JP2008096191A - 誘電泳動特性評価方法 - Google Patents

Abstract

【課題】ナノ粒子を含む微粒子の誘電泳動特性を、蛍光体の付着等の前処理を施すことなく、定量的に評価することのできる誘電遠藤特性評価装置を提供する。
【解決手段】媒体中に移動可能に粒子群が分散してなる液体もしくはゲル状試料を保持する容器１内に、当該容器１内で試料に接する位置または近接する位置に電極対２を設け、その電極対２に対して電源３から正負の交流電圧を印加するとともに、容器１内に光Ｌｓを導入して当該光Ｌｓの通過部位における試料の屈折率を検出する屈折率検出手段５を備え、その屈折率検出手段５の出力を取り込み、電極対２に電圧を印加した状態での屈折率の経時変化から、媒体中の粒子群の誘電泳動特性に係る情報を収集するデータ収集部６を設けた構成とすることで、容器１内の粒子群の誘電泳動による濃度分布の発生に起因する屈折率変化から、粒子群の誘電泳動の向きと大きさ等の定量的評価を可能とする。
【選択図】 図１

Description

本発明は、ナノ粒子をはじめとする微小粒子の媒体中での誘電泳動特性を評価する装置に関する。

粒子径が１００ｎｍ以下のいわゆるナノ粒子は、同じ材質であっても通常のバルク物質とは異なる性質を表し、さまざまな分野で利用され始めている。このようなことから、微小粒子の性質を評価することが重要となってきている。

ナノ粒子をはじめとする微小粒子の評価方法として、誘電泳動法が知られている。誘電泳動現象電荷を持たない粒子であっても、強い不均一電界をかけることで粒子に電気分極を生起させ、均一でない電界であるが故に分極した正負の電荷に対する引力平衡の崩れで粒子が移動する現象である。

微粒子の誘電泳動特性を観察する方法の典型的なものは、従来、泳動中の粒子を顕微鏡で観察する方法である。しかし、粒子のサイズが光学顕微鏡で観察できる限界を下回るナノ粒子については、顕微鏡で観察することができないことから、蛍光体をナノ粒子に化学的に結合させることで、粒子が光学分解以下であっても蛍光発光の輝度分布を観察する方法がある。このような方法で粒子が誘電泳動で移動する様子を、顕微鏡を介して蛍光発光の強度分布としてビデオに記録する方法が知られている（例えば非特許文献１参照）。
鷲津正夫，川端智久，黒沢修，鈴木誠一 "誘電泳動による生体分子のハンドリング技術と分離技術への応用"，電子情報通信学会論文誌 Ｃ Ｖｏｌ．Ｊ８３−Ｃ Ｎｏ．１，ｐｐ１−８ ２０００年８月

以上のような従来の蛍光体を粒子に付着させてビデオ観察を行う誘電泳動法による粒子の評価方法では、粒子に蛍光体を付着させるための手間が必要であるばかりでなく、蛍光体を付着できない粒子については評価できないという問題がある。

また、ビデオ撮影結果から評価するため、泳動力の定量化が困難であり、更に、ナノ粒子のような微小粒子では、誘電泳動力が粒子径の３乗（体積）に比例するので、粒子径が小さいほど極度に誘電泳動力が小さくなり、ビデオ撮影結果からの検出が困難となる。

本発明はこのような実情に鑑みてなされたもので、ナノ粒子を含む微粒子の誘電泳動特性を、蛍光体の付着等の前処理を施すことなく、定量的に評価することのできる誘電泳動特性評価装置の提供をその課題としている。

上記の課題を解決するため、本発明の誘電泳動特性評価装置は、媒体中に移動可能に粒子群が分散してなる液体またはゲル状試料を保持する容器と、その容器内に、当該容器内の試料に接する位置または近接する位置に設けられた電極対と、その電極対に対して正負の電圧を印加する電源と、上記容器内に導入するための光を発生する光源と、その導入された光を用いて当該光の通過部位における試料の屈折率を検出する屈折率検出手段と、その屈折率検出手段の出力を取り込み、上記電極対に電圧を印加した状態での屈折率の経時変化から、媒体中の粒子群の誘電泳動特性に係る情報を収集するデータ収集部を備えていることをによって特徴付けられる（請求項１）。

