JP2006162333A - 光学的測定装置および光学的測定方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】 光源16と、交流電源15と、容器11と、光源から光が照射されることにより基本回折光パターンを生じる回折格子13、14と、回折格子13、14を構成するとともに、交流電源15から正負の電圧を印加することが可能な電極対13、14と、電極対13、14に印加する電圧値を変化させる電圧制御部20と、回折格子13、14による回折光を検出する光検出器18とを備え、電極対13、14に電圧を印加して液体試料の屈折率分布を変化することにより、変形回折光パターンを発生させるとともに、電圧制御部20により印加電圧値が連続的に大きくなるように変化させたときの変形回折光パターン強度の変化に基づいて液体試料に関する情報を計測する。
【選択図】図1
Description
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、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の情報、例えば粒径や、粒形、結合状態等を知ることができる。
顕微蛍光分光法によれば、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。
また、顕微蛍光相関分光法により測定すれば、粒子に標識化処理を施してしまうので、粒子を完全な自然状態で測定することはできない。
これに対し、上述した誘電泳動による変形回折光パターンに基づいて液体中の粒子の光学的測定を行う方法では、標識化処理の必要がないので、前処理の煩わしさがなく、また、粒子を完全な自然状態で測定することができる。
実質的に異なる2種類以上の粒子が含まれる試料の場合に、単に交流電圧を印加して誘電泳動を発生させ、安定状態になったときの変形回折光パターンを測定する方法では、2種類以上の粒子が混在した状態での情報を得ることができるが、それぞれの種類の粒子の濃度、特性を分離して測定することができなかった。
さらに、試料液体中に2種類あるいはそれ以上の数の異なる種類の粒子が存在した場合に、異なる粒子ごとの情報を分離して得ることができる光学的測定装置および方法を提供することを目的とする。
そして、電源から電極対に交流電圧を印加して誘電泳動を発生する。誘電泳動により粒子が移動すると回折格子近傍の液体試料の屈折率が変化し、基本回折光パターンを生じる回折格子とは異なる派生的な回折格子が発生し、変形回折光パターンが発生する。この変形回折光パターンを光検出器で測定することにより、液体試料中の粒子による影響を変形回折光パターンの強度変化として測定することができる。
このときの電極対への印加電圧値を電圧制御部により制御する。この印加電圧制御について説明する。
誘電泳動中に微粒子に働く力はブラウン運動による等方的な拡散力と誘電泳動力の和と考えることができるが、電極にかかる電圧値に関わらず、ブラウン運動による拡散力は一定である。一方、粒子を引き寄せる誘電泳動力に注目すると、その力は分極による双極子モーメントと電界勾配に比例する。つまり誘電泳動力は印加電圧の2乗に比例することになる。
さらに印加電圧値を大きくしていき、誘電泳動力と拡散力との差が次に小さい第2の粒子についての誘電泳動力が拡散力より強くなり、第2の境界値(第2臨界点)を超えると、第2の粒子についても捕集されるようになる。同様に、粒子の種類が3つ以上あるときは、印加電圧値を引き続き大きくして、第3臨界点以降も越えるようにすると、順次、誘電泳動力と拡散力との差が小さい粒子から捕集されるようになる。
そこで、印加電圧値を変化させながら、光検出器により、変形回折光パターンの強度変化(回折光強度変化)を測定すると、第1臨界点から第2臨界点までは第1の粒子のみによる変形回折光パターン、第2臨界点から第3臨界点までは、第1の粒子と第2の粒子とによる変形回折光パターンが形成される。2つの粒子による変形回折光パターンの場合の回折光強度は、それぞれの粒子による変形回折光パターンの回折光強度の和であるので、第1臨界点から第2臨界点までの変形回折光パターンによるデータと、第2臨界点から第3臨界点までの変形回折光パターンによるデータとから、第1の粒子による変形回折光パターンの回折光強度と第2の粒子による変形回折光パターンの回折光強度とを分離することができる。さらに、粒子の種類数が増加しても同様の手順で分離することができる。このようにして粒子の種類ごとに分離された変形回折光パターンの回折光強度から粒子ごとの情報を得るようにする。
さらに、試料液体中の2種類あるいはそれ以上の数の異なる種類の粒子による変形回折光パターン強度(変形回折光パターンの回折光強度)を、それぞれ粒子ごとに分離して計測することができるので、混在した粒子の情報だけではなく、粒子ごとの情報を得ることができる。
上記発明において、電極対は、交流電圧が印加されたときに正の電極と負の電極とが隣接する部分が、回折格子周期の2倍以上の整数倍の周期で繰り返すように配置されるようにしてもよい。
この発明によれば、変形回折光パターンにおいて、新たに追加された回折光は、基本回折光パターンでは回折光が存在していなかった中間付近の暗い位置(暗部分)に発生するので、明暗のコントラストがはっきりする位置でピークを検出することができる。
