微小物体検出方法及び微小物体検出装置
【課題】微小物体を容易に検出することを可能とする。
【解決手段】光電変換素子１２がマトリクス状に配置され、検出対象物２１を固定する抗体１７から構成される固定層が形成されたマルチフォトセンサ１１を用意する。マルチフォトセンサ１１の直上に、検出対象物である細菌２１を含む検体を配置し、固定層の抗体１７により細菌２１を固定する。ルシフェラーゼ３１と抗体３２との結合体を滴下して、ルシフェラーゼ３１を細菌２１に付着させる。ルシフェリンとＡＴＰとを含む溶液４１を滴下する。発光反応４２により、細菌２１の周辺が発光する。フォトセンサ１１により発光反応４２を検出する。得られた検出信号から、細菌２１を判別する。
【解決手段】光電変換素子１２がマトリクス状に配置され、検出対象物２１を固定する抗体１７から構成される固定層が形成されたマルチフォトセンサ１１を用意する。マルチフォトセンサ１１の直上に、検出対象物である細菌２１を含む検体を配置し、固定層の抗体１７により細菌２１を固定する。ルシフェラーゼ３１と抗体３２との結合体を滴下して、ルシフェラーゼ３１を細菌２１に付着させる。ルシフェリンとＡＴＰとを含む溶液４１を滴下する。発光反応４２により、細菌２１の周辺が発光する。フォトセンサ１１により発光反応４２を検出する。得られた検出信号から、細菌２１を判別する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、マルチフォトセンサを用いて比較的微小な物体を検出する方法と装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
腸内細菌は人間の消化管に数１００種類（５００種類以上とも）１００兆個ほど存在し、人間の健康維持に深く関与している。これら腸内細菌は体に良い働きをする善玉菌と悪影響を及ぼす悪玉菌の２種類に大別される。体内における腸内細菌の総数は決まっているため、善玉菌と悪玉菌の存在割合が人間の体調変化に影響していると言える。また、個々の腸内細菌と病気との因果関係についても研究が進んでおり、大腸ガンや動脈硬化などへ影響を及ぼす腸内細菌の存在が明らかになっている。ゆえに、体内の善玉菌と悪玉菌の存在割合や特定の種類の細菌の個数を簡便に検査することができれば、個人の健康管理（ヘルスケア）に非常に役立つと考えられる。
【０００３】
現在、このような検査は人間の糞便から腸内細菌を採取して行われている。腸内細菌の大きさは０．３μｍ〜５．０μｍ程度であるので、細菌の姿を見るためには高倍率の顕微鏡あるいは電子顕微鏡が必要になる。但し、腸内細菌の多くは偏性嫌気性菌であり大気に触れると死滅してしまうため、糞便から採取・培養して顕微鏡で確認できる種類は全体の一部である。ゆえに、近年では、糞便から抽出された腸内細菌のＤＮＡ解析が利用されている。このため、従来の腸内細菌の検査手法には大規模な装置が必要であり時間もかかる。
【０００４】
また、細菌以外の微小物体の検出に顕微鏡を使用することは可能であるが、レンズ系が必要であり、装置が大型化してしまう。
【０００５】
細菌等の簡便な検査という課題に対して、非特許文献１は、ＣＭＯＳセンサにより、ルシフェラーザの発光（生物発光）を検出することにより、微生物を検知する技術を開示する。
【非特許文献１】Ｈｅｌｍｙ Ｅｌｔｏｕｋｈｙ， Ｋｈａｌｅｄ Ｓａｌａｍａ， ”Ａ ０．１８−ｕｍ ＣＭＯＳ Ｂｉｏｌｕｍｉｎｅｓｃｅｎｃｅ Ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ Ｌａｂ−ｏｎ−Ｃｈｉｐ” ＩＥＥＥ ＪＯＵＲＮＡＬ ＯＦ ＳＯＬＩＤ−ＳＴＡＴＥＳ， ＶＯＬ． ４１， ＮＯ．３， ＭＡＲＣＨ ２００６．
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
生物発光は、非常に微弱であり、検出が困難であり、ノイズの影響を受けやすい。また、検体は流体であるため、安定せず、非特許文献１に開示されているＣＭＯＳセンサでは、正確で安定的な検出が困難である。
【０００７】
同様の問題は、微生物に限らず、タンパク質等の物質、粒子など、任意の微小物体を検出する場合に同様に存在する。
【０００８】
本発明は、上述した事情に鑑みてなされたものであり、微小物体を安定的に容易に検出することが可能な検出方法と検出装置を提供することを目的とする。
また、本発明は、微小物体をより正確に検出することが可能な検出方法と検出装置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】
【０００９】
上記目的を達成するため、本発明の第１の観点に係る微小物体検出方法は、
複数の光電変換素子がマトリクス状に配置されたマルチフォトセンサの直上に、検出対象物を固定する固定層を形成する工程と、
前記固定層が形成されたマルチフォトセンサの直上に、前記検出対象物を含む検査対象流体を配置する配置工程と、
前記検出対象物に発光物質を付着させる付着工程と、
発光物質を付着させた前記検出対象物を前記マルチフォトセンサにより検出する検出工程と、
を備える。
【００１０】
例えば、前記検出工程により得られた応答から、前記検出対象物を判別する工程を配置しても良い。
【００１１】
前記付着工程は、例えば、発光反応を起こす物質を前記検出対象物に付着する工程を含む。
【００１２】
前記付着工程は、例えば、ルシフェラーゼを付着する工程と、ルシフェリンとＡＴＰを加える工程と、から構成される。
【００１３】
前記付着工程は、例えば、検出対象物に付着する抗体とルシフェラーゼとの結合体を供給する工程と、ルシフェリンとＡＴＰを加える工程と、から構成される。
【００１４】
前記固定層は、例えば、シリコンと前記検出対象物を抗原とする抗体との結合体の層から構成され、前記固定層を形成する工程は、前記結合体のシリコンを前記マルチフォトセンサの光電変換面に固定する工程から構成される。
【００１５】
例えば、前記検出対象物は微生物であり、前記配置工程実行前に、前記マルチフォトセンサの光電変換面上に、シリコンと前記検出対象の微生物を抗原とする抗体との結合体の層を形成する工程を備え、前記付着工程は、前記検出対象物に付着する抗体とルシフェラーゼとの結合体を供給する工程と、ルシフェリンとＡＴＰを加える工程と、から構成される。
【００１６】
前記検出工程は、例えば、前記マルチフォトセンサの出力のノイズを測定し、ノイズの揺らぎ成分を抑圧してノイズの固定成分を求める工程と、前記検出対象物に付着した発光物質の発光を前記マルチフォトセンサにより複数回検出することにより揺らぎ成分を抑圧すると共に前記ノイズの固定成分との差分を求めることによりノイズの固定成分を除去する工程と、を備えてもよい。
【００１７】
本発明の第２の観点に係る微小物体検出装置は、
光電変換素子で構成された光検出器がマトリクス状に複数配置されたマルチフォトセンサと、
前記マルチフォトセンサ上に形成され、検出対象物を固定する固定層と、
前記固定層上に、前記検出対象物を含む検査対象流体を供給する供給手段と、
前記検出対象物に発光物質を付着させる付着手段と、
を備える。
【００１８】
例えば、前記マルチフォトセンサを構成する各前記光検出器の出力信号を処理し、前記検査対象流体に含まれる発光物質を付着させた前記検出対象物の応答を判別することにより検出対象物を検出する処理手段をさらに備えてもよい。
【００１９】
前記付着手段は、例えば、発光反応を起こす物質を前記検出対象物に付着する。
【００２０】
例えば、前記マルチフォトセンサと前記供給手段と前記付着手段とは人間又は動物が飲み込み可能にカプセル化されており、前記処理手段は、前記カプセル内又は外部に配置され、前記マルチフォトセンサの出力を通信により受信する、ように構成してもよい。
【００２１】
前記光検出器の出力ノイズを測定し、ノイズの揺らぎ成分を抑圧してノイズの固定成分を求める手段と、前記検出対象物に付着した発光物質の発光を検出した前記光検出器の出力を複数回測定することにより出力に含まれる揺らぎ成分を抑圧する手段と前記出力と前記ノイズの固定成分との差分を求めることによりノイズの固定成分を除去する手段とを備える検出手段と、を配置してもよい。
【発明の効果】
【００２２】
本発明の微小物体の検出方法及び検出装置によれば、検出対象物を固定した上で発光させるので安定して発光を検出すること、および、検出対象物をマルチフォトセンサの直上で発光させるので微弱な発光でも効率良く高感度に検出することが可能であり、検出対象物の検出が容易である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２３】
以下、この発明の実施の形態に係る微小物体の検出方法と検出装置について、腸内の細菌を検出する場合を例に、図１０の手順図を参照しつつ説明する。
【００２４】
（１） まず、マルチフォトセンサ１１を用意する。マルチフォトセンサ１１は、所謂ＣＭＯＳ集積回路で形成され、例えば、数ｍｍ×数ｍｍのチップサイズを有し、図１（ａ）に示すように、複数のフォトダイオード（光電変換素子）１２がマトリクス状に配置された構成を有する。
【００２５】
各フォトダイオード１２は、受光面（光電変換面）の受光光量（あるいは受光した光強度）に応じた信号を生成する。例えば、このフォトダイオード１２を一般的なＣＣＤやＣＭＯＳイメージセンサと同様の電荷蓄積型方式で使用する。すなわち、初期化時にフォトダイオード１２の寄生容量成分の電子（負電荷）を放電し、その後、フォトダイオードが受光すると光電変換が起こり、電子が発生し、フォトダイオード１２の寄生容量に蓄積される。この寄生容量に蓄積される電子の電荷は負なので、フォトダイオード１２（寄生容量）の出力電圧は、初期化時が最も高く、電子が蓄積されるに従い低くなる。ある時間この蓄積動作を行った後のフォトダイオード１２の出力電圧は、受光光量に比例して低くなる。初期化時のフォトダイオード１２の出力電圧を基準とした電圧振幅を出力とすると、受光光量に比例して高くなる。以下、この初期化時のフォトダイオード１２の出力電圧を基準とした電圧振幅のことを、フォトダイオードの応答と表現する。つまり、フォトダイオードの応答は受光光量に比例して大きくなる。
【００２６】
図１（ｂ）に示すように、フォトダイオード１２は、単結晶シリコン基板１３の表面領域にマトリクス状に形成され、表面がシリコン酸化膜等の光透過性の保護層１４により保護されている。マルチフォトセンサ１１の上部には、レンズを設置しない。
【００２７】
（２） 続いて、検出対象の細菌を抗原とする抗体を、マルチフォトセンサ１１の保護層１４上に一様に定着させる（ステップＳ１１）。抗体は、細菌毎に異なるため、検出対象である細菌を抗原とする抗体を保護層１４上に定着させる。
【００２８】
一例として、広島大学黒田研究室で開発されたシリコン結合プロテイン（ＳＢＰ）を使用可能である。ＳＢＰ（Ｓｉｌｉｃｏｎ Ｍａｔｅｒｉａｌ Ｂｉｎｄｉｎｇ Ｐｒｏｔｅｉｎ）は、酸化ケイ素含有物質に特異的に結合するタンパク質であり、一例として、配列番号１，３，５，７，９，又は１１に示されるアミノ酸配列からなるタンパク質を挙げることができる。
【００２９】
ＳＢＰにより、対応する抗体をマルチフォトセンサ１１の保護層１４に定着させるには、まず、ＳＢＰ１６を保護層１４に結合させる。具体的には、０．１Ｍ塩化ナトリウムを含む溶液中でＳｉＯ２から構成される保護層１４にＳＢＰ１６を結合させる。このためには、例えば、ＳＢＰ溶液中にマルチフォトセンサ１１の保護層１４を浸漬する方法、保護層１４の表面にＳＢＰ溶液を塗布又はスポットする方法などを用いることができる。ＳＢＰ１６と保護層１４とを十分結合させるにはインキュベートさせることが好ましい。条件は特に限定されないが、４℃〜室温で数秒から３０秒程度インキュベートすることが好ましい。
【００３０】
続いて、抗体１７をＳＢＰ１６に結合させる。これにより、ＳＢＰ１６が、抗体１７をマルチフォトセンサ１１に定着させる接着材として機能し、図２に模式的に示すように、抗体１７を、マルチフォトセンサ１１の表面（保護層１４）に隙間なく一様に定着させることができる。
【００３１】
抗体１７をＳＢＰ１６に結合させる手法としては、例えば、ＳＢＰ１６が結合した保護層１４を、抗体１７を含有する溶液中に浸漬する方法、ＳＢＰ１６を塗布又はスポットした箇所に抗体１７を含有する溶液を塗布又はスポットする方法などを用いることができる。ＳＢＰ１６と抗体１７とを十分結合させるにはインキュベートさせることが好ましい。条件は特に限定されないが、４℃〜室温で数秒から３０秒程度インキュベートすることが好ましい。
【００３２】
また、ＳＢＰ１６を修飾タンパク質として用いてもよい。例えばＳＢＰ１６をビオチン化することにより、アビジン化した抗体を結合することができる。即ち目的の抗体をアビジン化することにより、目的の抗体をＳＢＰ１６に結合することができ、目的の抗体が保護層１４に固定される。
【００３３】
ＳＢＰ１６と抗体１７との間に他のタンパク質を介してもよい。例えば、ビオチン化したＳＢＰ１６にアビジン化したプロテインＡ又はプロテインＧを結合し、更に目的の抗体を結合すれば、所望の抗体が保護層１４に固定化される。ここで、ＳＢＰ１６と抗体１７の間に介在するタンパク質の数は限定されない。
以上により、対応する抗体をマルチフォトセンサ１１の保護層（光電変換面）１４に一様に定着させることができる。
【００３４】
なお、ＳＢＰを使用する例に限定されず、この対応する抗体を、抗体の電荷や疎水的性質を利用して結合させる物理的吸着方法、或いはシランカップリング剤等で修飾し架橋剤を用いて抗体を共有結合により固定化する方法等、他の任意の手法で定着させてもよい。
【００３５】
続いて、必要に応じて、マルチフォトセンサ１１を生理食塩水等で洗浄し、不要な抗体などを除去する。
【００３６】
（３） 続いて、図３に模式的に示すように、検出対象の細菌２１を含む液体（検体）２２、例えば腸液、をマルチフォトセンサ１１の表面に滴下し（ステップＳ１２）、所定時間放置する。この間、抗体１７が活動可能な温度を維持する。
すると、図４に模式的に示すように、検出対象の細菌２１が、マルチフォトセンサ１１の表面に定着されている抗体１７に捕捉され、マルチフォトセンサ１１の表面に固定される。
【００３７】
続いて、マルチフォトセンサ１１の表面を生理食塩水等により洗浄する（ステップＳ１３）。これにより、マルチフォトセンサ１１の表面の抗体１７に捕捉された細菌２１、即ち、検出対象の細菌２１だけが、マルチフォトセンサ１１の表面に残る。
【００３８】
