CN114556083A - 微粒测定系统、计测装置 - Google Patents

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CN114556083A CN202180005845.8A CN202180005845A CN114556083A CN 114556083 A CN114556083 A CN 114556083A CN 202180005845 A CN202180005845 A CN 202180005845A CN 114556083 A CN114556083 A CN 114556083A
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Abstract

纳米孔设备(100)具有细孔(104)及电极对(106、108)。电流测定部(202)将与电压设定指令(SET_V)对应的偏压电压(Vb)向电极对(106、108)之间施加，并且生成与流过纳米孔设备(100)的电流信号(Is)对应的数字的电流数据(DATA_I)。数据处理装置(300)生成电压设定指令(SET_V)，并且，将电流数据(DATA_I)和包含与偏压电压(Vb)的波形相关的信息在内的电压数据(DATA_V)以在时间轴上建立起关联的形式获取，基于电流数据(DATA_I)和电压数据(DATA_V)，判定收容于纳米孔设备(100)的粒子的种类。

Description

微粒测定系统、计测装置
技术领域
本公开涉及使用了纳米孔设备的计测。
背景技术
已知有被称为电感应区法(库尔特原理)的粒度分布测定法。在该测定法中，使包含粒子的电解液通过被称为纳米孔的细孔。当粒子通过细孔时，细孔中的电解液会减少与粒子的体积相当的量，使得细孔的电阻增加。因此，通过测定细孔的电阻，从而在细孔的厚度比粒子大的情况下能够测定通过的粒子的体积，在细孔的厚度比粒子小的情况下能够测定通过的粒子的截面积(即直径)。
图1是使用了电感应区法的微粒测定系统1R的框图。微粒测定系统1R具备纳米孔设备100、计测装置200及数据处理装置300。
纳米孔设备100的内部充满了包含作为检测对象的粒子4的电解液2。纳米孔设备100的内部被纳米孔芯片102隔成两个空间，在两个空间中设置有电极106和电极108。当在电极106与电极108之间产生电位差时，在电极间流过离子电流，且在电泳的作用下粒子4经由细孔104而从一个空间向另一个空间移动。
计测装置200使电极对106、108之间产生电位差且获取与电极对之间的电阻值Rp具有相关性的信息。计测装置200包括跨阻抗放大器(Transimpedance amplifier)210、电压源220和数字转换器(digitizer)230。电压源220使电极对106、108之间产生电位差Vb。该电位差Vb是电泳的驱动源且成为用于测定电阻值Rp的偏压信号。
在电极对106、108之间流过与细孔104的电阻成反比的微小电流Is。
Is＝Vb/Rp…(1)
跨阻抗放大器210将微小电流Is转换为电压信号Vs。在将转换增益设为r时，以下的式子成立。
Vs＝r×Is…(2)
将式(1)代入式(2)，得到式(3)。
Vs＝Vb×r/Rp…(3)
数字转换器230将电压信号Vs转换为数字数据Ds。这样，能够通过计测装置200获得与细孔104的电阻值Rp成反比的电压信号Vs。
图2是由计测装置200测定的例示的微小电流Is的波形图。需要说明的是，在本说明书中参照的波形图或时序图的纵轴及横轴为了容易理解而会适当放大、缩小，示出的各波形也为了容易理解而被简化或者夸张、强调。
在粒子通过的短期间，细孔104的电阻值Rp增大。因而，每次粒子通过时电流Is呈脉冲状减少。电流Is的变化量与粒径具有相关性。数据处理装置300对数字数据Ds进行处理并对电解液2所包含的粒子4的个数、粒径分布等进行分析。
