JP2006029781A - 拡散計測装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 蛍光標識化等の前処理を行うことなく計測対象粒子の拡散しやすさを評価することができる、計測時間が短い拡散計測装置を提供することを目的とする。
【解決手段】 チャンバ１１と、高周波電源１６と、電圧が印加されることによりチャンバ内に電気力線密度の不均一を生じさせる電極１３と、高周波電圧を印加して誘電泳動により粒子を移動し、粒子集中領域１９と粒子希薄領域２０とを発生させて粒子偏在状態を確立し、高周波電圧の印加を停止又は変調して粒子を拡散させるように制御する誘電泳動制御部１７と、粒子移動に伴う屈折率変化を計測する屈折率検出部１５ａ、１５ｂとを備え、屈折率検出部は、粒子移動を計測するために粒子希薄領域２０または粒子集中領域１９に接するセンサ面１４ａ、１４ｂを有し、センサ面近傍の屈折率変化から粒子の拡散に関する評価を行うようにする。
【選択図】図１

Description

本発明は、液体中に存在する粒子の拡散しやすさを計測する拡散計測装置に関する。

近年、液体中における粒子の拡散しやすさを計測する技術は、例えば、蛋白質などの生体高分子に関する情報を計測する手段のひとつとして注目されている。
生体高分子を粒子としてみたときの生体高分子の移動しやすさ、すなわち拡散しやすさは、生体高分子の大きさ、形状、結合状態等に依存して変化するので、生体高分子の拡散しやすさを評価することにより、生体高分子に関する種々な情報を得ることができる。

液体中の粒子（生体高分子）の拡散しやすさを計測する手法としては、例えば、顕微蛍光相関分光法がある（特許文献１参照）。
顕微蛍光相関分光法によれば、計測対象となる粒子（生体高分子）を蛍光分子で標識処理し、顕微鏡視野下でこれを励起照明し、蛍光を発する計測対象粒子のブラウン運動に伴う蛍光強度変化を計測（蛍光粒子の数をカウントする）して、計測対象粒子の拡散係数を求めるものである。

一方、液体中の被測定物質に光を直接照射することなく、光学的測定を行う測定手法として、被測定物に光導波路を接するように配置して、光導波路の等価屈折率、光路長の変化を測定することにより、間接的に被測定物の光学的特性を測定するセンサデバイス技術が開示されている（特許文献２参照）。

このセンサデバイスは、基準導波路（参照側）と感知導波路（試料側）との２本の光導波路を用いる。このうち、感知導波路側は、被測定物に接した状態と、被測定物と接していない状態との２つの異なる状態で測定するようにし、感知導波路近傍に存在する被測定物の影響によって感知導波路側の透過光の等価屈折率が変化するようにする。一方、基準導波路側は、被測定物から離隔した位置に配置されており、被測定物の影響を受けないようにしてある。この基準導波路の透過光の屈折率を参照用（基準用）に測定する。そして、これら２本の光導波路を通過した光束を干渉させる。このとき、感知導波路側が被測定物に接した状態の干渉縞と被測定物に接していない状態の干渉縞とでは、干渉縞の位置が移動する。
そして、干渉縞の移動量は、感知導波路の等価屈折率の変化、すなわち等価屈折率変化の原因となる感知導波路の周囲に存在する被測定物の濃度変化や厚さ変化に対応するので、干渉縞の移動量の測定から被測定物に関する情報を計測することができる。
特表平１１−５０２６０８号公報 特表２００３−５１５１２６号公報

特許文献１の顕微蛍光相関分光法では、測定前の前処理として、計測対象粒子を蛍光分子で標識化する必要があり、標識化のための煩わしい作業を行わなければならない。
また、測定する際は、粒子に標識化処理を施してしまうことになるので、粒子を完全な自然状態で測定を行うことができない。
また、試料液体中の粒子密度が高くなると、どうしても蛍光強度の変動が平均化され、解析が困難になる。
さらに、顕微鏡視野下で、ブラウン運動によるφ１００μｍ程度以上の蛍光強度変動を計測する必要があるため、拡散係数が小さく、そのため、ブラウン運動速度の遅い粒子では、計測に長時間（例えば計測時間が数十秒から数千秒）を要することになる。

特許文献２の光学的測定方法では、被測定物質に光を直接照射することなく、被測定物の濃度変化や厚さ変化による屈折率変化を測定することができるが、あくまで静的な屈折率測定が行えるにすぎず、例えば試料中の計測対象粒子の拡散しやすさを評価することはできない。