（４） 続いて、図５に示すように、検出対象の細菌２１を補足するための抗体３２（抗体１７と同一のものでもよい）が付いたルシフェラーゼ３１を含有する溶液３３をマルチフォトセンサ１１の保護層１４上に滴下する（ステップＳ１４）。
【００３９】
ルシフェラーゼ３１に付加されている抗体３２が細菌２１の表面に捕捉される。このため、図６に模式的に示すように、マルチフォトセンサ１１上に形成された抗体１７の層に捕捉・固定されている細菌２１の表面がルシフェラーゼ３１で覆われる。
【００４０】
これにより、マルチフォトセンサ１１に接続した抗体１７と、ルシフェラーゼ３１が付いた抗体３２で検出対象の細菌２１が挟み込まれる。
【００４１】
（５） 続いて、残余の抗体３２及びルシフェラーゼ３１を、生理食塩水等で洗浄する（ステップＳ１５）。
【００４２】
（６） 続いて、図７（ａ）に示すように、ルシフェリンとＡＴＰ（アデノシン三リン酸）の溶液４１を十分に加える（ステップＳ１６）。
【００４３】
これにより、図７（ｂ）に示すように、次の反応式に従い（生物）発光反応４２が起こる。
ルシフェリン＋ＡＴＰ→（ルシフェラーゼ（酵素））→オキシルシフェリン＋発光
つまり、酵素であるルシフェラーゼの周辺が、ルシフェリンとＡＴＰの反応により発光する。このとき、ルシフェリンとＡＴＰは消費されるが、ルシフェラーゼは酵素なので消費されない。そして、ルシフェリンとＡＴＰがルシフェラーゼに対して十分に存在する場合、発光反応４２による発光量はルシフェラーゼ３１の量に比例する。
【００４４】
この状態で、図示せぬ制御回路によりマルチフォトセンサ１１を制御して、撮像させる（ステップＳ１７）。ルシフェラーゼ３１で覆われた細菌２１が直上に存在するフォトダイオード１２は、発光反応４２による発光を検出してその応答は大きくなる。
【００４５】
例えば、細菌に比べて十分大きなフォトダイオード１２上に、ルシフェラーゼ３１で覆われた複数の細菌２１が、図８に模式的に示すように付着したとすると、各フォトダイオード１２の応答は図９（ａ）に示すようにフォトダイオード上の細菌２１の数に比例し、各フォトダイオード１２の応答を１つの画素としたグレースケールによる出力パターンは図９（ｂ）に示すようになる。ここで、出力パターンの各画素は白いほど応答が大きく、黒いほど応答が小さいことを示している。即ち、フォトダイオード１２の応答の大きさで各フォトダイオード１２に付着した細菌２１の数を推定できる。
【００４６】
（７） 次に、実験等により予め求めておいた、フォトダイオード１２の応答の大きさｘと検体中の細菌の数（密度）との関係式ｆから、検体中の細菌の数（密度）ｆ（ｘ）を求める（ステップＳ１８）。
【００４７】
（８） 以上で、１回の検出処理が終了する。
【００４８】
以上説明したように、本実施の形態に係る検出方法によれば、培養することなく、特定の細菌の存在および量を確認することが出来る。
また、フォトダイオード１２上に固定（捕捉）された細菌２１の数を推定できるので、捕捉された細菌２１の個数から検体中の細菌２１の個数や密度を推測することが出来る。
また、レンズなどの光学系が必要無いので、検出対象とマルチフォトセンサ１１との間に無駄な空間を必要とせず、小型化が可能である。
【００４９】
次に、上述の検出方法を実行する検出装置（装置）の構成と動作について説明する。
（検出装置の第１の例）
検出装置１００は、図１１に示すように、ステージ１０１上にマトリクス状に配置されたマルチフォトセンサ１１から構成されたマルチフォトセンサ群１０２を備える。
【００５０】
各マルチフォトセンサ１１は、図１を参照して説明したように、マトリクス状に配置されたフォトダイオード１２を備えている。
各マルチフォトセンサ１１の周囲には、図１２に断面で示すように、すり鉢状にくぼみ１２１が形成されており、マルチフォトセンサ１１は、中央に形成された台１２２の上に配置されている。マルチフォトセンサ群１０２は、壁１０３で囲まれ、その壁面に排水口１０４が取り付けられている。マルチフォトセンサ１１上に滴下された液体は、くぼみ１２１に収容され、排水口１０４を通って排水される。この排水口１０４は開閉可能で、排水口１０４を閉じると、マルチフォトセンサ群１０２を囲む壁１０３の内側に、マルチフォトセンサ１１上に滴下された液体が溢れ、マルチフォトセンサ１１がその液体で満たされる。
【００５１】
ステージ１０１上には、図示せぬアームでＸ，Ｙ，Ｚ方向に移動するディスペンサ１１１，１１２、１１３、１１４が配置されている。
ディスペンサ１１１は、検体容器１１６から検体を採取し、採取した検体を、その検体に割り当てられたマルチフォトセンサ１１に、図３に示したように滴下する。
ディスペンサ１１２は、洗浄用の生理食塩水等を各マルチフォトセンサ１１に滴下する。
ディスペンサ１１３は、ルシフェラーゼ３１と抗体３２の結合体を含む溶液を各フォトセンサ１１に滴下する。
ディスペンサ１１４は、ルシフェリンとＡＴＰとを含む溶液を各マルチフォトセンサ１１に滴下する。
【００５２】
また、ステージ１０１上には、検体を収容した検体容器（試験管等）１１６と、ディスペンサ１１１を洗浄する洗浄装置１１５とが配置されている。
また、ステージ１０１の周辺部には、撮像時に、マルチフォトセンサ群１０２の周囲を囲って暗状態とするカバー（蓋）１３１が配置されている。カバー１３１は、光不透過性の材質で構成され、内面は光吸収性の材料で覆われている。
【００５３】
また、ステージ１０１内には、制御処理及び画像処理を実行するコントローラ１４１が配置されている。コントローラ１４１は、マイクロプロセッサ、プログラムを記憶したメモリ、入出力回路等から構成されている。
【００５４】
次に、上記構成の検出装置１００の動作を、図１３のフローチャートを参照して説明する。
なお、この例では、検体容器１１６の数がＮであるとする。
【００５５】
まず、コントローラ１４１は、検体総数をＮに設定し、処理ポインタｉに１を設定する（ステップＳ３１）。
コントローラ１４１は、ディスペンサ１１１を駆動して、まず、第ｉの検体を収容した検体容器１１６から、検体を採取し（ステップＳ３２）、第ｉのマルチフォトセンサ１１上に滴下する（ステップＳ３３）。このとき、マルチフォトセンサ１１上からこぼれた検体はくぼみ１２１に収容される。
続いて、ディスペンサ１１１を洗浄装置１１５により洗浄する（ステップＳ３４）。
【００５６】
次に、処理ポインタｉがＮに達したか否かを判別し（ステップＳ３５）、達していなければ、処理ポインタｉに１加えて（ステップＳ３６）、ステップＳ３２にリターンし、第ｉの検体について同様の処理を実行する。
【００５７】
ステップＳ３５で、ｉ＝Ｎと判別されると（ステップＳ３５；Ｙｅｓ）、全ての検体を対応するマルチフォトセンサ１１上に配置する処理が終了しているので、ディスペンサ１１１による処理を終了する。
【００５８】
続いて、コントローラ１４１は、ディスペンサ１１２を制御して、第１〜第Ｎのマルチフォトセンサ１１の表面を生理食塩水で洗浄する（ステップＳ３７）。
【００５９】
続いて、コントローラ１４１は、ディスペンサ１１３を制御して、第１〜第Ｎのマルチフォトセンサ１１の表面に、抗体３２と結合したルシフェラーゼ３１の溶液を図５に示したように滴下する（ステップＳ３８）。
続いて、コントローラ１４１は、ディスペンサ１１２を制御して、第１〜第Ｎのマルチフォトセンサ１１の表面を生理食塩水で洗浄する（ステップＳ３９）。このステップＳ３９までは、排水口１０４を開いた状態にし、くぼみ１２１に収容された液体は排水口１０４を通して排水される。
【００６０】
続いて、コントローラ１４１は、ディスペンサ１１４を制御して、第１〜第Ｎのマルチフォトセンサ１１の表面に、ルシフェリンとＡＴＰを滴下する（ステップＳ４０）。このステップＳ４０を行う前に、排水口１０４を閉じることで、マルチフォトセンサ１１がルシフェリンとＡＴＰとで十分満たされる。
続いて、コントローラ１４１は、カバー１３１で、マルチフォトセンサ群１０２を覆って、暗い状態とし、第１〜第Ｎのマルチフォトセンサ１１を制御して、発光検出処理を行う（ステップＳ４１）。
【００６１】
コントローラ１４１は、第１〜第Ｎのマルチフォトセンサ１１から発光検出信号（各フォトダイオード１２の応答からなるパターン信号）を収集して処理し、検体別に検出発光量から細菌等の数の推定を行い、検体毎に細菌等の密度等を求める（ステップＳ４２）。
【００６２】
このような構成とすれば、大量の検体を高速に処理し、各検体に含まれている特定の細菌等の数や密度を推定できる。
【００６３】
なお、検出装置１００は、上記構成に限定されず、種々の変形及び応用が可能である。
例えば、マルチフォトセンサ群１０２をユニット化して、交換可能とする等してもよい。ディスペンサ１１１〜１１４の数なども任意である。
【００６４】
また、マルチフォトセンサ１１をマトリクス状に複数個配置する例を示したが、マルチフォトセンサ１１の数は任意であり、１つだけでもよい。
【００６５】
（検出装置の第２の例）
次に、検出装置を超小型で、人間や動物が飲め込める形態に構成した例を説明する。
検出装置２００は、図１４に示すように、数ミリ角の円筒形のカプセル２０１内に収容されている。なお、人間以外の適用対象動物に応じた形態としてもよい。
カプセル２０１内には、マルチフォトセンサユニット２１１と、ルシフェラーゼユニット２１２と、ルシフェリンユニット２１３と、第１と第２の洗浄ユニット２１４、２１５と、センサ制御ユニット２１６と、メモリ制御ユニット２１７と、不揮発性メモリ２１８と、バッテリを含む電源ユニット２１９とが配置されている。
【００６６】
カプセル２０１は、樹脂等の胃液や腸液に溶解しない材料から構成され、開口が形成されている。
マルチフォトセンサユニット２１１は、図１５に示すように、小室２３１の底面にマルチフォトセンサ１１が配置されたモジュールから構成される。マルチフォトセンサユニット２１１には、開口２３３が形成され、カプセル２０１の開口と連通している。開口２３３は、扉（開閉弁）として機能するＭＥＭＳ（Ｍｉｃｒｏ Ｅｌｅｃｔｒｏ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｓｙｓｔｅｍｓ）２３４により開閉される。
【００６７】
ルシフェラーゼユニット２１２は、抗体３２とルシフェラーゼ３１の結合体を含む溶液が加圧注入されたモジュールである。
ルシフェリンユニット２１３は、ルシフェリンとＡＴＰとを含む溶液が加圧注入されたモジュールである。
第１と第２の洗浄ユニット２１４，２１５は、生理食塩水が加圧注入されたユニットである。
【００６８】
図１５及び図１６に示すように、マルチフォトセンサユニット２１１とルシフェラーゼユニット２１２の間、マルチフォトセンサユニット２１１とルシフェリンユニット２１３の間、マルチフォトセンサユニット２１１と第１の洗浄ユニット２１４の間、マルチフォトセンサユニット２１１と第２の洗浄ユニット２１５の間は弁として機能するＭＥＭＳ２４１，２４２，２４３、２４４によりそれぞれ封止されている。
【００６９】
センサ制御ユニット２１６は、電源ユニット２１９からの電力を受け、ＭＥＭＳ２３４，２４１〜２４４とマルチフォトセンサ１１とを制御する。また、センサ制御ユニット２１６は、マルチフォトセンサ１１から読み取った検出データをメモリ制御ユニット２１７に送信する。
【００７０】
メモリ制御ユニット２１７は、電源ユニット２１９からの電力を受け、センサ制御ユニット２１６から送信された検出データを受信し、不揮発性メモリ２１８に格納する。また、メモリ制御ユニット２１７は、通信部を備える。この通信部は、図１４に示すコイルアンテナ２４４と、図示せぬ整流回路と容量を備え、外部からの電磁波により発電し、動作電力を発生し、容量にチャージする。そして、メモリ制御ユニット２１７は、通信部のコイルアンテナ２４４を介して不揮発性メモリ２１８の情報を外部に送信する。
【００７１】
不揮発性メモリ２１８は、フラッシュメモリ等の半導体メモリから構成される。
電源ユニット２１９は、バッテリ、レギュレータ回路等を備える。
【００７２】
次に、上記構成の検出装置２００の動作を説明する。
所定の操作により、センサ制御ユニット２１６及びメモリ制御ユニット２１７を起動した後、カプセル化された検出装置２００は、利用者（人間又は動物）に、水などで丸ごと飲み込まれ、体内に入る。
【００７３】
センサ制御ユニット２１６は、電源ユニット２１９からの電力を使用して動作し、内部タイマにより時間を計測し、飲み込んでから胃を通過して腸に到達すると予想される所定の時間を計測する。
センサ制御ユニット２１６は、所定の時間を計時すると（検出装置２００が腸に達すると）、まず、ＭＥＭＳ２３４を制御して、マルチフォトセンサユニット２１１の開口２３３を開く。これにより、開口２３３を介して腸液がマルチフォトセンサユニット２１１内に流入する。腸液内の特定の細菌は、マルチフォトセンサ１１の表面に形成された抗体層を構成する抗体１７に捕捉されて固定される。
【００７４】
続いて、センサ制御ユニット２１６は、開口２３３を開いた状態のまま、マルチフォトセンサユニット２１１と第１の洗浄ユニット２１４との間のＭＥＭＳ２４３を開く。これにより、第１の洗浄ユニット２１４からマルチフォトセンサユニット２１１内に生理食塩水が注入され、腸液がマルチフォトセンサユニット２１１内から排出される。
【００７５】
続いて、センサ制御ユニット２１６は、ＭＥＭＳ２３４を制御して、開口２３３を閉じ、ルシフェラーゼユニット２１２との間に配置されたＭＥＭＳ２４１を開く。これにより、ルシフェラーゼ３１と抗体３２の結合体がマルチフォトセンサユニット２１１内に噴出する。これにより、ルシフェラーゼ３１に結合している抗体３２が、抗体１７に捕捉されて固定されている細菌２１を捕捉し、付着する。
【００７６】
続いて、センサ制御ユニット２１６は、ＭＥＭＳ２３４を制御して、開口２３３を開き、第２の洗浄ユニット２１５との間のＭＥＭＳ２４４を開く。これにより、第２の洗浄ユニット２１５からマルチフォトセンサユニット２１１内に生理食塩水が注入され、残余のルシフェラーゼ３１がマルチフォトセンサユニット２１１外に排出される。
【００７７】
続いて、センサ制御ユニット２１６は、ＭＥＭＳ２３４を制御して、開口２３３を閉じ、ルシフェリンユニット２１３との間のＭＥＭＳ２４２を開く。これにより、ルシフェリンユニット２１３からマルチフォトセンサユニット２１１内にルシフェリンとＡＴＰとが注入され、細菌２１に捕捉されているルシフェラーゼ３１と反応して、発光する。
【００７８】
続いて、センサ制御ユニット２１６は、マルチフォトセンサ１１に発光反応を検出させる。
続いて、センサ制御ユニット２１６は、発光検出データを読み込み、メモリ制御ユニット２１７に送信する。