在先技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开2009－014702号公报
专利文献2：日本特开2014－209081号公报
专利文献3：日本特开2017－120257号公报
发明内容
本发明要解决的问题
本公开鉴于上述状况而作成，其中一方案的例示性的目的之一在于提供能够准确地测定粒子的微粒测定系统。
用于解决课题的方案
本公开的一方案涉及微粒测定系统。微粒测定系统具备：纳米孔设备，其具有细孔及电极对；电流测定部，其将与电压控制信号对应的偏压电压向电极对之间施加，并且生成与流过纳米孔设备的电流信号对应的数字的电流数据；以及数据处理装置，其生成电压设定指令，并且，将电流数据和包含与偏压电压的波形相关的信息在内的电压数据以在时间轴上建立起关联的形式获取，基于电流数据和电压数据来判定收容于纳米孔设备的粒子的种类。
本公开的另一方案涉及计测装置。该计测装置在测定时与数据处理装置和具有细孔及电极对的纳米孔设备连接。计测装置具备：电压源，其对纳米孔设备的电极对施加偏压电压；跨阻抗放大器，其在测定时对流过纳米孔设备的电极对的电流进行检测；A/D转换模块，其将跨阻抗放大器的输出信号转换为数字的电流数据；以及总线控制器，其与数据处理装置连接，基于来自数据处理装置的控制指令来控制电压源及A/D转换模块，并且，将电流数据和表示对电极对施加的偏压电压的电压数据以能够在时间轴上建立起对应的形式向数据处理装置发送。
需要说明的是，将以上的构成要素的任意的组合、本公开的构成要素、表述在方法、装置等之间相互置换所得的方案作为本公开的方案也是有效的。
发明效果
根据本公开的一方案，能够准确地测定粒子。
附图说明
图1是使用了电感应区法的微粒测定系统的框图。
图2是由计测装置测定的例示的微小电流Is的波形图。
图3是实施方式的微粒测定系统的框图。
图4是表示微粒测定系统的动作的时序图。
图5是表示使偏压电压Vb的极性变化时实测到的电流数据的一例的图。
具体实施方式
(实施方式的概要)
对本公开的若干例示性的实施方式的概要进行说明。该概要作为后述的详细说明的前置，出于对实施方式的基本理解的目的而将一个或多个实施方式的若干概念简化说明，并不限定发明或公开的广度。另外，该概要不是能想到的所有实施方式的总括性的概要，并不限定实施方式的必要构成要素。为了方便，“一实施方式”有时用于指代本说明书中公开的一个实施方式或多个实施方式。
一实施方式的微粒测定系统具备：纳米孔设备，其具有细孔及电极对；电流测定部，其将与电压控制信号对应的偏压电压向电极对之间施加，并且生成与流过纳米孔设备的电流信号对应的数字的电流数据；以及数据处理装置，其生成电压设定指令，并且，将电流数据和包含与偏压电压的波形相关的信息在内的电压数据以在时间轴上建立起关联的形式获取，基于电流数据和电压数据来判定收容于纳米孔设备的粒子的种类。
在一实施方式中，也可以是，电压数据以与电流数据的采样频率相同的频率生成。
在一实施方式中，也可以是，电压数据在每次偏压电压的施加条件变更时生成。
在一实施方式中，也可以是，电流测定部包括电压源，该电压源生成与电压控制信号对应的偏压电压。电压数据在每次切换电压源的状态时生成。
在一实施方式中，也可以是，电压数据在每次数据处理装置发出电压设定指令时生成。
在一实施方式中，也可以是，偏压电压的电压电平可变，电压数据包含偏压电压的电压电平的信息。
在一实施方式中，也可以是，偏压电压的极性可变，电压数据包含偏压电压的极性的信息。
在一实施方式中，也可以是，数据处理装置将偏压电压的极性反转时得到的电流数据除外来判定粒子的种类。通过将不准确的电流数据除外，由此能够提高精度。
