JP2011149793A - ゼータ電位測定装置 - Google Patents

Abstract

【課題】ユーザが所望する対象のゼータ電位を測定することが可能なゼータ電位測定装置を提供する。
【解決手段】ゼータ電位測定装置１は、供給されたナノバブル９を保持するための観察セル１５と、観察セル１５にレーザ光Ｌ１、Ｌ２を照射するレーザ照射部５と、レーザ光Ｌ１、Ｌ２が照射された領域の微細バブル９の画像を撮像して画像データを出力する撮像部６と、画像データが入力される制御装置７とを備えている。制御装置７は、画像データに基づいて、ナノバブル９のゼータ電位ζを算出する。
【選択図】図１

Description

本発明は、ナノバブルまたはマイクロバブルの微細バブルのゼータ電位を測定するためのゼータ電位測定装置に関する。

電気泳動法や流動電位法等により徴小な対象のゼータ電位を測定するためのゼータ電位測定装置が知られている。更に、電気泳動法は、顕微鏡電気泳動法と、レーザドップラー法とに区別することができる。特許文献１には、電気泳動法により気泡が樹脂に包含された気泡のゼータ電位をポテンシャル計を用いて測定した技術が開示されている。

特開２００８−１００９５６号公報

しかしながら、特許文献１の技術では、複数の徴小な対象のうち、何れの気泡のゼータ電位を測定しているかが不明であり、ユーザが所望する対象のゼータ電位を測定できないといった課題がある。

本発明は、上述した課題を解決するために創案されたものであり、ユーザが所望する対象のゼータ電位を測定することが可能なゼータ電位測定装置を提供することを目的としている。

上記目的を達成するために、請求項１に記載の発明は、供給された微細バブルを貯溜するための観察セルと、前記観察セルにレーザ光を照射するレーザ照射部と、前記レーザ光が照射された領域の微細バブルの画像を撮像して画像データを出力する撮像部と、前記画像データが入力される制御装置とを備え、前記制御装置は、前記画像データに基づいて、微細バブルのゼータ電位を算出することを特徴とする。

また、請求項２に記載の発明は、前記レーザ照射部は、レーザ光を一方向に引き伸ばしてシート状に変形させるビームエキスパンダを有することを特徴とする。

また、請求項３に記載の発明は、前記制御装置は、前記撮像された微細バブルを画像として表示する表示部を有することを特徴とする。

また、請求項４に記載の発明は、前記制御装置は、前記表示部に表示された微細バブルを選択するための入力手段を有し、前記制御装置は、選択された微細バブルのゼータ電位を算出することを特徴とする。

また、請求項５に記載の発明は、前記制御装置は、微細バブルを粒径毎に分類して、各粒径毎にゼータ電位の平均値を算出することを特徴とする。

また、請求項６に記載の発明は、前記制御装置は、微細バブルの粒径を選択するための入力手段を有し、前記制御装置は、選択された粒径の微細バブルのゼータ電位を算出することを特徴とする。

本発明によれば、撮像部によって微細バブルを画像として撮像している。そして、制御装置は、撮像部から入力された画像データに基づいて、微細バブルのゼータ電位を算出している。これにより、制御装置は、微細バブルの画像データとゼータ電位とを関連付けることができるので、ユーザが所望する微細バブルのゼータ電位を測定することができる。

第１実施形態によるゼータ電位測定装置の全体構成図である。 第１実施形態によるゼータ電位測定装置の制御系のブロック図である。 ゼータ電位測定を説明するフローチャートである。 ナノバブルの画像表示を説明する図である。 ナノバブルの画像表示を説明する図である。 制御部によって算出されたゼータ電位の表示形式を説明する図である。 制御部によって算出されたゼータ電位の表示形式を説明する図である。

（第１実施形態）
以下、図面を参照して、本発明の第１実施形態によるゼータ電位測定装置について説明する。図１は、第１実施形態によるゼータ電位測定装置の全体構成図である。図２は、第１実施形態によるゼータ電位測定装置の制御系のブロック図である。

図１に示すように、第１実施形態によるゼータ電位測定装置１は、ナノバブル供給部２と、観察部３と、電場印加部４と、レーザ照射部５と、撮像部６と、制御装置７とを備えている。

