JP2007198804A - Viscosity measuring instrument using particle - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、粒子を用いて各種液体の粘度を測定する新しい原理に基づく粘度測定装置に関し、特に微細な流路における液体の粘度を正確に測定することのできる粘度測定装置に関する。 The present invention relates to a viscosity measuring device based on a new principle of measuring the viscosity of various liquids using particles, and more particularly to a viscosity measuring device capable of accurately measuring the viscosity of a liquid in a fine flow path.
各種液体等の粘度を測定する粘度計として、従来、細管式粘度計、回転粘度計、超音波を用いた振動式粘度計などが知られている。 Conventionally, as a viscometer for measuring the viscosity of various liquids, a capillary viscometer, a rotational viscometer, a vibration viscometer using ultrasonic waves, and the like are known.
細管式粘度計は、溶融物等の被測定液が細管を通過するときの粘性抵抗を測定するものであり、シリンダ内に収容した被測定液をピストンで押圧することによって細管を通して流出させ、そのときのピストンの流出速度やピストンに作用させた荷重等から、被測定液の粘度を求める(例えば特許文献1参照)。 The capillary tube viscometer measures the viscous resistance when a liquid to be measured such as a melt passes through the thin tube, and the liquid to be measured contained in the cylinder is caused to flow through the thin tube by being pressed by a piston. The viscosity of the liquid to be measured is determined from the flow rate of the piston at the time, the load applied to the piston, and the like (see, for example, Patent Document 1).
また、回転粘度計は、被測定液中にロータを浸した状態で回転させ、被測定液の粘性によりロータに作用する制動力を検出し、その検出結果を粘度に換算する(例えば特許文献2参照)。 The rotational viscometer rotates with the rotor immersed in the liquid to be measured, detects the braking force acting on the rotor due to the viscosity of the liquid to be measured, and converts the detection result into viscosity (for example, Patent Document 2). reference).
更に、超音波を用いた振動式粘度計は、振動子と振動センサを取り付けた振動体を被測定液中に浸漬し、振動子に交流電圧を印加して振動体に振動を与え、そのときの振動子と振動センサとの位相差を検出し、あらかじめ求めておいた液体の粘度と位相差の関係から被測定液の粘度を求めるものなどが知られている(例えば特許文献3参照)。
ところで、微細加工技術を利用してガラス等の基板上に液が流れる微小な溝のネットワークを形成し、生化学等の各種操作や検出を1枚のチップ上に集積化したμ−TAS(マイクロ総合分析システム)をはじめとするMEMS技術を利用したシステムや要素において、例えば数十μm程度の幅の微細な流路内で化学反応や生物反応を生起させる際に、流路が狭すぎると理論値よりも反応速度が遅くなることがある。このことから、液体の粘度が微細流路内で高くなるのではないかと疑われている。 By the way, a micro-groove technology is used to form a network of minute grooves through which a liquid flows on a substrate such as glass, and various operations and detection such as biochemistry are integrated on a single chip. In systems and elements that use MEMS technology (including comprehensive analysis systems), for example, when a chemical reaction or biological reaction occurs in a fine flow channel with a width of about several tens of μm, the flow channel is too narrow. The reaction rate may be slower than the value. From this, it is suspected that the viscosity of the liquid may increase in the fine channel.
しかしながら、前記したものをはじめとする従来の粘度計では、以上のような狭い領域における液体の粘度を計測することができず、上記の疑いを実証する手段がないのが実情である。 However, conventional viscometers such as those described above cannot measure the viscosity of the liquid in the narrow region as described above, and there is no means to prove the above suspicion.
また、従来の粘度計においては、粘度を計測するために必要な被測定液は、一般に数十ccのオーダーで必要であり、被測定液量が少ない場合にはその粘度を測定することができないという問題もある。 Further, in the conventional viscometer, the liquid to be measured necessary for measuring the viscosity is generally required on the order of several tens of cc, and the viscosity cannot be measured when the amount of the liquid to be measured is small. There is also a problem.
