JP2009128048A - コールター原理及び光散乱の同時測定による粒子分析装置及び方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】 サンプル粒子を1粒子ずつ通過させるフローセル2と、フローセルにサンプル粒子を注入するサンプル粒子注入手段4と、フローセルの入口側と出口側とに電極5を設け、サンプル粒子の通過にともなうインピーダンス変化を測定する手段と、フローセルに光を照射し、サンプル粒子の表面散乱光強度を測定する手段と、各サンプル粒子ごとに測定された表面散乱光強度及びインピーダンス変化を統計処理することにより非生物学的試料の統計的な物理特性を解析する演算手段とを有し、表面散乱光強度及びインピーダンス変化は、1つ1つのサンプル粒子ごとに同時測定され、各サンプル粒子ごとの表面散乱光強度及びインピーダンス変化をそれぞれ独立パラメータとした2次元分布のばらつきにより統計的な物理特性を解析する。
【選択図】 図1
Description
一方、1粒子ずつの測定方法として、光散乱測定法がある。フローセルと呼ばれる狭い通路に粒子を1個ずつ通過させて、フローセル通過中の粒子にレーザー光を照射し、前記粒子で散乱された光を測定することにより、1つ1つの粒子の光散乱特性を測定する。細胞の各種計測などを行うサイトメトリなどに広く用いられている。
これらの粒子の測定方法は、細胞の検査に広く用いられているが、非生物学的分野への適用についてはほとんど行われていない。
特許文献4及び5には、電子写真用トナー粒子の形状を、コールター原理及びレーザー回折散乱法により測定する技術が記載されている。コールター原理による測定ではトナー粒子を1粒子ずつ測定できるものの、レーザー回折散乱法は複数の粒子からの回折光パターンを測定していることから複数のトナー粒子のマクロ的(平均的)な測定結果しか得られず、個々のトナー粒子の光学特性を得ることはできない。したがって、全体としてはトナー粒子1つ1つの物理特性を測定できず、複数の粒子のマクロ的な物理特性を測定しているのみである。
複数のサンプル粒子からなる非生物学的試料の統計的な物理特性を解析する粒子分析装置であって、
前記サンプル粒子を1粒子ずつ通過させることができるフローセルと、
前記フローセルに前記サンプル粒子を1粒子ずつ注入するサンプル粒子注入手段と、
前記フローセルの入口側と出口側とに電極を設け、前記サンプル粒子の通過にともなうインピーダンス変化を測定するインピーダンス測定手段と、
前記フローセルに光を照射し、前記サンプル粒子の表面で散乱された表面散乱光強度を測定する散乱光測定手段と、
各サンプル粒子ごとに測定された表面散乱光強度及びインピーダンス変化を統計処理することにより前記非生物学的試料の統計的な物理特性を解析する演算手段と、を有し、
前記表面散乱光強度及び前記インピーダンス変化は、1つ1つのサンプル粒子ごとに同時測定され、
前記演算手段は、各サンプル粒子ごとの表面散乱光強度及びインピーダンス変化をそれぞれ独立パラメータとした2次元分布のばらつきにより統計的な物理特性を解析する、ことを特徴とする粒子分析装置。
複数のサンプル粒子からなる非生物学的試料の統計的な物理特性を解析する粒子分析方法であって、
前記サンプル粒子をフローセルに1粒子ずつ通過させる工程と、
サンプル粒子注入手段により前記フローセルに前記サンプル粒子を1粒子ずつ注入する工程と、
前記フローセルの入口側と出口側とに電極を設け、前記サンプル粒子の通過にともなうインピーダンス変化を測定するインピーダンス測定工程と、
前記フローセルに光を照射し、前記サンプル粒子の表面で散乱された表面散乱光強度を測定する散乱光測定工程と、
各サンプル粒子ごとに測定された表面散乱光強度及びインピーダンス変化を統計処理することにより前記非生物学的試料の統計的な物理特性を解析する演算工程と、を有し、
前記表面散乱光強度及び前記インピーダンス変化は、1つ1つのサンプル粒子ごとに同時測定され、
前記演算工程は、各サンプル粒子ごとの表面散乱光強度及びインピーダンス変化をそれぞれ独立パラメータとした2次元分布のばらつきにより統計的な物理特性を解析する、ことを特徴とする粒子分析方法。
前記散乱光測定手段は、少なくとも側方散乱光を含む散乱光強度を測定するようにしてもよい。
前記散乱光測定手段は、前記サンプル粒子に複数の波長の光を同時照射し、それぞれの波長の散乱光を測定するようにしてもよい。
前記散乱光測定手段は、前記サンプル粒子に異なる偏光の光を同時照射し、それぞれの偏光の散乱光を測定するようにしてもよい。
前記サンプル粒子は、光透過度が低い粒子が好ましい。
前記演算手段は、各サンプル粒子の表面散乱光強度のばらつきを解析して光学的表面粗さを求めるようにしてもよい。
前記演算手段は、前記インピーダンス変化より求められた各サンプル粒子の粒子径または粒子体積ごとに表面散乱強度のばらつきを解析して有効真球度を求めるようにしてもよい。