メモリ制御ユニット２１７は、センサ制御ユニット２１６から発光検出データを受信し、不揮発性メモリ２１８に格納する。
【００７９】
また、メモリ制御ユニット２１７は、発光検出データを解析し、固定・捕捉された細菌の数を推測し、腸内の細菌の数（密度）を予測し、不揮発性メモリ２１８に格納する。
【００８０】
その後、検出装置２００は、肛門から排泄され、図１７に示すように、便器３０１のトラップ３０２に捕獲される。
トラップ３０２の近傍には、電磁波を送信する通信機３０３が配置されており、間欠的に電磁波をトラップ３０２に向けて出力する。
【００８１】
通信機３０３からの電磁波（搬送波）が照射されると、トラップ３０２で捕獲された検出装置２００のコイルアンテナ２４４には、誘起起電力が発生し、これが整流回路で整流されて、容量にチャージされる。容量のチャージ量が一定量に達すると、メモリ制御ユニット２１６は、不揮発性メモリ２１８に記憶されていたデータを読み出し、通信部を介して識別情報等と共に送信する。通信機３０３はこれを受信し、図示せぬセンタ等に送信する。
センタでは、受信した識別情報と発光検出データ（或いは、処理済みの細菌数（密度）を示すデータ等）に基づいて、適切な処理を行う。
【００８２】
このような構成とすれば、電池は、腸内で発光検出データをメモリに格納する動作までで十分であるので、バッテリの容量が小さくでき、小型化でき、ひいては全体を小型化できる。
【００８３】
また、センサモジュール（マルチフォトセンサユニット２１１、ルシフェラーゼユニット２１２と、ルシフェリンユニット２１３と、第１と第２の洗浄ユニット２１４、２１５と、センサ制御ユニット２１６）とメモリモジュール（センサモジュール以外）とを別体とし、センサ制御ユニット２１６とメモリ制御ユニット２１７との間を無線通信で結び、両モジュール間を無線通信で接続する構成とすれば、センサモジュールとメモリモジュールとを分離できる。これにより、例えば、メモリモジュールについては、汎用カプセル化して、回収後再利用可能とし、センサモジュールは使い捨てるようにしてもよい。
【００８４】
以上の説明では、ＭＥＭＳで扉や弁を構成し、ＭＥＭＳを制御することで、複数の液の流れを制御したが、蝋のような熱で溶ける物質で弁を構成し、熱による不可逆的な制御を行っても良い。蝋に限らず、各部を適切なタンパク質や炭水化物で構成してもよい。また、ＭＥＭＳを制御するのにセンサ制御ユニット２１６でタイマを使用するのではなく、図示せぬｐＨセンサを利用して胃酸から腸液に至るｐＨの変化を観測して腸の位置を特定してもよい。また、体外からカプセル２０１へ通信部のコイルアンテナ２４４を通して位置情報を送信するような図示せぬ位置検出装置を使用してＭＥＭＳを制御してもよい。
【００８５】
（回路構成について）
以上の実施の形態において、マルチフォトセンサ１１が検出する発光は、非常に微弱であり、暗電流やショット雑音などの影響を受けやすく、正確な測定は困難である。
そこで、以下、マルチフォトセンサ１１による発光の検出に適した検出回路の構成について説明する。
【００８６】
この検出回路６００は、図１８に示すように、マルチフォトセンサ１１を構成する単一の光検出器６１０と、ＡＤ変換器６２０と、加算平均回路６３０と、メモリ６４０と、減算器６５０と、コントローラ６６０と、から構成される。
【００８７】
図示するように、光検出器６１０は、ＮＭＯＳスイッチ６１１と、フォトダイオード１２との直列回路により構成される。ＮＭＯＳスイッチ６１１は、ワード線等を介してコントローラ６６０によりオン（接続）・オフ（遮断）される。
【００８８】
図１９を用いて、光検出器６１０の動作を説明する。この光検出器６１０は一般的なＣＣＤやＣＭＯＳイメージセンサと同様の電荷蓄積型方式である。まず、コントローラ６６０によりｓｗ信号をＨｉｇｈにして、ＮＭＯＳスイッチ６１１をオンすると、フォトダイオード１２の寄生容量成分の電子が放電され、光検出器６１０の出力電圧は電源電圧Ｖｄｄ近くの電圧値に初期化される。そして、ｓｗ信号をＬｏｗにして、ＮＭＯＳスイッチ６１１をオフする。フォトダイオード１２には発光反応による光が入射されているので、フォトダイオード１２では光電変換が起こり、電子が発生し、フォトダイオード１２の寄生容量に蓄積される。このため、光検出器６１０の出力電圧Ｖｐは、図１９に例示するように、時間経過に従い減少していく（蓄積動作）。
【００８９】
この蓄積動作に要する時間は露光時間（蓄積時間）と呼ばれる。適切な露光時間後の光検出器６１０の出力電圧は、初期化時の電圧値から受光光量（入射光強度）に比例して低くなる。ここで、初期化時の光検出器６１０の電圧値を基準とした電圧振幅を光検出器６１０の応答とすると、光検出器６１０の応答は受光光量に比例して大きくなる。
【００９０】
ＡＤ変換器６２０は光検出器６１０からの出力電圧Ｖｐをデジタル値に変換する。
光検出器６１０の応答が０（光検出器の初期化時）から始まって増加するのに従い、ＡＤ変換器６２０のデジタル出力も０から始まって離散的に増加する。
【００９１】
加算平均回路６３０は、加算器６３１と、メモリ６３２と、除算器６３３とから構成され、加算平均演算を行う。まず、メモリ６３２の値を０にする（初期化）。その後、１回目に入力された信号は、メモリ６３２の値が０なので、加算器６３１を通過して、メモリ６３２にそのまま記憶される。２回目に入力された信号は加算器６３１でメモリ６３２に記憶された１回目の入力信号を加算され、メモリ６３２の値は１回目と２回目の加算値に更新記憶される。この動作をコントローラ６６０により設定された回数ｋ回繰り返すと、メモリ６３２には、１回目からｋ回目までの入力信号を加算した値が記憶される。最後に、除算器６３３によりメモリ６３２に記憶された値をｋで割ることで、加算平均回路６３０の出力はｋ回入力された信号の加算平均値を示す。
【００９２】
メモリ６４０は、加算平均回路６３０の出力Ｄｐを一時記憶する。
【００９３】
減算器６５０は、加算平均回路６３０からの出力Ｄｐからメモリ６４０に記憶したＤｍを減算し、検出回路６００の出力とする。
【００９４】
コントローラ６６０は、プロセッサ等から構成され、検出回路６００の全体の動作を制御する。
【００９５】
次に上記構成の検出回路６００の動作原理を説明する。
図２０に、微弱光検出時の光検出器６１０の応答特性を示す。光検出器６１０により微弱な光を後段の回路が検出可能な電圧信号として検出するためには、露光時間を数十秒から数分間、もしくはそれ以上に伸ばす必要がある。この長時間露光により、光検出器６１０の感度は向上するが、様々な雑音の影響も顕在化する。光検出器における雑音は、平均的に見ると一定値を示す固定成分と確率的にゆらぐランダム成分とに分けられる。
【００９６】
固定成分の主要因は暗電流である。暗電流とは入射光が無くてもフォトダイオード１２に流れる電流のことであり、図２０（ａ）に示すように、ルシフェラーゼの発光反応が無い場合でも、暗電流により時間経過に比例して光検出器６１０の応答が大きくなる。暗電流の大きさは、ＣＭＯＳ集積回路の製造ばらつきの影響によりフォトダイオード１２毎に異なり、温度依存性により温度が高いほど大きくなる。
【００９７】
ランダム成分の主要因は、暗電流ショットノイズ、光ショットノイズ（発光反応が入力されている場合）、ＮＭＯＳスイッチ６１１のリセットノイズ、ＡＤ変換前のアナログ回路のランダムノイズ（熱雑音、フリッカノイズ）である。これらのノイズの頻度分布は、図２０（ｂ）に示すように、近似的に正規分布（ガウス分布）に従う。ランダム成分の大きさも、温度依存性により温度が高いほど大きくなる。
【００９８】
仮に雑音成分が固定成分のみならば、図２０（ａ）のように、発光反応が有る場合と無い場合の光検出器６１０の応答をそれぞれ取得し差をとれば、雑音の固定成分を除去した発光反応の信号成分が取得できる。しかし、微弱光検出の場合、暗電流に比べて発光反応の信号成分が極めて小さい場合を想定している。この場合、発光反応の信号成分は、図２０（ａ），（ｂ）のように、雑音のランダム成分に埋もれてしまう。市販の高感度ＣＣＤやＣＭＯＳイメージセンサでは、イメージセンサをペルチェ素子や液体窒素などで冷却することで、温度依存性のあるこれらの雑音を抑制する手法が採られている。しかし、抗体１７，３２やＳＢＰ１６などのバイオ要素、ルシフェラーゼの発光反応は低温では上手く機能しないため、常温での雑音抑制手法が必要となる。
【００９９】
そこで、雑音のランダム成分を抑制するために加算平均演算を行う。正規分布に従う信号をｎ回加算平均すると、信号／ノイズ比（Ｓ／Ｎ）は√（ｎ）倍に改善され、図２０（ｃ）のように、加算平均を行うほど雑音のランダム成分の分散が小さくなる。
【０１００】
すなわち、発光反応が有る場合と無い場合の光検出器６１０の応答をそれぞれ複数回取得し、それぞれ加算平均演算を行って雑音のランダム成分を十分抑制したところで差をとれば、雑音の固定成分およびランダム成分に因らない発光反応の信号成分が取得できる。
【０１０１】
図１８に示した検出回路６００は、この加算平均演算を利用した雑音抑制手法が実行できる。まず、図６のように、マルチフォトセンサ１１を構成するフォトダイオード１２の直上にルシフェラーゼ３１で覆われた細菌２１が捕獲されている状態であるとする。そして、検出装置１００のカバー１３１に相当するものでマルチフォトセンサ１１を覆い、暗状態にする。
【０１０２】
このルシフェラーゼの発光反応前の暗状態での光検出器６１０の応答を取得し、ＡＤ変換器６２０によりデジタル化し、加算平均回路６３０に入力する動作をｋ回行う。加算平均回路６３０は、ｋ回の加算平均演算を行い、雑音のランダム成分を抑制した発光反応前の光検出器６１０のデジタル応答を出力し、メモリ６４０に記憶させる。
【０１０３】
その後、検出装置１００のカバー１３１に相当するものを外し、マルチフォトセンサ１１をルシフェリンとＡＴＰの溶液で満たし、再び、検出装置１００のカバー１３１に相当するものでマルチフォトセンサ１１を覆い、暗状態にしてルシフェラーゼの発光反応を起こす。
【０１０４】
このルシフェラーゼの発光反応後の暗状態での光検出器６１０の応答を取得し、ＡＤ変換器６２０によりデジタル化し、加算平均回路６３０に入力する動作をｋ回行う。加算平均回路６３０は、ｋ回の加算平均演算を行い、雑音のランダム成分を抑制した発光反応後の光検出器６１０のデジタル応答を出力する。
【０１０５】
そして、減算器６５０は、加算平均回路６３０からの雑音のランダム成分を抑制した発光反応後の光検出器６１０のデジタル出力Ｄｐからメモリ６４０に記憶した雑音のランダム成分を抑制した発光反応前の光検出器６１０のデジタル出力Ｄｍを減算して、雑音の固定成分とランダム成分に因らない発光反応の信号成分を取得して検出回路６００の出力とする。
【０１０６】
以上の検出回路６００の動作をコントローラ６６０が制御する。このようにして、微弱な発光反応を検出できる。
【０１０７】
ここで、検出回路６００では、加算平均演算を利用しているが、積分演算を使用しても良い。加算平均回路６３０から除算器６３３を外すと積分回路になる。積分回路を使って微弱光検出処理を行うと、出力の値が加算平均回路６３０を使用したときのｋ（加算回数）倍になる。２進数のデジタル演算では除算は、法数（割る数）が２のｎ乗の場合、被除数（割られる数）を下位方向にｎビットシフトすることで実現できる。小数点以下の値を切り捨てるとシフトしたｎビット分の情報が無駄になり精度が悪くなる。一方、除算器６３３を外した手法では出力がｋ倍されるだけで精度は良いので、検出回路６００の出力を用いて細菌２１の数の推定などを行う場合には、ｋ倍されていることが分かってさえいれば問題は無く、むしろ都合が良い。
【０１０８】
ＡＤ変換器６２０には、逐次比較型やフラッシュ型など様々な方式のものが適用できる。但し、図２０で示した微弱な発光反応の検出方法を実現するためには、微小な発光反応の信号成分を検出する必要があるため高精度、高分解能のＡＤ変換器が必要になり回路構成が複雑になる傾向にある。
【０１０９】
そこで、光検出器６１０の所定の露光時間後の電圧信号を出力とするのではなく、図２１（ａ）〜（ｃ）に示すように、光検出器６１０の応答が所定の値に達するまでの露光時間を出力とすることも可能である。この手法でも、図２１（ｂ）に示すように、雑音の固定成分とランダム成分の影響があるので、図２０の手法と同様に、光検出器６１０の出力信号（時間信号）を加算平均することで雑音のランダム成分を抑制し、発光反応前後の出力を比較することで、発光反応の信号成分を獲得することが望ましい。
【０１１０】
この手法を実現するための図１８の検出回路６００のＡＤ変換器６２０と加算平均回路６３０に置き換え可能な回路例を図２２に示す。図２２のＰＷＭ型ＡＤ変換器６７０は、コンパレータ６７１、２入力ＡＮＤ回路６７２、カウンタ６７３で構成され、いわゆるパルス幅変調（ＰＷＭ）型ＡＤ変換器の回路構成を採っている。このＰＷＭ型ＡＤ変換器６７０は、正確には、ＡＤ変換器６２０と、加算平均回路６３０から除算器６３３を除いた積分回路とを合わせた構成に相当する。除算器６３３を除いても問題がないことは前述の通りである。
【０１１１】
図２３を用いて、ＰＷＭ型ＡＤ変換器６７０の回路動作を説明する。予め、参照電圧Ｖｒｅｆを適当な値に定め、コンパレータ６７１のマイナス端に入力しておく。光検出器６１０の出力Ｖｐはコンパレータ６７１のプラス端に接続されている。まず、ｒｓｔ信号をＨｉｇｈにしてＬｏｗに戻すことでカウンタ６７３の値Ｄｐを０にする。同時にｓｗ信号をＨｉｇｈにして、光検出器６１０を初期化する。このとき、コンパレータ６７１の出力ＶｃｍｐはＨｉｇｈになる。
【０１１２】
そして、ｓｗ信号をＬｏｗにすると、光検出器６１０の蓄積動作が始まり、出力電圧Ｖｐが時間の経過と共に低下する。暫くすると光検出器６１０の出力電圧Ｖｐが参照電圧Ｖｒｅｆよりも小さくなり、コンパレータ６７１の出力電圧ＶｃｍｐがＬｏｗになる。ｓｗ信号の反転信号とコンパレータ６７１出力Ｖｃｍｐが入力された２入力ＡＮＤ回路６７２の出力信号ｃｅは、蓄積動作が始まってから光検出器６１０の出力電圧が参照電圧Ｖｒｅｆより小さくなるまでの時間Ｈｉｇｈを示す。つまり、このｃｅ信号がＨｉｇｈになっている時間が、図２１（ａ）において光検出器６１０の応答が所定の値に達するまでの露光時間に相当し、光検出器６１０の出力時間信号（アナログ値）となる。
【０１１３】
ｃｅ信号はカウンタ６７３のクロックイネーブル端に入力される。カウンタ６７３は、クロックイネーブル端がＨｉｇｈになっている間だけ、クロック（ｃｌｋ）信号が立ち上がる毎にカウントアップし、出力Ｄｐが増加する。すなわち、光検出器６１０のアナログ時間信号がカウンタ６７３によりデジタル時間信号に変換される。ｃｌｋ信号の周波数が高いほどＡＤ変換精度（分解能）が高くなる。
