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Die
Offenbarung der japanischen Patentanmeldung Nr. 2003-47824, eingereicht
am 25. Februar 2004, und der japanischen Patentanmeldung Nr. 2003-85678,
eingereicht am 26. März
2003, ist hier durch Bezugnahme mit aufgenommen.
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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein elektrophoretisches Mobilitätsmessgerät mit der
Fähigkeit zum
Messen der elektrophoretischen Geschwindigkeit von Partikeln in
einer Lösung.
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Polymere
und ihre Aggregate, d.h. Colloidpartikel, sind in einer Wasserlösung elektrisch
durch Absorption von Isolationsgruppen oder Ionen geladen. Das durch
einen derartigen Ladevorgang gebildete Potentialwert als Zeta (ζ) Potential
bezeichnet. Zum Messen des Ladeumfangs der Partikel wurde praktisch
so vorgegangen, dass ein elektrisches Feld an die Partikel angelegt
wurde, zum Messen der Bewegungsgeschwindigkeit hiervon (elektrophoretische
Mobilität).
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Die 13 zeigt eine schematische
Querschnittsansicht eines üblichen
elektrophoretischen Mobilitätsmessgeräts. Das
elektrophoretische Mobilitätsmessgerät hat eine
rechteckförmige
Parallelepiped- oder zylindrische Zelle 101, in die ein
Probe (beispielsweise einer Wasserlösung mit Polymeren) S eingeschlossen
ist. Die Zelle 101 ist an beiden Enden hiervon mit Elektroden 102, 103 versehen,
die aus Platin oder dergleichen hergestellt sind. Die Zelle 101 ist
ebenso an jeder Lateralseite hiervon mit einem transparenten Quarzglas 104 104 versehen. Während eine
Gleichspannung an den Elektroden 102, 103 anliegt,
liegt ein Laserlicht bei einer Lateralseite 104 im wesentlichen
vertikal vor. Dann wird das ausgehende Licht, gestreut mit einem
vorgegebenen Winkel (Streuwinkel) θ empfangen, und die Differenz der
Frequenz (Interferenzphänomen)
zwischen dem vorliegenden Licht und dem ausgehenden Licht wird gemessen,
wodurch die Bewegungsgeschwindigkeit der Partikel in der Probe S
berechnet wird.
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Gemäß der Anordnung
nach 18 tritt vorliegendes Licht in
der Lateralseite 104 vertikal ein, und das Streulicht geht
geneigt nach außen.
Demnach ist die Richtung des Streuvektors Q, der später zu diskutieren
ist, um einen Streuwinkel θ/2
im Hinblick auf die Partikelgeschwindigkeitsrichtung geneigt (horizontale
Richtung im Hinblick auf die Zeichenebene). Zum Erhalten der Partikelbewegungsgeschwindigkeit
ist es demnach erforderlich, den Netto-Streuvektor Q mit cos(θ/2) zu multiplizieren (siehe "Zwischenflächen-Elektrokinetisches
Phänomen
von Polymeren und Bestimmung einer elektrophoretischen Mobilität", geschrieben durch
Kazunori TSUTSUI in HIGH POLYMERS, JAPAN, Bd. 51, Ausgabe Juli,
Seite 500–Seite
503 (2002)).
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Das
Zelleninnere ist mit einer Messprobe gefüllt. Das Zelleninnere ist allgemein
optisch so ausgebildet, dass der Pfad des auffallenden Lichts und
der Pfad des detektierten Lichts einander in der Nähe der Zellenmitte
kreuzen, wodurch die Geschwindigkeit der in der Nähe der Zellenmitte
vorliegenden Partikel gemessen wird. Demnach erfolgte eine Messung üblicherweise
lediglich in einer sehr verdünnten
Lösung,
in der das auffallende Licht selbst in dem Abschnitt der Zellenmitte
nicht gedämpft
ist. In anderen Worten ausgedrückt,
hat sich für
eine konzentrierte Probe, die eine große Dämpfung des auffallenden Lichts
bewirkt, die Messgenauigkeit erheblich verschlechtert, oder die
Messung selbst konnte nicht ausgeführt werden.
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Zum
Reduzieren der optischen Dämpfung und
zum Ermöglichen
der Messung in einem größeren Konzentrationsbereich
ist es wirksam, das Streulicht zu messen, das in der Richtung entgegengesetzt zu
der Richtung des auffallenden Lichts zurückkehrt. Bei der Anwendung
ist jedoch der Streuvektor (siehe 11),
der als der Beobachtungsvektor dient, im wesentlichen rechtwinklig
zu der Richtung des elektrischen Felds. Hierdurch ist es schwierig,
die Geschwindigkeit der Partikel zu messen, die sich in Richtung
des elektrischen Felds bewegen.
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Im
Hinblick auf die vorangehenden Ausführungen besteht ein technisches
Problem der vorliegenden Erfindung in der Schaffung eines elektrophoretischen
Mobilitätsmessgeräts mit der
Fähigkeit
zum Ausführen
einer Messung mit hoher Empfindlichkeit mit reduzierter optischer
Dämpfung
durch auffallen des Lichts über
die Elektrodenfläche.