そこで、本発明は、蛍光標識化処理を行うことなく、計測対象粒子の拡散しやすさを評価することができる拡散計測装置を提供することを目的とする。
また、粒子密度が高い場合でも拡散しやすさを評価することができる拡散計測装置を提供することを目的とする。
また、迅速に計測し得る拡散計測装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決するためになされた本発明の拡散計測装置は、粒子を含む液体試料を保持するチャンバと、高周波電源と、電圧が印加されることによりチャンバ内に電気力線密度が高い領域と電気力線密度が低い領域とを生じさせる電極と、高周波電源から電極への高周波電圧の印加と停止とにより、誘電泳動を利用して粒子の移動を引き起こすように制御する誘電泳動制御部と、誘電泳動により生じる粒子希薄領域と粒子集中領域との少なくともいずれかにおける粒子移動に伴う屈折率変化を計測する屈折率検出部とを備え、屈折率検出部は、粒子移動を計測するために粒子希薄領域または粒子集中領域に接するように配置されてなるセンサ面を有し、センサ面近傍の屈折率変化から粒子の拡散に関する評価を行うようにしている。

この発明によれば、チャンバ内に計測対象となる粒子を含む試料を保持するようにし、高周波電源からチャンバ内に設けた電極に高周波電圧を印加したときに、チャンバ内に電気力線密度の高い領域と低い領域とを生じさせる。
また、電極への高周波電圧の印加と停止により、誘電泳動を利用して粒子の移動を生じさせる。このとき、チャンバ内の電気力線密度分布に応じて、粒子密度が高い粒子集中領域と粒子密度が低い粒子希薄領域とが発生するが、そのときの粒子移動に伴うチャンバ内の屈折率変化を計測する。屈折率を計測する屈折率検出部は、粒子希薄領域または粒子集中領域に接するように配置されてなるセンサ面を有しており、センサ面近傍における粒子の拡散に伴う屈折率変化を計測する。

この発明によれば、誘電泳動現象を利用して粒子を移動して捕集状態から拡散状態、あるいは拡散状態から補集状態にすることにより、状態の変化に伴って生じる屈折率変化から拡散しやすさに関する評価を行うので、粒子を標識化する必要がなく、粒子を自然状態のままで拡散計測を行うことができる。
また、粒子密度が高い液体試料であっても、屈折率変化を計測することができるので拡散計測を行うことができる。
また、屈折率は、センサ面近傍の液体試料から計測するので、計測時間を短時間にすることができる。

上記発明において、誘電泳動制御部が、高周波電源から電極に高周波電圧を印加して誘電泳動により粒子を移動し、電気力線密度に応じて粒子集中領域と粒子希薄領域とを発生させて粒子偏在状態を確立し、粒子偏在状態のときに電極へ印加される高調波電圧を停止又は変調させることにより粒子集中領域から粒子を拡散させるように制御するようにすれば、粒子集中領域から粒子希薄領域に向けて粒子を拡散させることができるので、拡散により粒子が広がる状態を計測することができる。

また、上記発明において、粒子希薄領域と粒子集中領域との双方で屈折率変化を計測し、粒子希薄領域と粒子集中領域との屈折率変化の差分に基づいて粒子の拡散に関する評価を行うようにすれば、いずれか一方の領域で計測を行うのに比して、屈折率変化を示す信号を拡大して観測することができ、計測感度を高くして評価を行うことができる。また、２つの屈折率変化の差分をとることにより、液体試料および屈折率検出部（とくにセンサ面）での温度変化の影響を除くことができる。

また、誘電泳動制御部が、高周波電源から電極に印加する高周波電圧の周波数または振幅の少なくともいずれかを変化させて屈折率を計測するようにすれば、粒子集中領域に捕集される粒子が周波数あるいは振幅に依存して変化する場合に、これらを加味しつつ、拡散の評価を行うことができる。

また、屈折率検出部が、光導波路側面をセンサ面として粒子希薄領域または粒子集中領域に接するように配置された試料側導波路と、試料側導波路と同じ基板上に形成され粒子を含む試料液体の影響を受けないように配置される参照側導波路と、試料側導波路および参照側導波路への入射光を放射する光源と、試料側導波路と参照側導波路とからの出射光を干渉させることにより発生する干渉縞を検出する干渉縞検出器とからなり、干渉縞の移動量から粒子希薄領域または粒子集中領域の屈折率変化を検出するようにすれば、２光束干渉を利用して屈折率変化を求めることができる。
ここで、電極が光導波性の材料で形成され、この電極が試料側導波路としての機能を兼用するようにすれば、電極近傍の電気力線密度の高い領域の粒子による屈折率変化を検出することができる。