ナノバブル供給部２は、観察用のナノバブル９を観察部３へと供給するものである。尚、ナノバブル９とは、直径が数十ｎｍ〜数百ｎｍの気泡のことである。ナノバブル供給部２は、ナノバブル発生装置１１と、貯溜槽１２と、供給用配管１３とを備えている。ナノバブル発生装置１１は、ナノバブル９を生成して、貯溜槽１２へと送る。貯溜槽１２は、ナノバブル発生装置１１によって生成されたナノバブル９を一時的に貯留する。貯溜槽１２は、中空状に構成されている。貯溜槽１２には、ナノバブル９とともに水が貯められている。供給用配管１３は、貯溜槽１２のナノバブル９を観察部３へと供給する。供給用配管１３は、貯溜槽１２と観察部３とを接続する。

観察部３は、ナノバブル９を観察するためのものである。観察部３は、観察セル１５と、引き込みポンプ１６と、排出用配管１７とを備えている。観察セル１５は、ナノバブル供給部２から供給されたナノバブル９を貯溜するためのものである。観察セル１５は、光を透過可能な樹脂またはガラスからなる。観察セル１５は、数ｃｍの幅、数ｍｍの高さ、数ｍｍの奥行きを有する。観察セル１５は、中空状に構成されている。観察セル１５の下部には、排出用配管１７が接続されている。引き込みポンプ１６は、貯溜槽１２のナノバブル９を観察セル１５へと引き込むものである。引き込みポンプ１６は、排出用配管１７によって観察セル１５と接続されている。

電場印加部４は、ナノバブル９を移動させるための電場を観察セル１５に印加するものである。電場印加部４は、電場発生装置２１と、一対の電極２２、２３と、配線２４、２５とを備えている。電場発生装置２１は、電極２２、２３の間に印加させる電場を発生させるものである。電場発生装置２１は、配線２４、２５によって電極２２、２３に接続されている。電極２２、２３は、導電性材料からなる。電極２２は、観察セル１５の側面の外側に配置されている。電極２３は、電極２２が配置された側面と対向する側面の外側に配置されている。即ち、観察セル１５は、電極２２と電極２３とによって挟まれている。これにより、観察セル１５の内部には、電場発生装置２１によって発生した電場が印加される。

レーザ照射部５は、観察セル１５にシート状のレーザ光Ｌ２を照射するものである。レーザ照射部５は、レーザ装置２７と、ビームエキスパンダ２８とを備えている。レーザ装置２７は、約５３２ｎｍの波長を有する緑色のレーザ光Ｌ１を照射する。ビームエキスパンダ２８は、レーザ装置２７から照射されたレーザ光Ｌ１を一方向に引き伸ばすものである。これにより、線状のレーザ光Ｌ１は、シート状のレーザ光Ｌ２となって観察セル１５の内部を照射する。

撮像部６は、レーザ光Ｌ２が照射された観察セル１５の領域のナノバブル９の画像を撮像する。そして、撮像部６は、ナノバブル９の画像データを制御装置７へと出力する。撮像部６は、顕微鏡デジタルカメラからなる。撮像部６は、シート状のレーザ光Ｌ２の略垂線方向に配置されている。換言すると、撮像部６は、シート状のレーザ光Ｌ２と対面する方向に配置されている。これにより、撮像部６は、シート状のレーザ光Ｌ２によって照射された領域のナノバブル９を拡大して撮像することができる。ここで、撮像部６が撮像する画像は、ナノバブル９によってレイリー散乱された光によるものである。

制御装置７は、ゼータ電位測定装置１の制御全般を司るものである。図１及び図２に示すように、制御装置７は、表示部３１と、入力部３２と、制御部３３とを備えている。

表示部３１は、撮像されたナノバブル９の画像や入力用のボタン等を表示するものである。表示部３１は、液晶ディスプレイ等からなる。入力部３２は、ユーザが制御部３３に対して指示信号等を入力するためのものである。具体的には、入力部３２は、ユーザがゼータ電位ζを算出させるナノバブル９を選択するものである。入力部３２は、キーボード及びマウスを有する。