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Die
vorliegende Erfindung schafft ein elektrophoretisches Mobilitätsmessgerät, enthaltend:
eine Zelle mit der Fähigkeit
zum Einschließen
einer Probe; eine transparente Elektrode zum Bilden eines Teils einer
Zellenwand; eine andere Elektrode entgegengesetzt zu der transparenten
Elektrode; eine Spannungsanlagevorrichtung zum Anlegen einer Spannung über beide
Elektroden; eine Lichteinlasseinheit zum Einführen von Licht in die Zelle über die
transparente Elektrode; eine Lichtempfangseinheit zum Empfangen, über die
transparente Elektrode, von ausgehendem Licht, das von der Probe
in der Zelle mit einem vorgegebenen Winkel θ im Hinblick auf den Einfallswinkel
streut; und eine Messeinheit zum Messen der Dopplerschiebung der
Partikel in der Probe auf der Grundlage der Differenz der Frequenz zwischen
den einfallenden Licht und dem nach außen gelangenden Licht, wobei
die Richtung eines Streuvektors, der der Vektor der Differenz zwischen den
eingehenden und ausgehenden Vektoren ist, im wesentlichen identisch
ist zu derjenigen des Einfalllots der transparenten Elektrodenfläche.
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Gemäß der oben
erwähnten
Anordnung lässt
sich dann, wenn eine Spannung über
die transparente Elektrode und die andere Elektrode anliegt, damit
Licht in die Innenseite der Zelle über die transparente Elektrode
eintritt, das ausgehende Licht, das streut, von der Probe mit einem
vorgegebenen Winkel Θ im
Hinblick auf den Auffallwinkel empfangen.
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Ein
Einheitsvektor der Ausbreitungsrichtung des auffallenden Lichts
ist ausgedrückt
durch ki, und ein Einlassvektor in Ausbreitungsrichtung des ausgehenden
Lichts ist ausgedrückt
durch ks. Die 11 zeigt
eine Ansicht zum Darstellen der Beziehung zwischen dem Einfallvektor
ki und dem ausgehenden Vektor ks. Gemäß 11 ist der Streuwinkel, der zwischen
dem Einfallvektor ki und dem ausgehenden Vektor ks gebildet ist,
durch θ ausgedrückt. Der
Vektor q, der die Differenz zwischen dem ausgehenden Vektor ki und
dem Einfallvektor ks ist, wird als Streuvektor bezeichnet: q = ki – ks
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Gemäß der Anordnung
der vorliegenden Erfindung ist die Richtung des Streuvektors q identisch mit
derjenigen des Einfalllots der transparenten Elektrode. Die Dopplerverschiebung,
die sich durch "Die Messeinheit
zum Messen der Dopplerverschiebung auf der Grundlage der Differenz
der Frequenz zwischen dem Auffalllicht und dem ausgehenden Licht" messen lässt, ist
die Verschiebung der Richtung des Streuvektors q. Demnach kann die
Messeinheit die Geschwindigkeit der Partikel in Richtung des Einfalllots
der transparenten Elektrode messen. Da die Richtung des Einfalllots
der transparenten Elektrode die Richtung des elektrischen Felds
ist, ist die Richtung des Streuvektors im wesentlichen identisch
zu derjenigen des elektrischen Felds. Im Ergebnis lässt sich
die Geschwindigkeit der Partikel zusammen mit der Richtung des elektrischen
Felds messen, angeordnet bei einer Position, die nicht so nach innen
entfernt von der Elektrodenfläche
liegt.
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Wenn
die zellseitige Fläche
der transparenten Elektrode mit Platin oder einer Platinlegierung
beschichtet ist, dient der Platinfilm oder der Platinlegierungsfilm
als Schutzfilm zum Schützen
der transparenten Elektrode gegenüber der Lösung.
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Als
spezifische Form der Zelle kann das Zelleninnere ein rechteckförmiges Parallelepiped
oder ein zylinderförmiger
gehäuseförmiger Körper sein oder
die Zelle kann an beiden Endflächen
hiervon mit den Elektroden versehen sein, von denen eine die transparente
Elektrode ist.
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Gemäß der oben
erwähnten
Anordnung ist der Streulichtmesspunkt bevorzugt zwischen der Mittenlinie
des Gehäusekörpers angeordnet,
und der Innenwand einer Lateralfläche hiervon. Unter Bezug auf
die 1 ist die elektrophoretische
Mobilität
der Partikel in der Zelle durch einen Pfeil D ausgedrückt. In
der Nähe
der transparenten Elektrode 63, die ein Endfläche des
gehäuseförmigen Körpers bildet,
wird ein Rücklauffluss
A1 einer elektro-osmotischen Strömung
A zu deren Zentrum, ausgehend von dem Umfang erzeugt. In 1 bezeichnet "B" aus der Zone, in der die Rücklaufströmung A1
erzeugt wird, das Gebiet, in der die Richtung der Rücklaufströmung A1
im wesentlichen parallel zu der Fläche der transparenten Elektrode 63 verläuft und
in der die Komponente des Einfalllots klein ist. Fällt Licht
auf das Gebiet B auf, in der die Richtung der Rücklaufströmung A im wesentlichen parallel
zu der Fläche
der transparenten Elektrode verläuft,
so lässt
sich die Geschwindigkeit D der Partikel in der Probe entlang der
Einfalllotrichtung oder der Richtung des elektrischen Felds ohne
irgendeine Unterbrechung durch die elektro-osmotische Strömung in
Einfalllotrichtung messen.