また、屈折率検出部が、光導波路の導波路側面をセンサ面として粒子希薄領域または粒子集中領域に接するように配置するとともに、センサ面となる光導波路側面を間に挟んで互いに対向する光導波路入射端面および光導波路出射端面のそれぞれに一部透過反射膜を形成することにより構成した光共振器と、光導波路入射端面に向けて透過スペクトル取得用の入射光を放射する光源と、光導波路出射端面からの透過光を検出する光検出器とからなり、粒子希薄領域または粒子集中領域の屈折率変化を、光共振器を構成する光導波路の透過スペクトルデータから検出するようにすれば、光共振器は光導波路に形成されたいわゆるエタロン型の干渉フィルタとして機能することになり、透過スペクトルデータをとることにより、急峻な透過ピーク波長を有する透過スペクトルが得られるので、透過スペクトルのピーク波長のシフト量から屈折率変化を検出することができる。
ここで、電極が光導波性の材料で形成され、この電極が光共振器を構成する光導波路としての機能を兼用するようにすれば、電極近傍の電気力線密度の高い領域での粒子移動による屈折率変化を検出することができる。

また、電極に金属膜を用い、屈折率検出部には、電極に用いた金属膜をセンサ面として利用する表面プラズモンセンサを用いるようにすれば、表面プラズモンセンサにより屈折率変化を検出することができる。

また、電極に隣接して粒状に局在する金属領域を形成し、屈折率検出部には、粒状に局在する金属領域をセンサ面として利用する局在プラズモンセンサを用いるようにすれば、電極近傍の電気力線密度が高い領域での粒子移動による屈折率変化を局在プラズモンセンサにより検出することができる。

以下、本発明の実施形態について図面を用いて説明する。
（拡散計測装置の基本構成）
最初に、本発明の基本構成について図面を用いて説明する。図１は、本発明の一実施形態である拡散計測装置の基本原理を説明する模式図であり、図１（ａ）は拡散計測装置の斜視図、図１（ｂ）は、図１（ａ）における屈折率検出器のセンサ面１４ａ上での断面図（ＹＺ断面図）を示す。

この拡散計測装置１０は、粒子（例えば蛋白質Ｔ）を含む液体試料Ｓを保持するチャンバ１１、チャンバ底面となる基板１２、基板１２上に形成され、チャンバ１１内に露出するように形成される一対の電極１３、電極１３と同様にチャンバ１１内に露出するように形成されるセンサ面１４ａ、１４ｂ、このセンサ面１４ａ、１４ｂを利用して屈折率が計測される屈折率検出器１５ａ、１５ｂ、電極１３に高周波電圧を印加する高周波電源１６、高周波電源１６から電極１３に印加する電圧を制御して粒子の誘電泳動を引き起こし、あるいは誘電泳動を停止する誘電泳動制御部１７により構成される。なお、図１では、屈折率検出器１５ａ、１５ｂについては模式的に示しているが、屈折率検出器１５ａ、１５ｂの具体的な構成例（２光束干渉、エタロン、表面プラズモン、局在プラズモンを利用した屈折率検出部）については後述する。

電極１３は、高周波電圧が印加されたときに、チャンバ１１内に電気力線密度の高い領域と低い領域とが形成されるように、その形状や配置位置が定められている。
最も簡単な電極構造としては、図１（ａ）（ｂ）に示すように、基板１２上の互いに離隔した位置に２本の電極１３を互いに平行になるように形成し、かつ、電極１３を基板上に蒸着法などで形成する。これにより、電極１３の近傍で電気力線１８の密度が高くなり、２本の電極１３間の中央付近で電気力線１８の密度が低くなる。

電極１３に高周波電圧を印加して粒子（蛋白質Ｔ）の誘電泳動を起こすと、一般に電気力線密度が高い領域に向く引力が働き、粒子が引き付けられる。（電気力線密度が高い領域に対して斥力が働く場合もあるが、便宜上、以下の説明では引力が働くものとする。）
そのため、電極１３の近傍に、粒子密度が高い粒子集中領域１９が発生することとなり、近傍から離隔した２本の電極１３間の中央付近に、粒子密度が低い粒子希薄領域２０が発生することとなる。

この粒子集中領域１９または粒子希薄領域２０と接する基板１２の表面が、上述した屈折率検出器１５ａ、１５ｂのセンサ面１４ａ、１４ｂとなるようにする。センサ面１４ａ、１４ｂは、屈折率検出器１５ａ、１５ｂの種類（後述する）によって、基板１２に形成された光導波路側面（２光束干渉、エタロンを利用した屈折率検出器）であったり、電極自身の表面（表面プラズモン、局在プラズモンを利用した屈折率検出器）であったりする。

高周波電源１６は、粒子の誘電泳動を起こすことが可能な周波数、振幅の高周波電圧を印加することができるものを用いる。なお、粒子によっては、周波数や振幅によって誘電泳動状態が変化するものがあるので、周波数、振幅を可変なものにする。
誘電泳動制御部１７は、いわゆるコンピュータで構成され、高周波電圧の周波数、電圧、印加時間などを予め設定しておくことにより、誘電泳動の一連の制御を自動的に行う。