ここで、本発明においては、上記光源からの光に対して、上記容器を電極対の形成面に直交する方向に移動させる移動機構を備えている構成（請求項２）を採用することができる。

また、本発明においては、上記容器に対する上記光源からの光の導入位置を、電極対の形成面に直交する方向に移動させる機構を備えている構成（請求項３）を構成することもできる。

そして、以上の請求項２または３に係る発明を採用する場合、データ収集・解析部には、容器または光の導入位置を移動させて得た各位置での屈折率検出結果の差分値を求める手段を含んだ構成（請求項４）を採用することが好ましい。

また、屈折率検出手段としては、上記光源から上記容器内の粒子群の濃度勾配が生じている部位に導入されたサンプル光と、上記光源から上記濃度勾配の影響を受けない位置を経たリファレンス光とを用いた光ヘテロダイン法に基づく検出手段とすること（請求項５）ができる。

本発明は、容器内で媒体中に移動可能に分散する粒子群に対して交流電圧を印加することによって粒子の誘電泳動を生起させ、これによって生じる容器内の粒子の局所的な濃度変化を、容器外から照射する光の屈折率を検出することによって測定することで、課題を解決しようとするものである。

すなわち、容器内で媒体中に移動可能に分散する粒子群に対して電極対を通じて交流電圧を印加すると、粒子群は誘電泳動によりその電極対に対して引き寄せられ（正の誘電泳動）、あるいは遠ざけられる（負の誘電泳動）。これにより、容器内の粒子濃度は一様ではなく、電極対との位置関係に関連した分布を持つ状態となる。

一方、粒子群が分散している媒体の屈折率は、粒子群の濃度によって変化する。そこで、電極対に交流電圧を印加して粒子群が誘電泳動している状態で、容器内の所定位置に光を照射し、その屈折率の経時的変化を検出することにより、粒子群の移動の速さや向きに係る情報、つまり誘電泳動の強さや向き等に係る情報を得ることができる。ここで、誘電泳動の向きは、例えば電極対から離れた位置に光を照射する場合、正の誘電泳動の場合は粒子群は次第に電極対へと向けて移動することから、粒子濃度は次第に低下していき、これをもって正の誘電泳動であると把握できる。

また、請求項２に係る発明、あるいは請求項３に係る発明のように、容器を移動させるか、容器に対する光の導入位置を移動させる機構を備えることにより、容器内での光の照射位置、従って容器内での屈折率の検出位置の電極対に対する位置を任意に変化させることができる。このような光の照射位置の変更を同じ試料に対して行うことにより、例えば誘電泳動現象の及ぶ範囲を容易に把握することが可能となる。

そして、請求項４に係る発明のように、上記した容器もしくは光の導入位置を移動させる機構を用いて、上記と同様に同じ試料に対する光の照射位置を変化させて得た各位置での屈折率の検出結果について、例えば屈折率が大きくなった位置と小さくなった位置における検出結果の差分をとることで、各検出結果が微弱であっても高感度で誘電泳動特性の評価を行うことが可能となる。

本発明によれば、無機の微粒子のみならず、端白質やＤＮＡなどの生体分子等、各種微粒子の誘電泳動特性を定量的に測定することができ、特に、従来の測定方法では蛍光体を付着してビデオ観察しかできなかったナノ粒子をはじめとする微粒子の誘電泳動特性の定量的な測定が可能となり、各種分野でのナノ粒子の使用に際しての特性掌握に有用な測定ツールとして期待される。

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全体構成図であり、機械的・光学的構成を表す模式図とシステム構成を表すブロック図とを併記して示す図であり、図２はその容器１の構造を表す斜視図である。

容器１はこの例において直方形であり、その内部に、媒体中に被測定粒子が移動可能に分散している試料が収容される。容器１の底面１ａには２本の電極２ａ，２ｂからなる電極対２が形成されている。この電極対２には、電源３から交流電圧（高周波電圧）が印加される。

