JP2010078468A

JP2010078468A - 粒子物性測定装置

Info

Publication number: JP2010078468A
Application number: JP2008247413A
Authority: JP
Inventors: Tetsuji Yamaguchi; 哲司山口
Original assignee: Horiba Ltd
Current assignee: Horiba Ltd
Priority date: 2008-09-26
Filing date: 2008-09-26
Publication date: 2010-04-08
Anticipated expiration: 2028-09-26
Also published as: JP4944859B2

Abstract

【課題】粒子の各種物性の測定に不慣れな者であっても、視覚を介して直接的かつ容易に測定結果を理解することが可能な粒子物性測定装置を提供する。
【解決手段】液体試料中に分散している粒子の形状物性値を求める形状物性値測定機構と、該粒子の粒径を測定する粒径測定機構と、該粒子のゼータ電位を測定するゼータ電位測定機構と、を少なくとも備えた粒子物性測定装置であって、前記形状物性値測定機構及び前記粒径測定機構における測定結果データに基づき、粒子表面形状と粒子の大きさを画像として表示するための粒子画像データと、前記ゼータ電位測定機構における測定結果データに基づき、粒子のゼータ電位を該粒子の粒子表面からの層の大きさ及び／又は粒子表面からの層の色として表示するためのゼータ電位画像データと、を作成する画像データ作成部を更に備えているようにした。
【選択図】図１

Description

この発明は、アスペクト比や凝集度等の形状物性値、粒径、及び、ゼータ電位等を測定することができる粒子物性測定装置に関するものである。

近時、多様な形状を有するナノ粒子に対する産業界の需要が高まり、ナノ粒子の粒径や他の物性を詳細に計測することへの市場のニーズが高まっている。

従来のナノ粒子の物性は、アスペクト比や凝集度等の形状物性値は走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）等の電子顕微鏡又は光学顕微鏡の観察により、粒径は動的光散乱法により、分散度はゼータ電位を測定することにより、それぞれ別個の分析装置を用いて測定されている。

そして、電子顕微鏡又は光学顕微鏡を用いた場合は、画像処理結果として形状物性値や粒径が算出され、粒径分布測定装置を用いた場合の測定結果は、粒径が数値として、粒径分布がヒストグラムとして提示され、ゼータ電位測定装置を用いた場合は、ゼータ電位が数値又は分布として提示される。ゼータ電位とは、溶液中の微粒子の表面電荷であり、すなわち、溶液中の微粒子の周りに形成する電気二重層中の、液体流動が起こり始める「すべり面」の電位である。微粒子の場合、ゼータ電位の絶対値が増加すれば、粒子間の反発力が強くなり、粒子の安定性は高くなる。逆に、ゼータ電位がゼロに近くなると、粒子は凝集しやすくなる。すなわち、粒子の帯電量（荷電状態）によって、粒子の分散状態の安定性は左右されるため、溶液中の微粒子の凝集・分散制御及び特性評価に際して、ゼータ電位測定の重要度は高まってきている。

しかし、これらの測定結果は、装置の原理に熟知した測定者であれば容易に解釈することができるが、測定に不慣れな者にとっては、得られた数値や分布の持つ意味の解釈が難しいことがあった。
特開２００４−３１７１２３特開２００４−２７１２８７

そこで本発明は、粒子の各種物性の測定に不慣れな者であっても、視覚を介して直接的かつ容易に測定結果を理解することが可能な粒子物性測定装置を提供すべく図ったものである。

すなわち本発明に係る粒子物性測定装置は、液体試料中に分散している粒子のアスペクト比や凝集度等を求める形状物性値測定機構と、該粒子の粒径を測定する粒径測定機構と、該粒子のゼータ電位を測定するゼータ電位測定機構と、を少なくとも備えた粒子物性測定装置であって、前記形状物性値測定機構及び前記粒径測定機構における測定結果データに基づき、粒子表面形状と粒子の大きさを画像として表示するための粒子画像データと、前記ゼータ電位測定機構における測定結果データに基づき、粒子のゼータ電位を該粒子の粒子表面からの層の大きさ及び／又は粒子表面からの層の色として表示するためのゼータ電位画像データと、を作成する画像データ作成部を更に備えていることを特徴とする。

