JP2007003417A - 光学的計測装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 媒体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】 セル１１と、金属膜２１と、光源２２と、光検出器２４と、光源からの光を金属膜２１に導いて表面プラズモン共鳴を生じさせるとともに金属膜で反射された検出光を光検出器２４に導く光学系２３とを備え、金属膜２１は、媒体が存在する状態で試料供給流路１３からセル１１内に試料が注入されるときに試料が一時的に支配的に存在する試料供給流路１３の近傍に形成されることで、拡散による試料濃度の変化の影響を表面プラズモン共鳴により測定する。
【選択図】図１

Description

本発明は、表面プラズモン共鳴（ＳＰＲ）を利用して、液体やゲル状体のような流動体中の試料に関する情報、特に流動体中に含まれる粒子に関する情報を、光学的に計測する光学的測定装置に関し、さらに詳細には粒子の拡散・移動による屈折率変化から、流動体中に含まれる粒子に関する情報を光学的に測定する光学的測定装置に関する。本発明は、例えば流動体中の粒子の拡散係数、粒子濃度、粒径等の測定に適用することができる。

金属薄膜を形成し、金属薄膜の裏側から光を入射すると、その光は反射するとともに、金属薄膜の表面側に微弱なエバネッセント波（エバネッセント光）を生じる。金属薄膜表面が誘電体（試料液体）に接触していると、金属薄膜表面には表面プラズモンが発生する。表面プラズモンの波数がエバネッセント波の波数と一致すると、金属薄膜表面近傍の電子が共鳴し、光のエネルギーの一部が共鳴により吸収され、反射光の一部が減衰する表面プラズモン共鳴現象を生じる。このとき、金属薄膜表面と接する誘電体の誘電率（したがって屈折率）が変化すると、それはエバネッセント波に影響を与え、表面プラズモン共鳴に影響を与える。したがって、金属薄膜表面に接する誘電体の誘電率、ひいては屈折率の変化を、表面プラズモン共鳴の変化として捉えることができる。

この原理を用いて、表面プラズモン共鳴を利用して、被分析溶液の屈折率を測定することが開示されている（特許文献１参照）。
さらに、この文献によれば、表面プラズモン共鳴を起こす金属薄膜と、交流電圧を印加して非分析溶液に含まれる分子や粒子を誘電泳動するための電極対とを容器面に形成し、表面プラズモン共鳴を起こす金属薄膜上に、誘電泳動現象を利用して所望の分子や粒子を集めることにより、分子や粒子の屈折率を測定することが開示されている。
特開２００３−６５９４７号公報

上述した特許文献１に開示された屈折率の測定方法では、交流電圧を印加して誘電泳動を起こしたり、交流電圧の印加を停止して誘電泳動を停止したりして、金属薄膜上に集める粒子の大きさ（質量）や形状を選択し、分析を行っている。このように、誘電泳動により粒子の集中（濃縮）を行うと、粒子の集中度が粒子の種類や性質（分極率、大きさ、電荷等）等の特性によって変化することとなった。
また、誘電泳動は、媒体が非電解性の流動体（液体またはゲル状体）である場合に限定される。生体高分子のような粒子の場合には、電解質の流動体中に存在させておくことが多いので、流動体が電解性か非電解性であるかとは無関係に測定可能な測定法が望まれる。
さらに、粒子は中性粒子に限られる。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。
このように、流動体中の粒子を集中（濃縮）する際に、誘電泳動のような電気的作用を利用する方法は、適用範囲が限られていた。

そこで本発明は、電解質流動体中の粒子であっても、非電解質流動体中の粒子であっても、中性粒子であっても、荷電粒子であっても、光学的に流動体中の粒子の測定を行うことができ、媒体や粒子の電気的性質によらず、粒子の測定を行うことができる光学的測定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光学的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光学的測定装置は、試料と媒体とを混合するセルと、セル内で試料と媒体とが接する部分に形成される金属膜と、光源と、光検出器と、光源からの光を金属膜に導いて表面プラズモン共鳴を生じさせるとともに金属膜で反射された検出光を光検出器に導く光学系とを備えた光学的測定装置であって、セルは、試料供給弁を有する試料供給流路が接続される上流側空間と、排出弁を有する排出流路が接続される下流側空間とが空間的に連続するように構成され、金属膜は、媒体が存在する状態で試料供給流路からセル内に試料が注入されるときに試料が一時的に支配的に存在する試料供給流路の近傍に形成されるようにしている。