一实施方式的计测装置在测定时与数据处理装置和具有细孔及电极对的纳米孔设备连接。计测装置具备：电压源，其对纳米孔设备的电极对施加偏压电压；跨阻抗放大器，其在测定时对流过纳米孔设备的电极对的电流进行检测；A/D转换模块，其将跨阻抗放大器的输出信号转换为数字的电流数据；以及总线控制器，其与数据处理装置连接，基于来自数据处理装置的控制指令来控制电压源及A/D转换模块，并且，将电流数据和表示对电极对施加的偏压电压的电压数据以能够在时间轴上建立起对应的形式向数据处理装置发送。
(实施方式)
以下，参照附图对实施方式进行说明。对各附图中示出的同一或同等的构成要素、构件、处理标注同一符号并适当省略重复的说明。另外，实施方式不限定公开或发明而仅是例示，实施方式中记述的所有的特征及其组合未必是公开或发明的根本。
在本说明书中，“构件A与构件B连接的状态”除了包括构件A与构件B在物理上直接连接的情况以外，还包括构件A与构件B在不对它们的电连接状态造成实质性影响或者不损坏通过它们的结合而起到的功能、效果的情况下经由其他的构件来间接连接的情况。
同样，“构件C设置在构件A与构件B之间的状态”除了包括构件A与构件C或者构件B与构件C直接连接的情况以外，还包括在不对它们的电连接状态造成实质性影响或者不损坏通过它们的结合而起到的功能、效果的情况下经由其他的构件来间接连接的情况。
(基本结构)
图3是实施方式的微粒测定系统1的框图。微粒测定系统1具备纳米孔设备100、计测装置200和数据处理装置300。
关于纳米孔设备100，如参照图1所说明的那样，具备设置有细孔104的纳米孔芯片102和电极对106、108。纳米孔芯片102的内部被KCl(氯化钾)或PBS(磷酸盐缓冲液)等电解液充满。
计测装置200构成为能够对电极对106、108施加电压且测定流过细孔104的电流Is。计测装置200具备电流测定部202及总线控制器240。
电流测定部202将与电压控制信号CTRL_V对应的偏压电压Vb向电极对106、108之间施加，并且生成与在纳米孔设备100中流动的电流信号Is对应的电流数据DATA_I。
电流测定部202具备跨阻抗放大器210、电压源220及A/D转换模块230。电压源220是可变电压源，生成具有与电压控制信号CTRL_V对应的电压电平/极性的偏压电压Vb。跨阻抗放大器210将电流信号Is转换为电压信号Vs。A/D转换模块230将电压信号Vs转换为数字的电流数据DATA_I。
总线控制器240构成为能够在其与数据处理装置300之间双向地传输数据。总线控制器240从数据处理装置300接收控制指令CMD。控制指令CMD包括电压设定指令SET_V、指示开始由计测装置200进行的测定的启动指令START等。总线控制器240在接收到启动指令START时，将使能信号ADC_EN设为有效。另外，总线控制器240生成与电压设定指令SET_V对应的电压控制信号CTRL_V来控制电压源220生成的偏压电压Vb的电压电平、极性。
例如，电压源220也可以是D/A转换器。这种情况下，电压控制信号CTRL_V是D/A转换器的数字输入。
A/D转换模块230包括A/D转换器232及A/D转换控制器234。A/D转换控制器234在使能信号ADC_EN被设为有效时，向A/D转换器232供给预先决定的采样频率(Sampling rate)的采样信号SMP，将电压信号Vs量子化地取入来作为电流数据DATA_I获取。
另外，总线控制器240将A/D转换模块230生成的电流数据DATA_I向数据处理装置300发送。进而，总线控制器240将包含与偏压电压Vb的波形相关的信息在内的电压数据DATA_V向数据处理装置300发送。
数据处理装置300将电流数据DATA_I和电压数据DATA_V以在时间轴上建立起关联的形式获取。并且，基于电流数据DATA_I和电压数据DATA_V来判定收容于纳米孔设备100的粒子4的种类。
数据处理装置300是与用户之间的接口，且具备综合地控制微粒测定系统1并获取、保存、显示测定结果的功能。数据处理装置300可以是通用的计算机或工作站，也可以是设计为微粒测定系统1专用的硬件。