本発明はこのような実情に鑑みてなされたもので、従来の粘度計に比して被測定液の量が少なくてもその粘度を計測することができ、かつ、μ−TASをはじめとするMEMSの要素内で流動するような狭い領域における液の粘度を正確に計測することのできる、粒子を用いた粘度計の提供をその課題としている。 The present invention has been made in view of such circumstances, and can measure the viscosity even when the amount of the liquid to be measured is small as compared with the conventional viscometer, and includes μ-TAS. An object of the present invention is to provide a particle-based viscometer that can accurately measure the viscosity of a liquid in a narrow region that flows in a MEMS element.
上記の課題を解決するため、本発明の粒子を用いた粘度計は、被測定液中に粒子径が既知の粒子群を拡散させてなる懸濁液を保持する容器と、直流,周波数変調、電圧変調を含む所定のパターンもしくは任意に設定できるパターンの電圧を発生する電源と、上記容器に設けられ、上記電源からの電圧を印加することにより容器内に規則的に並ぶ電界分布を発生させる電極対と、その電極対への電源からの電圧の印加の制御により、上記容器内の懸濁液中の粒子に作用する泳動力により生じる粒子群の密度分布に起因する回折格子の生成と、その消滅を制御する制御手段と、容器内の上記回折格子の生成部位に向けて光を照射する光源と、その光の上記回折格子による回折光を検出する光検出器と、その光検出器により検出される回折光強度の時間的変化から上記粒子群の拡散の速度に係る情報を求めるとともに、その結果と上記粒子群の粒子径とから、被測定液の粘度を求める解析・演算手段を備えていることによって特徴づけられる(請求項1)。 In order to solve the above problems, a viscometer using the particles of the present invention includes a container for holding a suspension obtained by diffusing particles having a known particle diameter in a liquid to be measured, direct current, frequency modulation, A power source that generates a voltage of a predetermined pattern including voltage modulation or a pattern that can be arbitrarily set, and an electrode that is provided in the container and generates an electric field distribution regularly arranged in the container by applying a voltage from the power source By controlling the application of voltage from the power source to the pair and the electrode pair, generation of a diffraction grating due to the density distribution of the particle group caused by the migration force acting on the particles in the suspension in the container, and Control means for controlling the extinction, a light source for irradiating light toward the generation site of the diffraction grating in the container, a photodetector for detecting the diffracted light of the light by the diffraction grating, and detection by the photodetector Of diffracted light intensity It is characterized by having an analysis / calculation means for obtaining the viscosity of the liquid to be measured from the result and the particle diameter of the particle group from the result and the particle diameter of the particle group, while obtaining information on the diffusion speed of the particle group from the interim change. (Claim 1).
ここで、本発明においては、上記粒子群の拡散の速度に係る情報が拡散係数であり、上記解析・演算手段は、その拡散係数と上記粒子群の粒子径を用いてアインシュタイン・ストークスの式から被測定液の粘度を算出する構成(請求項2)を好適に採用することができる。 Here, in the present invention, the information relating to the diffusion speed of the particle group is a diffusion coefficient, and the analysis / calculation means uses the diffusion coefficient and the particle diameter of the particle group to calculate from the Einstein-Stokes equation. A configuration for calculating the viscosity of the liquid to be measured (Claim 2) can be suitably employed.
本発明は、液体中における粒子は誘電泳動もしくは電気泳動により移動すること、および、液体中における粒子の拡散のしやすさが、温度が一定であれば液の粘度と粒子径に依存することを利用し、被測定液に粒子径既知の粒子群を拡散させて懸濁液の状態として容器内に収容し、その懸濁液に対して電極対を通じて空間周期的な電界分布を作用させることで粒子群による回折格子を生成させ、その回折格子に対して光を照射して得られる回折光の強度を検出し、電界分布を変化させたときの回折光の経時的変化から、被測定液の粘度を求めるものである。 The present invention states that particles in a liquid move by dielectrophoresis or electrophoresis, and that the ease of particle diffusion in a liquid depends on the viscosity and particle diameter of the liquid if the temperature is constant. By diffusing particles with a known particle size into the liquid to be measured and storing it in a container as a suspension, and applying a spatial periodic electric field distribution to the suspension through the electrode pair Generate a diffraction grating by particle groups, detect the intensity of the diffracted light obtained by irradiating the diffraction grating with light, and change the diffracted light over time when the electric field distribution is changed. Viscosity is obtained.
