JP2006349385A

JP2006349385A - 粒子計測装置

Info

Publication number: JP2006349385A
Application number: JP2005172864A
Authority: JP
Inventors: Yukihisa Wada; 幸久和田
Original assignee: Shimadzu Corp
Current assignee: Shimadzu Corp
Priority date: 2005-06-13
Filing date: 2005-06-13
Publication date: 2006-12-28

Abstract

【課題】媒体液や粒子の電気的性質によらず、また、粒子に電気的な作用を与えることなく、粒子の拡散・移動を引き起こして、粒子に関する情報を取得することができる粒子測定装置を提供する。
【解決手段】遠心分離機１３と、光透過性のチューブ１２と、格子状の凹凸を有するポケット領域２３と、ポケット領域２３に入射光を照射する光源１１と、ポケット領域２３に凝集する粒子により生じる回折光を検出する検出光学系１５、１６とを備え、ポケット領域２３に凝集する粒子による回折格子に基づいて粒子に関する情報を計測する。
【選択図】図３

Description

本発明は、液体またはゲル状体からなる流動体試料中の粒子の拡散・移動による屈折率変化から、流動体試料中に含まれる粒子に関する情報を、光学的に測定する粒子測定装置に関する。本発明は、例えば流動体試料中の粒子の有無確認、さらには粒子濃度、粒径等の測定に適用することができる。

液体中の粒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。

出願人は、先行特許出願において、標識化を行うことなく粒子（溶解したもの又は分散したもの）の拡散しやすさを計測するための光学的測定装置として、液体中の粒子に誘電泳動を生じさせて移動することにより、粒子集中領域を形成し、その後、誘電泳動を停止して粒子集中領域から粒子を拡散させたときの屈折率変化から、粒子の拡散に関する評価を行う装置を提案している（特願２００４−２０４０２４号）。この光学的測定装置では、電極を通じて被測定液に電圧を印加して誘電泳動を引き起こすことにより、溶液の局所的な屈折率変化を発生させている。

また、出願人は他の先行特許出願において、基本回折光パターンを生じさせる回折格子兼電極に、交流電圧を印加して粒子に誘電泳動を起こさせることにより、粒子集中領域を形成して局所的な屈折率変化を発生させ、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に基づいて液体中の粒子の有無など、粒子に関する情報を計測することを提案している（特願２００４−２４１９０７号）。
特表平１１−５０２６０８号公報

上述した特許文献１に開示された公知の顕微蛍光相関分光法による粒子の光学的測定では、試料を標識化する必要があり、そのための煩わしい前処理作業を行わなければならない。
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、出願人が先行特許出願において提案している測定方法、すなわち回折格子兼電極に所定の交流電圧を印加して粒子に誘電泳動を起こすことにより粒子集中領域を形成し、粒子集中領域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。

しかしながら、誘電泳動作用により液中の粒子を移動させる方法は、使用する液体が非電解質の場合であり、粒子も中性粒子に限られる。電解質液である場合には、電極間に実質的に十分な高電圧を印加することができないため、誘電泳動による粒子の移動が生じにくく、粒子集中領域を形成することが困難である。生体高分子のような粒子の場合には、電解質液中に存在させておくことが多いので、液体の種類とは無関係に測定可能な測定法が望まれる。また、粒子が荷電粒子の場合は、電圧を印加することにより、粒子を移動させることができるが、化学反応（電気分解等）が発生してしまうことがある。

そこで本発明は、粒子に標識化処理を施すことなく、また、電解質液中の粒子であっても、非電解質液であっても、荷電粒子であっても、光学的に粒子測定を行うことができ、媒体液や粒子の電気的性質によらず、粒子測定を行うことができる装置を提供することを目的とする。
また、本発明は、粒子に電気的な作用を与えることなく、粒子の拡散・移動を引き起こして、粒子に関する情報を取得することができる粒子測定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粒子測定装置は、遠心分離機と、粒子を含む流動体試料を入れた状態で遠心分離機に取り付けられる光透過性のチューブと、遠心分離時に前記チューブ内の粒子が凝集する領域に形成される格子状の凹凸を有するポケット領域と、ポケット領域に入射光を照射する光源と、ポケット領域に凝集する粒子により生じる回折光を検出する検出光学系とを備えている。