容器１を構成する各壁体のうち、少なくとも互いに対向する２枚の側壁１ｂ，１ｃはガラス等法に基づく屈折率計測のためのサンプル光Ｌｓが導かれる。そのサンプル光Ｌｓは、電極対２の形成面である容器１の底面１ａから上方に所定の距離を隔てた位置を通過するように容器１内に導かれ、他方の側壁１ｃを介して外部へと向かう。また、容器１の外部にはリファレンス光Ｌｒが導かれる。これらのサンプル光Ｌｓおよびリファレンス光Ｌｒは、位相が揃った変調光が用いられる。

すなわち、共通の光源４からの光をハーフミラー４ａによって分岐させ、一方をサンプル光Ｌｓとして容器１内に導き、他方をリファレンス光Ｌｒとして容器１外に導いている。容器１を経たサンプル光Ｌｓはミラー４ｂによってハーフミラー４ｃへと導かれるとともに、リファレンス光Ｌｒはミラー４ｄにより同じくハーフミラー４ｃへと導かれ、ここでサンプル光Ｌｓとリファレンス光Ｌｒとが重ね合わされる。そして、その重ね合わされたサンプル光Ｌｓとリファレンス光Ｌｒは検出部５に取り込まれる。

サンプル光Ｌｓは、後述するように、試料の屈折率に応じた位相の進み／遅れが生じるのに対し、リファレンス光Ｌｒは光源４から出力された位相を維持し、これにより両光を重ね合わせることによってビートが生じる。検出部５は、そのサンプル光の位相の進み／遅れ、従って容器１内の試料の屈折率変化をビート信号の変化量として捕らえる。

検出部５の出力はデータ収集・解析部６に取り込まれる。このデータ収集・解析部６は、検出部５によって検出された試料のビート信号から、屈折率の経時変化に係る情報を求め、その結果等を表示器７に表示する。

容器１は上下動機構１０に搭載されており、この上下動機構１０を駆動することによって容器１が鉛直方向に移動し、これにより、図２に示すように、サンプル光Ｌｓの容器１に対する入射位置が例えばＬｓ（１）〜Ｌｓ（３）と鉛直方向に変化し、容器１の底面に形成されている電極対２とサンプル光Ｌｓとの距離が変化する。

前記した電源３，光源４、検出部５、データ収集・解析部６、表示部７並びに上下動機構１０は、いずれも制御部８の制御下に置かれており、この制御部８は以下の一連の測定動作を制御する。

次に、以上の本発明の実施の形態の作用について述べる。図３および図４はその説明図であり、それぞれ容器１内における粒子群の挙動を表す模式図と容器１内の上下方向への屈折率の分布を表すグラフトを併記して示す図である。なお、図３，図４においてＰは粒子を表している。ここで、以下の説明では、粒子の屈折率が媒体よりも大きい場合について説明する。

容器１内に粒子群Ｐ・・Ｐを液体等の媒体中に分散させた試料を収容した状態で、電極対２に交流（高周波）電圧を印加すると、この媒体と粒子との組み合わせた試料が正の誘電泳動特性を持つ場合、図３のように粒子Ｐは電極対２に引き寄せられていく。この粒子群Ｐの誘電泳動により、容器１内の屈折率分布は右のグラフに示される通りとなり、電極対２から遠ざかるほど屈折率が低くなっていく。逆に、負の誘電泳動特性を持つ場合には、図４に示すように、電極対２への交流電圧の印加により粒子は電極対２から遠ざかっていき、右のグラフに示されるように屈折率分布を生じる。

さて、例えば図３にＬｓ（１）で示される、電極対２に近い位置を通過するサンプル光の光軸上において、屈折率が高くなるとそのサンプル光Ｌｓ（１）の位相は遅れ、屈折率が低くなると位相は進むことになるが、この変化は、光ヘテロダイン計測では、図５にグラフを示すように、サンプル光とリファレンス光のビート信号の変化量として捕らえることができる。