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Eine
bevorzugte Ausbildung sieht so aus, dass die transparente Elektrode
auf einem transparenten Substrat gebildet ist, dass das Einfalllicht
so ausgebildet ist, dass Licht über
eine Lateralfläche des
transparenten Substrats eingeführt
wird, und dass die Lichtempfangseinheit so ausgebildet ist, dass
sie Licht empfängt,
die über
die andere Lateralfläche
des transparenten Substrats nach außen geht. Gemäß der oben erwähnten Anordnung
liegt Licht über
die Lateralfläche
der transparenten Elektrode vor bzw. fällt über dieses ein. Demnach kann
Licht mit einem kleineren Winkel im Vergleich zu der Anordnung auffallen,
in der Licht über
die Unterseite der transparenten Elektrode auffällt. Dies ermöglicht das Ausführen einer
Streumessung mit einem geringen Winkel. Bei der elektrophoretischen
Mobilitätsmessung
wird sowohl der Umfang der Streulicht-Frequenzverschiebung (Dopplerverschiebung)
proportional zu der elektrophoretischen Mobilität als auch die Frequenzspreizung
aufgrund der Partikeldiffusion gemessen. Jedoch wird dann, wenn
der Streuwinkel erhöht
ist, die Frequenzspreizung aufgrund der Diffusion zum Absenken der
Messauflösung
erhöht.
In diesem Zusammenhang ermöglicht
dann, wenn die Ausbildung so erfolgt, dass das Licht über eine
Lateralfläche
der transparenten Elektrode auffällt,
hierdurch das Ausführen
einer Streumessung mit einem geringen Winkel ermöglicht, und hierdurch verbessert
sich die Messgenauigkeit.
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Ist
die Zelle so ausgebildet, dass sie entlang der Richtung des Einfalllots
der transparenten Elektrodenfläche
beweglich ist, und entlang der Richtung rechtwinklig zu der Einfalllotrichtung,
so kann der Streulichtmesspunkt (Streuvolumenabschnitt) zu der am
besten geeigneten Position in der Zelle festgelegt sein, die weniger
dem Einfluss der elektro-osmotischen Strömung unterliegt. Ferner wird
dann, wenn der Streuvolumenabschnitt die Lösungskontaktfläche der
transparenten Elektrode überlappt,
Streulicht von der Lösungskontaktfläche empfangen,
und es dient als Streulicht, was zu einem Fehler bei der genauen Messung
führt.
Die bewegliche Anordnung der Zelle eliminiert eine derart ungünstige Konfiguration
oder ein derart ungünstiges
Layout.
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Nützt die
Lichtauffalleinheit oder die Lichtempfangseinheit eine zylindrische
Linse zum Fokussieren des Lichts auf den Streuvolumenabschnitt,
so lässt
sich die Bildverzerrung korrigieren, damit der Streuvolumenabschnitt
kleiner ausgebildet ist, zum Vermeiden des Einflusses einer Mehrfachstreuung und/oder
einer Streuung ausgehend von der Lösungskontaktfläche der
transparenten Elektrode.
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Die
vorliegende Erfindung schafft eine elektrophoretisches Mobilitätsmessgerät, enthaltend: eine
Zelle mit der Fähigkeit
zum Aufnehmen einer Probe; eine lichtundurchlässige Probe zum Bilden eines
Teils einer Zellenwand; eine andere Elektrode entgegengesetzt zu
der lichtundurchlässigen
Elektrode; eine Spannungsanlagevorrichtung zum Anlegen einer Spannung
an beide Elektroden; eine Lichteinfalleinheit zum Einführen von
Licht in die Zelle über die
lichtundurchlässige
Elektrode; eine Lichtempfangseinheit zum Empfangen des nach außen gelangenden
Lichts, das von der Probe in der Zelle mit einem vorgegebenen Winkel θ im Hinblick
auf den Einfallswinkel streut; und eine Messeinheit zum Messen der
Dopplerverschiebung auf der Grundlage der Differenz der Frequenz
zwischen dem einfallenden Licht und dem nach außen gelangenden Licht, wobei die
Richtung des Streuvektors als Vektordifferenz zwischen dem einfallenden
und ausgehenden Vektoren im wesentlichen identisch ist zu derjenigen
der Normallinie bzw. des Einfalllots der Fläche der lichtundurchlässigen Elektrode,
und die lichtundurchlässige
Elektrode ein (i) transparentes Einfallsfenster hat, über das
einfallendes Licht einfällt,
und (ii) eine transparentes Ausgangsfenster hat, über das
nach außen
gelangendes Licht austritt.