この発明によれば、光透過性のチューブ内に測定対象である粒子を含有する流動体試料を入れ、遠心分離機に取り付けて遠心分離を行うことにより、粒子を凝集する。チューブ内の粒子が凝集する領域には、格子状の凹凸が形成されたポケット領域が形成されている。そのためポケット領域に粒子が凝集すると、凝集した粒子はポケット領域の凹凸パターンを反映して格子状に凹凸パターンを形成するようになる。そのためポケット領域の粒子は、粒子密度が凹凸パターンの周期で変化するようになり、その結果、屈折率も凹凸パターンの周期を反映して変化することになる。このポケット領域に光が入射すると、粒子が回折格子（密度回折格子と呼ぶ）として作用することになる。

したがって、流動体試料を遠心分離し、光源からポケット領域に入射光を照射することにより、流動体中に粒子が存在すればポケット領域に密度回折格子が形成され、その結果、回折光が得られる。さらに、得られる回折光の回折角や回折光強度は、屈折率や濃度に依存して変化し、屈折率や濃度は、粒子の性質に依存するので、回折角や回折光強度を測定することにより、流動体試料中の粒子について測定することができる。

また、上記発明において、遠心分離機の回転速度の制御を行う制御部と、回転速度の制御により生じる回折光の時間変化から粒子に関する情報を計測する解析部とを備えるようにしてもよい。

制御部により遠心分離機の回転速度を大きくして遠心力を強めることにより、ポケット領域への粒子の凝集力が増し、逆に回転速度を小さくすると凝集力が減じられる。また、遠心分離後に回転を停止すると、凝集力がなくなり、拡散が始まる。
したがって、遠心分離機の回転速度を制御することにより、粒子の凝集力が異なる状態で粒子に関する情報を得ることができる。あるいは、回転速度の制御の一手法として、遠心分離後に回転を停止することにより、拡散に関する情報を得ることができる。

本発明によれば、試料の媒体が電解質液中であっても、非電解質液であっても、粒子に関する情報を得ることができる。
また、粒子に電気的な作用を与えることなく、粒子の拡散・移動を引き起こして、粒子に関する情報を取得することができる。

以下、本発明の実施形態について図面を用いて説明する。なお、本発明は、以下に説明するような実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々の態様が含まれることはいうまでもない。
図１は、本発明の一実施形態である粒子測定装置の全体構成を示す概略構成図、図２は遠心チューブの構成を示す図、図３は遠心分離機に遠心チューブを取り付けた状態を説明する図である。

この粒子測定装置１０は、光源１１、流動体試料を保持する遠心チューブ１２、遠心分離機１３、光源１１から照射される入射光を遠心チューブ１２に照射するレンズ光学系１４、遠心チューブ１２から出射される検出光（回折光）を検出するための検出器１５およびアパーチャ１６、検出器１５により検出された検出信号を収集し、その解析を行う解析部１７、光源１１の点灯制御、遠心分離機１３の回転制御、検出器１５による検出の制御、解析部１７による解析の制御を含む装置全体の制御を行う制御部１８とからなる。