数据处理装置300对从计测装置200接收到的电流数据DATA_I及电压数据DATA_V进行处理，判定电解液2中包含的粒子4的个数、粒径、或者粒子的种类。例如，数据处理装置300可以进行输入电流数据DATA_I和电压数据DATA_V来判定粒子的种类的粒子分析处理。
例如，数据处理装置300是膝上型计算机、桌上型计算机、平板终端等数据处理装置。在本说明书中说明的数据处理装置300的功能通过数据处理装置所具有的处理器(CPU：Central Processing Unit)和处理器执行的软件程序的组合来实现。
以上是微粒测定系统1的构成。接着对其动作进行说明。图4是表示微粒测定系统1的动作的时序图。数据处理装置300执行程序并发出与程序对应的指令。数据处理装置300在时刻t0下发出电压设定指令SET_V。总线控制器240响应于此在时刻t1下使电压控制信号CTRL_V发生变化。其结果是，偏压电压Vb被设定为电压设定指令SET_V所指定的电压电平及极性(在该例中为+0.1V)。在图4中，电压信号Vs通过交流耦合来被测定。
在接下来的时刻t2下，数据处理装置300发出启动指令START。当在时刻t3下总线控制器240将使能信号ADC_EN设为有效时，生成规定的采样频率的采样信号SMP，取入电流信号Is来生成电流数据DATA_I。
另外，在时刻t3以后，总线控制器240按电流数据DATA_I的各样本来生成电压数据DATA_V，并将电流数据DATA_I和电压数据DATA_V向数据处理装置300发送。该电压数据DATA_V优选是在各采样时刻下对电极对106、108实际施加的偏压电压Vb，例如可以是，总线控制器240从电压源220接收表示偏压电压Vb的数据，基于接收到的数据来生成电压数据DATA_V。或者也可以是，总线控制器240在各采样时刻下基于自身生成的电压控制信号CTRL_V来生成电压数据DATA_V。
在时刻t4下，数据处理装置300发出电压设定指令SET_V。总线控制器240响应于此在时刻t5下使电压控制信号CTRL_V发生变化。其结果是，偏压电压Vb被变更为电压设定指令SET_V所指定的电压电平及极性(在该例中为－0.1V)。在该状态下，计测装置200持续进行计测。
在时刻t6下，数据处理装置300发出结束指令END。响应于此，总线控制器240在时刻t7下将使能信号ADC_EN设为无效，此时电流信号Is的取入结束。
以上是微粒测定系统1的动作。根据该微粒测定系统1，能够将电压施加条件与电流的计测数据一起保存。由此，数据处理装置300能够知晓电压电平、电压的极性实际发生了变化的时刻，并能够将这一信息利用到粒子的种类的判定中。
图5是表示使偏压电压Vb的极性发生变化时的实测到的电流数据的一例的图。例如，数据处理装置300基于电流数据DATA_I来检测纳米孔芯片102的堵塞。并且，在检测出堵塞或堵塞的预兆时，为了使偏压电压Vb的极性反转，生成电压设定指令SET_V。换言之，可以说在电压的极性发生反转的前后堵塞的可能性高，在该状态下获得的电流数据DATA_I的可靠性低。因此，数据处理装置300将偏压电压Vb的极性反转时获得的电流数据除外来判定粒子的种类。由此，能够将不准确的电流数据除外，因此能够提高判定精度。
以上说明的实施方式是例示，本领域技术人员应当理解上述的各构成要素、各处理流程的组合存在各种变形例且这样的变形例也在本发明的范围内。以下，对这样的变形例进行说明。
(第一变形例)
在实施方式中，电压数据DATA_V以与电流数据DATA_I相同的频率(rate)生成，但并不局限于此。电压数据DATA_V也可以在每次变更电压的施加条件时生成。由此，能够减少从计测装置200向数据处理装置300发送的数据量。例如，可以在图4的例子中的时刻t1和时刻t5下生成表示电压的施加条件的电压数据DATA_V。
(第二变形例)