制御部３３は、ゼータ電位測定プログラム等の各プログラムを実行するＣＰＵ３５と、画像データや数値データ等を一時的に記憶するＲＡＭ３６と、基本プログラム等が記憶されたＲＯＭ３７と、画像処理プログラムやゼータ電位測定プログラム等が記憶されたＨＤＤ３８と、各構成３５〜３８が接続されたＩ／Ｏポート３９とを有する。

Ｉ／Ｏポート３９には、表示部３１と、入力部３２とが接続されている。これにより、制御部３３は、表示部３１に各画像を表示させることができる。また、制御部３３は、入力部３２を介してユーザにより入力された指示信号を処理できる。

また、Ｉ／Ｏポート３９には、撮像部６と、レーザ装置２７と、電場発生装置２１とが接続されている。制御部３３には、撮像部６によって撮像されたナノバブル９の画像データが入力される。そして、制御部３３は、ナノバブル９の画像データに基づいて、ゼータ電位を算出する。制御部３３は、レーザ装置２７によるレーザ照射のタイミング及びレーザ光Ｌ１の強度等を制御する。制御部３３は、電場発生装置２１による電場の強度、電場の方向、及び、電場印加のタイミング等を制御する。

（ナノバブルのゼータ電位測定方法）
次に、上述した第１実施形態によるゼータ電位測定装置１によるゼータ電位測定方法について説明する。図３は、ゼータ電位測定を説明するフローチャートである。図４及び図５は、ナノバブルの画像表示を説明する図である。

まず、ナノバブル発生装置１１が、ユーザによってオンに切り替えられる（Ｓ１）。これにより、ナノバブル発生装置１１によってナノバブル９が生成される。生成されたナノバブル９は、貯溜槽１２に一時的に貯留される。

次に、観察部３の引き込みポンプ１６が、ユーザによってオンに切り替えられる（Ｓ２）。これにより、ナノバブル９が、貯溜槽１２から観察セル１５へと引き込まれる。

次に、制御部７は、レーザ装置２７を制御して、レーザ光Ｌ１の照射を開始する（Ｓ３）。レーザ装置２７から照射されたレーザ光Ｌ１は、ビームエキスパンダ２８によって一方向に引き伸ばされる。この状態で、レーザ光Ｌ２は、観測セル１５に入射する。この結果、レーザ光Ｌ２は、図１に示すように、シート状となって観測セル１５の内部を照射する。

次に、制御部３３は、電場発生装置２１を制御して、電極２２と電極２３との間に電圧を印加する（Ｓ４）。これにより、電場が、観測セル１５の内部に発生する。尚、電場の強さは、特に、限定されるものではないが、１ｋＶ／ｍ程度が好ましい。ここで、ナノバブル９は、マイナスに帯電している。このため、ナノバブル９は、電界の向きとは反対方向に移動する。

次に、制御部３３は、撮像部６を制御して、ナノバブル９の画像を所定の時間間隔を開けて２回撮像する（Ｓ５）。以下の説明において、最初に撮像された画像を第１画像とし、後に撮像された画像を第２画像とする。

次に、制御部３３は、ナノバブル９の画像データを画像解析する（Ｓ６）。具体的には、まず、制御部３３は、第１画像の画像データに基づいて、ナノバブル９のそれぞれに識別番号を付与する。これにより、ナノバブル９が識別可能となる。次に、制御部３３は、各ナノバブル９の画像データから算出された光の散乱パターンの直径（または半径）に基づいて、各ナノバブル９の大きさを算出する。この後、制御部３３は、各ナノバブル９の中心の位置座標を算出する。最後に、制御部３３は、各ナノバブル９の識別番号、大きさ、位置座標を関連付けて、ＲＡＭ３６に記憶する。

次に、制御部３３は、図４に示すように、最初に撮像したナノバブル９の画像を識別番号とともに表示部３１に表示する（Ｓ７）。

次に、制御部３３は、ユーザによるナノバブル９の選択待ちとなる（Ｓ８）。ここで、ユーザは、図４に示す第１画像が表示された画面を視て、ゼータ電位ζを求めたいナノバブル９の識別番号を入力するか、カーソルによって選択する。尚、ここでは、ユーザが識別番号９_３のナノバブル９を選択したものとする。また、選択されたナノバブルの符号を「９_３」とする。制御部３３は、ユーザによってナノバブル９_３が選択されたと判定すると（Ｓ８：Ｙｅｓ）、ステップＳ９の処理を実行する。