すなわち、被測定液に対して粒子径が既知の粒子群を混入・拡散させた懸濁液の状態で容器内に収容し、その容器に設けた電極対に電圧を印加することによって容器内部に規則的に並ぶ電界分布を発生させると、粒子に泳動力が作用して粒子群による回折格子が生成される。この粒子群による回折格子は、電極対に対する電圧印加の停止ないしは周波数変調あるいは電圧変調により消滅する。その粒子群による回折格子の生成部位に向けて光を照射し、回折格子により回折した光を検出し、回折格子の消滅過程における回折光強度の時間的変化を計測すると、その時間的変化は、被測定液中での粒子群の拡散に関する情報となる。粒子径は既知であるため、測定時における温度とから、被測定液の粘度を算出することができる。 In other words, the particles are stored in a container in the state of a suspension in which a group of particles having a known particle diameter is mixed and diffused with respect to the liquid to be measured, and a voltage is applied to the electrode pair provided in the container to bring it into the container. When a regularly arranged electric field distribution is generated, a migration force acts on the particles to generate a diffraction grating composed of particles. The diffraction grating formed of the particle group disappears by stopping the voltage application to the electrode pair or by frequency modulation or voltage modulation. When irradiating light toward the generation site of the diffraction grating by the particle group, detecting the light diffracted by the diffraction grating, and measuring the temporal change of the diffracted light intensity in the annihilation process of the diffraction grating, the temporal change is This is information on the diffusion of the particle group in the liquid to be measured. Since the particle diameter is known, the viscosity of the liquid to be measured can be calculated from the temperature at the time of measurement.
具体的には、請求項2に係る発明のように、回折光強度の時間的変化から被測定液中での粒子の拡散係数を求め、アインシュタイン・ストークスの式から被測定液の粘度を算出することができる。
Specifically, as in the invention according to
以上の構成において、被測定液中での粒子群の泳動による回折格子の生成とその消滅は、極めて狭い領域で生じさせることができ、容器の厚さを数100μm以下程度に設定することにより、μ−TAS等で用いられる溝内部と同等の領域における被測定液の粘度を計測することができる。また、微細領域中での被測定液の粘度以外の、通常領域での被測定液の粘度を測定する場合においても、容器厚さを例えば数mm程度とすることで、粘度計測に要する被測定液量を少なくすることが可能となる。 In the above configuration, the generation and extinction of the diffraction grating by the migration of the particle group in the liquid to be measured can be generated in a very narrow region, and by setting the thickness of the container to about several hundred μm or less, It is possible to measure the viscosity of the liquid to be measured in a region equivalent to the inside of the groove used in μ-TAS or the like. In addition, when measuring the viscosity of the liquid to be measured in the normal region other than the viscosity of the liquid to be measured in the fine region, the measurement to be performed for viscosity measurement is performed by setting the container thickness to, for example, about several mm. The amount of liquid can be reduced.
以上のように、本発明によれば、被測定液中に粒子径が既知の粒子群を拡散させた状態で容器内に収容し、その容器内部に規則的に並ぶ電界を発生させて粒子群による回折格子を生成させるとともに、その回折格子の消滅過程における回折光強度の時間的変化から、被測定液中における粒子の拡散に係る情報を得て、その拡散に係る情報と粒子径とから、被測定液の粘度を算出するので、容器の幅をμ−TASをはじめとするMEMSにおける要素中での流路と同等の狭い領域での粘度を計測することができ、この種の分野における液の挙動の解明に有用であると期待される。 As described above, according to the present invention, a group of particles having a known particle diameter is diffused in a liquid to be measured and stored in a container, and an electric field regularly arranged in the container is generated to generate the group of particles. From the temporal change of the diffracted light intensity in the annihilation process of the diffraction grating, the information related to the diffusion of the particles in the liquid to be measured is obtained from the information related to the diffusion and the particle diameter. Since the viscosity of the liquid to be measured is calculated, it is possible to measure the viscosity of the container in a narrow region equivalent to the flow path in the element in the MEMS such as μ-TAS. It is expected to be useful for elucidating the behavior of
また、狭い領域での粘度に限らず、通常の粘度の計測に際しても、数mm以下程度の小さな容器を用いて被測定液の粘度を計測することが可能となることから、従来の各種方式に基づく粘度計に比して、被測定液の所要量を大幅に少なくすることができる。 In addition to the viscosity in a narrow area, it is possible to measure the viscosity of the liquid to be measured using a small container of several mm or less when measuring normal viscosity. Compared with the viscometer based, the required amount of the liquid to be measured can be greatly reduced.