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Gemäß der oben
erwähnten
Anordnung muss die Elektrode nicht in ihrer Gesamtheit transparent
sein, sofern sie das Einfall- bzw.
Ausfallfenster und das Ausgangsfenster hat. Auffallendes Licht fällt auf
die Innenseite der Zelle durch das Einfallfenster auf, und Streulicht
geht nach außen
ausgehend von dem Streuvolumenabschnitt über das Ausgangsfenster. Dies
eliminiert die Anforderung zum Bereitstellen eines Schutzfilms,
wodurch der Herstellungsschritt vereinfacht ist.
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Ebenso
ist bei dieser Anordnung bevorzugt die Richtung des Streuvektors
im wesentlichen identisch zu derjenigen des elektrischen Felds.
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Die
zellseitige Fläche
der lichtundurchlässigen
Elektrode kann mit Platin oder einer Platinlegierung beschichtet
sein.
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Bei
einer bevorzugten Ausführungsform
ist vorgesehen, dass die lichtundurchlässige Elektrode auf einem transparenten
Substrat gebildet ist, dass die Lichteinfalleinheit ausgebildet
ist, um Licht über eine
Lateralfläche
des transparenten Substrats einzuführen, und dass die Lichtempfangseinheit
ausgebildet ist, um Licht zu empfangen, das über die andere Lateralfläche des
transparenten Substrats nach außen
gelangt.
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Bevorzugt
ist eine Zellenantriebsvorrichtung zum Bewegen der Zelle entlang
der Richtung des Einfalllots der lichtundurchlässigen Elektrodenfläche vorgesehen,
und entlang der Richtung rechtwinklig zu derjenigen der Einfalllotrichtung.
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Bevorzugt
nützt die
Lichteinfalleinheit und die Lichtempfangseinheit eine zylindrische
Linse zum Fokussieren des Lichts bei dem Streuvolumenabschnitt.
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Gemäß der vorliegenden
Erfindung mit dem oben erwähnten
Aufbau liegt Licht bei der Innenseite der Zelle über die transparente Elektrode
vor, und das ausgehende Licht, das durch die Probe mit einem vorgegebenen
Winkel θ im
Hinblick auf den Einfallswinkel gestreut ist, wird über die
transparenten Elektrode empfangen. Ferner wird die Richtung des Streuvektors,
als Differenz zwischen dem Einfallvektor des einfallenden Lichts
und dem Ausgangsvektor des gestreuten Lichts, im wesentlichen identisch
zu der Richtung des Einfalllots der transparenten Elektrodenfläche festgelegt.
Demnach ist es möglich,
die Geschwindigkeit der Partikel entlang der Richtung des Einfalllots
der transparenten Elektrode oder der Richtung des elektrischen Felds
zu messen, angeordnet bei der Nähe
der transparenten Elektrodenfläche,
die nicht zu weit nach innen entfernt ausgehend von der transparenten
Elektrodenfläche
der Zelle vorliegt. Dies ermöglicht
eine Messung der Partikelbewegungsgeschwindigkeit mit exzellenter
Empfindlichkeit bei reduzierter optischer Dämpfung. Ferner kann eine lichtundurchlässige Elektrode
mit einem Einfallsfenster und einem Ausgangsfenster anstelle der
transparenten Elektrode verwendet werden.
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Nachfolgend
werden Ausführungsformen der
vorliegenden Erfindung unter Bezug auf die Zeichnung beschrieben;
es zeigen:
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1 eine Querschnittsansicht
einer Zelle 6, die in der vorliegenden Erfindung zu verwenden
ist;
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2 eine vergrößerte Ansicht
eines Quarzglases 61 und einer transparenten Elektrode 63 zum Bilden
von Teilen der Zelle 6;
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3 ein allgemeines Lichtpfaddiagramm eines
elektrophoretischen Mobilitätsmessgeräts 1 der
vorliegenden Erfindung;
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4 eine Ansicht zum Darstellen
einer Anordnung, bei der die Zelle 6 in X- und Y-Richtung
beweglich ist;
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5 eine Ansicht zum Darstellen
des Einfalllichtpfads, wenn Laserlicht bei der Zelle über eine Lateralseite
des Quarzglases 61 einfällt
bzw. vorliegt;
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6(a) eine Seitenansicht
zum Darstellen einer Anordnung, bei der Laserlicht eines Laseroszillators 2 über eine
Lateralseite des Quarzglases 61 über ein ND Filter 3 und
eine Linse 5 einfällt;
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6(b) eine Draufsicht der 6(a);
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7 eine perspektivische Ansicht
zum Darstellen einer Anordnung, bei der eine zylindrische Linse 5a in
dem optischen Pfad verwendet wird, gemäß dem Laserlicht auf eine Lateralseite
des Quarzglases 61 auffällt;
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8 eine Querschnittsansicht
zum Darstellen einer Anordnung, bei der eine Lichteinfallsfläche 61a des
Quarzglases 61 geneigt geschnitten ist;
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9(a) eine Querschnittsansicht
in Seitenerhebung zum Darstellen eines Beispiels, bei dem ein Platinfilm 63c dick
auf der Probenseitenfläche des
Quarzglases 61 so gebildet ist, dass diese Probenseitenfläche lichtundurchlässig wird;
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9(b) eine Vorderansicht
nach 9(a);
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10 eine Seitenansicht zum
Darstellen einer Anordnung, bei der eine probenseitige Fläche des
Quarzglases 61 gemäß einer
vorgegebenen Dicke abgekratzt ist, mit Ausnahme des Teils, bei dem das
Einfallslicht einfällt,
und für
den Teil, über
den das Streulicht nach außen
gelangt und bei der ein Platinfilm 63c an dem abgekratzten
Teil gebildet ist;
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11 eine Ansicht zum Darstellen
einer Beziehung zwischen eine Einfallvektor ki und einem Ausgangsvektor
ks;
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12 eine perspektivische
Ansicht einer Anordnung, bei der ein ITO Film 63a, der
als transparente Elektrode dient, auf dem Quarzglas 61 gebildet ist,
und dann mit einem Platin 63b beschichtet wird; und
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13 eine schematische Querschnittsansicht
eines üblichen
elektrophoretischen Mobilitätsmessgeräts.