このようなものであれば、数値等として得られた形状物性値や粒径等の測定結果に基づき、液中における粒子の画像が作成されるので、具現化された測定結果から液中の粒子の状態を立体的かつ感覚的に把握することが可能となり、測定に不慣れな者であっても容易に測定結果を理解することができる。また、前記電場を表す画像は層として表示されて、ゼータ電位の測定結果に応じて、電場を表す層の大きさや色が異なって表示されるので、ゼータ電位の測定結果を一目で容易に把握することができ、理解度が向上する。形状物性値や粒径等の測定結果に基づいて得られた粒子画像データの粒子周囲（外縁）に、ゼータ電位測定結果に基づいて得られた電場データ（ゼータ電位画像データ）を表示するので、測定に不慣れな者にとっても、溶液中での微粒子の状態を理解しやすい。更に、これらの各種物性の測定は液中で行なわれるので、ＳＥＭ等の電子顕微鏡による乾燥状態の観察画像では分からなかった液中での粒子の状態が具体的に把握できる。

なお、本発明において色が変化するとは、色相、明度、彩度のいずれかの属性だけが変化してもよく、これらの色の三属性が組み合わさって変化してもよい。

ゼータ電位の測定結果に応じて、前記電場を表す層の大きさや色が変化するためには、前記ゼータ電位測定機構における測定結果データと、前記粒子表面からの層の大きさ及び／又は前記粒子表面からの層の色とを関連付けているテーブルを格納するテーブル格納部を更に備えていることが好ましい。

このような本発明によれば、各種物性の測定結果が数値や分布と併せて画像として表示されることにより、粒子の各種物性を初めて測定する者や、あまり測定する機会のない者にとっても、液中における粒子の存在状態が具体的なイメージとして把握できるので、各種物性の測定結果の理解度が向上する。

以下、本発明の一実施形態を図面を参照して説明する。

図１は、本実施形態に係る粒子物性測定装置１の構成の概要を示すものである。本実施形態に係る粒子物性測定装置１は、形状物性値測定機構、粒径測定機構、分子量測定機構、及び、ゼータ電位測定機構を備えているものであって、図１に示すように、透明な石英ガラス等からなり、粒子群を水等の分散媒に分散させてなる液体試料を収容するセル２と、前記液体試料にレーザ光Ｌを照射するレーザ３と、前記レーザ光Ｌを照射された液体試料中の粒子群から発される散乱光Ｓを受光し、その光子数に応じたパルス信号又は光強度のゆらぎに応じた電気信号を出力する光電子倍増管からなる受光部４１、４２と、レーザ３から発射されるレーザ光Ｌの一部を分岐するハーフミラー５１、ミラー５２、５３、及び、ミラー５３からの参照光Ｒと散乱光Ｓとを混合するハーフミラー５４からなる参照光学系５と、情報処理装置６と、を備えている。

以下に各測定機構の構成について説明する。
アスペクト比や凝集度等を測定する形状物性値測定機構は、図２に示すように、レーザ３と、偏光子１１、１４と、１／４波長板１２、１３と、受光部４１と、から構成される。偏光子１１はレーザ３から射出されたレーザ光Ｌの偏光方向を固定するために使用されているが、１／４波長板１２、１３は光軸を中心に回転可能であり、１／４波長板１２で直線偏光を楕円偏光に変換し、１／４波長板１３と、偏光子１４で楕円偏光を直線偏光に戻す。

形状物性値を測定するには、米国特許第６７２１０５１号に記載の方法を用い、まず、セル２中の液体試料のレーザ光Ｌの透過率を測定する。次いで、１／４波長板１２、１３及び偏光子１４を光軸を中心に回転させながらレーザ光Ｌを発射して、複数態様の偏光パターンにおいて、受光部４１の位置（角度）を変化させながら、所定散乱角度での散乱光Ｓの強度を測定する。そして、得られた透過率と散乱光強度比とに所定の演算処理を行うことにより、アスペクト比及び／又は凝集度を算出する。

粒径測定機構は、図３に示すように、レーザ３と、受光部４１と、コリレータ１５と、から構成される。粒径（粒径分布）を測定するには、動的光散乱法を用い、レーザ光Ｌをセル２中の液体試料に照射して、液体試料中の粒子群から発した散乱光Ｓを受光部４１で受光し、その光子数に応じたパルス信号を受光部４１から受信したコリレータ１５で、そのパルス数の時系列データから自己相関データを生成し、当該自己相関データに基づいて所定の演算処理を行うことにより前記粒子群の粒径分布を算出する。なお、本実施形態では光子数に応じたパルス信号より演算する方法について詳述したが、光強度のゆらぎに応じた電気信号より演算することも可能であるのはいうまでもない。