以下、図面を参照しつつ本発明の実施の形態について説明する。
図1は本発明の実施の形態の構成図であり、光学的構成を表す模式図と電気的構成を表すブロック図とを併記して示す図である。また、図2は図1における容器1の模式的断面図と、電極対21,22に対する電圧印加のための回路図とを併記して示す図であり、図3は図1における容器1中に設けられている電極対のパターンの例を示す図である。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
FIG. 1 is a configuration diagram of an embodiment of the present invention, and is a diagram illustrating a schematic diagram showing an optical configuration and a block diagram showing an electrical configuration. 2 is a diagram showing both a schematic cross-sectional view of the
装置は、粘度の被測定液中に粒子径が既知の粒子群を分散させてなるサンプル懸濁液Lが充填される容器1と、その容器1内に設けられている電極対2と、その電極対2に対して電圧を印加する電源3と、容器1に対して光を照射する照射光学系4と、電極対2への電圧の印加により容器内1で生じる粒子群の密度分布による回折格子からの回折光を測定する検出光学系5と、容器1内に前記したサンプル懸濁液Lを供給するサンプル輸送部6、容器1内部の温度を計測する温度計測部7、および装置全体を制御するとともに、検出光学系5および温度計測部7からの出力を取り込んでデータ処理を施す制御・データ収集・解析部8を主体として構成されている。
The apparatus includes a
容器1は、図2に示すように、互いに平行で、かつ、透明材料からなる壁体11,12を含む全体として直方体形状を有しており、壁体12の内側の表面に電極対2が形成されている。そして、この例において、容器1は、壁体11,12間の間隔が数100μm以下とされており、これらの壁体11,12を含めて、容器1の材質は例えば石英ガラスであって、MEMS技術の応用により容易に製作することができる。
As shown in FIG. 2, the
電極対2は、図3に例示するように、それぞれが略櫛形をした電極21,22からなり、各電極21,22はそれぞれ、互いに平行な複数の直線状の電極片21a・・21a,22a・・22aと、これらの各電極片21a・・21a,22a・・22aを接続する接続部21b,22bによって構成されている。各電極21,22において、各電極片21a・・21a並びに22a・・22aは、2本の電極片21a,21aまたは22a,22aが互いに隣接配置された電極片偏在領域と、電極片が存在しない電極不存在領域を交互に形成した形状とされ、一方の電極の電極片偏在領域の2本の電極片21a,21aまたは22a,22aが、他方の電極の電極片不存在領域に入り込んだ状態となっている。これにより、全体として電極片21aと22aが一定の間隔を開けて平行に2本ずつ交互に、かつ、相互に絶縁を保ち配置された状態となっている。なお、各電極片21a,22aの幅は10μm程度である。
As illustrated in FIG. 3, the
以上の電極対2には、図2に示すような結線のもとに電極電源3からの電圧が印加され、この電圧の印加により容器1に収容されている懸濁液L内に電界分布が発生し、その電界分布により、後述するように試料懸濁液L中の粒子群が泳動し、粒子群の密度分布による回折格子が生成される。電極電源3の出力電圧、換言すれば電極対2に対する印加電圧は、制御・データ収集・解析部8により後述するように制御される。
A voltage from the
照射光学系4は、ほぼ単色化された光を概略平行光束に成形した状態で出力し、その出力光は容器1の電極対2の形成面に向けて照射される。照射光学系4の光源としては、レーザやLED等の単色光のみを放射するものを好適に用いることができるが、連続波長光源をバンドパスフィルタや分光器などで疑似単色化した光を用いてもよい。
検出光学系5は、照射光学系4からの光のうち、後述する容器1内の粒子群の密度分布による回折格子で回折した例えば1次の回折光が出射される方位に配置される。この検出光学系5は、例えばアパーチャ5aと光検出器5bによって構成されている。この検出光学系5によって、容器1内の粒子群の密度分布による回折格子が作る回折光の強度の変化が時系列に計測される。
The irradiation optical system 4 outputs substantially monochromatic light in a state of being formed into a substantially parallel light beam, and the output light is irradiated toward the formation surface of the
The detection optical system 5 is arranged in the direction in which, for example, the first-order diffracted light diffracted by the diffraction grating based on the density distribution of the particle group in the