この実施形態の光学的測定装置は、誘電泳動を行いながら、光学的測定を行うものであり、液体試料を保持する容器11、容器11の底面となる底板12aに形成され、回折格子を形成する一対の電極13、14と、電極13および電極14に交流電圧を印加する交流電源15と、光源16と、光源光を収束するレンズ光学系17と、回折光を検出する光検出器18と、印加電圧を制御する電圧制御部20とからなる。
液体試料をこの容器11に入れ、電極13、14を液体中に浸すことにより、電極13、14と液体試料とが接するようになる。なお、電極表面に耐食性の保護膜(例えばSiO2)を形成した場合は、液体と電極とは非接触となるが、このような場合も実質的に接するものとして扱ってよい。要するに、電極に印加する電圧により誘電泳動を生じさせることができればよい。
電極13は、2本の平行な直線状電極片13a、13bが隣接する直線状電極片偏在領域13fと、直線状電極片形成されていない直線状電極片不在領域13cとが、交互に繰り返すようにしてあり、すべての直線状電極片13a、13bは、接続部13dにより電気的に接続され、いわゆる櫛型電極構造としてある。
電極14についても同様であり、2本の平行な直線状電極片14a、14bが隣接する直線状電極片偏在領域14fと、直線状電極片が形成されていない直線状電極片不在領域14cとが、交互に繰り返すようにしてあり、すべての直線状電極片14a、14bは、接続部14dにより電気的に接続され、櫛型電極構造としてある。
レンズ光学系17は、光源光を収束して、電極13、14(回折格子)に照射できるように構成してある。なお、光源光の入射角度を調整できるようにして、測定対象、測定目的に応じて、透過回折光、反射回折光のいずれでも、取得できるようにするのが好ましい。
透過回折光を測定する場合、入射角は、容器底面と液体試料との界面で全反射が生じない条件であればよく、例えば、入射角0度で入射させてもよい。
まず、電極13、14に、電圧を印加しない状態で、光源16から入射光を照射する。液体試料は、粒子S1、S2が拡散し、全体がほぼ均一な状態になっている。このとき、入射光は、直線状電極片13a、13b、14a、14bにより形成される回折格子(以下、周期電極による回折格子(周期d)という)の影響を受け、図3において実線で示すように、周期dの回折条件を満たす角度位置に、−1次、0次、1次、・・・の透過回折光による回折光パターン(基本回折光パターンという)が発生する。
入射光は、周期電極による回折格子(周期d)の影響を受けて、基本回折光パターンを発生するとともに、屈折率分布による回折格子(周期2d)の影響を受けて、図3に破線で示すように、周期2dの回折条件を満たす角度位置に、−1次、1次、・・・の透過回折光による回折光パターンが追加された変形回折光パターンを発生する。(ただし、0次透過回折光は、基本回折光パターンにおける0次の回折光と重なる)。
粒子S1と粒子S2とが同じ材料であって、屈折率が同じであれば、その混合比率は粒子S1の飽和回折光強度値IS1と粒子S2による飽和回折光強度値IS2との比に比例することになる。
なお、粒子S1と粒子S2との材質が異なるときは、予めそれぞれの粒子S1、S2を単独で含む標準試料を用いて回折光強度に寄与する比である係数を求めておけばよい。
このようにして、印加電圧値を変化させながら回折光強度を測定したときの変曲点(臨界点、飽和点)を求めることにより、混在する粒子を分離して、それぞれの回折光強度を求めることができる。
13、14 電極
15: 交流電源
16: 光源
18: 光検出器
20:電圧制御部
Claims (3)
- 光源と、印加電圧値を変化することができる交流電源と、液体試料を保持する容器と、容器内の液体試料と接する位置に形成され、光源から光が照射されることにより基本回折光パターンを生じる回折格子と、回折格子の少なくとも一部を構成するとともに、交流電源から交流電圧を印加することが可能な電極対と、電極対に印加する電圧値を変化させる電圧制御部と、回折格子による回折光を検出する光検出器とを備え、
電極対に電圧を印加して液体試料の屈折率分布を変化することにより、基本回折光パターンとは異なる変形回折光パターンを発生させるとともに、電圧制御部により印加電圧値が連続的に大きくなるように変化させたときの変形回折光パターン強度の変化に基づいて液体試料に関する情報を計測することを特徴とする光学的測定装置。 - 電極対は、交流電圧が印加されたときに正の電極と負の電極とが隣接する部分が、回折格子の格子周期の2倍以上の整数倍の周期で繰り返すように配置されることを特徴とする請求項1に記載の光学的測定装置。
- 光源と、印加電圧値を変化することができる交流電源と、液体試料を保持する容器と、容器内の液体試料と接する位置に形成され、光源から光が照射されることにより基本回折光パターンを生じる回折格子と、回折格子の少なくとも一部を構成するとともに、交流電源から交流電圧を印加することが可能な電極対と、回折格子による回折光を検出する光検出器とを備え、電極対に交流電圧を印加して液体試料の屈折率分布を変化させて基本回折光パターンとは異なる変形回折光パターンを発生させ、変形回折光パターンから液体試料中の粒子に関する情報を計測する光学的測定方法であって、
少なくとも2種類の異なる粒子が混在する液体試料を容器内に入れ、
印加電圧値を次第に大きい電圧値になるように連続的に変化させながら電極対に印加して、そのときの変形回折光パターン強度の変化のデータを光検出器により計測し、
変形回折光パターン強度の変化のデータに基づいて液体中に含まれる粒子に関する情報を計測することを特徴とする光学的測定方法。
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