誘電泳動制御部１７は、誘電泳動によって一旦、粒子集中領域１９を確立した後、電圧印加を停止又は変調することで、拡散により粒子移動が始まるように制御する。粒子移動に伴って液体試料Ｓの屈折率が変化すると、センサ面１４ａ、１４ｂが粒子希薄領域２０、粒子集中領域１９と接するように形成されているので、これらの領域におけるセンサ面近傍の液体試料Ｓの屈折率変化が、センサ面１４ａ、１４ｂに影響を及ぼす。
なお、誘電泳動力により粒子集中領域を確立した後、誘電泳動力を消滅あるいは弱め、拡散による粒子移動を開始するのが誘電泳動制御部１７による本来の測定方法であるが、これとは全く逆のプロセスとして、誘電泳動力がない状態あるいは弱い状態から、誘電泳動力を強めるようにして粒子を捕集するようにしてもよい。逆のプロセスであっても、拡散のしやすさに関する情報を得ることができる。要するに、誘電泳動制御部１７は、高周波電源から電極への高周波電圧の印加と停止とにより、誘電泳動力の変化を利用して粒子の移動を引き起こすように制御すればよい。
屈折率検出器１５ａ、１５ｂでは、この液体試料Ｓの屈折率変化を、屈折率検出器１５ａ、１５ｂ内の光学系の等価屈折率変化、あるいは光路長変化として検出する。そして、検出した屈折率変化から、粒子の拡散に関する情報、例えば、拡散しやすさ、拡散速度、さらに拡散速度を用いた演算により拡散係数を求めることができる。

次に、拡散計測装置を用いた屈折率変化の計測動作について、タイムチャートを用いて説明する。
図２は、図１の拡散計測装置において、粒子希薄領域２０の屈折率を計測する屈折率検出器１５ａを単独で用いて計測するときのタイムチャートを示す図であり、図２（ａ）は電極に印加する高周波電圧の電圧波形、図２（ｂ）は屈折率検出器１５ａで求めた透過屈折率変化あるいは光路長変化、図２（ｃ）は屈折率検出器１５ａのデータから求めた粒子希薄領域２０の屈折率変化を示す図である。なお、図２（ｂ）の等価屈折率（光路長）データから図２（ｃ）の粒子希薄領域２０の屈折率変化を求めるときは、予め作成した検量線データを参照する検量線法による。

時刻ｔ０において、粒子に誘電泳動を誘起させる周波数の電圧Ｖｏを電極１３に印加することにより、誘電泳動を開始する。これにより、一対の電極１３の中央付近に存在していた粒子が、電極１３近傍の電気力線が集中する領域に向けて移動するようになり、粒子希薄領域２０が生じる。粒子移動により粒子希薄領域２０内の粒子が減少するにつれて、粒子希薄領域２０の液体試料Ｓの屈折率が低下し、やがて平衡状態に達する。このときの屈折率変化がｔ０からｔ１における減衰曲線として現れる。

続いて、平衡に達した後の時刻ｔ１において、電圧印加を停止して誘電泳動力をなくす。これにより、粒子のブラウン運動による拡散が開始する。拡散による粒子の流入によって粒子希薄領域２０内の粒子が徐々に増加し、やがて、粒子希薄領域２０が消失して、液体試料Ｓ全体にわたり、誘電泳動が生じる前の定常値の屈折率に戻る。
このｔ１以降での拡散開始後の屈折率変化から、粒子の拡散に関する情報を求めることができる。
以上は、粒子希薄領域２０での計測について説明したが、粒子集中領域１９での計測の場合も、屈折率変化の方向（符号）が逆になる点を除けば、同様の時間変化を観察することができ、粒子の拡散に関する情報を求めることができる。

図３は、図１の２つの屈折率検出器１５ａ、１５ｂを用いて、粒子集中領域１９と粒子希薄領域２０とでの屈折率変化データを取得し、差分を取る場合のタイムチャートである。
図２の場合と同様に、時刻ｔ０において、粒子に誘電泳動を誘起する周波数の電圧Ｖｏを電極１３に印加することにより、誘電泳動を開始する。これにより、一対の電極１３の中央付近に存在していた粒子が、電極１３近傍の電気力線が集中する部分に向けて移動するようになり、粒子集中領域１９と粒子希薄領域２０とを生じる。
粒子移動により、粒子希薄領域２０内の粒子が減少するにつれて、この領域に存在する液体試料Ｓの屈折率が低下していき、やがて平衡状態に達する。このときの屈折率の変化がｔ０からｔ１における減衰曲線として現れる。
一方、粒子集中領域１９内の粒子が増加するにつれて、この領域に存在する液体試料Ｓの屈折率が増大していき、やがて平衡状態に達する。このときの屈折率の変化がｔ０からｔ１における増加曲線として現れる。