也可以在偏压电压Vb的电压电平固定且仅是极性反转的情况下，仅将极性的信息作为电压数据DATA_V来保存。由此，能够削减电压数据DATA_V的数据量。
(第三变形例)
在实施方式中，从总线控制器240向数据处理装置300发送电压数据DATA_V，但并不局限于此，也可以由数据处理装置300来生成电压数据DATA_V。在从发出电压设定指令SET_V到实际上偏压电压Vb的施加条件被变更为止的延迟时间短的情况下，可以将发出电压设定指令SET_V的时刻视作为电压施加条件的变化时刻来生成电压数据。
实施方式只不过是示出本发明的原理、应用，在不脱离权利要求书所规定的本发明的思想的范围内针对实施方式得到的多个变形例、配置的变更是受到认可的。
工业实用性
本发明涉及使用了纳米孔设备的计测。
符号说明
1 微粒测定系统
2 电解液
4 粒子
100 纳米孔设备
102 纳米孔芯片
104 细孔
106、108 电极
200 计测装置
202 电流测定部
210 跨阻抗放大器
220 电压源
230 A/D转换模块
232 A/D转换器
234 A/D转换控制器
240 总线控制器
300 数据处理装置
SET_V 电压设定指令
CTRL_V 电压控制信号
DATA_I 电流数据
CMD 控制指令
START 启动指令
ADC_EN 使能信号
DATA_V 电压数据

Claims (9)

1.一种微粒测定系统，其特征在于，具备：
纳米孔设备，其具有细孔及电极对；
电流测定部，其将与电压设定指令对应的偏压电压向所述电极对之间施加，并且生成与流过所述纳米孔设备的电流信号对应的数字的电流数据；以及
数据处理装置，其生成所述电压设定指令，并且，将所述电流数据和包含与所述偏压电压的波形相关的信息在内的电压数据以在时间轴上建立起关联的形式获取，基于所述电流数据和所述电压数据，判定收容于所述纳米孔设备的粒子的种类。
2.根据权利要求1所述的微粒测定系统，其特征在于，
所述电压数据以与所述电流数据的采样频率相同的频率生成。
3.根据权利要求1所述的微粒测定系统，其特征在于，
所述电压数据在每次变更所述偏压电压的施加条件时生成。
4.根据权利要求3所述的微粒测定系统，其特征在于，
所述电流测定部包括电压源，该电压源生成与电压控制信号对应的所述偏压电压，
所述电压数据在每次切换所述电压源的状态时生成。
5.根据权利要求3所述的微粒测定系统，其特征在于，
所述电压数据在每次所述数据处理装置发出所述电压设定指令时生成。
6.根据权利要求1～5中任一项所述的微粒测定系统，其特征在于，
所述偏压电压的电压电平可变，所述电压数据包含所述偏压电压的电压电平的信息。
7.根据权利要求1～6中任一项所述的微粒测定系统，其特征在于，
所述偏压电压的极性可变，所述电压数据包含所述偏压电压的极性的信息。
8.根据权利要求7所述的微粒测定系统，其特征在于，
所述数据处理装置将所述偏压电压的极性反转时得到的所述电流数据除外来判定所述粒子的种类。
9.一种计测装置，其是在测定时与数据处理装置和具有细孔及电极对的纳米孔设备连接的计测装置，其特征在于，所述计测装置具备：
电压源，其对所述纳米孔设备的所述电极对施加偏压电压；
跨阻抗放大器，其在测定时对流过所述纳米孔设备的所述电极对的电流进行检测：
A/D转换模块，其将所述跨阻抗放大器的输出信号转换为数字的电流数据；以及
总线控制器，其与所述数据处理装置连接，基于来自所述数据处理装置的控制指令，控制所述电压源及所述A/D转换模块，并且，将所述电流数据和表示对所述电极对施加的所述偏压电压的电压数据以能够在时间轴上建立起对应的形式向所述数据处理装置发送。
CN202180005845.8A 2020-03-26 2021-01-26 微粒测定系统、计测装置 Pending CN114556083A (zh)

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