光源１１は、測定対象となる流動体試料に応じて種類を選択すればよいが、例えば、Ｈｅ−Ｎｅレーザ光源（波長６３３ｎｍ）や、その他のレーザ光源を用いるのが好ましい。
遠心チューブ１２は、図２に示すように、ガラス製で有底円筒形状のチューブ本体２１と、蓋２２とから構成される。遠心チューブ１２の内側底部には、一定周期の凹凸パターンが刻まれたポケット２３が設けられている。ポケット２３は、ＳｉＯ_２、Ｔａ_２Ｏ_５等の光透過性材料を用いた円板に形成され、フォトリソ技術を用いて溝加工することにより凹凸が形成されている。この円板をチューブ本体２１の底に置き、着脱できるようにして洗浄しやすくしてある。なお、チューブ２１の底部に直接ポケットを形成してもよい。凹凸パターンの寸法は、溝幅が５〜５０μｍ、周期が５〜５０μｍ、高さが１０ｎｍ〜１ｍｍにするのが好ましいが、この溝に粒子が凝集することにより回折光を発生させることができるものであれば、形状や寸法は、特に限定されない。また、複数の異なる形状、寸法のポケット２３を準備して、測定対象の粒子や媒体流動体に応じて選択して用いるようにしておけばより好ましい。

遠心分離機１３には、図３に示すように、遠心チューブ１２を傾斜させて取り付けることができるアングルローターを用いている。遠心分離機１３の回転速度は、０ｒｐｍ（停止状態）〜１４ｒｐｍで調整できるようにしてある。そして、遠心分離機１３に取り付けられた遠心チューブ１２の底に向けて光源１１からの入射光が照射されるようにレンズ光学系１４が形成してある。

検出器１５は、透過回折光を検出する場合は、図１に示すようにチューブ１２の蓋２２側に配置してある。検出器１５には、回折角を測定するための図示しない角度調整機構が設けられており、アパーチャ１６を通過した回折光の強度とともに回折角が検出できるようにしてある。この検出器１５には、フォトダイオードやＣＣＤが用いられる。なお、角度調整機構を設ける代わりに、複数の素子を並べたアレイセンサを用いて、回折角が計測できるようにしてもよい。

なお、図３に示した光学系では、レンズ光学系１４から検出器１５までの光路は固定してあるので、遠心チューブ１２が特定位置を通過するときに、間欠的に測定することになる。これに対し、レンズ光学系１４の光路や検出器１５までの光路を、アングルローターと同期させて回転（あるいはレンズ光学系１４および検出器１５自体も回転）させて、連続して測定できるようにしてもよい。

解析部１７は、ＣＰＵおよびＲＯＭ、ＲＡＭ等からなるコンピュータシステムで構成され、検出器１５からの検出信号を収集し、収集した検出信号から粒子に関する情報、例えば粒径、濃度等を算出する演算を行う。
制御部１８は、本装置全体の制御、例えば、光源１１の点灯、遠心分離機１３の回転・停止、回転速度の調整を行う。

次に、上記装置の計測動作の一例について説明する。ここでは、流動体試料中に含まれる粒子が拡散するときの回折光強度の変化を測定することとする。まず、測定対象となる粒子を含有する流動体試料を遠心チューブ１２に入れ、遠心分離機１３に取り付ける。
この状態で、入射光を照射し回折光を検出する。図４（ａ）は、このときの状態を説明する図である。ポケット２３を構成する円板の材料をＴ_２Ｏ_５とし、その屈折率がｎ０であるとする。流動体試料中の粒子は流動体試料全体にわたって均一に分散されている。このときの流動体試料の屈折率をｎ１（ｎ０＞＞ｎ１）とする。遠心分離をする前の屈折率差Δｎは、（ｎ０−ｎ１）である。一般に、屈折率差Δｎが大きいほど回折効率が高くなり、回折光強度は回折効率が大きいほど強くなる。したがって、屈折率差Δｎが大きいことから（ｎ０＞＞＞ｎ１）、回折光強度は強くなる。

続いて、遠心分離機１３を作動し、粒子をポケット２３に凝集させる。図４（ｂ）は、このときの状態を説明する図である。ポケット２３では、粒子が凝集して粒子密度が高くなる結果、ポケット２３の流動体試料の屈折率がｎ１からｎ２（ｎ１＜ｎ２）に変化する。その結果、屈折率差Δｎ（＝ｎ０−ｎ２）は、これまでよりも小さくなり、回折光強度も小さくなる。