続いて、平衡に達した後の時刻ｔ１において、電圧印加を停止して誘電泳動力をなくす。これにより、ブラウン運動による粒子の拡散が開始し、粒子希薄領域２０内の粒子が徐々に増加するとともに、粒子集中領域１９内の粒子が減少し、やがて粒子希薄領域２０、粒子集中領域１９が消失する。そして液体試料Ｓ全体が、誘電泳動が生じる前の定常値の屈折率に戻る。
２つの検出器によるそれぞれの屈折率変化の差分データをとることにより、屈折率変化を拡大して検出することができるとともに、液体試料や検出器の温度変化に依存する変動成分を、差分データをとることで除去することができるので、温度変化に起因する誤差を除いた正確な計測が可能となる。

(屈折率検出器の構成)
次に、本発明で利用する屈折率検出器について図を用いて説明する。本発明で用いる屈折率検出器の特徴は、計測領域（粒子希薄領域または粒子集中領域）の液体試料Ｓと接するセンサ面を有し、このセンサ面近傍（距離がセンサ面から１μｍ程度以内）の液体試料Ｓの屈折率を検出するものである。
このような屈折率検出器として（１）基板に２本の光導波路を形成し、２光束干渉を利用した検出器、（２）基板に光導波路を形成し、光導波路をエタロン型の光共振器として利用した検出器、（３）電極（金属膜）による表面プラズモン共鳴を利用した検出器、（４）電極（金属膜）横に粒状の金属膜領域を設け、局在プラズモン共鳴を利用した検出器を例として説明する。ただし、これら４つの種類に限られるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で利用可能な屈折率検出器であればよい。

（２光束干渉型検出器）
図４は、図１の拡散計測装置の屈折率検出器として、２光束干渉型の屈折率検出器３０を用いたときの構成を説明する模式図であり、図４（ａ）は斜視図、図４（ｂ）は光導波路上３３上で切ったＹＺ断面図である。図において図１と同じものについては、同符号を付すことにより説明を省略する。なお、図４では、屈折率検出器３０を、屈折率検出器として使用するものとしている（図２のタイムチャート参照）が、差分をとるようにしてもよい（図３のタイムチャート参照）。

この屈折率検出器３０は、センサ部３５と、光源３６と、干渉縞検出器３７とから構成される。センサ部３５は、ガラス基板１２からなり、基板上に試料側光導波路３２、参照側光導波路３３、試料側光導波路３２と参照側光導波路３３とを光学的に分離する分離層３４が形成されている。このうち、試料側光導波路３２の表面３２ｓは、チャンバ１１に露出するようにしてあり、露出面が図１のセンサ面となる。また試料側光導波路３２および参照側光導波路３３のコアは、同一形状にしてある。
なお、基板の材質としては、ガラスに限らず、高分子材料（樹脂等）や半導体（シリコン等）など、光導波路を形成するのみ適するとされる公知の材質を採用することもできる。

光源３６からの光は、試料側光導波路３２および参照側光導波路３３それぞれの片側端面から入射するようにしてある。そして、それぞれの導波路内を通過した光は、他方側端面から出射するようにしてある。出射光は互いに干渉し、干渉縞３８を生じる。干渉縞３８が生じる位置には、干渉縞の移動を検知する干渉縞検出器３７が設けられている。干渉縞検出器３７は、例えばダイオードアレイセンサが用いられる。

このような構成をとることにより、チャンバ１１に露出する試料側導波路３２の表面３２ｓ近傍（約１μｍ程度）に存在する液体試料Ｓの屈折率が変化すると、試料側導波路３２の等価屈折率が変化する。試料側光導波路３２の等価屈折率が変化すると、試料側光導波路３２の光路長が変化一方、参照側導波路３３の透過屈折率はその影響を受けないので、干渉縞が移動することになる。干渉縞検出器３７は、この移動量を検出することができる。この干渉縞の移動量は、液体試料Ｓの屈折率の変化に依存しており、予め検量線を求めておくことにより、移動量から液体試料Ｓの屈折率変化、さらには液体試料Ｓの屈折率変化の原因となる粒子の拡散に関する情報を得ることができる。

（エタロン型検出器）
図５は、図１の拡散計測装置の屈折率検出器１５ａとして、エタロン型の屈折率検出器４０を用いたときの構成を説明する模式図であり、図５（ａ）は斜視図、図５（ｂ）は光導波路４３上でのＹＺ断面図である。
図中、図１と同じものについては、同符号を付すことにより説明を省略する。なお、図５では、屈折率検出器４０を、屈折率検出器１５ａとして使用するものとしている（図２のタイムチャート参照）が、図１で示したように、屈折率検出器１５ａと同一の屈折率検出器１５ｂをさらに用いて、差分をとるようにしてもよい（図３のタイムチャート参照）。