【０１１４】
その後、再びｓｗ信号をＨｉｇｈにして光検出器６１０の初期化を行い、Ｌｏｗにして蓄積動作を始める。このとき、ｒｓｔ信号をＨｉｇｈにしなければ、カウンタ６７３には、前の光検出器６１０の出力時間信号が保持されている。この状態で、ｃｅ信号が再びＨｉｇｈになると、カウンタ６７３は保持された出力時間信号に加算する形でカウントアップを始める。すなわち、ｒｓｔ信号をＨｉｇｈにするまでの間、光検出器６１０の出力時間信号が積分される。以上より、ＰＷＭ型ＡＤ変換器６７０は、時間領域のＡＤ変換と積分演算を実行することが出来る。
【０１１５】
このＰＷＭ型ＡＤ変換器６７０を、検出回路６００のＡＤ変換器６２０および加算平均回路６３０と置き換えることで、図２１を用いて説明した、微弱光検出処理が実行できる。
【０１１６】
但し、ＰＷＭ型ＡＤ変換器６７０を用いて実行する処理は、図２０を用いて説明した処理に近似的には等しいが、厳密には同じ処理ではない。露光時間一定の場合の光検出器６１０の電圧出力（図２０）はフォトダイオード１２の受光光量に比例するが、光検出器６１０での電圧変化を一定としたときの露光時間出力（図２１）はフォトダイオード１２の受光光量に反比例する。ＰＷＭ型ＡＤ変換器６７０を用いた検出回路６００で細菌２１の有無を判定する程度であれば特に問題は無いが、細菌２１の数や密度を推定する場合は上記反比例性を念頭に判定処理を行う必要がある。
【０１１７】
このように、ＰＷＭ型ＡＤ変換器６７０を使用した処理は、図２０を用いて説明した処理とは厳密には違うが、回路構成が単純かつ変換時間が長いほど変換精度が高いという利点があり、微弱光検出には比較的適した回路構成だと言える。
【０１１８】
また、ＰＷＭ型ＡＤ変換器６７０を改良することで、光検出器６１０のリセットノイズを除去することも出来る。図２４（ａ）に示すように、光検出器６１０のＮＭＯＳスイッチ６１１をオフするときに、リセット（ｋＴＣ）ノイズが入り、光検出器６１０の出力電圧がシフトする。但し、出力電圧の傾きは変わらない。リセットノイズの影響で、図２２の回路では図２４（ａ）に示すようにｃｅ信号の立ち下がりの時間が変動してしまう。そこで、図２４（ｂ）に示すように、参照電圧を２つ（Ｖｒｔ、Ｖｒｂ）用意し、光検出器６１０の出力電圧が参照電圧Ｖｒｔより小さくなったときにｃｅ信号を立ち上げ、さらにもう一つの参照電圧Ｖｒｂより小さくなったときにｃｅ信号を立ち下げれば、リセットノイズの影響を除去できる。
【０１１９】
図２２のＰＷＭ型ＡＤ変換器６７０に置き換えることでリセットノイズの影響を除去可能な回路例を図２５（ａ）に示す。回路は、２つのコンパレータ６７１と、３入力ＡＮＤ回路６７４と、カウンタ６７３で構成され、図２５（ｂ）に示すように、所望の動作を実行できる。
【０１２０】
また、コンパレータ６７１を一つだけ用いた回路例を図２６（ａ）に示す。回路は１つのコンパレータ６７１と、参照電圧の切替スイッチ６７５と、Ｄ−フリップフロップ６７６と、カウンタ６７３で構成され、図２６（ｂ）に示すように、所望の動作を、コンパレータ一つを使った回路構成で実行できる。
【０１２１】
なお、この検出回路６００の構成と動作は、一例であり、限定されるものではない。
【０１２２】
（変形例）
【０１２３】
（１）マルチフォトセンサ１１を構成するフォトダイオード１２のアレイを、図２７（ａ）、（ｂ）に示すように、幾つかの領域に分け、各々別種の抗体を配置することで、複数の細菌の判別及び計数を同時に行うことも可能である。また、エリアセンサに限らず、ラインセンサでも、シングルセンサでもよい。
【０１２４】
（２）検出の対象は任意であり、アレルギー原因性物質、花粉、タンパク質なども可能である。つまり、図６のように、マルチフォトセンサ１１の直上に、検出対象を介してルシフェラーゼ３１を固定できれば検出対象は任意である。その意味において、金属、樹脂、等の粒子なども、これらの物質に選択的に接続する物質を抗体の代わりに使用すれば、検出可能である。
【０１２５】
（３）フォトセンサ１１の上に固定層としてＳＢＰを使用したが、検出対象を固定する手法は任意である。
【０１２６】
（４）上記実施の形態では、発光させるために、ルシフェリン、ＡＴＰ、ルシフェラーゼ３１を使用したが、検出対象自体又はその周囲を発光させることができるならば、その手法は任意である。
【０１２７】
（５）また、マルチフォトセンサ１１の上に、検体を配置する例を示したが、図２８に例示するように、プレパラートのような任意の板（層、膜を含む）５０１をマルチフォトセンサ１１の上に配置し、ここに、必要に応じて、抗体層などの固定層を配置し、ここに検体を配置するようにしてもよい。この場合もマルチフォトセンサ１１の直上に検体を配置することができ、装置を小型に維持できる。即ち、検体をマルチフォトセンサ１１上に直接又は光透過性の膜・層を介して近接して配置することができ、微弱発光をより容易且つ正確に検出することが可能となる。
【０１２８】
その他、前記のハードウエア構成は一例であり、任意に変更及び修正が可能である。
【産業上の利用可能性】
【０１２９】
この発明は、特定の微小物体の検出に利用することができる。
【図面の簡単な説明】
【０１３０】
【図１】（ａ），（ｂ）は、実施の形態に係るマルチフォトセンサの図である。
【図２】マルチフォトセンサに固定層を形成した状態を示す図である。
【図３】マルチフォトセンサ上に検体を滴下する様子を示す図である
【図４】マルチフォトセンサの固定層に検出対象物が捕捉・固定された様子を示す図である。
【図５】マルチフォトセンサにルシフェラーゼを滴下する様子を示す図である。
【図６】検出対象物にルシフェラーゼが付着した様子を示す図である。
【図７】（ａ）はマルチフォトセンサにルシフェリンとＡＴＰを滴下する様子を示す図であり、（ｂ）は細菌に付着したルシフェラーゼの周辺で発光反応が起きている様子を示す図である。
【図８】マルチフォトセンサにルシフェラーゼが付着した細菌が固定されている状態を示す図である。
【図９】（ａ）は、検出対象（細菌）の数に対する光電変換素子の応答の大きさの関係を示したグラフである。（ｂ）は、図８の状態で得られる出力パターンの例である。
【図１０】検出処理の手順を示す図である。
【図１１】検出装置の第１の例の構成を示す図である。
【図１２】図１１のマルチフォトセンサ群の構成を例示する図である。
【図１３】検出装置の動作を示す手順図である。
【図１４】検出装置の第２の例の構成を示す図である。
【図１５】検出装置の第２の例の構成を示す図である。
【図１６】検出装置の第２の例の構成を示す図である。
【図１７】検出装置の使用例を示す図である。
【図１８】検出回路の構成例のブロック図である。
【図１９】光検出器の出力電圧特性を示したグラフである。
【図２０】微弱光を検出するための検出回路の動作原理を示す図である。
【図２１】ＰＷＭ型ＡＤ変換器を用いて、微弱光を検出するための動作原理を示す図である。
【図２２】図１８の検出回路の一部に置き換え可能なＰＷＭ型ＡＤ変換回路のブロック図である。
【図２３】ＰＷＭ型ＡＤ変換回路のタイミングチャートである。
【図２４】（ａ）は、図２２に示したＰＷＭ型ＡＤ変換器へのリセットノイズの影響を示した図であり、（ｂ）はその影響を解決する手法を示した図である。
【図２５】（ａ）は、図２４（ｂ）で示したリセットノイズの影響を除去するためのＰＷＭ型ＡＤ変換器の回路例のブロック図であり、（ｂ）はそのタイミングチャートである。
【図２６】（ａ）は、図２４（ｂ）で示したリセットノイズの影響を除去するためのＰＷＭ型ＡＤ変換器の回路例のブロック図であり、（ｂ）はそのタイミングチャートである。
【図２７】（ａ）、（ｂ）は、フォトセンサの表面に異なる固定層（抗体層）を形成した例を示す図である。
【図２８】プレパラートなどを使用する例を説明する図である。
【符号の説明】
【０１３１】
１１ マルチフォトセンサ（撮像装置）
１２ フォトダイオード（光電変換素子）
１３ 単結晶シリコン基板
１４ 保護層
１６ ＳＢＰ（Ｓｉｌｉｃｏｎ Ｍａｔｅｒｉａｌ Ｂｉｎｄｉｎｇ Ｐｒｏｔｅｉｎ）
１７ 抗体
２１ 細菌
２２ 検体
３１ ルシフェラーゼ
３２ 抗体
３３ 溶液
４１ ルシフェリンとＡＴＰの混合溶液
４２ 発光反応
１００ 検出装置
１０１ ステージ
１０２ マルチフォトセンサ群
１０３ 壁
１０４ 排水口
１２１ くぼみ
１２２ 台
１１１〜１１４ ディスペンサ
１１５ 洗浄装置
１１６ 検体容器
１３１ カバー
１４１ コントローラ
２００ 検出装置
２０１ カプセル
２１１ マルチフォトセンサユニット
２１２ ルシフェラーゼユニット
２１３ ルシフェリンユニット
２１４ 第１洗浄ユニット
２１５ 第２洗浄ユニット
２１６ センサ制御ユニット
２１７ メモリ制御ユニット
２１８ 不揮発性メモリ
２１９ 電源ユニット
２３１ 小室
２３３ 開口
２３４ ＭＥＭＳ（扉）
２４１〜２４４ ＭＥＭＳ（弁）
２４４ コイルアンテナ
３０１ 便器
３０２ トラップ
３０３ 通信機
５０１ 板（プレパラート）
６００ 検出回路
６１０ 光検出器
６１１ ＮＭＯＳスイッチ
６２０ ＡＤ変換器
６３０ 加算平均回路
６３１ 加算器
６３２ メモリ
６３３ 除算器
６４０ メモリ
６５０ 減算器
６６０ コントローラ
６７０ ＰＷＭ型ＡＤ変換器
６７１ コンパレータ
６７２ ２入力ＡＮＤ回路
６７３ カウンタ
６７４ ３入力ＡＮＤ回路
６７５ 切替スイッチ
６７６ Ｄ−フリップフロップ
【技術分野】
【０００１】
本発明は、マルチフォトセンサを用いて比較的微小な物体を検出する方法と装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
腸内細菌は人間の消化管に数１００種類（５００種類以上とも）１００兆個ほど存在し、人間の健康維持に深く関与している。これら腸内細菌は体に良い働きをする善玉菌と悪影響を及ぼす悪玉菌の２種類に大別される。体内における腸内細菌の総数は決まっているため、善玉菌と悪玉菌の存在割合が人間の体調変化に影響していると言える。また、個々の腸内細菌と病気との因果関係についても研究が進んでおり、大腸ガンや動脈硬化などへ影響を及ぼす腸内細菌の存在が明らかになっている。ゆえに、体内の善玉菌と悪玉菌の存在割合や特定の種類の細菌の個数を簡便に検査することができれば、個人の健康管理（ヘルスケア）に非常に役立つと考えられる。
【０００３】
現在、このような検査は人間の糞便から腸内細菌を採取して行われている。腸内細菌の大きさは０．３μｍ〜５．０μｍ程度であるので、細菌の姿を見るためには高倍率の顕微鏡あるいは電子顕微鏡が必要になる。但し、腸内細菌の多くは偏性嫌気性菌であり大気に触れると死滅してしまうため、糞便から採取・培養して顕微鏡で確認できる種類は全体の一部である。ゆえに、近年では、糞便から抽出された腸内細菌のＤＮＡ解析が利用されている。このため、従来の腸内細菌の検査手法には大規模な装置が必要であり時間もかかる。
【０００４】
また、細菌以外の微小物体の検出に顕微鏡を使用することは可能であるが、レンズ系が必要であり、装置が大型化してしまう。
【０００５】
細菌等の簡便な検査という課題に対して、非特許文献１は、ＣＭＯＳセンサにより、ルシフェラーザの発光（生物発光）を検出することにより、微生物を検知する技術を開示する。
【非特許文献１】Ｈｅｌｍｙ Ｅｌｔｏｕｋｈｙ， Ｋｈａｌｅｄ Ｓａｌａｍａ， ”Ａ ０．１８−ｕｍ ＣＭＯＳ Ｂｉｏｌｕｍｉｎｅｓｃｅｎｃｅ Ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ Ｌａｂ−ｏｎ−Ｃｈｉｐ” ＩＥＥＥ ＪＯＵＲＮＡＬ ＯＦ ＳＯＬＩＤ−ＳＴＡＴＥＳ， ＶＯＬ． ４１， ＮＯ．３， ＭＡＲＣＨ ２００６．
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
生物発光は、非常に微弱であり、検出が困難であり、ノイズの影響を受けやすい。また、検体は流体であるため、安定せず、非特許文献１に開示されているＣＭＯＳセンサでは、正確で安定的な検出が困難である。
【０００７】
同様の問題は、微生物に限らず、タンパク質等の物質、粒子など、任意の微小物体を検出する場合に同様に存在する。
【０００８】
本発明は、上述した事情に鑑みてなされたものであり、微小物体を安定的に容易に検出することが可能な検出方法と検出装置を提供することを目的とする。
また、本発明は、微小物体をより正確に検出することが可能な検出方法と検出装置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】
【０００９】
上記目的を達成するため、本発明の第１の観点に係る微小物体検出方法は、
複数の光電変換素子がマトリクス状に配置されたマルチフォトセンサの直上に、検出対象物を固定する固定層を形成する工程と、
前記固定層が形成されたマルチフォトセンサの直上に、前記検出対象物を含む検査対象流体を配置する配置工程と、
前記検出対象物に発光物質を付着させる付着工程と、
発光物質を付着させた前記検出対象物を前記マルチフォトセンサにより検出する検出工程と、
を備える。
【００１０】
例えば、前記検出工程により得られた応答から、前記検出対象物を判別する工程を配置しても良い。
【００１１】
前記付着工程は、例えば、発光反応を起こす物質を前記検出対象物に付着する工程を含む。
【００１２】
前記付着工程は、例えば、ルシフェラーゼを付着する工程と、ルシフェリンとＡＴＰを加える工程と、から構成される。
【００１３】
前記付着工程は、例えば、検出対象物に付着する抗体とルシフェラーゼとの結合体を供給する工程と、ルシフェリンとＡＴＰを加える工程と、から構成される。
【００１４】
前記固定層は、例えば、シリコンと前記検出対象物を抗原とする抗体との結合体の層から構成され、前記固定層を形成する工程は、前記結合体のシリコンを前記マルチフォトセンサの光電変換面に固定する工程から構成される。
【００１５】
例えば、前記検出対象物は微生物であり、前記配置工程実行前に、前記マルチフォトセンサの光電変換面上に、シリコンと前記検出対象の微生物を抗原とする抗体との結合体の層を形成する工程を備え、前記付着工程は、前記検出対象物に付着する抗体とルシフェラーゼとの結合体を供給する工程と、ルシフェリンとＡＴＰを加える工程と、から構成される。
【００１６】
前記検出工程は、例えば、前記マルチフォトセンサの出力のノイズを測定し、ノイズの揺らぎ成分を抑圧してノイズの固定成分を求める工程と、前記検出対象物に付着した発光物質の発光を前記マルチフォトセンサにより複数回検出することにより揺らぎ成分を抑圧すると共に前記ノイズの固定成分との差分を求めることによりノイズの固定成分を除去する工程と、を備えてもよい。