図６は、電極対２に交流電圧を印加して粒子Ｐを誘電泳動させたときのサンプル光Ｌｓ（１）の位相変化と屈折率変化の時間的な関係を示すグラフで、誘電泳動特性が正の場合を例にとって示している。粒子Ｐを液体等の媒体中に分散させた試料を容器１内に充填した状態で、電極対２に対して交流電圧を印加すると、粒子Ｐは電極対２へと向けて誘電泳動し、電極対２付近に集まった粒子によってサンプル光Ｌｓ（１）の位相変化、つまり屈折率変化を生じる。その変化の向きにより、誘電泳動が正であるか負であるかを知ることができ、また、その変化の速さから誘電泳動の強さを知ることができる。

ここで、サンプル光の光束が大きい場合や、誘電泳動力が弱い場合には、以上の屈折率変化の検出感度が低くなる。このような場合、上下動機構１０を駆動して容器１を徐々に下降させる。これにより、サンプル光の容器１内の光軸は図３のＬｓ（１）〜Ｌｓ（３）に示すように変化する。サンプル光の位置が例えばＬｓ（１）とＬｓ（２）に位置している状態での各屈折率の検出結果の差分をとることによって、高感度に誘電泳動特性を評価することが可能となる。

ここで、以上の説明においては、粒子の屈折率が分散媒（媒体）の屈折率に比して大きい場合について述べたが、粒子の屈折率が分散媒の屈折率に比して小さいときは、逆に粒子濃度が高くなるほど屈折率が低くなり、サンプル光の位相は進む。従って、本発明を適用して誘電泳動特性を評価するに当たっては、粒子と分散媒の屈折率の大小は既知であることが望ましい。

また、サンプル光の電極対２に対する距離を変化させて計測を行うことにより、各計測結果から誘電泳動が及ぶ範囲を知ることもできる。

次に、実際に粒子を誘電泳動させ、電極から遠い領域と近い領域のそれぞれにおいて屈折率の時間的変化を測定した結果について述べる。

粒子はＤｕｋｅ社製の直径５０ｎｍのポリスチレン粒子とし、媒体は水として、粒子を濃度０．１Ｖｏｌ％で分散させた試料を用いた。容器１と電極対の構成は、図７に示したものを用いた。この図７の構成においては、電極対を形成する各電極２０ａ，２０ｂをそれぞれ櫛形として、それぞれの電極指が互いに平行に交互に位置するように配置した。各櫛形の電極２０ａ，２０ｂは、ライン幅（各電極指とこれらを接続する部分）およびスペース幅（隣接する電極指相互の間隔）をそれぞれ１０μｍとし、厚さ５０〜１００ｎｍのＡｕ電極とした。この電極２０ａ，２０ｂ間に、２００ｋＨｚ，１００Ｖｐｐの交流電圧を２秒間にわたって印加し、各粒子Ｐを誘電泳動させ、その後、３８秒間にわたって電圧停止状態とし、その間、サンプル光を図中Ｌｓ（１）で示すように電極形成面にほぼ沿わせた位置としてサンプル光の位相変化を計測した。また、その位置から２００μｍ上方のＬｓ（２）で示す位置として、他は全く同じ条件のもとに計測を行った。その各計測結果を図８および図９にグラフで示す。

図８，図９から明らかなように、容器１内で電極２０ａ，２０ｂに沿った位置（図８）と離れた位置（図９）では、位相のシフトする向きが異なる結果を得た。この結果から、本発明装置により、粒子の誘電泳動の向きと強さに係る情報を、ほぼ定量的に把握することが可能であることが確かめられた。

ここで、以上の実施の形態においては、容器１を電極対２の形成面に直交する方向に移動させることにより、サンプル光の容器１中での透過位置を変化させた例を示したが、これとは逆に、容器１を固定し、サンプル光の光軸を上記と同方向に移動させても、同様の作用効果を得ることができる。なお、光ヘテロダイン計測のための光学系を２組用意し、それぞれのサンプル光が容器中を透過する位置を上記と同様の方向に相違させることも考えられるが、装置が大掛かりとなってコストも高くなる。