以上の構成において、被測定液中に、粒子径が既知の粒子、好ましくは単分散で粒子径が揃っている粒子、粒子径の一例としては10〜100nm程度、を分散させた状態で容器1内に導入した状態で、電極対2を構成する各電極21,22間に、電極電源3から交流電圧を印加すると、その電極パターンに応じた電界の分布が容器1内のサンプル懸濁液L中に形成され、その電界の分布に基づく誘電泳動により、粒子群の高密度領域Pが形成される。図2に示す電極パターンにおいては、一方の電極21の電極片21aと他方の電極22の電極片22aとが隣接している部分に、粒子群の高密度領域Pが形成される。この粒子群の高密度領域Pは、従って、電極片21a,22aのピッチの2倍のピッチで互いに平行に形成されることになり、その複数の粒子群の高密度領域Pにより回折格子が生成される。このような回折格子の生成状態において、電極対に対する電圧の印加を例えば停止することにより、粒子群は拡散を開始し、サンプル懸濁液L中の粒子群の空間密度は均一化していき、粒子群の密度分布による回折格子はやがて消滅する。
In the above configuration, the
粒子群の密度分布による回折格子に対して照射光学系4からの光を照射することにより、その光は回折格子によって回折を受け、その回折光の強度は回折格子の消滅過程で次第に弱くなっていく。図4に電極対2に対して印加される電圧波形と、粒子群の密度分布が作る回折格子による回折光の強度の時間的変化の例をグラフで示す。この例では、一定の電圧V0 の正弦波様の交流電圧を電極対2に印加し、粒子に誘電泳動を作用させて回折格子を生成させ、その電圧の印加を停止することにより誘電泳動力の作用を停止させた例を示している。
By irradiating light from the irradiation optical system 4 to the diffraction grating due to the density distribution of the particle group, the light is diffracted by the diffraction grating, and the intensity of the diffracted light gradually becomes weaker in the process of extinction of the diffraction grating. Go. FIG. 4 is a graph showing an example of a voltage waveform applied to the
この粒子群の密度分布による回折格子の消滅過程における回折光強度の時間的変化は、被測定液中での粒子の拡散のしやすさに依存する。すなわち、回折光強度の時間tに対する変化を計測することにより、粒子群の拡散係数を求めることができる。例えば、1次回折光の時間的変化I(t)は、拡散係数Dと以下の関係がある。
I(t)∝exp[−2・q2 ・D・t] ・・・(1)
ここでqは、粒子の密度分布による回折格子のピッチ(グレーティング周期)をΛとしたとき、
q=2π/Λ ・・・(2)
である。
The temporal change in the diffracted light intensity during the annihilation process of the diffraction grating due to the density distribution of the particle group depends on the ease of diffusion of the particles in the liquid to be measured. That is, the diffusion coefficient of the particle group can be obtained by measuring the change of the diffracted light intensity with respect to time t. For example, the temporal change I (t) of the first-order diffracted light has the following relationship with the diffusion coefficient D.
I (t) ∝exp [-2 · q 2 · D · t] (1)
Where q is the pitch (grating period) of the diffraction grating due to the density distribution of the particles as Λ,
q = 2π / Λ (2)
It is.
一方、液体中の粒子の拡散係数Dは、液体の粘度をη、粒子の粒子径をd、絶対温度をTとすると、ボルツマン定数kを用いて下記のアインシュタイン・ストークスの式が成り立つことが知られていてる。
D=kT/3πηd ・・・(4)
On the other hand, the diffusion coefficient D of the particles in the liquid is known to satisfy the following Einstein-Stokes equation using the Boltzmann constant k, where η is the viscosity of the liquid, d is the particle diameter of the particles, and T is the absolute temperature. It has been.
