JP2005164339A

JP2005164339A - 単一粒子光散乱法による微粒子構造解析装置

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Publication number: JP2005164339A
Application number: JP2003402170A
Authority: JP
Inventors: Toshiaki Dobashi; 敏明土橋; Takayuki Narita; 貴行成田
Original assignee: Gunma University NUC
Current assignee: Gunma University NUC
Priority date: 2003-12-01
Filing date: 2003-12-01
Publication date: 2005-06-23
Anticipated expiration: 2023-12-01
Also published as: JP4054876B2

Abstract

【課題】液体中に懸濁したマイクロメートルサイズの微粒子の微細構造を精確かつ容易に測定することのできる、単一粒子光散乱法による微粒子構造解析装置を提供する。
【解決手段】単一波長光を射出する単一波長光射出部（２）と、単一波長光を集光する集光レンズ（５）と、集光レンズ（５）で集光された単一波長光が照射されるサンプルセル（３）と、サンプルセル（３）を保持するセルホルダー（４）と、サンプルセル（３）内の単一粒子により散乱された散乱光を受光する受光部（６）とを有する、単一粒子光散乱法による微粒子構造解析装置において、集光レンズ（５）とサンプルセル（３）の間に顕微鏡（７）が配置されており、顕微鏡観察モードと光散乱測定モードとが切換え可能である単一粒子光散乱法による微粒子構造解析装置（１）とする。
【選択図】図１

Description

この出願の発明は、単一粒子光散乱法による微粒子構造解析装置に関するものである。さらに詳しくは、この出願の発明は、液体中に懸濁したマイクロメートルサイズの微粒子の微細構造を精確かつ容易に測定することのできる、単一粒子光散乱法による微粒子構造解析装置に関するものである。

溶液内の球殻微粒子の大きさと膜厚を同時に決定するために、発明者等はこれまでに、散乱体積内に単一の微粒子のみ含まれる光散乱装置の原理と、球殻微粒子のうち大きさがマイクロメートルオーダーのマイクロカプセルへの具体的応用について発表している（非特許文献１）。この光散乱装置のセル部分はガラス製の毛細管（内径５０μｍ〜１００μｍ）から形成されており、微粒子の希薄懸濁液をこのセルに封入する仕組みとなっている。このセルにレーザー光を入射させると、沈降中の単一の微粒子からの散乱を生じさせることができ、散乱体である微粒子からの特徴的なピークを抽出することが可能となる。しかしながらこの方法は、
１）入射光を散乱体の微粒子にターゲティングする際の捜索できる範囲が小さい。
２）散乱体の沈降によりＳ／Ｎ比が低下する。
３）散乱光検出器に２次元の光検出器を用いることができない。
４）解析時のフィッティングパラメータの数が多い。
５）温度変化などの環境変化における粒子の構造変化特性が得られない。
６）ブラウン運動の影響があるためサンプルを固定できない。
といった多くの問題点を有していた。

その他の溶液内における微粒子の大きさを測定する光散乱装置の例として、蛍光色素でラベルした抗体を粒子に結合させ、その蛍光や散乱光によって粒子を分析・分離する手法であるフローサイトメトリー法が知られており、このフローサイトメトリー法においてはレーザー光を個々の粒子に当てて散乱させるために粒子を狭い流路に流し、これにレーザー光を照射してこの散乱光から微粒子の密度、大きさを決定している。しかしながら、このフローサイトメトリー法では散乱光から微粒子の密度、外径を測定することはできるが、球殻微粒子の膜厚など微粒子の詳細構造を決定する機能はない。
Toshiaki DobashiおよびTakayuki Narita他,"Light Scattering of a Single Microcapsule with a Hydrogel Membrane", Langmuir, vol. 14, issue 4, p. 745-749, 1998

そこで、この出願の発明は、以上のとおりの事情に鑑みてなされたものであり、従来技術の問題点を解消し、液体中に懸濁したマイクロメートルサイズの微粒子の微細構造を精確かつ容易に測定することのできる、単一粒子光散乱法による微粒子構造解析装置を提供することを課題としている。

この出願の発明は、上記の課題を解決するものとして、まず第１には、単一波長光を射出する単一波長光射出部と、単一波長光を集光する集光レンズと、集光レンズで集光された単一波長光が照射されるサンプルセルと、サンプルセルを保持するセルホルダーと、サンプルセル内の単一粒子により散乱された散乱光を受光する受光部とを有する、単一粒子光散乱法による微粒子構造解析装置において、集光レンズとサンプルセルの間に顕微鏡が配置されており、顕微鏡観察モードと光散乱測定モードとが切換え可能であることを特徴とする単一粒子光散乱法による微粒子構造解析装置を提供する。

