー照射により発生したイオンに質量分析法を適用する方法とがあることが示唆されている。バイオエアロゾル粒子は、空気中のエアロゾル粒子中に微量しか含まれていないため、従来の「単一粒子」蛍光検出では、エアロゾル粒子が生物由来のものであるのか、非生物由来のものであるかを判断するために使用できても、バイオエアロゾル粒子を同定することはできない。それゆえ、上記の論文においては、噴霧した液体中のバイオエアロゾル粒子から出発して、そのエアロゾルをＡＴＯＦＭＳ（エアロゾル飛行時間質量分析装置）中に吸引する同定実験が記載されている。このＡＴＯＦＭＳ中で、ＭＡＬＤＩ（マトリックス支援レーザー脱離／イオン化）法によりエアロゾル粒子の同定を行う。本実験に関しては最初にエアロゾルを調製しているものの、この研究の目的がリアル−タイムベースで行うエアロゾルの同定に向けられていることが、本論文中に示唆されている。しかしながら、この論文に記載された方法では、非バイオエアロゾル粒子が大部分を占める空気においては満足に同定することができない。したがって、用いるＡＴＯＦＭＳ検出同定装置は、バイオエアロゾル粒子に対して感度が比較的低い。生物兵器が使用される戦況等の特殊な条件下では、バイオエアロゾル粒子の迅速な検出と同定が必要不可欠であるという事実から、本発明の目的は、上記の論文中に記載されている目的である、迅速にオンラインでバイオエアロゾル粒子を検出して同定することにある。

迅速にオンラインでエアロゾル粒子を検出して同定（バイオエアロゾル粒子の検出および同定に関連するものではない）すること自体は、国際特許出願第ＷＯ９６／３１９００号により既に知られている。上記国際出願においては、粒子を含む空気流をＡＴＯＦＭＳ装置に通す。この方法では、上記のように、空気中に含まれるバイオエアロゾル粒子が比較的少なく、これらの粒子が空気中に散布された直後に検出と同定とをしなければならないため、特定のバイオエアロゾル粒子を迅速に検出して同定することは不可能である。

発明の概要

上記の問題を解決するために、本発明による方法は、ＡＴＯＦＭＳ中で、粒子流の中からバイオエアロゾル粒子を蛍光技術により選択し、その選択したバイオエアロゾル粒子のみをイオン化した後、連続的に得られた前記イオンを検出して、前記バイオエアロゾル粒子を同定するものである。バイオエアロゾル粒子の選択には、それ自体は従来から知られている、アミノ酸等の特定の物質が存在すると適当な波長で照射した時に特徴的な蛍光を発するという特性を利用する。例えば、トリプトファンは、２６６ｎｍのＵＶレーザー光で照射すると、３００〜４００ｎｍの波長領域で広い蛍光を発する。チロシン、ＮＡＤＨ、またはリボフラビン等の物質の蛍光スペクトルも好適に用いられる（Ｆｅｌｌら；Ｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎ，ｓｉｚｅ，ａｎｄ ｅｘｃｉｔａｔｉｏｎ ｐｏｗｅｒ ｅｆｆｅｃｔｓ ａｎｄ ｍｉｃｒｏｐａｒｔｉｃｌｅｓ ｃｏｎｔａｉｎｉｎｇ ｔｏｒｙｐｔｏｐｈａｎ ａｎｄ ｂａｃｔｅｒｉａ（濃度、サイズ、および励起力効果、ならびにトリプトファンや細菌を含む微粒子）,ＳＰＩＥ，ｖｏｌ．３５３３，ｐｐ．５２−６２参照）。一般的に、無機物質や有機物質の多くはこの特徴を示さない。この特徴を、本発明による方法に利用するためには、バイオエアロゾルの選択を、前記バイオエアロゾル粒子中の特定物質が蛍光を発するような波長を有する、第一レーザー発生装置により発生させたレーザー照射により行い、その後に蛍光検出器を用いて前記バイオエアロゾル粒子を選択し、第二レーザー装置が誘起されて、蛍光検出器によってのみ選択された前記バイオエアロゾル粒子をイオン化する波長の光を放出する。前記第一レーザー装置には、好ましくは連続波レーザー装置（ｃｗレーザー装置）を使用し、前記第二レーザー装置には、前記蛍光検出器により誘起されるパルスレーザー装置を使用する。