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Die 3 zeigt ein allgmemeines
optischen Pfaddiagramm eines elektrophoretischen Mobilitätsmessgeräts 1.
Dieses elektrophoretische Mobilitätsmessgerät 1 enthält ein optisches
System, enthaltend: einen Laseroszillator 2; einen ND Filter 3 zum Angleichen
des von dem Laseroszillator 2 emittierten Umfangs an Laserlicht;
einen Spiegel 4 zum Reflektieren des Laserlichts; und eine
Linse 5 zum bewirken, dass Licht auf eine Zelle 6 einfällt; die
Zelle 6 zum Einschließen
einer Probe S; eine Linse 7 zum Empfangen des nach außen gelangenden
Lichts, das von der Probe S mit einem vorgegebenen Winkel θ im Hinblick
auf den Einfallswinkel streut; Stiftlöcher 9 und eine Linse 10 an
einen Lichtempfangspfad; eine Lichtempfangseinheit 11,
gebildet durch einen Photoelektronen-Vervielfacher oder ein CCD
Element. Ferner enthält
das Gerät 1 ein
optisches Referenzsystem, enthaltend: einen Halbspiegel 2 zum Abzweigen
eines Teils des von dem Laseroszillator 2 emittierten Laserlichts;
ein ND Filter 13; einen Modulator 14 zum Vibrieren
einer Reflektorplatte entlang einer Richtung zum Kontrollieren der
Wellenlänge des
reflektierten Lichts, wodurch ein Referenzlicht gebildet wird; und
einen Halbspiegel 15 zum Mischen des Referenzlichts von
dem Modulator mit dem oben erwähnten
nach außen
gelangenden Licht.
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Es
werden keine Einschränkungen
auf die Wellenlänge
des Laserlichts auferlegt. Beispielsweise kann rotes sichtbares
Licht verwendet werden, von dem die Wellenlänge 36 nm ist. Die Frequenz des
Laserlichts wird ausgedrückt
durch ν,
die Frequenz des Streulichts wird ausgedrückt durch ν' und die Frequenz des Referenzlichts
wird ausgedrückt durch ν''.
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Es
liegt eine Gleichspannung (beispielsweise einige zehn Volt) an einer
Elektrode der Zelle 6 ausgehend von einer Gleichspannungs-Energieversorgung 21 an.
Bleibt die Richtung des elektrischen Felds E eine Richtung, so ist
die elektrophorestische Richtung der Partikel in der Lösung immer
dieselbe immer dieselbe Richtung, was dazu führt, dass Partikel zu einer
Seite der Zelle 6 vorgespannt sind. Demnach ist ein Umschaltschalter 22 angeordnet,
zum Schalten der Richtung des elektrischen Felds E pro vorgegebener
Zeitperiode (beispielsweise eine Sekunde).
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Angeordnet
ist eine Computersteuereinheit 23 zum Steuern des Schaltbetriebs
des Umschaltschalters 23, sowie des Betriebs des Modulators 14 in
der Lichtempfangseinheit 11.
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Wie
in 4 gezeigt, ist die
Zelle 6 an einer Zellhalterung 82 fixiert. Die
Zellhalterung 82 ist mit einer Motor umfassenden Zellantriebseinheit 81 verbunden,
die ermöglicht,
dass die Zellhalterung 82 entlang der X- und Y-Richtung
beweglich ist. Demnach ist die Zelle 6 frei in der X- und
Y-Richtung beweglich.