【００１７】
本発明の第２の観点に係る微小物体検出装置は、
光電変換素子で構成された光検出器がマトリクス状に複数配置されたマルチフォトセンサと、
前記マルチフォトセンサ上に形成され、検出対象物を固定する固定層と、
前記固定層上に、前記検出対象物を含む検査対象流体を供給する供給手段と、
前記検出対象物に発光物質を付着させる付着手段と、
を備える。
【００１８】
例えば、前記マルチフォトセンサを構成する各前記光検出器の出力信号を処理し、前記検査対象流体に含まれる発光物質を付着させた前記検出対象物の応答を判別することにより検出対象物を検出する処理手段をさらに備えてもよい。
【００１９】
前記付着手段は、例えば、発光反応を起こす物質を前記検出対象物に付着する。
【００２０】
例えば、前記マルチフォトセンサと前記供給手段と前記付着手段とは人間又は動物が飲み込み可能にカプセル化されており、前記処理手段は、前記カプセル内又は外部に配置され、前記マルチフォトセンサの出力を通信により受信する、ように構成してもよい。
【００２１】
前記光検出器の出力ノイズを測定し、ノイズの揺らぎ成分を抑圧してノイズの固定成分を求める手段と、前記検出対象物に付着した発光物質の発光を検出した前記光検出器の出力を複数回測定することにより出力に含まれる揺らぎ成分を抑圧する手段と前記出力と前記ノイズの固定成分との差分を求めることによりノイズの固定成分を除去する手段とを備える検出手段と、を配置してもよい。
【発明の効果】
【００２２】
本発明の微小物体の検出方法及び検出装置によれば、検出対象物を固定した上で発光させるので安定して発光を検出すること、および、検出対象物をマルチフォトセンサの直上で発光させるので微弱な発光でも効率良く高感度に検出することが可能であり、検出対象物の検出が容易である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２３】
以下、この発明の実施の形態に係る微小物体の検出方法と検出装置について、腸内の細菌を検出する場合を例に、図１０の手順図を参照しつつ説明する。
【００２４】
（１） まず、マルチフォトセンサ１１を用意する。マルチフォトセンサ１１は、所謂ＣＭＯＳ集積回路で形成され、例えば、数ｍｍ×数ｍｍのチップサイズを有し、図１（ａ）に示すように、複数のフォトダイオード（光電変換素子）１２がマトリクス状に配置された構成を有する。
【００２５】
各フォトダイオード１２は、受光面（光電変換面）の受光光量（あるいは受光した光強度）に応じた信号を生成する。例えば、このフォトダイオード１２を一般的なＣＣＤやＣＭＯＳイメージセンサと同様の電荷蓄積型方式で使用する。すなわち、初期化時にフォトダイオード１２の寄生容量成分の電子（負電荷）を放電し、その後、フォトダイオードが受光すると光電変換が起こり、電子が発生し、フォトダイオード１２の寄生容量に蓄積される。この寄生容量に蓄積される電子の電荷は負なので、フォトダイオード１２（寄生容量）の出力電圧は、初期化時が最も高く、電子が蓄積されるに従い低くなる。ある時間この蓄積動作を行った後のフォトダイオード１２の出力電圧は、受光光量に比例して低くなる。初期化時のフォトダイオード１２の出力電圧を基準とした電圧振幅を出力とすると、受光光量に比例して高くなる。以下、この初期化時のフォトダイオード１２の出力電圧を基準とした電圧振幅のことを、フォトダイオードの応答と表現する。つまり、フォトダイオードの応答は受光光量に比例して大きくなる。
【００２６】
図１（ｂ）に示すように、フォトダイオード１２は、単結晶シリコン基板１３の表面領域にマトリクス状に形成され、表面がシリコン酸化膜等の光透過性の保護層１４により保護されている。マルチフォトセンサ１１の上部には、レンズを設置しない。
【００２７】
（２） 続いて、検出対象の細菌を抗原とする抗体を、マルチフォトセンサ１１の保護層１４上に一様に定着させる（ステップＳ１１）。抗体は、細菌毎に異なるため、検出対象である細菌を抗原とする抗体を保護層１４上に定着させる。
【００２８】
一例として、広島大学黒田研究室で開発されたシリコン結合プロテイン（ＳＢＰ）を使用可能である。ＳＢＰ（Ｓｉｌｉｃｏｎ Ｍａｔｅｒｉａｌ Ｂｉｎｄｉｎｇ Ｐｒｏｔｅｉｎ）は、酸化ケイ素含有物質に特異的に結合するタンパク質であり、一例として、配列番号１，３，５，７，９，又は１１に示されるアミノ酸配列からなるタンパク質を挙げることができる。
【００２９】
ＳＢＰにより、対応する抗体をマルチフォトセンサ１１の保護層１４に定着させるには、まず、ＳＢＰ１６を保護層１４に結合させる。具体的には、０．１Ｍ塩化ナトリウムを含む溶液中でＳｉＯ２から構成される保護層１４にＳＢＰ１６を結合させる。このためには、例えば、ＳＢＰ溶液中にマルチフォトセンサ１１の保護層１４を浸漬する方法、保護層１４の表面にＳＢＰ溶液を塗布又はスポットする方法などを用いることができる。ＳＢＰ１６と保護層１４とを十分結合させるにはインキュベートさせることが好ましい。条件は特に限定されないが、４℃〜室温で数秒から３０秒程度インキュベートすることが好ましい。
【００３０】
続いて、抗体１７をＳＢＰ１６に結合させる。これにより、ＳＢＰ１６が、抗体１７をマルチフォトセンサ１１に定着させる接着材として機能し、図２に模式的に示すように、抗体１７を、マルチフォトセンサ１１の表面（保護層１４）に隙間なく一様に定着させることができる。
【００３１】
抗体１７をＳＢＰ１６に結合させる手法としては、例えば、ＳＢＰ１６が結合した保護層１４を、抗体１７を含有する溶液中に浸漬する方法、ＳＢＰ１６を塗布又はスポットした箇所に抗体１７を含有する溶液を塗布又はスポットする方法などを用いることができる。ＳＢＰ１６と抗体１７とを十分結合させるにはインキュベートさせることが好ましい。条件は特に限定されないが、４℃〜室温で数秒から３０秒程度インキュベートすることが好ましい。
【００３２】
また、ＳＢＰ１６を修飾タンパク質として用いてもよい。例えばＳＢＰ１６をビオチン化することにより、アビジン化した抗体を結合することができる。即ち目的の抗体をアビジン化することにより、目的の抗体をＳＢＰ１６に結合することができ、目的の抗体が保護層１４に固定される。
【００３３】
ＳＢＰ１６と抗体１７との間に他のタンパク質を介してもよい。例えば、ビオチン化したＳＢＰ１６にアビジン化したプロテインＡ又はプロテインＧを結合し、更に目的の抗体を結合すれば、所望の抗体が保護層１４に固定化される。ここで、ＳＢＰ１６と抗体１７の間に介在するタンパク質の数は限定されない。
以上により、対応する抗体をマルチフォトセンサ１１の保護層（光電変換面）１４に一様に定着させることができる。
【００３４】
なお、ＳＢＰを使用する例に限定されず、この対応する抗体を、抗体の電荷や疎水的性質を利用して結合させる物理的吸着方法、或いはシランカップリング剤等で修飾し架橋剤を用いて抗体を共有結合により固定化する方法等、他の任意の手法で定着させてもよい。
【００３５】
続いて、必要に応じて、マルチフォトセンサ１１を生理食塩水等で洗浄し、不要な抗体などを除去する。
【００３６】
（３） 続いて、図３に模式的に示すように、検出対象の細菌２１を含む液体（検体）２２、例えば腸液、をマルチフォトセンサ１１の表面に滴下し（ステップＳ１２）、所定時間放置する。この間、抗体１７が活動可能な温度を維持する。
すると、図４に模式的に示すように、検出対象の細菌２１が、マルチフォトセンサ１１の表面に定着されている抗体１７に捕捉され、マルチフォトセンサ１１の表面に固定される。
【００３７】
続いて、マルチフォトセンサ１１の表面を生理食塩水等により洗浄する（ステップＳ１３）。これにより、マルチフォトセンサ１１の表面の抗体１７に捕捉された細菌２１、即ち、検出対象の細菌２１だけが、マルチフォトセンサ１１の表面に残る。
【００３８】
（４） 続いて、図５に示すように、検出対象の細菌２１を補足するための抗体３２（抗体１７と同一のものでもよい）が付いたルシフェラーゼ３１を含有する溶液３３をマルチフォトセンサ１１の保護層１４上に滴下する（ステップＳ１４）。
【００３９】
ルシフェラーゼ３１に付加されている抗体３２が細菌２１の表面に捕捉される。このため、図６に模式的に示すように、マルチフォトセンサ１１上に形成された抗体１７の層に捕捉・固定されている細菌２１の表面がルシフェラーゼ３１で覆われる。
【００４０】
これにより、マルチフォトセンサ１１に接続した抗体１７と、ルシフェラーゼ３１が付いた抗体３２で検出対象の細菌２１が挟み込まれる。
【００４１】
（５） 続いて、残余の抗体３２及びルシフェラーゼ３１を、生理食塩水等で洗浄する（ステップＳ１５）。
【００４２】
（６） 続いて、図７（ａ）に示すように、ルシフェリンとＡＴＰ（アデノシン三リン酸）の溶液４１を十分に加える（ステップＳ１６）。
【００４３】
これにより、図７（ｂ）に示すように、次の反応式に従い（生物）発光反応４２が起こる。
ルシフェリン＋ＡＴＰ→（ルシフェラーゼ（酵素））→オキシルシフェリン＋発光
つまり、酵素であるルシフェラーゼの周辺が、ルシフェリンとＡＴＰの反応により発光する。このとき、ルシフェリンとＡＴＰは消費されるが、ルシフェラーゼは酵素なので消費されない。そして、ルシフェリンとＡＴＰがルシフェラーゼに対して十分に存在する場合、発光反応４２による発光量はルシフェラーゼ３１の量に比例する。
【００４４】
この状態で、図示せぬ制御回路によりマルチフォトセンサ１１を制御して、撮像させる（ステップＳ１７）。ルシフェラーゼ３１で覆われた細菌２１が直上に存在するフォトダイオード１２は、発光反応４２による発光を検出してその応答は大きくなる。
【００４５】
例えば、細菌に比べて十分大きなフォトダイオード１２上に、ルシフェラーゼ３１で覆われた複数の細菌２１が、図８に模式的に示すように付着したとすると、各フォトダイオード１２の応答は図９（ａ）に示すようにフォトダイオード上の細菌２１の数に比例し、各フォトダイオード１２の応答を１つの画素としたグレースケールによる出力パターンは図９（ｂ）に示すようになる。ここで、出力パターンの各画素は白いほど応答が大きく、黒いほど応答が小さいことを示している。即ち、フォトダイオード１２の応答の大きさで各フォトダイオード１２に付着した細菌２１の数を推定できる。
【００４６】
（７） 次に、実験等により予め求めておいた、フォトダイオード１２の応答の大きさｘと検体中の細菌の数（密度）との関係式ｆから、検体中の細菌の数（密度）ｆ（ｘ）を求める（ステップＳ１８）。
【００４７】
（８） 以上で、１回の検出処理が終了する。
【００４８】
以上説明したように、本実施の形態に係る検出方法によれば、培養することなく、特定の細菌の存在および量を確認することが出来る。
また、フォトダイオード１２上に固定（捕捉）された細菌２１の数を推定できるので、捕捉された細菌２１の個数から検体中の細菌２１の個数や密度を推測することが出来る。
また、レンズなどの光学系が必要無いので、検出対象とマルチフォトセンサ１１との間に無駄な空間を必要とせず、小型化が可能である。
【００４９】
次に、上述の検出方法を実行する検出装置（装置）の構成と動作について説明する。
（検出装置の第１の例）
検出装置１００は、図１１に示すように、ステージ１０１上にマトリクス状に配置されたマルチフォトセンサ１１から構成されたマルチフォトセンサ群１０２を備える。
【００５０】
各マルチフォトセンサ１１は、図１を参照して説明したように、マトリクス状に配置されたフォトダイオード１２を備えている。
各マルチフォトセンサ１１の周囲には、図１２に断面で示すように、すり鉢状にくぼみ１２１が形成されており、マルチフォトセンサ１１は、中央に形成された台１２２の上に配置されている。マルチフォトセンサ群１０２は、壁１０３で囲まれ、その壁面に排水口１０４が取り付けられている。マルチフォトセンサ１１上に滴下された液体は、くぼみ１２１に収容され、排水口１０４を通って排水される。この排水口１０４は開閉可能で、排水口１０４を閉じると、マルチフォトセンサ群１０２を囲む壁１０３の内側に、マルチフォトセンサ１１上に滴下された液体が溢れ、マルチフォトセンサ１１がその液体で満たされる。
【００５１】
ステージ１０１上には、図示せぬアームでＸ，Ｙ，Ｚ方向に移動するディスペンサ１１１，１１２、１１３、１１４が配置されている。
ディスペンサ１１１は、検体容器１１６から検体を採取し、採取した検体を、その検体に割り当てられたマルチフォトセンサ１１に、図３に示したように滴下する。
ディスペンサ１１２は、洗浄用の生理食塩水等を各マルチフォトセンサ１１に滴下する。
ディスペンサ１１３は、ルシフェラーゼ３１と抗体３２の結合体を含む溶液を各フォトセンサ１１に滴下する。
ディスペンサ１１４は、ルシフェリンとＡＴＰとを含む溶液を各マルチフォトセンサ１１に滴下する。
【００５２】
また、ステージ１０１上には、検体を収容した検体容器（試験管等）１１６と、ディスペンサ１１１を洗浄する洗浄装置１１５とが配置されている。
また、ステージ１０１の周辺部には、撮像時に、マルチフォトセンサ群１０２の周囲を囲って暗状態とするカバー（蓋）１３１が配置されている。カバー１３１は、光不透過性の材質で構成され、内面は光吸収性の材料で覆われている。
【００５３】
また、ステージ１０１内には、制御処理及び画像処理を実行するコントローラ１４１が配置されている。コントローラ１４１は、マイクロプロセッサ、プログラムを記憶したメモリ、入出力回路等から構成されている。
【００５４】
次に、上記構成の検出装置１００の動作を、図１３のフローチャートを参照して説明する。
なお、この例では、検体容器１１６の数がＮであるとする。
【００５５】
まず、コントローラ１４１は、検体総数をＮに設定し、処理ポインタｉに１を設定する（ステップＳ３１）。
コントローラ１４１は、ディスペンサ１１１を駆動して、まず、第ｉの検体を収容した検体容器１１６から、検体を採取し（ステップＳ３２）、第ｉのマルチフォトセンサ１１上に滴下する（ステップＳ３３）。このとき、マルチフォトセンサ１１上からこぼれた検体はくぼみ１２１に収容される。
続いて、ディスペンサ１１１を洗浄装置１１５により洗浄する（ステップＳ３４）。
【００５６】
次に、処理ポインタｉがＮに達したか否かを判別し（ステップＳ３５）、達していなければ、処理ポインタｉに１加えて（ステップＳ３６）、ステップＳ３２にリターンし、第ｉの検体について同様の処理を実行する。
【００５７】