バイオエアロゾル粒子の選択においては、エアロゾル粒子のサイズ、すなわち空気力学的サイズを利用するのも効果的である。細菌やウイルスの大きさは実質的に２０μｍ未満の範囲にある。エアロゾル粒子は、所定速度でＡＴＯＦＭＳの中央空間に取り込まれるので、連続的なエアロゾル粒子のサイズを、エアロゾル粒子が既知の距離を移動する時間から測定することができる。第一レーザー装置のレーザー光線を、既知の相互距離にある２つの連続したスポットに向けることにより、これら粒子により散乱して検出された光から、上記の時間とエアロゾル粒子のサイズとを測定することができる。しかしながら、スポット間距離は、連続粒子の相互距離よりも小さくなければならない。例えば、スポット間距離が２．５ｍｍであり、エアロゾル粒子の速度が約４００ｍ／ｓである場合、２測定間を移動する時間は約６．２５μｓになる。上記スポットの測定間を所望の確度とするため、第一レーザー装置は、本発明の別の態様により、２６６および５３２ｎｍで作動し得る２色連続波レーザー装置である。第一のスポットに向けられる光の発振波長は５３２ｎｍであり、第二のスポットに向けられる光の発振波長は２６６ｎｍである。この２６６ｎｍの波長は、バイオエアロゾル粒子が蛍光を発する波長でもある。

第二レーザー装置は、例えば発振波長３０８ｎｍとし、適切にレーザー発振された後に、バイオエアロゾル粒子のみを確実にイオン化できるエキシマーレーザー装置である。このレーザー装置のパルスは、上記のように、蛍光検出器により誘起される。ＭＡＬＤＩ法により上記の方法を実行するためには、ＵＶエキシマーレーザー使用の際に、エアロゾル粒子がマトリックスを備えている必要がある。そこで本発明の別の態様においては、エアロゾル粒子をＡＴＯＦＭＳ中に取り込む際、またはその直前に、蒸発／凝縮または昇華／凝縮により、エアロゾル粒子にマトリックスを供給するものである。ＩＲ（赤外）レーザー装置を使用する場合には、この必要はない。