図３に示す実施形態では、受光部４１はレーザ光Ｌと直交する光路の散乱光Ｓを受光しているが、粒径（粒径分布）を測定する際の受光部４１の好適な位置（角度）は、液体試料の濃度によって変わり、形状物性値を測定する際に測定された液体試料のレーザ光透過率に従い、透過率が高い（液体試料の濃度が低い）ときはレーザ光Ｌと直交する光路（散乱角度９０°）の散乱光Ｓを受光し、透過率が低い（液体試料の濃度が高い）ときはレーザ光Ｌと合致する光路（散乱角度１８０°）の散乱光Ｓを受光するように、受光部４１の位置（角度）が調節される。

分子量測定機構は、図４に示すように、レーザ３と、受光部４１と、から構成される。分子量を測定するには、静的光散乱法を用い、濃度を変えた複数種類の液体試料を用い、受光部４１の位置（角度）を変化させながら、セル２中の液体試料にレーザ光Ｌを照射して、当該液体試料中の粒子群から発した散乱光Ｓの光強度の角度分布を計測する。そして、液体試料の濃度と散乱角度変化による散乱光量変化から、Ｚｉｍｍプロットを行い、粒子の分子量を算出する。形状物性値測定機構及び粒径測定機構に加え、分子量測定機構における測定結果データに基づいて粒子表面形状と粒子の大きさを画像として表示するデータを作成することもできる。

ゼータ電位測定機構は、図５に示すように、レーザ３と、白金等からなる一対の電極１６と、参照光学系５と、受光部４２と、から構成される。ゼータ電位を測定するには、電気泳動法を用い、セル２に挿入した電極１６に直流又は交流電圧を印加して、液体試料中の粒子に電界をかけながらレーザ光Ｌを照射して、所定角度で散乱される散乱光Ｓを受光し、散乱光Ｓと参照光Ｒとの振動数の差（干渉現象）を測定することにより、液体試料中の粒子の移動速度を算出する。更に、得られた移動速度に所定の演算処理を行うことによりゼータ電位を算出する。

このような各測定機構において受光部４１、４２から出力された信号は、情報処理装置６に送信される。

情報処理装置６は、ＣＰＵの他に、メモリ、キーボード等の入力手段、ディスプレイ等の出力手段等を備えた汎用乃至専用のものであり、メモリに所定のプログラムを格納し、当該プログラムに従ってＣＰＵやその周辺機器を協働動作させることによって、演算処理部６１、画像データ作成部６２、テーブル格納部６３、画像表示部６４等としての機能を発揮するように構成してある。

演算処理部６１は、各測定機構において受光部４１、４２から発したパルス信号又は光強度信号を直接又はコリレータ１５を介して受信し、所定の演算処理を行ない測定結果を算出する。

画像データ作成部６２は、演算処理部６１から各測定機構における測定結果データを取得し、前記粒子と、前記粒子の周囲に形成された電場とを、各種物性の測定結果に基づき画像として表示する画像データを作成するものである。ここで前記電場を表す層の大きさ又は色はゼータ電位の測定結果に応じて変化する。

画像データ作成部６２より作成される画像は、図６にその一例を示すように、前記粒径測定機構により測定された一次粒子の平均粒径を有する球体Ｓの周囲（外縁）に、前記ゼータ電位測定機構によるゼータ電位の測定結果から一次粒子の平均帯電量を求め、当該帯電量に基づき色等を変えて電場Ｅを層として表示するものである。この画像と同時に、ゼータ電位の測定結果に対応する色見本Ｍも合わせて表示される。また、一次粒子やそれが凝集してなる二次粒子が棒状である場合は、図７に示すように、形状物性値測定結果から得られた平均短径及び平均長径を、当該形状物性値に従い作成された楕円体や円柱等の棒状体Ｂとともに表示する。更に、図８に示すように、一次粒子が凝集して二次粒子Ａを形成している場合は、既に粒径が判明している一次粒子が何個集まって二次粒子Ａを形成しているか、どのようなフラクタル形状に凝集しているか等の凝集状態を３次元的に表示する。このような場合においても、棒状なる一次粒子Ｂや、凝集結果として棒状となった二次粒子Ａの周囲に、前記ゼータ電位測定結果から平均帯電量を求め、当該帯電量に基づき色等を変えて電場Ｅを層として表示する。すなわち、粒子画像データの粒子表面形状と、粒子の大きさのデータと、ゼータ電位の測定結果に基づくゼータ電位画像データとより、粒子表面に層として電場を表示できるようにしている。

テーブル格納部６３は、ゼータ電位の測定結果と、前記電場を表す層の大きさ又は色と、が関連付けられているテーブルを格納しているものである。

画像表示部６４は、画像データ作成部６２により作成された画像データを取得して、各種物性の測定結果を具現化して画像として表示するものである。

次に、各測定機構で測定された結果を画像として表示する手順を図９のフローチャートを参照して説明する。

まず、演算処理部６１が受光部４１、４２から発した信号を直接又はコリレータ１５等を介して受信して、所定の演算処理を行ない、各種物性の測定結果を算出する（ステップＳ１）。