ステップＳ３５で、ｉ＝Ｎと判別されると（ステップＳ３５；Ｙｅｓ）、全ての検体を対応するマルチフォトセンサ１１上に配置する処理が終了しているので、ディスペンサ１１１による処理を終了する。
【００５８】
続いて、コントローラ１４１は、ディスペンサ１１２を制御して、第１〜第Ｎのマルチフォトセンサ１１の表面を生理食塩水で洗浄する（ステップＳ３７）。
【００５９】
続いて、コントローラ１４１は、ディスペンサ１１３を制御して、第１〜第Ｎのマルチフォトセンサ１１の表面に、抗体３２と結合したルシフェラーゼ３１の溶液を図５に示したように滴下する（ステップＳ３８）。
続いて、コントローラ１４１は、ディスペンサ１１２を制御して、第１〜第Ｎのマルチフォトセンサ１１の表面を生理食塩水で洗浄する（ステップＳ３９）。このステップＳ３９までは、排水口１０４を開いた状態にし、くぼみ１２１に収容された液体は排水口１０４を通して排水される。
【００６０】
続いて、コントローラ１４１は、ディスペンサ１１４を制御して、第１〜第Ｎのマルチフォトセンサ１１の表面に、ルシフェリンとＡＴＰを滴下する（ステップＳ４０）。このステップＳ４０を行う前に、排水口１０４を閉じることで、マルチフォトセンサ１１がルシフェリンとＡＴＰとで十分満たされる。
続いて、コントローラ１４１は、カバー１３１で、マルチフォトセンサ群１０２を覆って、暗い状態とし、第１〜第Ｎのマルチフォトセンサ１１を制御して、発光検出処理を行う（ステップＳ４１）。
【００６１】
コントローラ１４１は、第１〜第Ｎのマルチフォトセンサ１１から発光検出信号（各フォトダイオード１２の応答からなるパターン信号）を収集して処理し、検体別に検出発光量から細菌等の数の推定を行い、検体毎に細菌等の密度等を求める（ステップＳ４２）。
【００６２】
このような構成とすれば、大量の検体を高速に処理し、各検体に含まれている特定の細菌等の数や密度を推定できる。
【００６３】
なお、検出装置１００は、上記構成に限定されず、種々の変形及び応用が可能である。
例えば、マルチフォトセンサ群１０２をユニット化して、交換可能とする等してもよい。ディスペンサ１１１〜１１４の数なども任意である。
【００６４】
また、マルチフォトセンサ１１をマトリクス状に複数個配置する例を示したが、マルチフォトセンサ１１の数は任意であり、１つだけでもよい。
【００６５】
（検出装置の第２の例）
次に、検出装置を超小型で、人間や動物が飲め込める形態に構成した例を説明する。
検出装置２００は、図１４に示すように、数ミリ角の円筒形のカプセル２０１内に収容されている。なお、人間以外の適用対象動物に応じた形態としてもよい。
カプセル２０１内には、マルチフォトセンサユニット２１１と、ルシフェラーゼユニット２１２と、ルシフェリンユニット２１３と、第１と第２の洗浄ユニット２１４、２１５と、センサ制御ユニット２１６と、メモリ制御ユニット２１７と、不揮発性メモリ２１８と、バッテリを含む電源ユニット２１９とが配置されている。
【００６６】
カプセル２０１は、樹脂等の胃液や腸液に溶解しない材料から構成され、開口が形成されている。
マルチフォトセンサユニット２１１は、図１５に示すように、小室２３１の底面にマルチフォトセンサ１１が配置されたモジュールから構成される。マルチフォトセンサユニット２１１には、開口２３３が形成され、カプセル２０１の開口と連通している。開口２３３は、扉（開閉弁）として機能するＭＥＭＳ（Ｍｉｃｒｏ Ｅｌｅｃｔｒｏ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｓｙｓｔｅｍｓ）２３４により開閉される。
【００６７】
ルシフェラーゼユニット２１２は、抗体３２とルシフェラーゼ３１の結合体を含む溶液が加圧注入されたモジュールである。
ルシフェリンユニット２１３は、ルシフェリンとＡＴＰとを含む溶液が加圧注入されたモジュールである。
第１と第２の洗浄ユニット２１４，２１５は、生理食塩水が加圧注入されたユニットである。
【００６８】
図１５及び図１６に示すように、マルチフォトセンサユニット２１１とルシフェラーゼユニット２１２の間、マルチフォトセンサユニット２１１とルシフェリンユニット２１３の間、マルチフォトセンサユニット２１１と第１の洗浄ユニット２１４の間、マルチフォトセンサユニット２１１と第２の洗浄ユニット２１５の間は弁として機能するＭＥＭＳ２４１，２４２，２４３、２４４によりそれぞれ封止されている。
【００６９】
センサ制御ユニット２１６は、電源ユニット２１９からの電力を受け、ＭＥＭＳ２３４，２４１〜２４４とマルチフォトセンサ１１とを制御する。また、センサ制御ユニット２１６は、マルチフォトセンサ１１から読み取った検出データをメモリ制御ユニット２１７に送信する。
【００７０】
メモリ制御ユニット２１７は、電源ユニット２１９からの電力を受け、センサ制御ユニット２１６から送信された検出データを受信し、不揮発性メモリ２１８に格納する。また、メモリ制御ユニット２１７は、通信部を備える。この通信部は、図１４に示すコイルアンテナ２４４と、図示せぬ整流回路と容量を備え、外部からの電磁波により発電し、動作電力を発生し、容量にチャージする。そして、メモリ制御ユニット２１７は、通信部のコイルアンテナ２４４を介して不揮発性メモリ２１８の情報を外部に送信する。
【００７１】
不揮発性メモリ２１８は、フラッシュメモリ等の半導体メモリから構成される。
電源ユニット２１９は、バッテリ、レギュレータ回路等を備える。
【００７２】
次に、上記構成の検出装置２００の動作を説明する。
所定の操作により、センサ制御ユニット２１６及びメモリ制御ユニット２１７を起動した後、カプセル化された検出装置２００は、利用者（人間又は動物）に、水などで丸ごと飲み込まれ、体内に入る。
【００７３】
センサ制御ユニット２１６は、電源ユニット２１９からの電力を使用して動作し、内部タイマにより時間を計測し、飲み込んでから胃を通過して腸に到達すると予想される所定の時間を計測する。
センサ制御ユニット２１６は、所定の時間を計時すると（検出装置２００が腸に達すると）、まず、ＭＥＭＳ２３４を制御して、マルチフォトセンサユニット２１１の開口２３３を開く。これにより、開口２３３を介して腸液がマルチフォトセンサユニット２１１内に流入する。腸液内の特定の細菌は、マルチフォトセンサ１１の表面に形成された抗体層を構成する抗体１７に捕捉されて固定される。
【００７４】
続いて、センサ制御ユニット２１６は、開口２３３を開いた状態のまま、マルチフォトセンサユニット２１１と第１の洗浄ユニット２１４との間のＭＥＭＳ２４３を開く。これにより、第１の洗浄ユニット２１４からマルチフォトセンサユニット２１１内に生理食塩水が注入され、腸液がマルチフォトセンサユニット２１１内から排出される。
【００７５】
続いて、センサ制御ユニット２１６は、ＭＥＭＳ２３４を制御して、開口２３３を閉じ、ルシフェラーゼユニット２１２との間に配置されたＭＥＭＳ２４１を開く。これにより、ルシフェラーゼ３１と抗体３２の結合体がマルチフォトセンサユニット２１１内に噴出する。これにより、ルシフェラーゼ３１に結合している抗体３２が、抗体１７に捕捉されて固定されている細菌２１を捕捉し、付着する。
【００７６】
続いて、センサ制御ユニット２１６は、ＭＥＭＳ２３４を制御して、開口２３３を開き、第２の洗浄ユニット２１５との間のＭＥＭＳ２４４を開く。これにより、第２の洗浄ユニット２１５からマルチフォトセンサユニット２１１内に生理食塩水が注入され、残余のルシフェラーゼ３１がマルチフォトセンサユニット２１１外に排出される。
【００７７】
続いて、センサ制御ユニット２１６は、ＭＥＭＳ２３４を制御して、開口２３３を閉じ、ルシフェリンユニット２１３との間のＭＥＭＳ２４２を開く。これにより、ルシフェリンユニット２１３からマルチフォトセンサユニット２１１内にルシフェリンとＡＴＰとが注入され、細菌２１に捕捉されているルシフェラーゼ３１と反応して、発光する。
【００７８】
続いて、センサ制御ユニット２１６は、マルチフォトセンサ１１に発光反応を検出させる。
続いて、センサ制御ユニット２１６は、発光検出データを読み込み、メモリ制御ユニット２１７に送信する。
メモリ制御ユニット２１７は、センサ制御ユニット２１６から発光検出データを受信し、不揮発性メモリ２１８に格納する。
【００７９】
また、メモリ制御ユニット２１７は、発光検出データを解析し、固定・捕捉された細菌の数を推測し、腸内の細菌の数（密度）を予測し、不揮発性メモリ２１８に格納する。
【００８０】
その後、検出装置２００は、肛門から排泄され、図１７に示すように、便器３０１のトラップ３０２に捕獲される。
トラップ３０２の近傍には、電磁波を送信する通信機３０３が配置されており、間欠的に電磁波をトラップ３０２に向けて出力する。
【００８１】
通信機３０３からの電磁波（搬送波）が照射されると、トラップ３０２で捕獲された検出装置２００のコイルアンテナ２４４には、誘起起電力が発生し、これが整流回路で整流されて、容量にチャージされる。容量のチャージ量が一定量に達すると、メモリ制御ユニット２１６は、不揮発性メモリ２１８に記憶されていたデータを読み出し、通信部を介して識別情報等と共に送信する。通信機３０３はこれを受信し、図示せぬセンタ等に送信する。
センタでは、受信した識別情報と発光検出データ（或いは、処理済みの細菌数（密度）を示すデータ等）に基づいて、適切な処理を行う。
【００８２】
このような構成とすれば、電池は、腸内で発光検出データをメモリに格納する動作までで十分であるので、バッテリの容量が小さくでき、小型化でき、ひいては全体を小型化できる。
【００８３】
また、センサモジュール（マルチフォトセンサユニット２１１、ルシフェラーゼユニット２１２と、ルシフェリンユニット２１３と、第１と第２の洗浄ユニット２１４、２１５と、センサ制御ユニット２１６）とメモリモジュール（センサモジュール以外）とを別体とし、センサ制御ユニット２１６とメモリ制御ユニット２１７との間を無線通信で結び、両モジュール間を無線通信で接続する構成とすれば、センサモジュールとメモリモジュールとを分離できる。これにより、例えば、メモリモジュールについては、汎用カプセル化して、回収後再利用可能とし、センサモジュールは使い捨てるようにしてもよい。
【００８４】
以上の説明では、ＭＥＭＳで扉や弁を構成し、ＭＥＭＳを制御することで、複数の液の流れを制御したが、蝋のような熱で溶ける物質で弁を構成し、熱による不可逆的な制御を行っても良い。蝋に限らず、各部を適切なタンパク質や炭水化物で構成してもよい。また、ＭＥＭＳを制御するのにセンサ制御ユニット２１６でタイマを使用するのではなく、図示せぬｐＨセンサを利用して胃酸から腸液に至るｐＨの変化を観測して腸の位置を特定してもよい。また、体外からカプセル２０１へ通信部のコイルアンテナ２４４を通して位置情報を送信するような図示せぬ位置検出装置を使用してＭＥＭＳを制御してもよい。
【００８５】
（回路構成について）
以上の実施の形態において、マルチフォトセンサ１１が検出する発光は、非常に微弱であり、暗電流やショット雑音などの影響を受けやすく、正確な測定は困難である。
そこで、以下、マルチフォトセンサ１１による発光の検出に適した検出回路の構成について説明する。
【００８６】
この検出回路６００は、図１８に示すように、マルチフォトセンサ１１を構成する単一の光検出器６１０と、ＡＤ変換器６２０と、加算平均回路６３０と、メモリ６４０と、減算器６５０と、コントローラ６６０と、から構成される。
【００８７】
図示するように、光検出器６１０は、ＮＭＯＳスイッチ６１１と、フォトダイオード１２との直列回路により構成される。ＮＭＯＳスイッチ６１１は、ワード線等を介してコントローラ６６０によりオン（接続）・オフ（遮断）される。
【００８８】
図１９を用いて、光検出器６１０の動作を説明する。この光検出器６１０は一般的なＣＣＤやＣＭＯＳイメージセンサと同様の電荷蓄積型方式である。まず、コントローラ６６０によりｓｗ信号をＨｉｇｈにして、ＮＭＯＳスイッチ６１１をオンすると、フォトダイオード１２の寄生容量成分の電子が放電され、光検出器６１０の出力電圧は電源電圧Ｖｄｄ近くの電圧値に初期化される。そして、ｓｗ信号をＬｏｗにして、ＮＭＯＳスイッチ６１１をオフする。フォトダイオード１２には発光反応による光が入射されているので、フォトダイオード１２では光電変換が起こり、電子が発生し、フォトダイオード１２の寄生容量に蓄積される。このため、光検出器６１０の出力電圧Ｖｐは、図１９に例示するように、時間経過に従い減少していく（蓄積動作）。
【００８９】
この蓄積動作に要する時間は露光時間（蓄積時間）と呼ばれる。適切な露光時間後の光検出器６１０の出力電圧は、初期化時の電圧値から受光光量（入射光強度）に比例して低くなる。ここで、初期化時の光検出器６１０の電圧値を基準とした電圧振幅を光検出器６１０の応答とすると、光検出器６１０の応答は受光光量に比例して大きくなる。
【００９０】
ＡＤ変換器６２０は光検出器６１０からの出力電圧Ｖｐをデジタル値に変換する。
光検出器６１０の応答が０（光検出器の初期化時）から始まって増加するのに従い、ＡＤ変換器６２０のデジタル出力も０から始まって離散的に増加する。
【００９１】
加算平均回路６３０は、加算器６３１と、メモリ６３２と、除算器６３３とから構成され、加算平均演算を行う。まず、メモリ６３２の値を０にする（初期化）。その後、１回目に入力された信号は、メモリ６３２の値が０なので、加算器６３１を通過して、メモリ６３２にそのまま記憶される。２回目に入力された信号は加算器６３１でメモリ６３２に記憶された１回目の入力信号を加算され、メモリ６３２の値は１回目と２回目の加算値に更新記憶される。この動作をコントローラ６６０により設定された回数ｋ回繰り返すと、メモリ６３２には、１回目からｋ回目までの入力信号を加算した値が記憶される。最後に、除算器６３３によりメモリ６３２に記憶された値をｋで割ることで、加算平均回路６３０の出力はｋ回入力された信号の加算平均値を示す。
【００９２】
メモリ６４０は、加算平均回路６３０の出力Ｄｐを一時記憶する。
【００９３】
減算器６５０は、加算平均回路６３０からの出力Ｄｐからメモリ６４０に記憶したＤｍを減算し、検出回路６００の出力とする。
【００９４】
コントローラ６６０は、プロセッサ等から構成され、検出回路６００の全体の動作を制御する。
【００９５】
次に上記構成の検出回路６００の動作原理を説明する。
図２０に、微弱光検出時の光検出器６１０の応答特性を示す。光検出器６１０により微弱な光を後段の回路が検出可能な電圧信号として検出するためには、露光時間を数十秒から数分間、もしくはそれ以上に伸ばす必要がある。この長時間露光により、光検出器６１０の感度は向上するが、様々な雑音の影響も顕在化する。光検出器における雑音は、平均的に見ると一定値を示す固定成分と確率的にゆらぐランダム成分とに分けられる。