本発明によれば、金属膜は試料供給流路の近傍に形成される。試料供給弁の操作（あるいは試料供給弁と排出弁との操作）によって試料供給流路からセルに試料が注入されると、金属膜近傍は一時的に試料供給流路からセル内に注入される試料で覆われ、媒体は金属膜近傍から除去される。この状態で、光源から金属膜に光を照射して、表面プラズモン共鳴を生じさせることにより、試料供給流路から注入された試料が接するときのプラズモン共鳴を測定する。
一方、予め試料を含まない媒体だけの状態で、媒体に接するときの表面プラズモン共鳴を測定しておき、両者のプラズモン共鳴の変化を求める。プラズモン共鳴の変化は金属膜に接する物質の屈折率の変化を表しているので、予めプラズモン共鳴と屈折率との関係データをデータとして持っておくことにより（例えば検量線を作成しておく）、測定データから試料の屈折率や濃度等の試料に関する情報を光学的に求めることができる。

ここで、試料は、試料供給流路からセルに注入できる流動性があるものであれば、中性粒子、荷電粒子に限らず測定が可能である。試料は試料供給流路から液状（あるいはゲル状）にして供給することが好ましいが、セル内に媒体（液体またはゲル状体）を満たしておいて、固体の粒子のみを送り込んでもよい。試料に含まれる粒子は、セル内において注入直後の上流側空間に局在する状態から、上流側空間と下流側空間との全体に拡散した状態に遷移していく。試料に含まれる粒子の拡散により流動体の屈折率や濃度が経時変化するので、表面プラズモン共鳴現象を利用して流動体の屈折率や濃度の変化をモニタすることにより、粒子に関する情報を得ることができる。媒体は、電解液であっても非電解液であってもよく、試料により選択すればよい。

セルの材質は、光源からの光を透過して金属膜に照射できる材料であればよい。セルの形状は、特に限定されないが、セル内に注入された試料に含まれる粒子が拡散することができる十分な空間があればよい。
金属膜にはＡｕを用いるのが好ましいが、Ａｇ、Ｃｕ、Ａｌ、Ｐｔ等の表面プラズモン共鳴を生じることができる材料であればよい。
光源には、単波長のレーザ光源を用いるのが好ましいが、白色光光源と回折格子等とで、単色光を抽出して照射するようにしてもよい。光検出器には、反射光において表面プラズモン共鳴による吸収線である暗線の角度が測定できるラインセンサ、ＣＣＤを用いるのが好ましい。フォトダイオードや光電子増倍管を検出器とし、これに角度調整機構を設けたものでもよい。

本発明によれば、試料が中性粒子であるか荷電粒子であるかに制限されることなく、また、媒体が電解質液か、非電解質液であるかに制限されることなく、試料濃度や屈折率、拡散係数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。

（その他の課題を解決するための手段及び効果）
上記発明において、セルは、さらに媒体供給弁を有する媒体供給流路が接続されるようにしてもよい。
これにより、測定前および測定後に媒体供給弁を操作して媒体供給流路から媒体を注入して、内部の流動体を交換することができるので、セル内を媒体で簡単に洗浄し、またセルを取り外すことなく連続して測定を行うことができる。

また、上記発明において、セルは長手方向を有し、長手方向の一端が上流側空間の端部壁面となるとともに、長手方向の他端が下流側空間の端部壁面となり、上流側空間の端部壁面またはその近傍の側壁に試料供給流路が接続され、さらに、上流側空間の端部壁面またはその近傍の側壁に金属膜が形成されるようにしてもよい。
これによれば、セル内に注入された試料は、セル内の長手方向に向けて、上流側空間の端部壁面近傍から下流側空間の端部壁面近傍まで拡散することができる。