前記演算手段は、前記2次元分布のばらつきにより、前記非生物学的試料の異色粒子の混合割合を解析するようにしてもよい。
なお、表面散乱光強度とインピーダンス変化の同時測定は、ほぼ同時に測定することも含む。
図1は、本実施形態における、コールター原理と光散乱の同時測定系の説明図である。容器1は、電解質溶液(食塩水など)で満たされており、フローセル2を隔てて2つに分けられている。フローセル2は、サンプル粒子3を1個ずつ通過させるために細い通路になっており、通路の側面からレーザー光を照射できるように光を透過する構造になっている。フローセル2内で流れが生じるように、容器1の一方から他方へ電解質溶液の流れを生じさせている。サンプル注入ノズル4によりサンプル粒子3を1個ずつ注入し、フローセル2内にサンプル粒子3を1個ずつ通過させる。フローセル2の入口側と出口側のそれぞれには電極5が設けられていて、サンプル粒子3がフローセル2を通過する際のインピーダンス変化を測定する(コールター原理)。また、図示されていないが、フローセル2を通過するサンプル粒子3に照射したレーザー光の散乱光強度を測定する散乱光測定手段が設けられている(光散乱測定)。
サンプル粒子3をサンプル注入ノズル4より1個ずつフローセル2内に注入し、サンプル粒子3がフローセル2を通過する際のインピーダンス変化と散乱光強度を1粒子ごとに測定することができる。各サンプル粒子ごとに測定されたインピーダンス変化と散乱光強度は、図示されていない演算手段により統計処理が行われ、必要に応じて図示されていない表示手段により解析結果が表示される。
図3は、異なる偏光のレーザー光を照射するようにした別の実施形態の説明図である。同時検出部にあるフローセルに対して、異なる偏光の光を発する第1レーザー及び第2レーザーからの光を照射している。サンプル粒子により散乱された光は、偏光散乱検出部により偏光ごとに散乱光強度が検出される。
図4は、コールター原理の説明図である。コールター原理は、W.H.Coulter氏が発明した、精密な粒子体積測定法である。2つの部屋に分けられた容器1を、サンプル粒子3を含む電解質溶液(食塩水など)で満たす。容器1の各部屋の間は細孔(アパーチャ)6でつながっていて、各部屋には電極5が設けられている。容器1の一方の部屋から他方の部屋への流れを作ることにより、サンプル粒子3が細孔(アパーチャ)6を通過し、サンプル粒子3の通過時の電極5間のインピーダンス変化を測定する。インピーダンス変化量が通過する粒子の体積に比例することが知られており、その原理を用いて粒子の体積を測定する。粒子の形状、色、表面形状、通過方向などの影響なく、粒子の体積を測定することができるという特徴がある。
図1〜図3の同時検出部は、前記コールター原理及び前記光散乱測定法に基づく各測定を個々のサンプル粒子に対して同時測定している。
・各粒子の散乱光のばらつき(CV値)を解析し、光学的表面粗さを求める。
・各粒子径ごとの散乱光のばらつき(CV値)を算出し、個数または体積の重みをつけた平均の散乱光のばらつき(CV値)を算出し、個数平均有効真球度または体積平均有効真球度を求める。
・各粒子径ごとの散乱光の平均値またはピーク値をプロットし、その曲線の傾きを求める。標準粒子(真球など)を内部標準に用いて、比較する。
・表面粗さが小さい真球状粒子の場合、傾きがほぼゼロになり、有効真球度と光学的表面粗さは一致する。
なお、さらに、コールター原理に、粒子通過時間(つまり、パルス幅)を加えれば、通過時間から粒子長さがわかり、形状の違いを求められる。
図6及び図7に、本実施形態による実験結果1のグラフを示す。図6は、試料A(左側のグラフ)と試料B(右側のグラフ)について、本実施形態により散乱光強度とコールター原理の測定をした結果を示すグラフである。グラフの横軸はコールター原理により測定された粒子体積から算出された粒径、縦軸は側方散乱光強度である。試料A(点線枠内)については、粒径(横軸方向)がほぼ一定の範囲内にあるが、散乱光強度(縦軸方向)にばらつきがあることがわかる。これは、粒径はほぼ均一であるものの、個々の粒子の形状が一定していないことを示している。ちなみに、試料Aはラテックスビーズである。一方、試料B(点線枠内)については、散乱光強度(縦軸方向)がほぼ一定の範囲内にあるが、粒径(横軸方向)にばらつきがあることがわかる。これは、個々の粒子の形状がほぼ真球であり、散乱光強度は一定の範囲内にあるが、異なる粒径の粒子が混在していることを示している。多数の粒子の統計的な真球度を示す有効真球度は、試料Aについては13%、試料Bについては3.4%で、試料Bの真球度が高いことがわかる。