【００９６】
固定成分の主要因は暗電流である。暗電流とは入射光が無くてもフォトダイオード１２に流れる電流のことであり、図２０（ａ）に示すように、ルシフェラーゼの発光反応が無い場合でも、暗電流により時間経過に比例して光検出器６１０の応答が大きくなる。暗電流の大きさは、ＣＭＯＳ集積回路の製造ばらつきの影響によりフォトダイオード１２毎に異なり、温度依存性により温度が高いほど大きくなる。
【００９７】
ランダム成分の主要因は、暗電流ショットノイズ、光ショットノイズ（発光反応が入力されている場合）、ＮＭＯＳスイッチ６１１のリセットノイズ、ＡＤ変換前のアナログ回路のランダムノイズ（熱雑音、フリッカノイズ）である。これらのノイズの頻度分布は、図２０（ｂ）に示すように、近似的に正規分布（ガウス分布）に従う。ランダム成分の大きさも、温度依存性により温度が高いほど大きくなる。
【００９８】
仮に雑音成分が固定成分のみならば、図２０（ａ）のように、発光反応が有る場合と無い場合の光検出器６１０の応答をそれぞれ取得し差をとれば、雑音の固定成分を除去した発光反応の信号成分が取得できる。しかし、微弱光検出の場合、暗電流に比べて発光反応の信号成分が極めて小さい場合を想定している。この場合、発光反応の信号成分は、図２０（ａ），（ｂ）のように、雑音のランダム成分に埋もれてしまう。市販の高感度ＣＣＤやＣＭＯＳイメージセンサでは、イメージセンサをペルチェ素子や液体窒素などで冷却することで、温度依存性のあるこれらの雑音を抑制する手法が採られている。しかし、抗体１７，３２やＳＢＰ１６などのバイオ要素、ルシフェラーゼの発光反応は低温では上手く機能しないため、常温での雑音抑制手法が必要となる。
【００９９】
そこで、雑音のランダム成分を抑制するために加算平均演算を行う。正規分布に従う信号をｎ回加算平均すると、信号／ノイズ比（Ｓ／Ｎ）は√（ｎ）倍に改善され、図２０（ｃ）のように、加算平均を行うほど雑音のランダム成分の分散が小さくなる。
【０１００】
すなわち、発光反応が有る場合と無い場合の光検出器６１０の応答をそれぞれ複数回取得し、それぞれ加算平均演算を行って雑音のランダム成分を十分抑制したところで差をとれば、雑音の固定成分およびランダム成分に因らない発光反応の信号成分が取得できる。
【０１０１】
図１８に示した検出回路６００は、この加算平均演算を利用した雑音抑制手法が実行できる。まず、図６のように、マルチフォトセンサ１１を構成するフォトダイオード１２の直上にルシフェラーゼ３１で覆われた細菌２１が捕獲されている状態であるとする。そして、検出装置１００のカバー１３１に相当するものでマルチフォトセンサ１１を覆い、暗状態にする。
【０１０２】
このルシフェラーゼの発光反応前の暗状態での光検出器６１０の応答を取得し、ＡＤ変換器６２０によりデジタル化し、加算平均回路６３０に入力する動作をｋ回行う。加算平均回路６３０は、ｋ回の加算平均演算を行い、雑音のランダム成分を抑制した発光反応前の光検出器６１０のデジタル応答を出力し、メモリ６４０に記憶させる。
【０１０３】
その後、検出装置１００のカバー１３１に相当するものを外し、マルチフォトセンサ１１をルシフェリンとＡＴＰの溶液で満たし、再び、検出装置１００のカバー１３１に相当するものでマルチフォトセンサ１１を覆い、暗状態にしてルシフェラーゼの発光反応を起こす。
【０１０４】
このルシフェラーゼの発光反応後の暗状態での光検出器６１０の応答を取得し、ＡＤ変換器６２０によりデジタル化し、加算平均回路６３０に入力する動作をｋ回行う。加算平均回路６３０は、ｋ回の加算平均演算を行い、雑音のランダム成分を抑制した発光反応後の光検出器６１０のデジタル応答を出力する。
【０１０５】
そして、減算器６５０は、加算平均回路６３０からの雑音のランダム成分を抑制した発光反応後の光検出器６１０のデジタル出力Ｄｐからメモリ６４０に記憶した雑音のランダム成分を抑制した発光反応前の光検出器６１０のデジタル出力Ｄｍを減算して、雑音の固定成分とランダム成分に因らない発光反応の信号成分を取得して検出回路６００の出力とする。
【０１０６】
以上の検出回路６００の動作をコントローラ６６０が制御する。このようにして、微弱な発光反応を検出できる。
【０１０７】
ここで、検出回路６００では、加算平均演算を利用しているが、積分演算を使用しても良い。加算平均回路６３０から除算器６３３を外すと積分回路になる。積分回路を使って微弱光検出処理を行うと、出力の値が加算平均回路６３０を使用したときのｋ（加算回数）倍になる。２進数のデジタル演算では除算は、法数（割る数）が２のｎ乗の場合、被除数（割られる数）を下位方向にｎビットシフトすることで実現できる。小数点以下の値を切り捨てるとシフトしたｎビット分の情報が無駄になり精度が悪くなる。一方、除算器６３３を外した手法では出力がｋ倍されるだけで精度は良いので、検出回路６００の出力を用いて細菌２１の数の推定などを行う場合には、ｋ倍されていることが分かってさえいれば問題は無く、むしろ都合が良い。
【０１０８】
ＡＤ変換器６２０には、逐次比較型やフラッシュ型など様々な方式のものが適用できる。但し、図２０で示した微弱な発光反応の検出方法を実現するためには、微小な発光反応の信号成分を検出する必要があるため高精度、高分解能のＡＤ変換器が必要になり回路構成が複雑になる傾向にある。
【０１０９】
そこで、光検出器６１０の所定の露光時間後の電圧信号を出力とするのではなく、図２１（ａ）〜（ｃ）に示すように、光検出器６１０の応答が所定の値に達するまでの露光時間を出力とすることも可能である。この手法でも、図２１（ｂ）に示すように、雑音の固定成分とランダム成分の影響があるので、図２０の手法と同様に、光検出器６１０の出力信号（時間信号）を加算平均することで雑音のランダム成分を抑制し、発光反応前後の出力を比較することで、発光反応の信号成分を獲得することが望ましい。
【０１１０】
この手法を実現するための図１８の検出回路６００のＡＤ変換器６２０と加算平均回路６３０に置き換え可能な回路例を図２２に示す。図２２のＰＷＭ型ＡＤ変換器６７０は、コンパレータ６７１、２入力ＡＮＤ回路６７２、カウンタ６７３で構成され、いわゆるパルス幅変調（ＰＷＭ）型ＡＤ変換器の回路構成を採っている。このＰＷＭ型ＡＤ変換器６７０は、正確には、ＡＤ変換器６２０と、加算平均回路６３０から除算器６３３を除いた積分回路とを合わせた構成に相当する。除算器６３３を除いても問題がないことは前述の通りである。
【０１１１】
図２３を用いて、ＰＷＭ型ＡＤ変換器６７０の回路動作を説明する。予め、参照電圧Ｖｒｅｆを適当な値に定め、コンパレータ６７１のマイナス端に入力しておく。光検出器６１０の出力Ｖｐはコンパレータ６７１のプラス端に接続されている。まず、ｒｓｔ信号をＨｉｇｈにしてＬｏｗに戻すことでカウンタ６７３の値Ｄｐを０にする。同時にｓｗ信号をＨｉｇｈにして、光検出器６１０を初期化する。このとき、コンパレータ６７１の出力ＶｃｍｐはＨｉｇｈになる。
【０１１２】
そして、ｓｗ信号をＬｏｗにすると、光検出器６１０の蓄積動作が始まり、出力電圧Ｖｐが時間の経過と共に低下する。暫くすると光検出器６１０の出力電圧Ｖｐが参照電圧Ｖｒｅｆよりも小さくなり、コンパレータ６７１の出力電圧ＶｃｍｐがＬｏｗになる。ｓｗ信号の反転信号とコンパレータ６７１出力Ｖｃｍｐが入力された２入力ＡＮＤ回路６７２の出力信号ｃｅは、蓄積動作が始まってから光検出器６１０の出力電圧が参照電圧Ｖｒｅｆより小さくなるまでの時間Ｈｉｇｈを示す。つまり、このｃｅ信号がＨｉｇｈになっている時間が、図２１（ａ）において光検出器６１０の応答が所定の値に達するまでの露光時間に相当し、光検出器６１０の出力時間信号（アナログ値）となる。
【０１１３】
ｃｅ信号はカウンタ６７３のクロックイネーブル端に入力される。カウンタ６７３は、クロックイネーブル端がＨｉｇｈになっている間だけ、クロック（ｃｌｋ）信号が立ち上がる毎にカウントアップし、出力Ｄｐが増加する。すなわち、光検出器６１０のアナログ時間信号がカウンタ６７３によりデジタル時間信号に変換される。ｃｌｋ信号の周波数が高いほどＡＤ変換精度（分解能）が高くなる。
【０１１４】
その後、再びｓｗ信号をＨｉｇｈにして光検出器６１０の初期化を行い、Ｌｏｗにして蓄積動作を始める。このとき、ｒｓｔ信号をＨｉｇｈにしなければ、カウンタ６７３には、前の光検出器６１０の出力時間信号が保持されている。この状態で、ｃｅ信号が再びＨｉｇｈになると、カウンタ６７３は保持された出力時間信号に加算する形でカウントアップを始める。すなわち、ｒｓｔ信号をＨｉｇｈにするまでの間、光検出器６１０の出力時間信号が積分される。以上より、ＰＷＭ型ＡＤ変換器６７０は、時間領域のＡＤ変換と積分演算を実行することが出来る。
【０１１５】
このＰＷＭ型ＡＤ変換器６７０を、検出回路６００のＡＤ変換器６２０および加算平均回路６３０と置き換えることで、図２１を用いて説明した、微弱光検出処理が実行できる。
【０１１６】
但し、ＰＷＭ型ＡＤ変換器６７０を用いて実行する処理は、図２０を用いて説明した処理に近似的には等しいが、厳密には同じ処理ではない。露光時間一定の場合の光検出器６１０の電圧出力（図２０）はフォトダイオード１２の受光光量に比例するが、光検出器６１０での電圧変化を一定としたときの露光時間出力（図２１）はフォトダイオード１２の受光光量に反比例する。ＰＷＭ型ＡＤ変換器６７０を用いた検出回路６００で細菌２１の有無を判定する程度であれば特に問題は無いが、細菌２１の数や密度を推定する場合は上記反比例性を念頭に判定処理を行う必要がある。
【０１１７】
このように、ＰＷＭ型ＡＤ変換器６７０を使用した処理は、図２０を用いて説明した処理とは厳密には違うが、回路構成が単純かつ変換時間が長いほど変換精度が高いという利点があり、微弱光検出には比較的適した回路構成だと言える。
【０１１８】
また、ＰＷＭ型ＡＤ変換器６７０を改良することで、光検出器６１０のリセットノイズを除去することも出来る。図２４（ａ）に示すように、光検出器６１０のＮＭＯＳスイッチ６１１をオフするときに、リセット（ｋＴＣ）ノイズが入り、光検出器６１０の出力電圧がシフトする。但し、出力電圧の傾きは変わらない。リセットノイズの影響で、図２２の回路では図２４（ａ）に示すようにｃｅ信号の立ち下がりの時間が変動してしまう。そこで、図２４（ｂ）に示すように、参照電圧を２つ（Ｖｒｔ、Ｖｒｂ）用意し、光検出器６１０の出力電圧が参照電圧Ｖｒｔより小さくなったときにｃｅ信号を立ち上げ、さらにもう一つの参照電圧Ｖｒｂより小さくなったときにｃｅ信号を立ち下げれば、リセットノイズの影響を除去できる。
【０１１９】
図２２のＰＷＭ型ＡＤ変換器６７０に置き換えることでリセットノイズの影響を除去可能な回路例を図２５（ａ）に示す。回路は、２つのコンパレータ６７１と、３入力ＡＮＤ回路６７４と、カウンタ６７３で構成され、図２５（ｂ）に示すように、所望の動作を実行できる。
【０１２０】
また、コンパレータ６７１を一つだけ用いた回路例を図２６（ａ）に示す。回路は１つのコンパレータ６７１と、参照電圧の切替スイッチ６７５と、Ｄ−フリップフロップ６７６と、カウンタ６７３で構成され、図２６（ｂ）に示すように、所望の動作を、コンパレータ一つを使った回路構成で実行できる。
【０１２１】
なお、この検出回路６００の構成と動作は、一例であり、限定されるものではない。
【０１２２】
（変形例）
【０１２３】
（１）マルチフォトセンサ１１を構成するフォトダイオード１２のアレイを、図２７（ａ）、（ｂ）に示すように、幾つかの領域に分け、各々別種の抗体を配置することで、複数の細菌の判別及び計数を同時に行うことも可能である。また、エリアセンサに限らず、ラインセンサでも、シングルセンサでもよい。
【０１２４】
（２）検出の対象は任意であり、アレルギー原因性物質、花粉、タンパク質なども可能である。つまり、図６のように、マルチフォトセンサ１１の直上に、検出対象を介してルシフェラーゼ３１を固定できれば検出対象は任意である。その意味において、金属、樹脂、等の粒子なども、これらの物質に選択的に接続する物質を抗体の代わりに使用すれば、検出可能である。
【０１２５】
（３）フォトセンサ１１の上に固定層としてＳＢＰを使用したが、検出対象を固定する手法は任意である。
【０１２６】
（４）上記実施の形態では、発光させるために、ルシフェリン、ＡＴＰ、ルシフェラーゼ３１を使用したが、検出対象自体又はその周囲を発光させることができるならば、その手法は任意である。
【０１２７】
（５）また、マルチフォトセンサ１１の上に、検体を配置する例を示したが、図２８に例示するように、プレパラートのような任意の板（層、膜を含む）５０１をマルチフォトセンサ１１の上に配置し、ここに、必要に応じて、抗体層などの固定層を配置し、ここに検体を配置するようにしてもよい。この場合もマルチフォトセンサ１１の直上に検体を配置することができ、装置を小型に維持できる。即ち、検体をマルチフォトセンサ１１上に直接又は光透過性の膜・層を介して近接して配置することができ、微弱発光をより容易且つ正確に検出することが可能となる。
【０１２８】
その他、前記のハードウエア構成は一例であり、任意に変更及び修正が可能である。
【産業上の利用可能性】
【０１２９】
この発明は、特定の微小物体の検出に利用することができる。
【図面の簡単な説明】
【０１３０】
【図１】（ａ），（ｂ）は、実施の形態に係るマルチフォトセンサの図である。
【図２】マルチフォトセンサに固定層を形成した状態を示す図である。
【図３】マルチフォトセンサ上に検体を滴下する様子を示す図である
【図４】マルチフォトセンサの固定層に検出対象物が捕捉・固定された様子を示す図である。
【図５】マルチフォトセンサにルシフェラーゼを滴下する様子を示す図である。
【図６】検出対象物にルシフェラーゼが付着した様子を示す図である。
【図７】（ａ）はマルチフォトセンサにルシフェリンとＡＴＰを滴下する様子を示す図であり、（ｂ）は細菌に付着したルシフェラーゼの周辺で発光反応が起きている様子を示す図である。
【図８】マルチフォトセンサにルシフェラーゼが付着した細菌が固定されている状態を示す図である。
【図９】（ａ）は、検出対象（細菌）の数に対する光電変換素子の応答の大きさの関係を示したグラフである。（ｂ）は、図８の状態で得られる出力パターンの例である。
【図１０】検出処理の手順を示す図である。
【図１１】検出装置の第１の例の構成を示す図である。
【図１２】図１１のマルチフォトセンサ群の構成を例示する図である。
【図１３】検出装置の動作を示す手順図である。
【図１４】検出装置の第２の例の構成を示す図である。