この場合において、上流側空間の端部壁面が底面となり、下流側空間の端部壁面が上面となり、試料が底面側から注入され、上面側から排出されるようにしてもよい。
これによれば、粒子が底面から上面に拡散することにより、重力の影響による粒子の沈降による移動現象を除いた測定を行うことができる。

また、上記発明において、媒体供給弁の制御による媒体の注入、試料供給弁の制御による試料の注入、排出弁の制御によるセル内の流動体の排出を行うとともに、セル内への試料の注入に連動して光源および光検出器の制御による表面プラズモン共鳴の測定を行う制御部を備えるようにしてもよい。
これによれば、測定前の媒体の注入、試料の注入、試料注入に連動しての表面プラズモン共鳴の測定、測定後のセル内の流動体の排出を制御部により実行することができるので、試料注入からの経時変化の測定を正確に測定することができ、粒子の拡散に関する情報を自動的に正確に測定することができる。

また、上記発明において、金属膜は回折格子を形成するようにしてもよい。金属膜を回折格子状に形成することにより、プリズムを用いることなくプラズモン共鳴の測定を行うことができる。

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光学的測定装置の全体構成を示す概略構成図、図２はそのセル部分の構成を示す図である。

この光学的測定測定装置１０は、セル１１、試料供給部１２、試料供給流路１３、試料供給弁１４、媒体供給部１５、媒体供給流路１６、媒体供給弁１７、排出弁１８、排出流路１９、排出部２０、金属薄膜２１、光源２２、プリズム（光学系）２３、検出器２４、解析部２５、制御部２６とからなる。

セル１１は、上下方向に長軸方向を有するガラス製の角セルであり、セル内部に流動体が注入できるようにしてある。セルの形状は、角セル以外でもよいが、注入された試料が拡散できる空間を有するようにしてある。

セル１１の底面（下面）近傍の側壁には試料供給弁１４が取り付けてあり、試料供給部１２から試料供給流路１３を経て送られる試料を、試料供給弁１４の開閉制御によりセル１１内に注入するようにしてある。試料供給部１２には、必要に応じて送液ポンプが取り付けてある。
試料供給流路１３（試料供給弁１４）とセル１１の壁面との接続部の開口は、試料の流れがセル１１の底面に沿った流れになるように底面に平行に向けられている。なお、試料供給流路１３とセル１１との接続部の開口を底面に設けてもよいが、その場合は、試料の流れが底面に沿った方向に向くように、開口部の直上に整流板を取り付けておく。このようにして、試料が試料供給流路１３から注入された直後は、セル１１の上流側空間に試料が注入され、やがて拡散により下流側空間にも拡散により試料が広がるようにする。

同様に、セル１１の底面（下面）近傍の側壁には、媒体供給弁１７が取り付けてあり、媒体供給部１５から媒体供給流路１６を経て送られる媒体を、媒体供給弁１７の開閉制御によりセル１１内に注入するようにしてある。媒体供給部１５にも必要に応じて送液ポンプが取り付けられている。
なお、媒体供給流路１６を接続しないときは、上部に着脱可能な蓋を取り付けてそこから必要に応じて媒体を供給したり、洗浄したりするようにしてもよい。

セル１１の上面近傍の側壁には排出弁１８が取り付けてあり、セル１１から排出される流動体が排出流路１９を経て排出部２０に送られる。
セル１１の底面（下面）には表面プラズモン共鳴を生じさせるためのＡｕの金属薄膜２１が形成される。なお、粒子が金属薄膜２１に吸着することを防ぐために、表面プラズモン共鳴の測定に支障がない薄さの保護膜を金属薄膜表面に被覆しておいてもよい。

セル１１の底面外側（外面側）には、光源２２からの入射光を金属薄膜２１に導き、かつ、金属薄膜２１からの反射光を光検出器２４に導くプリズム２３が、マッチングオイルを挟んで取り付けられている。
光源２２は、単波長の光源としてレーザ光源が用いられている。また、検出器２４には、反射光（検出光）に存在する暗線の角度変化を検出できるようにラインセンサが用いられている。