次いで、画像データ作成部６２が、演算処理部６１から各種物性の測定結果データを取得する（ステップＳ２）。

続いて、画像データ作成部６２は、テーブル格納部６３から、ゼータ電位の測定結果と前記粒子の周囲に形成された電場を示す画像の大きさ又は色とが対になっているテーブルを取得して、ゼータ電位の測定結果に対応する画像の大きさや色を選び出す（ステップＳ３）。

そして、画像データ作成部６２は、前記粒子と、前記粒子の周囲に形成された電場とを、測定された物性に基づき画像として表示する画像データを作成する（ステップＳ４）。ここで前記電場を表す層の大きさ又は色はゼータ電位の測定結果に応じて変化する。

画像表示部６４は、画像データ作成部６２で作成された画像データを取得して、
各測定機構により測定された結果を画像として出力する（ステップＳ５）。

このように構成した本実施形態に係る粒子物性測定装置１によれば、数値等として得られた形状物性値や粒径等の測定結果に基づき、液中における粒子の画像が作成されるので、具現化された測定結果から液中の粒子の状態を立体的かつ感覚的に把握することが可能となり、測定に不慣れな者であっても容易に測定結果を理解することができる。また、前記電場を表す層は、ゼータ電位の測定結果に応じて、大きさや色が異なって表示されるので、ゼータ電位の測定結果を一目で容易に把握することができ、理解度が向上する。アスペクト比や凝集度等の形状物性値や粒径等の測定結果に基づいて得られた粒子画像データの粒子周囲（外縁）に、ゼータ電位測定結果に基づいて得られた電場データ（ゼータ電位画像データ）を表示するので、測定に不慣れな者にとっても、溶液中での微粒子の状態を理解しやすい。更に、これらの各種物性の測定は液中で行なわれるので、ＳＥＭ等の電子顕微鏡による乾燥状態の観察画像では分からなかった液中での粒子の状態が具体的に把握できる。

なお、本発明は前記実施形態に限られるものではない。

例えば、図６〜８では、前記電場を表す層はゼータ電位の測定結果に応じて色が変化するようにしてあるが、ゼータ電位の測定結果に応じて前記電場を表す層の大きさが変化するように、すなわち、粒子Ｓ、Ａ、Ｂ又はＢの外縁に層として表示してもよく、大きさと色とはいずれか一方又は両方を選択可能であってもよい。

本発明に係る粒子物性測定装置は、粒子物性測定装置１に備わっている全ての測定機構を有していなくともよく、例えば、分子量測定機構を備えていなくともよい。

その他、本発明はその趣旨を逸脱しない範囲で種々の変形が可能であるのは言うまでもない。

本発明の一実施形態に係る粒子物性測定装置の概要を示す模式的全体図。同実施形態における形状物性値測定機構を示す模式的構成図。同実施形態における粒径測定機構を示す模式的構成図。同実施形態における分子量測定機構を示す模式的構成図。同実施形態におけるゼータ電位測定機構を示す模式的構成図。同実施形態における測定結果を表示した画像を示す概念図。同実施形態における測定結果を表示した画像を示す概念図。同実施形態における測定結果を表示した画像を示す概念図。同実施形態における画像作成方法を示すチャート。

符号の説明

１・・・粒子物性測定装置
６２・・・画像データ作成部
Ｓ、Ｂ、Ａ・・・粒子
Ｅ・・・電場

Claims

液体試料中に分散している粒子の形状物性値を求める形状物性値測定機構と、該粒子の粒径を測定する粒径測定機構と、該粒子のゼータ電位を測定するゼータ電位測定機構と、を少なくとも備えた粒子物性測定装置であって、
前記形状物性値測定機構及び前記粒径測定機構における測定結果データに基づき、粒子表面形状と粒子の大きさを画像として表示するための粒子画像データと、
前記ゼータ電位測定機構における測定結果データに基づき、粒子のゼータ電位を該粒子の粒子表面からの層の大きさ及び／又は粒子表面からの層の色として表示するためのゼータ電位画像データと、を作成する画像データ作成部を更に備えていることを特徴とする粒子物性測定装置。
前記ゼータ電位測定機構における測定結果データと、前記粒子表面からの層の大きさ及び／又は前記粒子表面からの層の色とを関連付けているテーブルを格納するテーブル格納部を更に備えていることを特徴とする請求項１記載の粒子物性測定装置。