【図１５】検出装置の第２の例の構成を示す図である。
【図１６】検出装置の第２の例の構成を示す図である。
【図１７】検出装置の使用例を示す図である。
【図１８】検出回路の構成例のブロック図である。
【図１９】光検出器の出力電圧特性を示したグラフである。
【図２０】微弱光を検出するための検出回路の動作原理を示す図である。
【図２１】ＰＷＭ型ＡＤ変換器を用いて、微弱光を検出するための動作原理を示す図である。
【図２２】図１８の検出回路の一部に置き換え可能なＰＷＭ型ＡＤ変換回路のブロック図である。
【図２３】ＰＷＭ型ＡＤ変換回路のタイミングチャートである。
【図２４】（ａ）は、図２２に示したＰＷＭ型ＡＤ変換器へのリセットノイズの影響を示した図であり、（ｂ）はその影響を解決する手法を示した図である。
【図２５】（ａ）は、図２４（ｂ）で示したリセットノイズの影響を除去するためのＰＷＭ型ＡＤ変換器の回路例のブロック図であり、（ｂ）はそのタイミングチャートである。
【図２６】（ａ）は、図２４（ｂ）で示したリセットノイズの影響を除去するためのＰＷＭ型ＡＤ変換器の回路例のブロック図であり、（ｂ）はそのタイミングチャートである。
【図２７】（ａ）、（ｂ）は、フォトセンサの表面に異なる固定層（抗体層）を形成した例を示す図である。
【図２８】プレパラートなどを使用する例を説明する図である。
【符号の説明】
【０１３１】
１１ マルチフォトセンサ（撮像装置）
１２ フォトダイオード（光電変換素子）
１３ 単結晶シリコン基板
１４ 保護層
１６ ＳＢＰ（Ｓｉｌｉｃｏｎ Ｍａｔｅｒｉａｌ Ｂｉｎｄｉｎｇ Ｐｒｏｔｅｉｎ）
１７ 抗体
２１ 細菌
２２ 検体
３１ ルシフェラーゼ
３２ 抗体
３３ 溶液
４１ ルシフェリンとＡＴＰの混合溶液
４２ 発光反応
１００ 検出装置
１０１ ステージ
１０２ マルチフォトセンサ群
１０３ 壁
１０４ 排水口
１２１ くぼみ
１２２ 台
１１１〜１１４ ディスペンサ
１１５ 洗浄装置
１１６ 検体容器
１３１ カバー
１４１ コントローラ
２００ 検出装置
２０１ カプセル
２１１ マルチフォトセンサユニット
２１２ ルシフェラーゼユニット
２１３ ルシフェリンユニット
２１４ 第１洗浄ユニット
２１５ 第２洗浄ユニット
２１６ センサ制御ユニット
２１７ メモリ制御ユニット
２１８ 不揮発性メモリ
２１９ 電源ユニット
２３１ 小室
２３３ 開口
２３４ ＭＥＭＳ（扉）
２４１〜２４４ ＭＥＭＳ（弁）
２４４ コイルアンテナ
３０１ 便器
３０２ トラップ
３０３ 通信機
５０１ 板（プレパラート）
６００ 検出回路
６１０ 光検出器
６１１ ＮＭＯＳスイッチ
６２０ ＡＤ変換器
６３０ 加算平均回路
６３１ 加算器
６３２ メモリ
６３３ 除算器
６４０ メモリ
６５０ 減算器
６６０ コントローラ
６７０ ＰＷＭ型ＡＤ変換器
６７１ コンパレータ
６７２ ２入力ＡＮＤ回路
６７３ カウンタ
６７４ ３入力ＡＮＤ回路
６７５ 切替スイッチ
６７６ Ｄ−フリップフロップ
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の光電変換素子がマトリクス状に配置されたマルチフォトセンサの直上に、検出対象物を固定する固定層を形成する工程と、
前記固定層が形成されたマルチフォトセンサの直上に、前記検出対象物を含む検査対象流体を配置する配置工程と、
前記検出対象物に発光物質を付着させる付着工程と、
発光物質を付着させた前記検出対象物を前記マルチフォトセンサにより検出する検出工程と、
を備える微小物体検出方法。
【請求項２】
前記検出工程により得られた応答から、前記検出対象物を判別する工程をさらに備えることを特徴とする請求項１に記載の微小物体検出方法。
【請求項３】
前記付着工程は、発光反応を起こす物質を前記検出対象物に付着する工程を含む、
ことを特徴とする請求項１又は２に記載の微小物体検出方法。
【請求項４】
前記付着工程は、
ルシフェラーゼを付着する工程と、
ルシフェリンとＡＴＰ（アデノシン三リン酸）を加える工程と、
を備える、ことを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の微小物体検出方法。
【請求項５】
前記付着工程は、
前記検出対象物に付着する抗体とルシフェラーゼとの結合体を供給する工程と、
ルシフェリンとＡＴＰを加える工程と、
を備える、ことを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の微小物体検出方法。
【請求項６】
前記固定層は、シリコンと前記検出対象物を抗原とする抗体との結合体の層から構成され、
前記固定層を形成する工程は、前記結合体のシリコンを前記マルチフォトセンサの光電変換面に固定する工程から構成されている、
ことを特徴とする請求項５に記載の微小物体検出方法。
【請求項７】
前記検出対象物は微生物であり、
前記配置工程実行前に、前記マルチフォトセンサの光電変換面上に、シリコンと前記検出対象の微生物を抗原とする抗体との結合体の層を形成する工程を備え、
前記付着工程は、前記検出対象物に付着する抗体とルシフェラーゼとの結合体を供給する工程と、ルシフェリンとＡＴＰを加える工程と、から構成される、
ことを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１項に記載の微小物体検出方法。
【請求項８】
前記検出工程は、
前記マルチフォトセンサの出力のノイズを測定し、ノイズの揺らぎ成分を抑圧してノイズの固定成分を求める工程と、
前記検出対象物に付着した発光物質の発光を前記マルチフォトセンサにより複数回検出することにより揺らぎ成分を抑圧すると共に前記ノイズの固定成分との差分を求めることによりノイズの固定成分を除去する工程と、
を備える、ことを特徴とする請求項１乃至７のいずれか１項に記載の微小物体検出方法。
【請求項９】
光電変換素子で構成された光検出器がマトリクス状に複数配置されたマルチフォトセンサと、
前記マルチフォトセンサ上に形成され、検出対象物を固定する固定層と、
前記固定層上に、前記検出対象物を含む検査対象流体を供給する供給手段と、
前記検出対象物に発光物質を付着させる付着手段と、
を備える微小物体検出装置。
【請求項１０】
前記マルチフォトセンサを構成する各前記光検出器の出力信号を処理し、前記検査対象流体に含まれる発光物質を付着させた前記検出対象物の応答を判別することにより検出対象物を検出する処理手段をさらに備えることを特徴とする請求項９に記載の微小物体検出装置。
【請求項１１】
前記付着手段は、発光反応を起こす物質を前記検出対象物に付着する、ことを特徴とする請求項９又は１０に記載の微小物体検出装置。
【請求項１２】
前記マルチフォトセンサと前記供給手段と前記付着手段とは人間又は動物が飲み込み可能にカプセル化されており、
前記処理手段は、前記カプセル内又は外部に配置され、前記マルチフォトセンサの出力を通信により受信する、
ことを特徴とする請求項９乃至１１のいずれか１項に記載の微小物体検出装置。
【請求項１３】
前記光検出器の出力ノイズを測定し、ノイズの揺らぎ成分を抑圧してノイズの固定成分を求める手段と、
前記検出対象物に付着した発光物質の発光を検出した前記光検出器の出力を複数回測定することにより出力に含まれる揺らぎ成分を抑圧する手段と前記出力と前記ノイズの固定成分との差分を求めることによりノイズの固定成分を除去する手段とを備える検出手段と、
をさらに備える、ことを特徴とする請求項９乃至１２のいずれか１項に記載の微小物体検出装置。
【請求項１】
複数の光電変換素子がマトリクス状に配置されたマルチフォトセンサの直上に、検出対象物を固定する固定層を形成する工程と、
前記固定層が形成されたマルチフォトセンサの直上に、前記検出対象物を含む検査対象流体を配置する配置工程と、
前記検出対象物に発光物質を付着させる付着工程と、
発光物質を付着させた前記検出対象物を前記マルチフォトセンサにより検出する検出工程と、
を備える微小物体検出方法。
【請求項２】
前記検出工程により得られた応答から、前記検出対象物を判別する工程をさらに備えることを特徴とする請求項１に記載の微小物体検出方法。
【請求項３】
前記付着工程は、発光反応を起こす物質を前記検出対象物に付着する工程を含む、
ことを特徴とする請求項１又は２に記載の微小物体検出方法。
【請求項４】
前記付着工程は、
ルシフェラーゼを付着する工程と、
ルシフェリンとＡＴＰ（アデノシン三リン酸）を加える工程と、
を備える、ことを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の微小物体検出方法。
【請求項５】
前記付着工程は、
前記検出対象物に付着する抗体とルシフェラーゼとの結合体を供給する工程と、
ルシフェリンとＡＴＰを加える工程と、
を備える、ことを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の微小物体検出方法。
【請求項６】
前記固定層は、シリコンと前記検出対象物を抗原とする抗体との結合体の層から構成され、
前記固定層を形成する工程は、前記結合体のシリコンを前記マルチフォトセンサの光電変換面に固定する工程から構成されている、
ことを特徴とする請求項５に記載の微小物体検出方法。
【請求項７】
前記検出対象物は微生物であり、
前記配置工程実行前に、前記マルチフォトセンサの光電変換面上に、シリコンと前記検出対象の微生物を抗原とする抗体との結合体の層を形成する工程を備え、
前記付着工程は、前記検出対象物に付着する抗体とルシフェラーゼとの結合体を供給する工程と、ルシフェリンとＡＴＰを加える工程と、から構成される、
ことを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１項に記載の微小物体検出方法。
【請求項８】
前記検出工程は、
前記マルチフォトセンサの出力のノイズを測定し、ノイズの揺らぎ成分を抑圧してノイズの固定成分を求める工程と、
前記検出対象物に付着した発光物質の発光を前記マルチフォトセンサにより複数回検出することにより揺らぎ成分を抑圧すると共に前記ノイズの固定成分との差分を求めることによりノイズの固定成分を除去する工程と、
を備える、ことを特徴とする請求項１乃至７のいずれか１項に記載の微小物体検出方法。
【請求項９】
光電変換素子で構成された光検出器がマトリクス状に複数配置されたマルチフォトセンサと、
前記マルチフォトセンサ上に形成され、検出対象物を固定する固定層と、
前記固定層上に、前記検出対象物を含む検査対象流体を供給する供給手段と、
前記検出対象物に発光物質を付着させる付着手段と、
を備える微小物体検出装置。
【請求項１０】
前記マルチフォトセンサを構成する各前記光検出器の出力信号を処理し、前記検査対象流体に含まれる発光物質を付着させた前記検出対象物の応答を判別することにより検出対象物を検出する処理手段をさらに備えることを特徴とする請求項９に記載の微小物体検出装置。
【請求項１１】
前記付着手段は、発光反応を起こす物質を前記検出対象物に付着する、ことを特徴とする請求項９又は１０に記載の微小物体検出装置。
【請求項１２】
前記マルチフォトセンサと前記供給手段と前記付着手段とは人間又は動物が飲み込み可能にカプセル化されており、
前記処理手段は、前記カプセル内又は外部に配置され、前記マルチフォトセンサの出力を通信により受信する、
ことを特徴とする請求項９乃至１１のいずれか１項に記載の微小物体検出装置。
【請求項１３】
前記光検出器の出力ノイズを測定し、ノイズの揺らぎ成分を抑圧してノイズの固定成分を求める手段と、
前記検出対象物に付着した発光物質の発光を検出した前記光検出器の出力を複数回測定することにより出力に含まれる揺らぎ成分を抑圧する手段と前記出力と前記ノイズの固定成分との差分を求めることによりノイズの固定成分を除去する手段とを備える検出手段と、
をさらに備える、ことを特徴とする請求項９乃至１２のいずれか１項に記載の微小物体検出装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図８】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図２０】
【図２１】
【図２２】
【図２３】
【図２４】
【図２５】
【図２６】
【図５】
【図６】
【図７】
【図９】
【図２７】
【図２８】
【図２】
【図３】
【図４】
【図８】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図２０】
【図２１】
【図２２】
【図２３】
【図２４】
【図２５】
【図２６】
【図５】
【図６】
【図７】
【図９】
【図２７】
【図２８】
【公開番号】特開２０１０−４３９８０（Ｐ２０１０−４３９８０Ａ）
【公開日】平成２２年２月２５日（２０１０．２．２５）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００８−２０８７９２（Ｐ２００８−２０８７９２）
【出願日】平成２０年８月１３日（２００８．８．１３）
【新規性喪失の例外の表示】特許法第３０条第１項適用申請有り 第１回 広島大学 半導体・バイオ融合集積化技術シンポジウム、国立大学法人広島大学、平成２０年 ６月２７日
【国等の委託研究の成果に係る記載事項】（出願人による申告）平成１９年度、文部科学省、科学技術振興調整費「先端融合領域イノベーション創出拠点の形成 半導体・バイオ融合集積化技術の構築」プロジェクトに係る委託研究、産業技術力強化法第１９条の適用を受ける特許出願
【出願人】（５０４１３６５６８）国立大学法人広島大学 (924)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２２年２月２５日（２０１０．２．２５）
【国際特許分類】
【出願日】平成２０年８月１３日（２００８．８．１３）
【新規性喪失の例外の表示】特許法第３０条第１項適用申請有り 第１回 広島大学 半導体・バイオ融合集積化技術シンポジウム、国立大学法人広島大学、平成２０年 ６月２７日
【国等の委託研究の成果に係る記載事項】（出願人による申告）平成１９年度、文部科学省、科学技術振興調整費「先端融合領域イノベーション創出拠点の形成 半導体・バイオ融合集積化技術の構築」プロジェクトに係る委託研究、産業技術力強化法第１９条の適用を受ける特許出願
【出願人】（５０４１３６５６８）国立大学法人広島大学 (924)
【Ｆターム（参考）】
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