JP2012255745A - 流体測定器および流体測定方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】流体測定器は、光を散乱する透明板8で覆われた微小流路7と、透明板8を通して微小流路7中の流体にレーザ光を照射するレーザ光源1と、透明板8によって散乱された光と流体に含まれる粒子によって散乱された光とを受光して電気信号に変換する受光器2と、受光器2で得られた電気信号に含まれるビート信号の周波数を測定する周波数測定手段と、この周波数測定手段が測定したビート信号の周波数から粒子の移動速度を算出する速度算出手段とを備える。
【選択図】 図2
Description
このようなμTASを用いたシステムにおいては、流路を流れる流体の状態をモニタするために、実験室においては顕微鏡下で撮影し動画解析することによって流速や流量、粒子の挙動、粒子濃度を観測している。また、何らかの理由で顕微鏡が使用できない状況下では、実験室内での測定結果を基にして推定値を用いている。
また、本発明は、正確かつ安価に流体の流量を短時間で測定することができる流体測定器および流体測定方法を提供することを目的とする。
また、本発明は、正確かつ安価に粒子の通過個数と移動速度と進行方向を短時間で測定することができる流体測定器および流体測定方法を提供することを目的とする。
また、本発明は、正確かつ安価に粒子の半径を短時間で測定することができる流体測定器および流体測定方法を提供することを目的とする。
以下、図面を用いて本発明をより詳細に説明する。図1は本発明の第1の実施の形態に係る流体測定器の動作原理を説明する図である。流体測定器は、光源1と、受光器2と、光源1および受光器2の下に配置され、光を散乱する不動物体3とを有する。
光源1からの光は、不動物体3に照射されると共に、光源1と受光器2の下にあって移動中の流動物体4(測定対象である流体中の粒子)に照射され、不動物体3と流動物体4のそれぞれによって散乱される。
こうして、本実施の形態では、粒子9の移動速度vを短時間で測定することができる。また、従来のμTASような動画解析が不要となるので、従来よりも計算能力の低いコンピュータで測定を実現することができ、流体測定器のコストを低減することができる。
第1の実施の形態では、粒子の移動速度の測定方法について説明したが、次に図4を用いて流体の流量の測定方法について述べる。本実施の形態においても、流体測定器の光学部の構成は図2に示したとおりである。第1の実施の形態で述べたように、ドップラーシフトがある散乱光とドップラーシフトが無い散乱光のホモダイン干渉の結果得られるビート信号の周波数は、粒子の速度の情報を持っている。
μTASにおいては、流路の分岐等が行われる。その分岐の前後において流速を測定したり、粒子が進行する方向をモニタする必要がある。そこで、一個の光源を流路の分岐点上に配置し、流路の分岐前後に複数の受光器を配置しておくことによって、分岐前後での粒子の流速変化を測定することができる。本実施の形態では、測定チップの基板および流路形成用部材の材料として、シリコンを使っている。シリコンは、安価であり、表面に熱酸化膜を形成しやすく、熱酸化膜の成分はSiOxであるため、測定対象として想定している生体物質や、水に侵され難く、また、逆に流路を流れる物質にも影響を与えない。さらに、市中の半導体プロセス技術を用いれば、容易にフォトダイオードからなる受光器を基板自体に形成することができ、また前置増幅器等の回路を同一チップ上に形成することもできる。
速度算出部20は、速度算出部12と同様に周波数測定部18が測定したビート信号の周波数から粒子9の移動速度を算出する。
こうして、本実施の形態では、粒子9の通過個数と移動速度と進行方向とを同時に測定することができる。
コロイド懸濁液のような粒子含有流体においては全体的な流れが無い場合でも、ブラウン運動があるため、散乱光のドップラーシフトが無くなることは無い。ブラウン運動は粒子に対して、流体の分子(例えば水分子)が熱運動によってあらゆる方向から衝突することによって、生じる粒子の乱雑な運動である。一定時間一方向に運動するものではないため、速度の概念では表されない。熱運動しているため、温度が高いほど水分子の衝突は激しくなり、また、粒子の形状が小さいほど水の抵抗が減るのでブラウン運動による粒子のゆらぎの激しさは増す。ゆらぎの激しさは拡散係数として表わされる。ブラウン運動の拡散係数Dは下記の式で表される。
粒子半径算出部22は、流量算出部15が算出した流量Fから、式(4)により粒子9の半径rを算出する。
Claims (8)
- 光を散乱する透明板で覆われた流路と、
前記透明板を通して前記流路中の流体にレーザ光を照射するレーザ光源と、
前記透明板によって散乱された光と前記流体に含まれる粒子によって散乱された光とを受光して電気信号に変換する受光器と、
この受光器で得られた電気信号に含まれるビート信号の周波数を測定する周波数測定手段と、
この周波数測定手段が測定したビート信号の周波数から前記粒子の移動速度を算出する速度算出手段とを備えることを特徴とする流体測定器。 - 光を散乱する透明板で覆われた流路と、
前記透明板を通して前記流路中の流体にレーザ光を照射するレーザ光源と、
前記透明板によって散乱された光と前記流体に含まれる粒子によって散乱された光とを受光して電気信号に変換する受光器と、