また、以上の実施の形態においては、リファレンス光Ｌｒについて容器１の外を通した例を示したが、リファレンス光Ｌｒは図１０に示すように、容器１内の粒子の濃度勾配の影響を受けない位置を通過させてもよい。更に、電極対の形状や構成については、上記した例に限定されるものではないことは言うまでもない。

本発明の実施の形態の全体構成図であり、機械的・光学的構成を表す模式図とシステム構成を表すブロック図とを併記して示す図である。 図１における容器１の構造を表す斜視図である。 本発明の実施の形態の作用説明図で、粒子の屈折率が媒体よりも高く、かつ、正の誘電泳動特性を持つ場合の説明図である。 同じく本発明の実施の形態の作用説明図で、粒子の屈折率が媒体よりも高く、かつ、負の誘電泳動特性を持つ場合の説明図である。 本発明の実施の形態における光ヘテロダイン法に基づく屈折率の変化検出の説明図である。 本発明の実施の形態における測定動作を表すグラフであり、（Ａ）は電極対への印加電圧波形、（Ｂ）はサンプル光の位相変化、（Ｃ）は試料の屈折率変化をそれぞれ表すグラフである。 本発明を適用した装置により実際に粒子の誘電泳動特性を計測したときに用いた容器１および電極構成の説明図である。 図７の容器を用いた誘電泳動特性の計測結果を示すグラフであり、図７のＬｓ（１）の位置にサンプル光を通過させたときの位相変化の時間的変化を示すグラフである。 同じく図７の容器を用いた誘電泳動特性の計測結果を示すグラフであり、図７のＬｓ（２）の位置にサンプル光を通過させたときの位相変化の時間的変化を示すグラフである。 本発明の他の実施の形態の要部構成の説明図で、リファレンス光を容器内を通過させる場合の説明図である。

符号の説明

１ 容器
２ 電極対
２ａ，２ｂ，２０ａ，２０ｂ 電極
３ 電源
４ 光源
４ａ，４ｄ ハーフミラー
４ｂ，４ｃ ミラー
５ 検出部
６ データ収集・解析部
７ 表示部
８ 制御部
１０ 上下動機構
Ｌｓ サンプル光
Ｌｒ リファレンス光
Ｐ 粒子

Claims (5)

1. 媒体中に移動可能に粒子群が分散してなる液体またはゲル状試料を保持する容器と、その容器内に、当該容器内の試料に接する位置または近接する位置に設けられた電極対と、その電極対に対して正負の電圧を印加する電源と、上記容器内に導入するための光を発生する光源と、その導入された光を用いて当該光の通過部位における試料の屈折率を検出する屈折率検出手段と、その屈折率検出手段の出力を取り込み、上記電極対に電圧を印加した状態での屈折率の経時変化から、媒体中の粒子群の誘電泳動特性に係る情報を収集して解析するデータ収集・解析部を備えていることを特徴とする誘電泳動特性評価装置。
2. 上記光源からの光に対して、上記容器を当該光の進行方向に直交する方向に移動させる移動機構を備えていることを特徴とする請求項１に記載の誘電泳動特性評価装置。
3. 上記容器に対する上記光源からの光の導入位置を、当該光の進行方向に直交する方向に移動させる機構を備えていることを特徴とする請求項１に記載の誘電泳動特性評価装置。
4. 上記データ収集・解析部は、上記容器もしくは光の導入位置を移動させて得た各位置での屈折率検出結果の差分値を求める手段を含んでいることを特徴とする請求項２または３に記載の誘電泳動特性評価装置。
5. 上記屈折率検出手段は、上記光源から上記容器内の粒子群の濃度勾配が生じている部位に導入されたサンプル光と、上記光源から上記濃度勾配の影響を受けない位置を経たリファレンス光とを用いた光ヘテロダイン法に基づく検出手段であることを特徴とする請求項１、２、３または４のいずれか１項に記載の粒子径計測装置。

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