発明の具体的説明

本発明による方法および装置を以下に、添付の図面を参照しながら、代表的な実施態様により、より詳細に説明する。

図１は、エアロゾル粒子流に対して垂直方向で示した、ＡＴＯＦＭＳの断面図である。エアロゾル粒子は、実質的に線２をたどって流れる。エアロゾル粒子はＡＴＯＦＭＳ中に空気として取り込まれ、この装置の入口部分で、昇華が容易な物質により高温で被覆される。この目的には、例えばピコリン酸またはシナピン酸を使用することが従来知られている。次いで、エアロゾル粒子は、空気力学的レンズ系、収束ノズル、およびスキマーにより収束される。図２は、エアロゾル粒子流が、上記入口部分のノズル３から、３００μｍの出口開口部４、および、各４００、３００μｍであるスキマー開口部５および６を経由して、ＡＴＯＦＭＳの中央空間７の中に送られる様子を図式的に示したものである。この空間をエアロゾル粒子が１個ずつ、特定の相互距離で連続的に通過する。ＡＴＯＦＭＳの中央空間に入るエアロゾル粒子の速度は、この例では約４００ｍ／ｓである。通過する関連空間内の圧力はそれぞれ１ｍｂａｒ、１０^−３ｍｂａｒ、および１０^−６ｍｂａｒである。中央空間７中で、エアロゾル粒子は先ず第一レーザー装置８により照射される。図１中のレーザー装置は、特殊な型の２色連続波レーザーであるＤＰＳＳ（ダイオード励起固体）レーザーである。このレーザー装置８は、空間７に、スポット９の位置で波長５３２ｎｍの光線を、そしてスポット１０の位置で波長２６６ｎｍの光線を照射する（図２参照）。両波長の光は、ダイクロイックミラー１１および１２により偏向される。スポット９の線２の方向における幅は約５０μｍであり、このスポットの線２と垂直の平面内の直径は約１５０μｍである。エアロゾル粒子へのレーザー照射時間は約１２５ｎｓである。スポット１０の線２の方向における幅は約５００μｍであり、このスポットの線２と垂直の平面内の直径は約１５０μｍである。レーザー照射されたエアロゾル粒子は、スポット９では光を散乱させるのに対して、スポット１０では、そのエアロゾル粒子が生物由来のものである場合、光を散乱させると同時に蛍光放射線を放出する。エアロゾル粒子により散乱した光は検出器１３および１４により検出される。このために該検出器は光増倍管を備えている。検出器１３はスポット９から散乱した光を直接検出する。検出器１４はスポット１０から散乱した光を半透明ミラー１５を経由して検出し、蛍光放射線はこのミラーを透過し、蛍光検出器１６に送られる。ミラー１５は散乱した波長２６６ｎｍの放射線の一部を常に透過させることから、蛍光検出器１６には、この波長は遮蔽し、かつ３００〜５００ｎｍの波長領域にある蛍光放射線は透過させるバンドパスフィルター１７が含まれる。スポット１０の線２の方向における幅は比較的大きい。スポット９の幅に対応する最初の１２５ｎｓの間、エアロゾル粒子の散乱光が検出器１４により検出されるので、スポット９および１０の散乱光を連続的に観察することにより、関連するエアロゾル粒子のサイズを測定することができる。次の１２５ｎｓ間で、蛍光検出器１６は該検出器により解除されて、関連するエアロゾル粒子が実際に生物由来のものであるか否かが検査される。エアロゾル粒子がスポット１０で照射される残りの時間により、蛍光測定の信頼性が向上する。各種のミラー１８、１９および２０に加えて、蛍光検出器１６は、回折格子２１およびＣＣＤ画像記録装置２２を含んでなる。蛍光放射線を記録する時、カメラ制御装置２３により制御信号がトリガー回路２４に送られる。このトリガー回路２４には、２個の検出器１３および１４からの出力信号も送られる。トリガー回路２４では、エアロゾル粒子が特定サイズを有する生物由来のものであることが確認され、その後、トリガー信号がエキシマーレーザー２５に送られる。換言すると、特定サイズのエアロゾル粒子が生物由来のものであることが確認されると直ぐに、エキシマーレーザー装置が作動する。すなわち、エキシマーレーザー装置により、レーザーパルスが照射されて、スポット２６上で関連するバイオエアロゾル粒子のイオン化が行われる。バイオエアロゾル粒子が実際にイオン化されるのを確実なものにするため、このスポットは比較的大きく、線２の方向で約３００μｍであり、それと垂直な平面内で約５００μｍである。スポット１０と２６との間隔を、エアロゾル粒子の速度、およびトリガー信号を発生するのに必要な時間に調節する。エキシマーレーザーパルスは、上記のダイクロイックミラー１１および１２を経由して、ＡＴＯＦＭＳ中の中央空間に送られる。次いで、イオン化されたバイオエアロゾル粒子は、電極２７により通常の方法で加速されて偏向され、レンズ２８および偏向手段２９を経由してイオン検出器３０に送られる。このようにして実施された質量分析の結果はディスプレー３１上に示される。