この屈折率検出器４０は、センサ部４１と、光源４６と、光検出器４７とから構成される。センサ部４１は、ガラス等の基板４２からなり、基板上に光導波路４３が形成される。光導波路４３の表面４３ｓは、チャンバ１１に露出し、図１のセンサ面１４ａとなる。
光導波路４３の両側端面には、一部透過反射膜４４、４５が形成されている。このうち片側端面が光源４６、他方側端面が検出器４７に対向しており、それぞれ入射端面、出射端面となる。この一部透過反射膜４４、４５は、光導波路４３内に入射した入射光を多重反射し、多重反射光を出射端面から検出器に放射する。すなわち、２つの一部透過反射膜４４、４５は光導波路内にエタロン型光共振器を形成することになる。
その結果、出射光による透過スペクトルデータをとると、急峻なピーク波長が出現するエタロン型の干渉フィルタとして機能することとなる。この急峻なピーク波長は、光導波路４３の等価屈折率に依存して変化する。

光導波路４３の等価屈折率は、光導波路４３と接するチャンバ１１の液体試料の屈折率に依存する。
したがって、光導波路４３の表面４３ｓと接するチャンバ１１内の液体試料Ｓ（表面４３ｓから１μｍ程度以内の液体試料Ｓ）の屈折率が変化すると、この変化に応じて光導波路４３の透過スペクトルのピーク波長はシフトすることとなる。
そこで、予め光導波路４３の透過スペクトルのピーク波長のシフト量と屈折率とを関係付ける検量線を求めておくことによりピーク波長シフトから液体試料の屈折率変化を検出することができる。

(エタロン型検出器２)
また、図６は、図１の拡散計測装置の屈折率検出器１５ａ、１５ｂとして、エタロン型の屈折率検出器を用いるときの他の構成を説明する模式図であり、図６（ａ）は、斜視図、図６（ｂ）は電極５２ａ、５２ｂを横断する面で切ったＸＺ断面図、図６（ｃ）は電極５２ｂ上でのＹＺ断面図である。図中、図１と同じものについては、同符号を付すことにより説明を省略する。なお、図６では、粒子希薄領域２０を検出する屈折率検出器５０ａと、粒子集中領域１９を検出する屈折率検出器５０ｂとの２つを使用するものとしている（図３のタイムチャート参照）が、いずれか一方のみを使用するようにしてもよい（図２のタイムチャート参照）。以下は、屈折率検出器５０ｂについて説明するが、５０ａについても同様である。

この屈折率検出器５０ｂは、センサ部５１ｂと、光源５５と、光検出器５６とからなる。センサ部５１ｂは、チャンバ１１の底面を構成するガラス基板１２上に光導波性を有する電極５２ｂが形成されてなる。すなわち、電極５２ｂが電極としての機能と光導波路としての機能とを兼ねる構成にしてある。この電極材料としては、例えば、ＩＴＯ等の透明導電膜を用いることができる。

そして、電極５２ｂの両端面には一部透過反射膜５３、５４が形成されている。このうち片側端面が光源５５、他方側端面が光検出器５６に対向しており、それぞれ入射端面、出射端面となる。この一部透過反射膜５３、５４は、光導波路５２ｂ内に入射した入射光を多重反射し、多重反射光を出射端面から光検出器５６に放射する。すなわち、２つの一部透過反射膜５３、５４は、光導波路５２ｂ内に、エタロン型光共振器を形成することになる。

そして、一部透過反射膜５３、５４で挟まれた光共振器部分は、図５で示したエタロン型検出器と同様に、出射光による透過スペクトルデータをとることにより、急峻なピーク波長が出現するエタロン型の干渉フィルタとして機能することとなる。
さらに、この急峻なピークのピーク波長は、光導波路５２ｂの等価屈折率に依存して変化する。

光導波路５２ｂの等価屈折率は、これと接するチャンバ１１の液体試料Ｓの屈折率に依存する。したがって、光導波路５２ｂの表面と接するチャンバ１１内の液体試料Ｓ（表面から１μｍ程度以内の液体試料Ｓ）の屈折率が変化すると、この変化に応じて光導波路５２ｂの透過スペクトルのピーク波長はシフトすることとなる。
そこで、予め光導波路５２ｂの透過スペクトルのピーク波長のシフト量と屈折率とを関係付ける検量線を求めておくことによりピーク波長シフトから液体試料の屈折率変化を検出することができる。