図7は、図6のグラフについて、縦軸を個数にしたグラフである。グラフ(a)及び(b)は試料Bに関するもので、縦軸が個数、グラフ(a)の横軸はコールター原理による粒径、グラフ(b)の横軸は散乱光強度である。同様に、グラフ(c)及び(d)は試料Aに関するもので、縦軸が個数、グラフ(c)の横軸はコールター原理による粒径、グラフ(d)の横軸は散乱光強度である。図7の個々のグラフの情報からでもサンプル粒子の物理特性をある程度解析することができるが、図6のように個々の粒子の情報を2次元分布させることでより詳細な情報を得ることができる。
図11は、図10と同じトナーについて、散乱光強度についても測定したグラフである。左から、赤色トナー、黄色トナー、黒色トナーに対応し、上側のグラフは横軸が散乱光強度、縦軸が個数(%)であり、下側のグラフは本発明の特徴である横軸が粒子体積、縦軸が散乱光強度のグラフである。上側にある散乱光強度のグラフでもトナー粒子の物理特性についてある程度の傾向がわかるが、やはり下側にある粒子体積−散乱光強度の分布図の方がトナー粒子の物理特性が正確にわかる。この図から、黄色及び赤色のトナーの形状は真球に近いことがわかり、黒色トナーの形状にはばらつきがあることがわかる。これらの測定結果から、赤色トナーは平均粒子径が5.69(μm)、平均粒子体積が96.52(μm)3、光学的表面粗さが30.39%であり、黄色トナーは平均粒子径が5.62(μm)、平均粒子体積が92.36(μm)3、光学的表面粗さが28.91%であり、黒色トナーは平均粒子径が5.15(μm)、平均粒子体積が71.87(μm)3、光学的表面粗さが34.36%であることがわかる。
Claims (9)
- 複数のサンプル粒子からなる非生物学的試料の統計的な物理特性を解析する粒子分析装置であって、
前記サンプル粒子を1粒子ずつ通過させることができるフローセルと、
前記フローセルに前記サンプル粒子を1粒子ずつ注入するサンプル粒子注入手段と、
前記フローセルの入口側と出口側とに電極を設け、前記サンプル粒子の通過にともなうインピーダンス変化を測定するインピーダンス測定手段と、
前記フローセルに光を照射し、前記サンプル粒子の表面で散乱された表面散乱光強度を測定する散乱光測定手段と、
各サンプル粒子ごとに測定された表面散乱光強度及びインピーダンス変化を統計処理することにより前記非生物学的試料の統計的な物理特性を解析する演算手段と、を有し、
前記表面散乱光強度及び前記インピーダンス変化は、1つ1つのサンプル粒子ごとに同時測定され、
前記演算手段は、各サンプル粒子ごとの表面散乱光強度及びインピーダンス変化をそれぞれ独立パラメータとした2次元分布のばらつきにより統計的な物理特性を解析する、ことを特徴とする粒子分析装置。 - 前記散乱光測定手段は、少なくとも側方散乱光を含む散乱光強度を測定する、ことを特徴とする請求項1記載の粒子分析装置。
- 前記散乱光測定手段は、前記サンプル粒子に複数の波長の光を同時照射し、それぞれの波長の散乱光を測定する、ことを特徴とする請求項1または2記載の粒子分析装置。
- 前記散乱光測定手段は、前記サンプル粒子に異なる偏光の光を同時照射し、それぞれの偏光の散乱光を測定する、ことを特徴とする請求項1〜3いずれか記載の粒子分析装置。
- 前記サンプル粒子は、光透過度が低い粒子である、ことを特徴とする請求項1〜4いずれか記載の粒子分析装置。
- 前記演算手段は、各サンプル粒子の表面散乱光強度のばらつきを解析して光学的表面粗さを求める、ことを特徴とする請求項1〜5いずれか記載の粒子分析装置。
- 前記演算手段は、前記インピーダンス変化より求められた各サンプル粒子の粒子径または粒子体積ごとに表面散乱強度のばらつきを解析して有効真球度を求める、ことを特徴とする請求項1〜6いずれか記載の粒子分析装置。
- 前記演算手段は、前記2次元分布のばらつきにより、前記非生物学的試料の異色粒子の混合割合を解析する、ことを特徴とする請求項1〜7いずれか記載の粒子分析装置。
- 複数のサンプル粒子からなる非生物学的試料の統計的な物理特性を解析する粒子分析方法であって、
前記サンプル粒子をフローセルに1粒子ずつ通過させる工程と、
サンプル粒子注入手段により前記フローセルに前記サンプル粒子を1粒子ずつ注入する工程と、
前記フローセルの入口側と出口側とに電極を設け、前記サンプル粒子の通過にともなうインピーダンス変化を測定するインピーダンス測定工程と、
前記フローセルに光を照射し、前記サンプル粒子の表面で散乱された表面散乱光強度を測定する散乱光測定工程と、
各サンプル粒子ごとに測定された表面散乱光強度及びインピーダンス変化を統計処理することにより前記非生物学的試料の統計的な物理特性を解析する演算工程と、を有し、
前記表面散乱光強度及び前記インピーダンス変化は、1つ1つのサンプル粒子ごとに同時測定され、
前記演算工程は、各サンプル粒子ごとの表面散乱光強度及びインピーダンス変化をそれぞれ独立パラメータとした2次元分布のばらつきにより統計的な物理特性を解析する、ことを特徴とする粒子分析方法。
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