Durch Steuern der Bewegung der Zellantriebseinheit 81 in
der X- und Y-Richtung ist es möglich,
optional die Distanz, gegenüber
der Elektrode, des Streuvolumenabschnitts der Probe S festzulegen,
bei der das einfallende Licht das ausgehenden Licht kreuzt, und
es ist ebenso möglich,
optional die Distanz des Streuvolumenabschnitts gegenüber einer
Wand 64 der Zell-Laterialseite
festzulegen.
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Die 1 zeigt eine Querschnittsansicht
der Zelle 6. Die Zelle 6 ist innen ein rechteckförmiges Parallelepiped
oder ein Zylinder. Eine der parallelen Endseiten der Zelle 6 ist
transparent aus Quarzglas 61 ausgebildet, und die andere
wird durch eine Platinelektrode 62 gebildet. Das Quarzglas 61 ist
bei der innen liegenden Fläche
hiervon mit einer transparenten Elektrode 63 versehen.
Die Lateralwand 64 kann aus einem optionalen Material wie
Glas, Keramik, Harz oder dergleichen ausgebildet sein. Anders als im
Stand der Technik muss die Lateralwand nicht notwendiger Weise eine
Transparenz aufweisen. Demnach ist es nicht wichtig, ob das Material
transparent oder lichtundurchlässig
ist. Dies erhöht
den Freiheitsgrad für
die Materialauswahl. Beispielsweise dann, wenn ein Material mit
exzellenter Wasserabscheidequalität wie Teflon ausgewählt ist,
lässt sich
die Adhäsion
der Probe reduzieren. Demnach lässt
sich die Verunreinigung der Lateralwand 64 durch ein einfaches
Reinigen entfernen. Ferner reduziert die Auswahl eines dunkelfarbigen
Materials mit weniger Reflexion die Erzeugung von Streulicht in
der Zelle, wodurch eine genauere Messung gewährleistet ist.
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Die 2 zeigt eine vergrößerte Ansicht
des Quarzglases 61 und der transparenten Elektrode 63. Das
Quarzglas 61 ist mit einem ITO Film 63a beschichtet,
der dann mit Platin 63b beschichtet ist. Eine Anordnung
des ITO Films 63a und des Platins 63b wird als
transparente Elektrode 63 in Bezug genommen. Das Licht
fällt in
die Zelle 6 über
den Spiegel 4 ein, sowie die Linse 5, das Quarzglas 61,
und die transparente Elektrode 63. Das nach außen gelangende
Licht, das von der Probe S mit einem vorgegebenen Winkel θ im Hinblick
auf den Einfallswinkel streut, gelangt über die transparente Elektrode 63 und
das Quarzglas 61 nach außen, und es wird dann durch
die Lichtempfangseinheit 11 über die Stiftlöcher 9 und
die Linse 10 empfangen.
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Wie
anhand von 2 zu erkennen
ist, gelangt das in die Zelle einfallende Laserlicht in die Zelle über eine
Lateralseite des Quarzglases 61. Fällt das Laserlicht auf die
Zelle über
die Unterseite des Quarzglases 61 ein, so endet das Licht
mit einer Totalreflexion bei der Zwischenfläche zwischen dem Quarzglas 61 und
der Probenlösung,
wenn die Absicht besteht, einen kleinen Streuwinkel θ festzulegen.
Demnach lässt
sich die Messung lediglich mit einem großen Streuwinkel θ ausführen. Wird
jedoch der Streuwinkel θ groß, so lässt sich
ein Spreizen der Frequenz aufgrund der Partikeldiffusion in großem Umfang
beobachten. Dies übt
einen schlechten Einfluss auf die Messgenauigkeit der Dopplerverschiebung
aus. Es ist demnach bevorzugt, eine Messung mit einem kleinen Streuwinkel θ auszuführen. Dies
ist der Grund, weshalb in die Zelle 1 zu fallendes Laserlicht
in die Zelle über
die Lateralseite des Quarzglases 61 eingeführt wird,
wie in 2 gezeigt.
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Die 5 zeigt eine Ansicht zum
Darstellen eines Einfalllichtpfads zu der Zeit, bei der Laserlicht auf
die Zelle über
die Lateralseite des Quarzglases 61 einfällt. Gemäß 5 wird der Einfallswinkel
des Laserlichts im Hinblick auf die Lateralseite des Quarzglases 61 durch φ ausgedrückt, und
der Kontaktwinkel des Laserlichts im Hinblick auf diese Fläche des
Quarzglases 61, die in Kontakt mit der Probe S gelangt,
wird durch ϕ ausgedrückt,
der Kontaktwinkel des Lichts, das in die Probe S ausgehend von dem
Quarzglas 61 eintritt, wird durch θ/2 ausgedrückt.
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Es
wird angenommen, dass der Brechungsindex n des Glases 1.4564 ist,
und dass die Probe S Wasser ist, dessen Brechungsindex 1 ist. Zum
Festlegen des Streuwinkels θ zu
20°, kann ϕ zu
25.84° festgelegt
sein, und φ kann
zu 39.40° festgelegt
sein, gemäß der Berechnung
unter Anwendung des Gesetzes von Snell.