電極に光導波性を持たせて、電極に光導波路として兼用する構成は、図４で説明した２光束干渉型の屈折率検出器における電極にも適用することができる。

（表面プラズモン型検出器）
図７は、図１の拡散計測装置の屈折率検出器１５ａとして、表面プラズモン型検出器を用いたときの構成を説明する模式図である。
図中、図１と同じものについては、同符号を付すことにより説明を省略する。なお、図７では、粒子希薄領域２０を検出する屈折率検出器６０ａと、粒子集中領域１９を検出する屈折率検出器６０ｂとの２つを使用するものとしている（図３のタイムチャート参照）が、いずれか一方のみを使用するようにしてもよい（図２のタイムチャート参照）。以下は、屈折率検出器６０ｂについて説明するが、屈折率検出器６０ａについても高周波電極を兼用していない点を除いて同様の構成である。

この屈折率検出器６０ｂは、金属電極膜６１ｂと、光源６２ｂと、光検出器６３ｂとからなる。金属電極膜６１ｂの材料としては、表面プラズモン共鳴が生じやすい、光反射特性の優れた材料、例えばＡｕ、Ａｇが用いられる。
この検出器では、金属電極膜６１ｂに対して、光源６２ｂから入射角度を変化させながら入射光を照射し、その反射光を光検出器６３ｂで検出する。入射角度が、表面プラズモン共鳴が生じる角度条件となるときに、反射光に吸収が見られる。一方、この共鳴角は、金属電極膜６１ｂに接する液体試料Ｓの屈折率に依存して変化する。
したがって、共鳴角変化から屈折率変化を求めることができる。この場合も、共鳴角変化量と屈折率変化量とを関係つけた検量線を予め求めておく。

（局在プラズモン型検出器）
図８は、図１の拡散計測装置の屈折率検出器１５ａとして、局在プラズモン型検出器を用いたときの構成を説明する模式図である。
図中、図１と同じものについては、同符号を付すことにより説明を省略する。なお、図８では、粒子希薄領域２０を検出する屈折率検出器７０ａと、粒子集中領域１９を検出する屈折率検出器７０ｂとの２つを使用するものとしている（図３のタイムチャート参照）が、いずれか一方のみを使用するようにしてもよい（図２のタイムチャート参照）。以下は、屈折率検出器７０ｂについて説明するが、屈折率検出器７０ａについても高周波電極を兼用していない点を除いて同様の構成である。

この屈折率検出器７０ｂは、金属電極膜７１ｂと、金属電極膜７１ｂに隣接して粒状に局在するように形成される金属領域７４ｂと、光源７２ｂと、光検出器７３ｂとからなる。金属電極膜７１ｂと金属領域７４ｂとは、局在プラズモン共鳴が生じやすい光反射特性の優れた材料、例えばＡｕ、Ａｇが用いられる。
金属電極膜７１ｂと金属領域７４ｂとは、互いに電気的に独立しており、金属電極膜７１ｂに印加される高周波電圧が金属領域７４ｂには印加されないようにしてある。そのため、金属電極膜７１ｂに高周波電圧が印加されたとき、電気力線は、金属領域７４ｂには向かわないで、金属電極膜７１ｂの近傍に集中する。このとき、金属電極膜７１ｂに隣接する金属領域７４ｂの直上あたりに、電気力線の最も集中した部分がくるようになる。したがって、誘電泳動を生じさせたときに、金属領域７４ｂの直上に、粒子集中領域の中心がくることになる。

一方、粒状に局在した金属領域７４ｂに光源７２ｂからの光を照射することによっても、金属電極膜７１ｂに照射した場合と同様に、プラズモン共鳴（この場合は局在プラズモン共鳴と呼ぶ）を生じさせることができる。したがって、粒状の金属領域７４ｂでプラズモン共鳴を起こすことにより、最も粒子が集中する粒子集中領域１９の中心と、プラズモン共鳴領域とを一致させることができ、図７の通常の表面プラズモン共鳴の場合よりも、計測感度を向上することができる。

以上、本発明の実施形態として、誘電泳動により粒子の移動を制御するとともに、屈折率検出器により粒子を計測することを説明してきたが、屈折率の他に、粒子を計測する手段として、公知の偏光解析法を適用した偏光解析計を用いることもできる。

本発明は、誘電泳動により粒子を捕集し、捕集後に拡散させて拡散しやすさ等を計測する拡散計測装置に利用することができる。

本発明の一実施形態である拡散計測装置の基本構成を説明する模式図。 図１の拡散計測装置による計測時のタイムチャートの一例を説明する図。 図１の拡散計測装置による計測時のタイムチャートの他の一例を説明する図。 本発明の一実施形態である２光束干渉型の屈折率検出器を用いた拡散計測装置の構成を説明する模式図。 本発明の一実施形態であるエタロン型の屈折率検出器を用いた拡散計測装置の構成を説明する模式図。 本発明の他の一実施形態であるエタロン型の屈折率検出器を用いた拡散計測装置の構成を説明する模式図。 本発明の一実施形態である表面プラズモン共鳴型の屈折率検出器を用いた拡散計測装置の構成を説明する模式図。 本発明の一実施形態である局在プラズモン共鳴型の屈折率検出器を用いた拡散計測装置の構成を説明する模式図。