解析部２５および制御部２６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る。解析部２５は、光検出器２４からの反射光の検出信号を収集し、収集した検出信号から屈折率の変化を求め、屈折率の変化から粒子に関する情報、例えば粒径、濃度、拡散係数等を算出する演算を行う。また、反射光強度の角度分布データをグラフ化して表示し、暗線の角度を解析する。
制御部２６は、本装置全体の制御、すなわち試料供給弁１４、媒体供給弁１７、排出弁１８の開閉制御、光源２２の点灯制御、検出器による測定制御、解析部２５による演算制御を行う。

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、試料液中に含まれる粒子が拡散するときの屈折率変化を測定することとする。
まず、媒体供給弁１７と排出弁１８とを開き、セル１１内を洗浄し、セル１１内を媒体で満たした状態で媒体供給弁１７と排出弁１８とを閉じる。

セル１１内が媒体で満たされた状態で、光源２２を点灯し、金属薄膜２１からの反射光を光検出器２４により検出し、解析部２５により、反射光強度の角度分布データを解析しこれに含まれる暗線の角度を算出する。図３（ａ）は、このときのセルの状態と解析部２５により算出される暗線角度を説明する図である。図に示すように反射光強度の角度分布データには暗線角度に相当する位置に吸収ピークが現れている。

続いて、試料供給弁１４と排出弁１８とを開き、金属薄膜２１を覆う程度の量の試料を注入する。注入終了と同時に、試料供給弁１４と排出弁１８とを閉じる。
そして、光源２２を点灯し、金属薄膜２１からの反射光を光検出器２４により検出し、解析部２５により、反射光の角度分布データを解析し、これに含まれる暗線の角度を算出する。図３（ｂ）は、このときのセルの状態と解析部２５により算出される暗線角度を説明する図である。試料が金属薄膜２１を覆うことにより、金属薄膜２１に接する物質の屈折率が変化することにより、表面プラズモン共鳴による暗線角度が大きくシフトする。このシフト量は屈折率の変化量に依存する。予め、屈折率と暗線シフト量との関係（検量線）を求めておくことにより、解析部２５による演算を行い、屈折率の変化を求めることができる。
さらに、このときの暗線シフトの角度変化を経時的に測定する。図３（ｃ）は、しばらくして粒子が拡散したときのセル状態と解析部２５により算出される暗線角度を説明する図である。図に示すように、金属薄膜２１上の粒子の濃度が希薄になるにつれて屈折率が変化する。これに伴い、表面プラズモン共鳴の暗線角度のシフト量は減衰してくる。すなわち、粒子の拡散に伴って、金属薄膜２１近傍の試料が希薄になり、その結果、屈折率が変化することにより、暗線角度のシフト量が元に戻る方向に変化し、やがてセル１１内で完全に拡散するまでシフト量が変化する。

このとき暗線角度のシフト量は、試料濃度変化に対応しており、また、屈折率変化に対応している。したがって、予め検量線を求めておくことで、シフト量から試料濃度も求めることができる。

また、このときの試料に含まれる粒子の大きさにより、拡散の速度が異なる。図４は、異なる粒子径を含む試料についての暗線角度の変化を示す図である。図に見られるように、粒径が大きくなるにつれて、暗線角度のシフト速度が遅くなり、したがって拡散速度が遅くなることを示している。

次に、暗線角度のシフト速度から粒子の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。この場合も、解析部１７により演算処理を行う。
一般に、拡散による試料の濃度変化は、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。

粒子濃度の変化は、プラズモン共鳴の暗線角度の変化として求められる。したがって、測定対象試料について、暗線シフトの経時変化を測定する。この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と試料液に用いた媒体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。