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Demnach
lässt sich
mit einer Anordnung derart, dass Laserlicht auf die Zelle über die
Lateralseite des Quarzglases 61 einfällt, ein kleiner Streuwinkel θ erhalten,
wodurch somit eine genaue Messung mit hoher Auflösung gewährleistet ist. Die Anwendung eines
anderen Glases als Quarz erzeugt im wesentlichen dieselbe Wirkung.
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Das
Laserlicht tritt geneigt in das Quarzglas 61 ein. Demnach
ist im Hinblick auf den Brennpunkt des Laserlichts, das über die
Linse 5 geführt
wird, die Brennweite, betrachtet entlang der Richtung F nach 5, länger als diejenige bei Betrachtung
entlang der Vertikalrichtung im Hinblick auf die Papierebene nach 5. Die 6(a) zeigt eine Seitenansicht zum Darstellen
einer Anordnung, bei der Laserlicht des Laseroszillators 2 auf
die Lateralseite des Quarzglases 61 über das ND Filter 3 und
die Linse 5 auftrifft. Die 6(b) zeigt
eine Draufsicht für
die 6(a). Der Brennpunkt
bzw. die Brennposition P1 nach 6(a) ist
kürzer
als der Brennpunkt P2 nach 6(b),
und die Differenz wird ausgedrückt
durch Δf.
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Zum
Abstimmen dieser zwei Brennpunkte aufeinander, damit man Δf = 0 erhält, kann
man eine Zylinderlinse zu der Linse 5 ergänzen. Die 7 zeigt eine Ansicht zum
Darstellen einer Anordnung, bei der eine Zylinderlinse 5a in
dem optischen Pfad ergänzt
ist, gemäß dem Laserlicht
auf die Zelle auftritt, über
die Lateralseite des Quarzglases 61. Obgleich in 7 nicht gezeigt, ist eine
Zylinderlinse ebenso in dem optischen Pfad angeordnet, entlang dem
Licht nach außen
von der Zelle über
die Lateralseite des Quarzglases 61 gelangt. Gemäß der oben erwähnten Anordnung
werden zwei Brennpunkte miteinander zum Eliminieren einer Bildverzerrung
abgestimmt, was eine Reduzierung des Streuvolumen ermöglicht.
Dies minimiert den Einfluss einer Mehrfachstreuung bei einer dicken
Probe S, wodurch die Messgenauigkeit erhöht ist.
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Läst sich
das Streuvolumen reduzieren, so kann der Messpunkt der Probe S so
nahe wie möglich
zu der Elektrodenfläche
durch den Betrieb der Zelleantriebseinheit 81 gebracht
werden.
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Demnach
lässt sich
die optischen Pfadlänge in
der Probe S minimieren. Dies reduziert vorteilhaft die optische
Dämpfung
insbesondere bei einer dicken Probe S.
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Bei
dem vorangehend diskutierten elektrophoretischen Mobilitätsmessgerät 1 detektiert
die Lichtempfangseinheit 11 die Frequenzänderung Δν = ν' – ν'' zwischen
dem Streulicht und dem Referenzlicht dann, wenn das elektrische
Feld an der Probe anliegt, und es erfolgt dann ein Messen, auf Grundlage
dieser Frequenzänderung,
der Geschwindigkeit der Partikel entlang der Richtung des elektrischen Felds
E. Hier wird die Dopplerverschiebung Δν ausgedrückt durch die folgende Gleichung: Δν = (νq/2π)cos(θ/2) = (νn/λ)sinθwobei
v die Partikelgeschwindigkeit ist, q die Größe des Streuvektors ist, n
der Brechungsindex des Probenmediums ist, und λ die Wellenlänge des Lichts in dem Medium
ist. Hier sind n, λ, θ bekannt.
Demnach lässt
sich dann, wenn die Dopplerverschiebung Δν gemessen wird, die Partikelgeschwindigkeit ν erhalten.
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Die
folgende Beschreibung diskutiert Modifikationen des Quarzglases
und der Elektrode, angeordnet an der Seite der Zelle 6.
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Die 8 zeigt eine Querschnittsansicht zum
Darstellen einer Anordnung, bei der eine Seitenfläche oder
eine Lichteinfallfläche 61a des
Quarzglases 61 schräg
geschnitten ist. Gemäß dieser
Anordnung wird der Winkel, der durch das Einfallslicht und die obere
Endfläche
des Quarzglases 61 gebildet ist, zu 90 Grad ausgebildet,
und der Winkel, der zwischen dem ausgehenden Licht und der unteren
Endfläche
des Quarzglases 61 gebildet ist, wird ebenso zu 90 Grad ausgebildet.
Dies reduziert den Reflexionsumfang zu der Zeit, wenn das Einfallslicht
bei dem Quarzglas 61 einfällt, und es reduziert ebenso den
Umfang einer internen Reflexion zu der Zeit, wenn Streulicht von
der Innenseite des Quarzglases 61 nach außen gelangt.