次に、制御部３３は、ユーザにより選択されたナノバブル９_３の移動距離Ｄを算出する（Ｓ９）。具体的には、制御部３３は、第２画像の画像データを画像解析して、ユーザが第１画像から選択したナノバブル９_３を第２画像の画像データから特定する。ここで、ナノバブル９_３は、マイナスに帯電している。従って、電場の方向及び選択されたナノバブル９_３の大きさに基づいて、制御部３３は、ユーザが選択したナノバブル９_３を第２画像の画像データから特定する。この後、制御部３３は、第２画像の画像データからナノバブル９_３の中心座標を算出する。次に、制御部３３は、第１画像及び第２画像のナノバブル９_３の中心座標からナノバブル９_３の移動距離Ｄを算出する。

次に、制御部３３は、図５に示すように、移動距離Ｄ及び第２画像を表示部３１に表示する（Ｓ１０）。また、制御部３３は、ゼータ電位算出ボタン４１を表示部３１に表示する。尚、図５に点線で示すナノバブル９_３は、第１画像によるものである。

次に、制御部３３は、ユーザによるゼータ電位算出の指示待ちとなる（Ｓ１１）。ここで、ユーザは、制御部３３によるナノバブル９_３の移動距離の算出が正しいと判定して、ゼータ電位の算出を希望すると、ゼータ電位算出ボタン４１をクリックする（Ｓ１１：Ｙｅｓ）。これにより、制御部３３は、ステップＳ１２の処理を実行する。

次に、制御部３３は、観察セル１５に印加された電場の強度、ナノバブル９_３の移動距離、水の誘電率等の数値と、以下の式（１）とに基づいて、ナノバブル９_３のゼータ電位ζを算出する（Ｓ１２）。
ζ＝η・μ／ε ・・・（１）
η：水の粘性
μ：ナノバブルの移動度
ε：水の誘電率
尚、水の粘性、水の誘電率は、ＨＤＤ３８に予め記憶されている。

次に、制御部３３は、ナノバブル９_３とゼータ電位ζとを関連付けて、表示部３１に表示するとともに、ＨＤＤ３８に記憶する（Ｓ１３）。

この結果、ゼータ電位測定装置１によるゼータ電位の測定が終了する。

（ゼータ電位測定装置の効果）
次に、第１実施形態によるゼータ電位測定装置１の効果について説明する。

上述したように第１実施形態によるゼータ電位測定装置１では、撮像部６によってナノバブル９の画像を撮像して、その画像データを制御部３３へと出力している。制御部３３は、このナノバブル９の画像を表示部３１に表示する。これにより、ユーザは、所望のナノバブル９の画像を視て選択することができる。制御部３３は、選択されたナノバブル９のゼータ電位ζを算出している。これにより、ゼータ電位測定装置１は、ユーザが所望するナノバブル９のゼータ電位ζを測定することができる。

また、ゼータ電位測定装置１は、レーザ装置２７によって照射されたレーザ光によって画像を撮像している。これにより、通常の蛍光灯等の光では撮像が困難なナノバブル９の画像を鮮明に撮像することができる。

また、ゼータ電位測定装置１は、ビームエキスパンダ２８によってレーザ光をシート状に引き伸ばして観察セル１５に照射している。これにより、広範囲のナノバブル９を撮像することができる。これにより、ナノバブル９の選択の自由度を広げることができる。更に、ナノバブル９の移動距離が大きくても、２回の撮像において、ナノバブル９を容易に捕捉することができる。

また、ゼータ電位測定装置１では、撮像部６が顕微鏡デジタルカメラを有する。これにより、ナノバブル９を光の輝点ではなく、画像として捉えることができる。これにより、ユーザは、表示部３１に表示された画像によりナノバブル９の大きさ等を容易に認識することができる。

（第２実施形態）
次に、上述した実施形態を部分的に変更した第２実施形態について説明する。図６及び図７は、制御部によって算出されたゼータ電位の表示形式を説明する図である。尚、上述した実施形態と同様の構成には、同じ符号を付けて説明を省略する。