D = kT / 3πηd (4)
制御・データ収集・解析部8では、検出光学系5の出力に基づく1次回折光の時間的変化I(t)から、(1)式を用いてサンプル懸濁液中の粒子の拡散係数Dを算出するとともに、その拡散係数Dと、温度計測部7からの温度検出値T、および、既知の粒子径dを用いて、被測定液の粘度ηを算出する。
In the control / data collection /
ここで、容器1は前記したように壁体11,12間の間隔が数100μm以下と狭小であり、従って、以上の計算により求められる粘度ηは、狭小領域における被測定液の粘度を表す値となる。現実に、容器1の壁体11,12間の間隔を十分に広くした場合、拡散係数はその間隔を変化させても一定の値をとるが、その間隔を上記のように数100μm以下と狭くすると拡散係数は小さくなる。これは、液体が狭小領域においては、広い領域での粘度と異なる値をとることにほかならず、μ−TAS等における液体の挙動を確かめることが可能となった。
Here, as described above, the interval between the
なの、以上の実施の形態においては、容器1を狭小なものとして、狭小領域における被測定液の粘度を算出したが、本発明の粘度計は、このような狭小領域における粘度のみならず、容器1の壁体11,12間の間隔を十分に広くして、上記と同様の測定を行うこともできる。この場合において、例えば壁体11,12間の間隔を数mm程度とすることにより、従来の既存の各種粘度計に比して、測定のためのサンプルの所要量を大幅に少なくすることができる。
In the above embodiment, the
また、以上の実施の形態においては、電極対2に対して交流電圧を印加して粒子に誘電泳動力を生じさせて粒子の密度分布による回折格子を生成させた後、その印加を停止することによって粒子を拡散させたが、誘電泳動力が生じやすい周波数の交流電圧を印加して回折格子を生成した後、誘電泳動力が生じにくい周波数に変調してもよく、また、交流電圧の振幅を変化させてもよい。なお、交流電圧の波形は正弦波様やパルス様など、任意である。誘電泳動により電解密度の高い電極対2の近傍へ粒子が移動する正の力が働く場合と、粒子が電極から遠ざかる負の力が働く場合があるが、いずれでもよい。更に、電極対2に対して直流電圧を印加し、粒子に電気泳動力を作用させて捕集してもよい。
In the above embodiment, an alternating voltage is applied to the
また、以上の実施の形態においては、電極対2として、電極21と22の電極片21a,22aを2本ずつ交互に配置した。これにより、電極片21a,22aが作る回折格子と粒子群の密度分布による回折格子のグレーティング周期を異なるものとし、粒子群の密度分布による回折格子からのm+1次の回折光が電極片21a,22aによる回折光とは異なる方位に現れ、これにより、粒子群の密度分布による回折格子からの回折光のみを検出することが可能となる。しかしながら、本発明はこれに限定されることなく、電極片21aと22aを1本ずつ交互に配置した電極構成を採用することもでき、この場合、回折光は粒子群の密度分布による回折格子からの回折光と電極片21a,22aからの回折光とを同時に検出することになるが、回折光の時間的変化は粒子群の密度分布による回折光のみに生じるため、その変化を抽出することにより、上記と同等の作用効果を奏することができる。電極片21a,22aの幅は10μmに限定されているものではなく、1μm〜10μm程度でもよい。粒子の密度分布による回折格子のピッチ(グレーティング周期)Λも1μm〜100μm程度でもよい。
Moreover, in the above embodiment, as the
更にまた、以上の実施の形態においては、被測定液に粒子群を分散させたサンプル懸濁液Lを容器1に対して導入するためのサンプル液輸送部6を設けたが、装置外で容器1に対してサンプル懸濁液を充填し、その容器1を装置内の規定部位に位置決めするように構成し得ることは言うまでもない。
Furthermore, in the above embodiment, the sample
1 容器
2 電極対
21,22 電極
21a,22a 電極片
21b,22b 接続部
3 電極電源
4 照射光学系
5 検出光学系
6 サンプル液輸送部
7 温度計測部
8 制御・データ収集・解析部
P 粒子の高密度領域
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