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Die 9(a) zeigt eine Querschnittsansicht in
Seitenerhebung zum Darstellen eine Beispiels, bei der ein Platinfilm 63d dick
bei der probenseitigen Fläche
des Quarzglases 61 so gebildet ist, dass diese probenseitige
Fläche
lichtundurchlässig
wird. Die 9(b) zeigt
eine Vorderansicht nach 9(a).
Der Platinfilm 63c hat nicht eine Lichtübertragungsfunktion, und er
dient als eine Elektrode. Der Platinfilm 63c wird nicht
an dem Quarzglas 61 bei zumindest zwei Abschnitten gebildet,
d.h. dem Abschnitt, über
den einfallendes Licht passiert, und dem Abschnitt, über den
Streulicht passiert. Bei diesen zwei Abschnitten liegt das Quarzglas 61 frei.
Der Quarzglasfreiliegende Abschnitt, über den einfallendes Licht
passiert, wird als ein Einfallsfenster 61b bezeichnet,
und der Quarzglas-freiliegende Abschnitt, über den das gestreute Licht
passiert, wird als Ausgangsfenster 61c bezeichnet. Gemäß der oben
erwähnten
Anordnung lässt
sich, obgleich kein ITO Film abgeschieden ist, die Geschwindigkeit
der Partikel in der Zelle gemäß dem Dopplerverfahren über das
Einfallsfenster 61b und das Ausgangsfenster 61c messen.
Da der Platinfilm 63c dick gebildet werden kann, lässt sich
der elektrische Widerstandswert der Elektrode einfach reduzieren.
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Die 10 zeigt eine Querschnittsansicht zum
Darstellen einer Anordnung, bei der eine probenseitige Fläche des
Quarzglases 61 abgekratzt ist, um eine vorgegebene Dicke,
mit Ausnahme des Teils, über
den einfallendes Licht eintritt, und des Teils, über den gestreutes Licht nach
außen
gelangt, und bei diesem ist ein Platinfilm 63c auf dem
abgekratzten Teil gebildet. Bei dieser Anordnung tritt ebenfalls
das einfallende Licht unter Passieren eines Einfalls- bzw. Eintrittsfensters 61b ein,
bei dem das Quarzglas 61 frei liegt, und das gestreute
Licht gelangt nach außen,
indem es über
ein Ausgangsfenster 61c passiert, ähnlich zu 9. Der Platinfilm 63c hat nicht
eine Lichtübertragungsfunktion,
und er dient als eine Elektrode.
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Vorangehend
wurden Ausführungsformen der
vorliegenden Erfindung diskutiert. Jedoch ist die vorliegende Erfindung
nicht als auf diese Ausführungsformen
beschränkt
anzusehen, denn zahlreiche Modifikationen können in dem Schutzbereich der vorliegenden
Erfindung ausgeführt
werden.
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Beispiele
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Wie
in 12 gezeigt, ist ein
ITO Film 63a mit einer Breite von 10 mm, einer Dicke von
100 nm, und einer Länge
von 6 mm auf einem Quarzglas 61 gebildet, und dann erfolgt
ein Beschichten mit Platin 63b mit einer Dicke von ungefähr 4 nm.
die Lichtübertragung
entlang der Vertikalrichtung wurde zu ungefähr 50% gemessen. Der elektrische
Widerstandswert zwischen den Endflächen wurde berechnet. D.h.,
der ITO Widerstandswert war 8,4 Ω,
da der spezifische Widerstand des ITO 1.4×10–4 Ω cm beträgt und der
Endflächenabschnittsbereich
10–5 cm2 ist. Der spezifische elektrische Widerstand
von Platin beträgt
10×10–6 Ω cm. Jedoch
scheint der elektrische spezifische Widerstandswert von Platin in
der Form eines dünnen
Films die Hälfte
des oben erwähnten Werts
zu sein. Da der Endflächenabschnittsbereich 4×10–7 cm2 ist, ist der elektrische spezifische Widerstand
von Platin 38.25 Ω.
Der kombinierte Widerstandswert war gleich zu 1/(1/8.4 + 1/38.25)
= 6,9 Ω. Demnach
trägt,
da der Platinfilm dünn
ist, obgleich der elektrische spezifische Widerstand von Platin selbst
niedrig ist, die Anwendung von Platin nicht zu viel zu der Reduktion
des elektrischen spezifischen Widerstandswerts bei.
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Es
wurde ein ITO Film 63a mit einer Dicke von 100 nm auf dem
Quarzglas 61 der Zelle 6, gezeigt in 1, gebildet, und Platin 63b mit
einer Dicke von ungefähr
4 nm wurde auf dem ITO Film 63a gebildet. Zwei Typen von
Wasserlösungen
mit 10 m mols an NaCl und 100 m mols an NaCl wurden in das Innere
der Zelle 6 gebracht. Dann lag eine Spannung von 300 V
an der transparenten Elektrode 63, geschaltet pro Sekunde,
an. Selbst nach dem Verstreichen von 50 Stunden wurde keine Änderung
der Lichtübertragung
des elektrischen Widerstandswerts beobachtet. Es wird demnach darauf
geschlossen, dass der Platinfilm gut als Schutzfilm dient.