第２実施形態の制御部３３は、第１画像及び第２画像の両方に撮像された全てのナノバブル９のゼータ電位を算出するように構成されている。これにより、ユーザはナノバブルを選択する作業を省略することができる。制御部３３は、算出したゼータ電位ζを表示部３１に表示する。表示の形式は特に限定されるものではないが、図６に示すように、識別番号、粒径及びゼータ電位を関連付けたテーブル形式で表示してもよい。更に、識別番号が付与されたナノバブル９の画像を同時に表示してもよい。

また、制御部３３が、所定の粒径毎（例えば、１０ｎｍ毎の粒径）にナノバブル９を分類して、ゼータ電位ζの平均値を求めるように構成してもよい。この場合、制御部３３は、図７に示すように、粒径とゼータ電位の平均値とを関連付けたテーブルを表示する。更に、ユーザが、所定の粒径（例えば、３０ｎｍ〜４０ｎｍの粒径）を入力部３２によって選択できるように構成してもよい。この場合、制御部３３は、該当する粒径のナノバブル９のゼータ電位を算出して、粒径とそのゼータ電位のみを表示部３１に表示する。

以上、実施形態を用いて本発明を詳細に説明したが、本発明は本明細書中に説明した実施形態に限定されるものではない。本発明の範囲は、特許請求の範囲の記載及び特許請求の範囲の記載と均等の範囲により決定されるものである。以下、上記実施形態を一部変更した変更形態について説明する。

上述した実施形態の構成の配置、数値、形状等は適宜変更可能である。

また、上述した実施形態では、ナノバブルのゼータ電位を測定する例を示したが、マイクロバブルを測定するゼータ電位測定装置に本発明を適用してもよい。尚、撮像部が、直径が数十μｍのマイクロバブルを撮像する際には、マイクロバブルによってミー散乱された光を撮像することになる。

本発明は、医療、食品、水産業、農業等のナノバブルを使用する分野に利用できる。

１ ゼータ電位測定装置
２ ナノバブル供給部
３ 観察部
４ 電場印加部
５ レーザ照射部
６ 撮像部
７ 制御装置
９ ナノバブル
１１ ナノバブル発生装置
１２ 貯溜槽
１３ 供給用配管
１５ 観察セル
１６ ポンプ
１７ 排出用配管
２１ 電場発生装置
２２、２３ 電極
２４、２５ 配線
２７ レーザ装置
２８ ビームエキスパンダ
３１ 表示部
３２ 入力部
３３ 制御部
３５ 各構成
３９ ポート
３５ ＣＰＵ
３６ ＲＡＭ
３７ ＲＯＭ
３８ ＨＤＤ
Ｌ１ レーザ光
Ｌ２ レーザ光

Claims (6)

1. 供給された微細バブルを貯溜するための観察セルと、
   前記観察セルにレーザ光を照射するレーザ照射部と、
   前記レーザ光が照射された領域の微細バブルの画像を撮像して画像データを出力する撮像部と、
   前記画像データが入力される制御装置とを備え、
   前記制御装置は、
   前記画像データに基づいて、微細バブルのゼータ電位を算出することを特徴とするゼータ電位測定装置。
2. 前記レーザ照射部は、レーザ光を一方向に引き伸ばしてシート状に変形させるビームエキスパンダを有することを特徴とする請求項１に記載のゼータ電位測定装置。
3. 前記制御装置は、前記撮像された微細バブルを画像として表示する表示部を有することを特徴とする請求項１または請求項２に記載のゼータ電位測定装置。
4. 前記制御装置は、前記表示部に表示された微細バブルを選択するための入力手段を有し、
   前記制御装置は、選択された微細バブルのゼータ電位を算出することを特徴とする請求項３に記載のゼータ電位測定装置。
5. 前記制御装置は、微細バブルを粒径毎に分類して、各粒径毎にゼータ電位の平均値を算出することを特徴とする請求項１〜請求項４のいずれか１項に記載のゼータ電位測定装置。
6. 前記制御装置は、微細バブルの粒径を選択するための入力手段を有し、
   前記制御装置は、選択された粒径の微細バブルのゼータ電位を算出することを特徴とする請求項１〜請求項５のいずれか１項に記載のゼータ電位測定装置。