本発明は、図面を参照しながら本明細書中に記載した代表的な実施態様に限定されるものではなく、付随する請求項の保護範囲内に入る限り、あらゆる種類の修正を含むことは言うまでもない。例えば、他の種類のレーザー装置を使用することができ、エアロゾル粒子が生物由来であることを確認するための追加手段として、サイズ測定を行う必要がないと考えられる場合は２色レーザー装置を使用する必要はない。また、回折格子およびＣＣＤ画像記録装置を備えた蛍光検出器１６の代わりに、他の公知の種類のいずれのものでも使用することができ、回折格子およびＣＣＤ画像記録装置を、例えばバンドパスフィルターを備えた「ゲートＰＭＴ」で置き換えてもよい。スポットのサイズは一例として記載したものあり、明細書中に記載した他のパラメータと全く同様に、別のサイズを選択することができることは言うまでもない。エアロゾルにより光があらゆる方向に散乱または放出されるので、数種の検出器を備えてもよい。厳密には、検出器１３および１４の使用が必要不可欠であるというものではない。エアロゾル粒子を生物由来のものとして認識して、エキシマーレーザーを誘起させるには蛍光検出器で十分である。しかしながら、そのような実施態様の信頼性は実際には不十分となる。

本発明により空気中のバイオエアロゾル粒子を検出して同定するための方法を使用できる装置を示したものである。 使用するＡＴＯＦＭＳ中で粒子流が移動する距離の一部を図式的に示したものであり、その際に粒子が関連するレーザー放射線に照射される位置を示したものである。

Claims (7)

1. 空気中のバイオエアロゾル粒子を検出して同定する方法であって、ＡＴＯＦＭＳ（エアロゾル飛行時間質量分析装置）中で、粒子流の中からバイオエアロゾル粒子を蛍光技術により選択し、その選択したバイオエアロゾル粒子のみをイオン化した後、連続的に得られた前記イオンを検出して、前記バイオエアロゾル粒子を同定する、方法。
2. 前記バイオエアロゾルの選択を、前記バイオエアロゾル粒子中の特定物質が蛍光を発するような波長を有する、第一レーザー発生装置により発生させたレーザー照射により行い、その後に蛍光検出器を用いて前記バイオエアロゾル粒子を選択し、第二レーザー装置が誘起されて、蛍光検出器によってのみ選択された前記バイオエアロゾル粒子をイオン化する波長の光を放出する、請求項１に記載の方法。
3. 前記エアロゾル粒子をＡＴＯＦＭＳ中に吸引する際、またはその直前に、蒸発／凝縮または昇華／凝縮により、前記エアロゾル粒子にマトリックスを供給し、その後に、ＭＡＬＤＩ（マトリックス支援レーザー脱離／イオン化）法により、選択された前記バイオエアロゾル粒子をイオン化し、その後、連続的にイオンを検出して、前記バイオエアロゾル粒子を同定する、請求項１または２に記載の方法。
4. ＡＴＯＦＭＳを使用して請求項１〜３のいずれか一項に記載の方法を行う装置であって、ＡＴＯＦＭＳ、レーザー照射によりバイオエアロゾル中の特定物質が蛍光を発するような波長の光を放出する第一レーザー装置、およびその蛍光放射線を検出するための関連する蛍光検出器、並びに前記検出器により誘発されて、蛍光検出器によって選択されたバイオエアロゾルをイオン化する波長の光を放出する、第二レーザー装置、を備える、装置。
5. 前記第一レーザー装置が、連続波レーザー装置であり、前記第二レーザー装置が、パルスレーザー装置である、請求項４に記載の装置。
6. 前記第一レーザー装置が、発振波長２６６ｎｍおよび５３２ｎｍの２色連続波レーザー装置である、請求項４または５に記載の装置。
7. 前記第二レーザー装置が、発振波長３０８ｎｍのエキシマーレーザー装置である、請求項４〜６のいずれか一項に記載の装置。

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