第２には、この出願の発明は、第1の発明において、単一波長光射出部が、レーザー光を射出するレーザー光射出部であることを特徴とする単一粒子光散乱法による微粒子構造解析装置を提供する。

第３には、この出願の発明は、第１または２の発明において、顕微鏡内に、接眼部と、頂上部と、対物レンズと、対物レンズ型ピンホールと、頂上部−接眼部透過切換えノブとが組み込まれており、顕微鏡の下方に顕微鏡用光源部が設けられており、対物レンズと対物レンズ型ピンホールとを切り替え、かつ頂上部−接眼部透過切換えノブおよび顕微鏡用光源部を移動させることにより顕微鏡観察モードと光散乱測定モードの切換えを行うことを特徴とする単一粒子光散乱法による微粒子構造解析装置を提供する。

さらに、第４には、第１ないし３いずれかの発明において、サンプルセルとして平板型のセルを用いることを特徴とする単一粒子光散乱法による微粒子構造解析装置を提供する。

また、第５には、第１ないし４いずれかの発明において、サンプルセルをＸＹ方向に移動させることが可能なセルホルダーを用いることを特徴とする単一粒子光散乱法による微粒子構造解析装置を提供する。

第６には、第１ないし５いずれかの発明において、受光部に複数の光電素子が平面上に配置された２次元のフォトダイオードを用いることを特徴とする単一粒子光散乱法による微粒子構造解析装置を提供する。

第７には、第１ないし６いずれかの発明において、受光部において単一波長光反射板を用いて入射光の影響を除去することを特徴とする単一粒子光散乱法による微粒子構造解析装置を提供する。

第８には、第１ないし７いずれかの発明において、セルホルダーに温度調節器が組み込まれていることを特徴とする単一粒子光散乱法による微粒子構造解析装置を提供する。

第９には、第２ないし８いずれかの発明において、レーザー光射出部に光ファイバーが組み入れられていることを特徴とする単一粒子光散乱法による微粒子構造解析装置をも提供する。

この出願の発明は上記のとおりの特徴をもつものであるが、以下にその実施の形態について説明する。

この出願の発明の単一粒子光散乱法による微粒子構造解析装置は、単一波長光を射出する単一波長光射出部と、単一波長光を集光する集光レンズと、集光レンズで集光された単一波長光が照射されるサンプルセルと、サンプルセルを保持するセルホルダーと、サンプルセル内の単一粒子により散乱された散乱光を受光する受光部とを有するものであるが、とくに、集光レンズとサンプルセルの間に顕微鏡が配置されており、顕微鏡観察モードと光散乱測定モードが切換え可能であることを大きな特徴としている。

とくに単一波長光射出部を、レーザー光を射出するレーザー光射出部として、サンプルセルに照射する単一波長光としてレーザー光を用いることで、良好に単一粒子光散乱法による微粒子構造解析を行うことができるのである。

このように単一粒子光散乱法による微粒子構造解析装置に顕微鏡を組み入れることによって、たとえばあらかじめ顕微鏡観察モードで単一の微粒子を光軸上に設置し、次に光散乱測定モードで微粒子の形状や外径といった微粒子の詳細構造を決定することが可能となることから、散乱曲線のモデルを予想することができ、また散乱曲線の解析の際のモデル式（たとえばRayleigh-Gansの式）へのフィッティングパラメータを減らすことが可能なため、被測定粒子の構造を精度良くかつ容易に決定することができるのである。

なおこのとき、たとえば顕微鏡内に、接眼部と、頂上部と、対物レンズと、対物レンズ型ピンホールと、頂上部−接眼部透過切換えノブとを組み込み、顕微鏡の下方に顕微鏡用光源部を設け、対物レンズと対物レンズ型ピンホールとを切り替え、かつ頂上部−接眼部透過切換えノブおよび顕微鏡用光源部を移動させることにより顕微鏡観察モードと光散乱測定モードの切換えを行うことで、顕微鏡測定と光散乱測定との切換えを容易に行うことができるのであり、また対物レンズ型ピンホールにより散乱体積を絞り込むことができ、他粒子からの散乱を防ぐことが出来るためＳ／Ｎ比の向上を図ることができるのである。