この受光器で得られた電気信号に含まれるビート信号のパワースペクトルを測定するパワースペクトル測定手段と、
前記ビート信号の強度平均値を測定する信号強度平均値測定手段と、
前記パワースペクトル測定手段が測定したビート信号のパワースペクトルと前記信号強度平均値測定手段が測定したビート信号の強度平均値とから流体の流量を算出する流量算出手段とを備えることを特徴とする流体測定器。 - 光を散乱する透明板で覆われた流路と、
前記透明板を通して前記流路中の流体にレーザ光を照射するレーザ光源と、
前記流路の複数箇所に配置され、前記透明板によって散乱された光と前記流体に含まれる粒子によって散乱された光とを受光して電気信号に変換する複数の受光器と、
この受光器で得られた電気信号に含まれるビート信号のパワースペクトルを測定するパワースペクトル測定手段と、
前記ビート信号の周波数を測定する周波数測定手段と、
この周波数測定手段が測定した周波数におけるビート信号のパワーの変化の回数を測定することにより前記粒子の通過個数を導出する計数手段と、
前記周波数測定手段が測定したビート信号の周波数から前記粒子の移動速度を算出する速度算出手段と、
前記複数の受光器におけるビート信号の発生状況から前記粒子の進行方向を判定する進行方向判定手段とを備えることを特徴とする流体測定器。 - 光を散乱する透明板で覆われた流路と、
前記透明板を通して前記流路中の流体にレーザ光を照射するレーザ光源と、
前記透明板によって散乱された光と前記流体に含まれる粒子によって散乱された光とを受光して電気信号に変換する受光器と、
この受光器で得られた電気信号に含まれるビート信号のパワースペクトルを測定するパワースペクトル測定手段と、
前記ビート信号の強度平均値を測定する信号強度平均値測定手段と、
前記パワースペクトル測定手段が測定したビート信号のパワースペクトルと前記信号強度平均値測定手段が測定したビート信号の強度平均値とから流体の流量を算出する流量算出手段と、
この流量算出手段が算出した流量から前記粒子の半径を算出する粒子半径算出手段とを備えることを特徴とする流体測定器。 - 光を散乱する透明板で覆われた流路に対して、レーザ光源から前記透明板を通してレーザ光を照射するレーザ照射ステップと、
前記透明板によって散乱された光と前記流路中の流体に含まれる粒子によって散乱された光とを受光器で受光して電気信号に変換する受光ステップと、
この受光ステップで得られた電気信号に含まれるビート信号の周波数を測定する周波数測定ステップと、
この周波数測定ステップで測定したビート信号の周波数から前記粒子の移動速度を算出する速度算出ステップとを備えることを特徴とする流体測定方法。 - 光を散乱する透明板で覆われた流路に対して、レーザ光源から前記透明板を通してレーザ光を照射するレーザ照射ステップと、
前記透明板によって散乱された光と前記流路中の流体に含まれる粒子によって散乱された光とを受光器で受光して電気信号に変換する受光ステップと、
この受光ステップで得られた電気信号に含まれるビート信号のパワースペクトルを測定するパワースペクトル測定ステップと、
前記ビート信号の強度平均値を測定する信号強度平均値測定ステップと、
前記パワースペクトル測定ステップで測定したビート信号のパワースペクトルと前記信号強度平均値測定ステップで測定したビート信号の強度平均値とから流体の流量を算出する流量算出ステップとを備えることを特徴とする流体測定方法。 - 光を散乱する透明板で覆われた流路に対して、レーザ光源から前記透明板を通してレーザ光を照射するレーザ照射ステップと、
前記透明板によって散乱された光と前記流路中の流体に含まれる粒子によって散乱された光とを、前記流路の複数箇所に配置された複数の受光器で受光して電気信号に変換する受光ステップと、
この受光ステップで得られた電気信号に含まれるビート信号のパワースペクトルを測定するパワースペクトル測定ステップと、
前記ビート信号の周波数を測定する周波数測定ステップと、
この周波数測定ステップで測定した周波数におけるビート信号のパワーの変化の回数を測定することにより前記粒子の通過個数を導出する計数ステップと、
前記周波数測定ステップで測定したビート信号の周波数から前記粒子の移動速度を算出する速度算出ステップと、
前記複数の受光器におけるビート信号の発生状況から前記粒子の進行方向を判定する進行方向判定ステップとを備えることを特徴とする流体測定方法。 - 光を散乱する透明板で覆われた流路に対して、レーザ光源から前記透明板を通してレーザ光を照射するレーザ照射ステップと、
前記透明板によって散乱された光と前記流路中の流体に含まれる粒子によって散乱された光とを受光器で受光して電気信号に変換する受光ステップと、
この受光ステップで得られた電気信号に含まれるビート信号のパワースペクトルを測定するパワースペクトル測定ステップと、
前記ビート信号の強度平均値を測定する信号強度平均値測定ステップと、
前記パワースペクトル測定ステップで測定したビート信号のパワースペクトルと前記信号強度平均値測定ステップで測定したビート信号の強度平均値とから流体の流量を算出する流量算出ステップと、
この流量算出ステップで算出した流量から前記粒子の半径を算出する粒子半径算出ステップとを備えることを特徴とする流体測定方法。
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