続いて、遠心分離機１３を停止する。このとき遠心チューブ１２はレンズ光学系１４の光路上の位置で停止するようにして（あるいは遠心力が無視できる程度の低速回転にする）、回折光を検出する。図４（ｃ）は、このときの状態を説明する図である。遠心力が消失することにより、粒子の凝集力よりも拡散力が大きくなり、ポケット２３からの粒子の拡散が開始する。拡散が始まると、時間経過とともにポケット２３の流動体試料の粒子密度が徐々に小さくなり、ポケット２３の流動体試料の屈折率はｎ２からｎ３（ｎ１＜ｎ３＜ｎ２）に変化する。そして屈折率ｎ３は、時間とともにｎ１に近づいていく。その結果、屈折率差Δｎ（＝ｎ０−ｎ３）も時間とともに大きくなり、（ｎ０−ｎ１）に近づく。回折光強度も最初の強度に近づく。

図５は遠心分離前後の回折光強度変化を説明する図である。遠心分離が始まると、回折光強度は大きく低下し（粒子が凝集）、その後、遠心分離を停止すると元の値に戻っていく（粒子が拡散）。同種の粒子では、粒径が小さいほど拡散速度が速くなるため、遠心分離を停止してから回折光強度が戻るまでの時間は粒径に依存して変化する。このことを利用して粒径を把握することもできる。

次に、粒子の拡散測定から拡散係数や粒子径を算出する測定を行う場合について説明する。この場合は、解析部１７により演算処理を行う。
一般に、粒子の拡散による流動体試料の濃度変化は、以下の拡散方程式（１）により表現することができる。

ただし、ｕ（ｘ，ｔ）は粒子濃度、ｘは拡散による粒子の移動方向の位置座標、ｔは時間、Ｄは拡散係数である。

予め、粒子ごとに、粒子濃度の変化と回折光強度の変化との関係を求めておく。そして、測定対象の粒子を含む流動体試料について、遠心分離機１３を作動して粒子を凝集して粒子による回折格子（密度回折格子）を生成し、そのときの回折光強度を測定する。その後、回転を停止して粒子の拡散を開始する。以後、回折光強度を経時的に検出し、データを蓄積する。蓄積した経時データに基づいて、（１）式から拡散係数を求めることができる。

一般に、拡散係数Ｄと粒径ｄとの間には、次式（２）の関係がある。

ここで、ｋはボルツマン定数、Ｔは絶対温度、μ_０は粘性率である。

したがって、（２）式に、求めた拡散係数Ｄと流動体試料に用いた媒体液の粘性率とを代入して演算することにより、粒径を求めることができる。

本発明は、流動体試料中の粒子の有無や、拡散係数、粒径測定を行う粒子測定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粒子測定装置の構成を示す概略構成図。図１の粒子測定装置に用いる遠心チューブの構成を示す図。図１の粒子測定装置に用いる遠心分離機の構成と光学系とを説明する図。粒子測定の手順を説明する図。粒子の拡散による回折光強度変化を説明する図。

符号の説明

１０：粒子測定装置
１１：光源
１２：遠心チューブ
１３：遠心分離機
１４：レンズ光学系
１５：検出器
１７：解析部
１８：制御部

Claims

遠心分離機と、粒子を含有する流動体試料を入れた状態で遠心分離機に取り付けられる光透過性のチューブと、遠心分離時に前記チューブ内の粒子が凝集する領域に形成される格子状の凹凸を有するポケット領域と、ポケット領域に入射光を照射する光源と、ポケット領域に凝集する粒子により生じる回折光を検出する検出光学系とを備えたことを特徴とする粒子計測装置。
遠心分離機の回転速度の制御を行う制御部と、回転速度の制御により生じる回折光の時間変化から粒子に関する情報を計測する解析部とをさらに備えたことを特徴とする請求項１に記載の粒子計測装置。