また、サンプルセルとして平板型のセルを用いることにより受光部における２次元化が図れることからＳ／Ｎ比を向上させることができ、またサンプルセルを保持するセルホルダーを、サンプルセルをＸＹ方向に移動できるようにしておくことで、被測定粒子の検索と移動を簡便にするとともに最適散乱の状態を容易に探索することができ、Ｓ／Ｎ比の向上も図ることができる。またさらに微粒子をセル底面に点接触させることによりブラウン運動の影響も防ぐことができる。

さらに、受光部に複数の光電素子が平面上に配置された２次元のフォトダイオードを用いることで各散乱角度での積算平均を行うことができ、さらにＳ／Ｎ比の向上を図ることができる。そして、受光部において単一波長光反射板を用いて入射光の影響を除去することで透過光の受光を防ぐことができ、さらなるＳ／Ｎ比の向上を図ることができる。すなわち、透過光は散乱光と比較して非常に光の強度が強いため、単一波長光反射板で透過光の受光を防ぐことで受光フォトダイオードアレイの感光を防ぎ、散乱光のＳ／Ｎ比を向上させることができるのである。

またセルホルダーに温度調節器を組み込むことで、温度環境変化時の微粒子の形状、密度、構造の変化測定を行うことができ、また単一波長光がレーザー光の場合、レーザー光射出部に光ファイバーを組み入れることで、射出できるレーザー光の波長を容易に変えることができることから、被測定粒子の構造に関する情報を広い範囲で測定することができるのである。

以下、添付した図面に沿って実施例を示し、この出願の発明の実施の形態についてさらに詳しく説明する。もちろん、この発明は以下の例に限定されるものではなく、細部については様々な態様が可能であることは言うまでもない。

＜実施例１＞
図１はこの出願の発明の単一粒子光散乱法による微粒子構造解析装置の一実施形態を示す概念図であり、図１に示すように微粒子構造解析装置（１）は、レーザー光Ｌａを出射する光源としてのレーザー光射出部（２）と、散乱対象となる平板プレパラート型サンプルセル（３）と、その平板プレパラート型サンプルセル（３）を保持するセルホルダー（４）と、レーザー光射出部（２）より射出されたレーザー光Ｌａを平板プレパラート型サンプルセル（３）内の単一粒子に集光するための集光レンズ（５）と、その平板プレパラート型サンプルセル（３）内の単一粒子により散乱された散乱光Ｌｓを受光する受光部（６）とを有しているが、さらに、顕微鏡部（７）と、顕微鏡観察モードにおける光源部である顕微鏡用光源部（８）（図４参照）と、平板プレパラート型サンプルセル（３）の温度調節器（９）とを備えている。なお、レーザー光射出部（２）においてはレーザー発振器（１０）、光ファイバー（１１）、フォーカシングレンズ（１２）、偏光フィルター（１３）を有しており、光ファイバー（１１）の一端をレーザー光発振器（１０）のレーザー光射出口（１４）にレーザー光を取り込むように設置し、もう一端をレーザー光射出部（２）のフォーカシングレンズ（１２）の手前に設置している。

光ファイバー（１１）より出た光はフォーカシングレンズ（１２）と偏光フィルター（１３）により指向性の高い単色偏光を照射用レーザー光Ｌａとして射出することができる。射出波長の異なるレーザー発振器（１０）からのレーザー光を射出光側の光ファイバー端に照射することにより、レーザー光Ｌａの波長を変える、あるいは光源として水銀ランプを用い干渉フィルターを挿入することによって入射光Ｌａの波長を変えることもできる。また図１の微粒子構造解析装置（１）においては、偏光フィルター（１３）と集光レンズ（５）の間であって集光レンズ（５）の直前にＳ／Ｎ比向上のために散乱体積を絞る目的でピンホール（１５）が配置されている。

なお図２に示すように、平板プレパラート型サンプルセル（３）は、カバーガラス板とスライドガラス板が平行に１ｍｍ以下の隙間を形成しているものを用いており、この隙間に希薄な微粒子懸濁液を流し込み、溶媒の蒸発防止のため接着剤を用いて溶液の流入口を封じている。散乱対象の微粒子はスライドガラス板の底面に点接触するとともに、カバーガラス板とスライドガラス板の間の隙間が１ｍｍ以下であるため、セル全体に擾乱が生じてもその影響を受け難い。この平板プレパラート型サンプルセル（３）はレーザー光Ｌａに対して垂直に配置されており、レーザー光Ｌａと平板プレパラート型サンプルセル（３）が交差する箇所がただ１つの微粒子を照射する領域ｄとなる。