符号の説明

１１ チャンバ
１２ ガラス基板
１３ 電極
１４ａ、１４ｂ センサ面
１５ａ、１５ｂ 屈折率検出器
１６ 高周波電源
１７ 誘電泳動制御部
１９ 粒子集中領域
２０ 粒子希薄領域
３２ 試料側光導波路
３３ 参照側光導波路
３６ 光源
３７ 干渉縞検出器
４３ 光導波路
４４、４５ 一部透過反射膜
４６ 光源
４７ 光検出器
５２ａ、５２ｂ 光導波性電極
５５ 光源
５６ 光検出器
６１ａ、６１ｂ 金属膜
６２ａ、６１ｂ 光源
６３ａ、６３ｂ 光検出器
７１ａ、７１ｂ 金属電極膜
７２ａ、７２ｂ 光源
７３ａ、７３ｂ 光検出器
７４ａ、７４ｂ 金属領域

Claims (10)

1. 粒子を含む液体試料を保持するチャンバと、
   高周波電源と、
   電圧が印加されることによりチャンバ内に電気力線密度が高い領域と電気力線密度が低い領域とを生じさせる電極と、
   高周波電源から電極への高周波電圧の印加と停止とにより、誘電泳動を利用して粒子の移動を引き起こすように制御する誘電泳動制御部と、
   誘電泳動により生じる粒子希薄領域と粒子集中領域との少なくともいずれかにおける粒子移動に伴う屈折率変化を計測する屈折率検出部とを備え、
   屈折率検出部は、粒子移動を計測するために粒子希薄領域または粒子集中領域に接するように配置されてなるセンサ面を有し、
   センサ面近傍の屈折率変化から粒子の拡散に関する評価を行うことを特徴とする拡散計測装置。
2. 誘電泳動制御部は、高周波電源から電極に高周波電圧を印加して誘電泳動により粒子を移動し、電気力線密度に応じて粒子集中領域と粒子希薄領域とを発生させて粒子偏在状態を確立し、粒子偏在状態のときに電極へ印加される高調波電圧を停止又は変調させることにより粒子集中領域から粒子を拡散させるように制御することを特徴とする請求項１に記載の誘電泳動制御装置。
3. 粒子希薄領域と粒子集中領域との双方で屈折率変化を計測し、粒子希薄領域と粒子集中領域との屈折率変化の差分に基づいて粒子の拡散に関する評価を行うことを特徴とする請求項１に記載の拡散計測装置。
4. 誘電泳動制御部は、高周波電源から電極に印加する高周波電圧の周波数または振幅の少なくともいずれかを変化させて屈折率を計測することを特徴とする請求項１に記載の拡散計測装置。
5. 屈折率検出部は、光導波路側面をセンサ面として粒子希薄領域または粒子集中領域に接するように配置された試料側導波路と、試料側導波路と同じ基板上に形成され粒子を含む試料液体の影響を受けないように配置される参照側導波路と、試料側導波路および参照側導波路への入射光を放射する光源と、試料側導波路と参照側導波路とからの出射光を干渉させることにより発生する干渉縞を検出する干渉縞検出器とからなり、干渉縞の移動量から粒子希薄領域または粒子集中領域の屈折率変化を検出することを特徴とする請求項１に記載の拡散計測装置。
6. 電極が光導波性の材料で形成され、この電極が試料側導波路としての機能を兼用するように構成されることを特徴とする請求項５に記載の拡散計測装置。
7. 屈折率検出部は、光導波路の導波路側面をセンサ面として粒子希薄領域または粒子集中領域に接するように配置するとともに、センサ面となる光導波路側面を間に挟んで互いに対向する光導波路入射端面および光導波路出射端面のそれぞれに一部透過反射膜を形成することにより構成した光共振器と、光導波路入射端面に向けて透過スペクトル取得用の入射光を放射する光源と、光導波路出射端面からの透過光を検出する光検出器とからなり、粒子希薄領域または粒子集中領域の屈折率変化を、光共振器を構成する光導波路の透過スペクトルデータから検出することを特徴とする請求項１に記載の拡散計測装置。
8. 電極が光導波性の材料で形成され、この電極が光共振器を構成する光導波路としての機能を兼用することを特徴とする請求項６に記載の拡散計測装置。
9. 電極には金属膜が用いられ、屈折率検出部には、電極に用いた金属膜をセンサ面として利用する表面プラズモンセンサが用いられることを特徴とする請求項１に記載の拡散計測装置。
10. 電極に隣接して粒状に局在する金属領域が形成され、屈折率検出部は、粒状に局在する金属領域をセンサ面として利用する局在プラズモンセンサが用いられることを特徴とする請求項１に記載の拡散計測装置。

Images