図５は、本発明の他の実施形態である光学的測定装置のセル部分の構成を示す図である。
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。本実施形態では、セル３１の内壁の全面に金属薄膜３２を形成している。
そして、プリズム３３をセル３１の底面近傍の側壁に取り付けている。この実施形態ではセル側面を用いて表面プラズモン共鳴の測定を行うことができる。プリズム３３と同様のプリズムを側壁に複数個取り付けて、深さ方向の表面プラズモン共鳴の変化を測定することもできる。また、セル３１の長手方向を水平方向にして、水平方向に拡散させるときの表面プラズモン共鳴を測定することもできる。

図６は、本発明の他の実施形態である光学的測定装置のセル部分の構成を示す図である。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。本実施形態では、セル１１の底面（下面）に表面プラズモン共鳴を生じさせるためのＡｕの金属回折格子２１ａが形成される。本実施形態のように、金属薄膜を単一膜ではなく、回折格子状に形成することにより、プリズム２３を用いなくても表面プラズモン共鳴を生じさせることができる。

また、図７は、図６と同様に、表面プラズモン共鳴を生じさせるためのＡｕの金属回折格子２１ｂを形成したものである。但し、図６とは格子形状が異なり、三角波状の格子形状としている。本実施形態ではセル下面側から励起光を照射するのではなく、セル内面側に励起光を照射し、回折格子２１ｂによる反射光を検出することにより、表面プラズモン共鳴の測定を行うようにしている。

本発明は、液体試料中の粒子に関する情報の測定、例えば拡散係数、粒径等を光学的行う光学的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光学的測定装置の全体構成を示す概略構成図。 図１のセル部分の構成を示す図。 表面プラズモン共鳴による測定状態を説明する図。 粒径をパラメータとする表面プラズモン共鳴の経時変化を説明する図。 本発明の他の一実施形態である光学的測定装置のセル部分の構成を示す図。 本発明の他の一実施形態である光学的測定装置のセル部分の構成を示す図。 本発明の他の一実施形態である光学的測定装置のセル部分の構成を示す図。

符号の説明

１０： 光学的測定装置
１１： セル
１４： 試料供給弁
１７： 媒体供給弁
１８： 排出弁
２１： 金属薄膜
２１ａ： 金属回折格子
２２ｂ： 金属回折格子
２２： 光源
２３： プリズム（光学系）
２４： 光検出器
２５： 解析部
２６： 制御部

Claims (6)

1. 試料と媒体とを混合するセルと、セル内で試料と媒体とが接する部分に形成される金属膜と、光源と、光検出器と、光源からの光を金属膜に導いて表面プラズモン共鳴を生じさせるとともに金属膜で反射された検出光を光検出器に導く光学系とを備えた光学的測定装置であって、
   セルは、試料供給弁を有する試料供給流路が接続される上流側空間と、排出弁を有する排出流路が接続される下流側空間とが空間的に連続するように構成され、
   金属膜は、媒体が存在する状態で試料供給流路からセル内に試料が注入されるときに試料が一時的に支配的に存在する試料供給流路の近傍に形成されることを特徴とする光学的測定装置。
2. セルは、さらに媒体供給弁を有する媒体供給流路が接続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。
3. セルは長手方向を有し、長手方向の一端が上流側空間の端部壁面となるとともに、長手方向の他端が下流側空間の端部壁面となり、上流側空間の端部壁面またはその近傍の側壁に試料供給流路が接続され、さらに、上流側空間の端部壁面またはその近傍の側壁に金属膜が形成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。
4. 上流側空間の端部壁面が底面となり、下流側空間の端部壁面が上面となり、
   試料が底面側から注入され、上面側から排出されることを特徴とする請求項３に記載の光学的測定装置。
5. 媒体供給弁の制御による媒体の注入、試料供給弁の制御による試料の注入、排出弁の制御によるセル内の液体の排出を行うとともに、セル内への試料の注入に連動して光源および光検出器の制御による表面プラズモン共鳴の測定を行う制御部を備えたことを特徴とする請求項１に記載の光学的測定装置。
6. 金属膜は、回折格子を形成することを特徴とする請求項１に記載の光学的測定装置。

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