また、セルホルダー（４）は一般の顕微鏡のステージと同様に手動で容易にスライドガラス板（２９）を取り外しが可能に設計されている。またセルホルダー（４）には左右、前後の二次元の微動調整装置（１６）が組み込まれており、最適散乱条件の探索と目的とする散乱体である微粒子をレーザー光Ｌａの照射位置に容易に移動することができる。

図１に示すように、集光レンズ（５）は光源であるレーザー射出部（２）と散乱体である微粒子を含んだサンプルセル（３）の間に配置されており、サンプルセル（３）に入射するビーム幅を光源でのビーム幅に比べて小さく形成するとともに散乱光検出器である受光フォトダイオードアレイ（１７）を集光レンズの焦点に位置させ、散乱光Ｌｓを集光してほぼ平行な光線束にして受光フォトダイオードアレイ（１７）に入射させる。

ここで受光部（６）は二次元の受光フォトダイオードアレイ（１７）、受光部（６）の可動装置（１８）（図３参照）、反射板（１９）を備えている。散乱体である微粒子から生じる散乱光Ｌｓのみを受光部（６）に入射させるため、反射板（１９）を用いることにより透過光を系外に反射光Ｌｒとして除去する。すなわち、受光フォトダイオードアレイ（１７）は強度の強い光を受光すると、強度の弱い光が相対的に検出できなくなるため、反射板（１９）を備えることにより散乱光Ｌｓの強度を強調して取り込むことができ、また、反射板（１９）で透過光を系外に反射させることで系内の迷光を防ぐことができる。

二次元の受光フォトダイオードアレイ（１７）はｎ個の光電素子を平面状に配列したものであり、照射領域ｄ（図２参照）において発生した散乱光Ｌｓを受け光電変換するが、この出願の発明においては平板プレパラート型サンプルセル（３）を使用することによってこのような散乱光Ｌｓの２次元の検出が可能となった。なお受光フォトダイオードアレイ（１７）は入射光に垂直で平板プレパラート型サンプルセル（３）に平行になるよう配置されている。

受光部（６）の可動装置（１８）は受光部（６）をＸＹＺ方向に微動させることが可能であるため、広角領域の受光と散乱体である微粒子からの距離を自由に調節することを可能にする。

また、図１に示すように、散乱光Ｌｓの角度誤差を取り除く目的で受光フォトダイオードアレイ（１７）の直前にディテクター大の矩形スリット（２０）を配置させている。

顕微鏡部（７）は図４および図５に詳しく示すように、接眼部（２１）、対物レンズ（２２）、頂上部（２３）、頂上部−接眼部透過切換えノブ（２４）および対物レンズ型ピンホール（２５）から構成されている。

光散乱測定モードでは図４に示すように、頂上部−接眼部透過切換えノブ（２４）を外側に引くことにより回路Ａ（２６）が開きレーザー光Ｌａが頂上部（２３）を通過し、対物レンズ（２２）を対物レンズ型ピンホール（２５）に切り替えることによりビーム径の絞れたレーザー光Ｌａが散乱体である微粒子に照射され、散乱光Ｌｓを受光部（６）で受光する。なお、この場合においても強度の強い透過光は反射板（１９）により系外に反射光Ｌｒとして除去する。

一方、被測定粒子の顕微鏡観察モードでは図５に示すように頂上部−接眼部透過切換えノブ（２４）を内側に押すことにより回路Ｂ（２７）が開き回路Ａ（２６）が閉じる。光散乱用のレーザー光Ｌａは頂上部（２３）で遮断される。顕微鏡用光源部（８）を平板プレパラート型サンプルセル（３）と受光部（６）の間に移動し、照明光Ｌｂを被測定粒子に照射することにより、照明光Ｌｂは回路Ｂ（２７）を通過するようになる。対物レンズ型ピンホール（２５）から対物レンズ（２２）に切り替えることにより、接眼部（２１）において、粒子の形状を裸眼またはカメラなどで測定もしくは観測することができる。この状態で平板プレパラート型サンプルセル（３）のセルホルダー（４）を自在に動かすことにより、目標粒子の検索が容易に行われる。

