HOME > アズビルについて > 研究開発 > azbil techne-研究開発の事例 > 水中の微生物をリアルタイムかつ高精度に検出する検出器

水中の微生物をリアルタイムかつ高精度に検出する検出器

リアルタイム微生物ディテクタ(水中微生物)

アズビルは「人を中心としたオートメーション」の理念の下、顧客ニーズに応えるこれまでにない新しい計測技術を開発・実用化することも使命の1つと考えています。今回新たに、水中の微生物を測定する画期的なリアルタイム微生物ディテクタ(水中微生物)IMD-W™を開発しました。微生物の検出に数日を要する従来の培養法を補完する新しい測定方式として、微生物の濃度が一定の範囲に管理された清浄度の高い水を必要とする医薬品業界や食品業界から注目が集まっています。

背景・ニーズ

手間と時間がかかる水中の微生物検出。迅速な手法へのニーズが高まる

医薬品、化粧品や食品の製造、医療器具の洗浄などの工程では、不純物を取除いた清浄度の高い水が使われています。こうした用途の水に含まれていてはならない不純物の1つが微生物です。

様々なろ過や滅菌工程を経て精製された水であっても、タンクに貯水したり配管を循環させたりする過程で微生物が繁殖してしまう場合があるため、水の中で微生物が繁殖していないかを常に監視することが必要です。

現在、微生物を検出する方法として最も標準的に使われている寒天培地を用いた「培養法」(図1)では、微生物を時間をかけて培養し、その数をカウントする必要があるため、検査結果がわかるまでに数日を要します[*1]。こうしたことから、水質管理が必要な医薬品業界や食品業界からは、短時間での検査が可能で、かつ、培養法と同等の検出性能を持つ手法が求められていました。

図1.培養法による微生物の検出方法

図1.培養法による微生物の検出方法

[*1]例えば、製薬用水の微生物の検査は日本薬局方で定められており、標準寒天培地を使った場合は48時間から72時間の培養、栄養濃度が低いR2A寒天培地を使った場合は4日間から7日間の培養が必要。

開発のポイント

レーザー誘起蛍光法を応用し、リアルタイムでの検出を実現

IMD-Wの外観(幅470mm×高さ464mm×奥行318mm)

IMD-Wの外観(幅470mm×高さ464mm×奥行318mm)

アズビル株式会社では、水中の微生物を正確かつ迅速に検出するニーズに応えるリアルタイム微生物ディテクタ(水中微生物)IMD-Wを開発しました。

微生物の細胞に含まれる代謝物質やたんぱく質などの有機物は、特定の波長の励起光が照射されたときに、物質を構成する分子の励起(エネルギーの遷移)によって、励起光と異なる波長の微弱な蛍光を発するという性質を持っています。アズビルは微生物が発する蛍光に着目し、粒子が発する蛍光の波長や強さに基づき、水中の微生物を光学的に検出する新たな方式を開発しました。

IMD-Wは、水中を浮遊する微生物をリアルタイムかつ連続的に検出できる画期的な製品です。検出対象と大きさの範囲は図2のとおりで、0.5㎛から10㎛の細菌(バクテリア)、真菌(カビ)、芽胞(胞子)などの微生物が検出できます。また、計測対象の水を装置に流すだけで、微生物が検出でき、試薬などの消耗品を必要としません。さらに、サンプリング、培養、染色等の作業が不要であり、人手が介在しないため交差汚染のリスクが基本的にありません。

図2.IMDで検出可能な物質の範囲

図2.IMDで検出可能な物質の範囲

蛍光スペクトルの違いを識別する光学系とアルゴリズムを独自に開発

IMD-Wの技術的なポイントは次の2点です。

  1. 微生物の識別アルゴリズムの開発

    検査対象となる水の中には、微生物以外の様々な粒子(設備配管の腐食によって生じる金属酸化物、ガスケット、ポンプなどの可動部から生じる樹脂等)が存在します。さらにその一部は蛍光を発します。そのため微生物を正確に検出するためには、微生物とそれ以外の粒子を光学的に識別する必要があります。

    アズビルは、独自に水中の微生物や、それ以外の様々な粒子の蛍光特性を計測し、蛍光スペクトル(蛍光の波長ごとの強度分布)の違いを明らかにしました。さらに、こうした研究結果を基に、水中の微生物や粒子から発生する散乱光と、2種類の波長帯の蛍光の強さを計測し、合計3つの光信号の情報を組み合わせて微生物とそれ以外の粒子を識別する独自のアルゴリズムを開発しました(図3)。

    微生物および樹脂粒子の蛍光スペクトルの違い(左)と、3チャネルの光信号から微生物を識別するマップの概念図(右)

    (図3)微生物および樹脂粒子の蛍光スペクトルの違い(左)と、3チャネルの光信号から微生物を識別するマップの概念図(右)

  2. 光学系と流路系の開発

    水中の微生物が発する蛍光は極めて微弱なため、励起光を効率的に水中微生物に照射し、かつ、微生物から発生した蛍光を効率的に受光素子に集光して検出する、独自の光学系と流路系を新たに開発しました(図4)。

    受光素子としては、強度の強い散乱光にはフォトダイオードを用いる一方で、微弱な蛍光の検出には光電子増倍管を採用しました。また、流路系については、粒子に励起光を照射し、発生した光を受光素子に伝達するため、透明材料で作られたサンプル流路(フローセル)を開発しました。このフローセルは、特殊な曲面形状で構成することにより、内部反射を抑えつつ蛍光を効率的に受光素子に集光することを可能にしました。

    図4. IMDの光学系の概念図

    図4. IMDの光学系の概念図

成果と今後の展望

培養法の結果と高い相関を確認、検出感度も優れる

IMD-Wによる微生物7菌種のリアルタイム検出結果(微生物濃度)と、培養法での検出結果を比較したところ、両者に相関があることが確認できました(図5)。

さらに、微生物とその他の粒子の識別試験を実施した結果、微生物3菌種に対して陽性識別率98%以上、および、ゴムパッキン材やガスケット材などの粒子に対して陽性除去率89%以上を達成しています(図6)。また、粒子検出範囲は100mlあたり0.15個~50,000個と、検出感度が極めて高いのも特長です。

IMD-Wは微生物をリアルタイムかつ連続的に検出できる手法として培養法を補完できるだけではなく、将来的には培養法を代替できる可能性を秘めた製品であると考えています。

また、IMD-Wを、監視システムに接続することで、微生物数の変動を簡単かつ即座に見える化することができます。このため製造プロセスの監視データとしてリアルタイムに水質や水設備の不具合などを捉えることができます。

アズビルは、独自の知見を活かしながら、製薬業界、食品業界、水処理設備業界などに向けて、運用も含めたソリューションとしてIMD-Wを提案していきます。

代表的な水中微生物におけるIMD-Wの測定結果(微生物数)と培養法での結果(コロニー数)の相関

(図5)代表的な水中微生物におけるIMD-Wの測定結果(微生物数)と培養法での結果(コロニー数)の相関

図6. 水中微生物の陽性識別率と他の粒子の陽性除去率

図6. 水中微生物の陽性識別率と他の粒子の陽性除去率

azbil Technical Review

水中細菌のリアルタイム検出技術の開発 (PDF/1,372KB)