なお受光部（６）に検光子を挿入することにより、液晶などの複屈折を有する構造体の散乱を測定し配向度や配向の方向を決定する目的にも利用可能である。

以上詳しく説明したとおり、この出願の発明によって、液体中に懸濁したマイクロメートルサイズの微粒子の微細構造を精確かつ容易に測定することができる。そしてドラッグデリバリーなどに用いられるマイクロカプセルは現在多方面で用いられているが、マイクロカプセル壁膜を通した物質移動の制御は未だ経験的に行われているのが現状であるが、この出願の発明の装置により、物質移動に最も影響を与える膜厚を測定することも可能となり、定量的な制御が行え、これからの実施化が期待される。

この出願の発明の単一粒子光散乱法による微粒子構造解析装置の一実施形態を例示した概念図である。この出願の発明の単一粒子光散乱法による微粒子構造解析装置のサンプルセルおよびセルホルダーの一実施形態を例示した要部拡大図である。この出願の発明の単一粒子光散乱法による微粒子構造解析装置の受光部の一実施形態を例示した要部拡大図である。この出願の発明の単一粒子光散乱法による微粒子構造解析装置の顕微鏡部の一実施形態の光散乱測定モードを例示した要部拡大図である。この出願の発明の単一粒子光散乱法による微粒子構造解析装置の顕微鏡部の一実施形態の顕微鏡観察モードを例示した要部拡大図である。

符号の説明

１光散乱装置
２レーザー光射出部
３サンプルセル
４セルホルダー
５集光レンズ
６受光部
７顕微鏡部
８（顕微鏡観察モードにおける）光源部
９温度調節器
１０レーザー発振器
１１光ファイバー
１２フォーカシングレンズ
１３偏光フィルター
１４レーザー光射出口
１５ピンホール
１６微動調節器
１７受光フォトダイオードアレイ
１８（受光部の）可動装置
１９反射板
２０スリット
２１接眼部
２２対物レンズ
２３頂上部
２４頂上部−接眼部透過切換えノブ
２５対物レンズ型ピンホール
２６回路Ａ
２７回路Ｂ

Claims

単一波長光を射出する単一波長光射出部と、単一波長光を集光する集光レンズと、集光レンズで集光された単一波長光が照射されるサンプルセルと、サンプルセルを保持するセルホルダーと、サンプルセル内の単一粒子により散乱された散乱光を受光する受光部とを有する、単一粒子光散乱法による微粒子構造解析装置において、集光レンズとサンプルセルの間に顕微鏡が配置されており、顕微鏡観察モードと光散乱測定モードとが切換え可能であることを特徴とする単一粒子光散乱法による微粒子構造解析装置。
単一波長光射出部が、レーザー光を射出するレーザー光射出部であることを特徴とする請求項１記載の単一粒子光散乱法による微粒子構造解析装置。
顕微鏡内に、接眼部と、頂上部と、対物レンズと、対物レンズ型ピンホールと、頂上部−接眼部透過切換えノブとが組み込まれており、顕微鏡の下方に顕微鏡用光源部が設けられており、対物レンズと対物レンズ型ピンホールとを切り替え、かつ頂上部−接眼部透過切換えノブおよび顕微鏡用光源部を移動させることにより顕微鏡観察モードと光散乱測定モードの切換えを行うことを特徴とする請求項１または２記載の単一粒子光散乱法による微粒子構造解析装置。
サンプルセルとして平板型のセルを用いることを特徴とする請求項１ないし３いずれかに記載の単一粒子光散乱法による微粒子構造解析装置。
サンプルセルをＸＹ方向に移動させることが可能なセルホルダーを用いることを特徴とする請求項１ないし４いずれかに記載の単一粒子光散乱法による微粒子構造解析装置。
受光部に複数の光電素子が平面上に配置された２次元のフォトダイオードを用いることを特徴とする請求項１ないし５いずれかに記載の単一粒子光散乱法による微粒子構造解析装置。
受光部において単一波長光反射板を用いて入射光の影響を除去することを特徴とする請求項１ないし５いずれかに記載の単一粒子光散乱法による微粒子構造解析装置。
セルホルダーに温度調節器が組み込まれていることを特徴とする請求項１ないし７いずれかに記載の単一粒子光散乱法による微粒子構造解析装置。
レーザー光射出部に光ファイバーが組み入れられていることを特徴とする請求項２ないし８いずれかに記載の単一粒子光散乱法による微粒子構造解析装置。