JP2014521962A - 粒子の特性評価 - Google Patents

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Abstract

少なくとも１つのテスト粒子の電荷を決定する方法は、２つのチャンバを接続するアパーチャを通る電流または電圧の一方を印加するステップであって、チャンバは、電解質で少なくとも部分的に充填され、少なくとも１つのテスト粒子は、チャンバの少なくとも１つの電解質中に浮遊するようにしたステップと、アパーチャを通る電流または電圧の他方を測定するステップと、２つのチャンバ間の圧力差を変化させるステップと、
電流または電圧の測定に基づいて電荷を決定するステップと、を含む。

Description

本発明は、粒子の特性評価、粒子感受性または放射感受性のデバイス、および関連した方法に関する。
こうしたデバイスおよび関連した方法の例が、国際公開第２００６／０６３８７２号に開示されており、これは全ての目的のために参照によりここに組み込まれる。
本発明の少なくとも１つの態様の目的は、こうしたデバイスおよび方法をさらに開発することであるが、本発明およびその応用は、国際公開第２００６／０６３８７２号に開示されたタイプのデバイスおよび方法に限定されないことに留意すべきである。
本発明の第１態様によれば、少なくとも１つのテスト粒子の電荷を決定する方法であって、
２つのチャンバを接続するアパーチャを通る電流または電圧の一方を印加するステップであって、チャンバは、電解質で少なくとも部分的に充填され、少なくとも１つのテスト粒子は、チャンバの少なくとも１つの電解質中に浮遊しているようにしたステップと、
アパーチャを通る電流または電圧の他方を測定するステップと、
２つのチャンバ間の圧力差を変化させるステップと、
電流または電圧の測定に基づいて電荷を決定するステップと、を含む方法が提供される。
本発明の更なる態様によれば、２つのチャンバを接続するアパーチャをテスト粒子が通過する方向を決定する方法であって、
チャンバは、電解質で少なくとも部分的に充填され、テスト粒子は、電解質中に浮遊しており、
該方法は、アパーチャを通る電流または電圧の一方を印加するステップと、
アパーチャを通る電流または電圧の他方を監視するステップと、
監視した電流または電圧の非対称性と、アパーチャの非対称性とを関連付けるステップと、を含む方法が提供される。
本発明の更なる態様によれば、２つのチャンバを接続するアパーチャをテスト粒子が通過する速度を決定する方法であって、
チャンバは、電解質で少なくとも部分的に充填され、テスト粒子は、電解質中に浮遊しており、
該方法は、アパーチャを通る電流または電圧の一方を印加するステップと、
アパーチャを通る電流または電圧の他方を監視するステップと、
前記監視の結果に基づいて、前記速度を決定するステップと、を含む方法が提供される。
本発明の更なる態様によれば、少なくとも１つのテスト粒子の電荷を決定する方法であって、
２つのチャンバを接続するアパーチャを通る電流または電圧の一方を印加するステップであって、チャンバは、電解質で少なくとも部分的に充填され、少なくとも１つのテスト粒子は、チャンバの少なくとも１つの電解質中に浮遊しているようにしたステップと、
アパーチャを通る電流または電圧の他方を監視して、少なくとも１つの遮断イベントを監視するステップであって、遮断イベントは、少なくとも１つのテスト粒子がアパーチャを通過して電流または電圧を変化させる際、監視した電流または電圧の変化によって表されるステップと、
遮断イベントの時間または、監視した電流もしくは電圧の変化レートを示す値に基づいて、電荷を決定するステップと、を含む方法が提供される。
本発明の更なる態様によれば、２つのチャンバを接続するアパーチャを通る電流または電圧の一方を印加するステップであって、チャンバは、電解質で少なくとも部分的に充填され、少なくとも１つのテスト粒子が、チャンバの少なくとも１つの電解質中に浮遊しているようにしたステップと、
アパーチャを通る電流または電圧の他方を測定するステップと、
２つのチャンバ間の圧力差を変化させるステップと、
測定した電流または電圧の変化を監視するステップであって、前記変化は、アパーチャ内のテスト粒子の数または濃度の変化を示すステップと、
前記変化が生じた場合、２つのチャンバ間の圧力差がほぼゼロであることを決定するステップと、を含む方法が提供される。
本発明の更なる態様によれば、２つのチャンバを接続するアパーチャを通る電流または電圧の一方を印加するステップであって、チャンバは、電解質で少なくとも部分的に充填され、複数のテスト粒子が、チャンバの少なくとも１つの電解質中に浮遊しているようにしたステップと、
アパーチャを通る電流または電圧の他方を監視して、複数の遮断イベントを監視するステップであって、遮断イベントは、テスト粒子がアパーチャを通過して電流または電圧を変化させる際、監視した電流または電圧の変化によって表されるステップと、
少なくとも２つの遮断イベントの特性を監視するステップと、
監視した特性に基づいて、粒子の特徴の分布または変化を示す情報を導出するステップと、を含む方法が提供される。
本発明の更なる態様によれば、混合サンプル中の異なる粒子タイプの電荷を決定する方法であって、
２つのチャンバを接続するアパーチャを通る電流または電圧の一方を印加するステップであって、チャンバは、電解質で少なくとも部分的に充填され、複数のテスト粒子が、チャンバの少なくとも１つの電解質中に浮遊しているようにしたステップと、
２つのチャンバ間に圧力差を印加して、テスト粒子をアパーチャから追い出すステップと、
続いて、圧力差を減少させ、またはゼロに設定して、粒子が電気泳動によってアパーチャに戻るようにするステップと、
テスト粒子がアパーチャに戻り、アパーチャを転位するレートを、相対電荷の指標として決定するステップと、含む方法が提供される。
本発明の更なる態様によれば、第１圧力に曝されるように構成された第１チャンバと、
管路の第１端と接続された第２チャンバと、を備え、
管路の第２端が、流体中に少なくとも部分的に懸架されるように構成され、
第１チャンバおよび第２チャンバは、アパーチャによって接続され、
第２チャンバの圧力が、管路の第２端が流体中に懸架される量を変化させることによって、変化するようにした、システムが提供される。
本発明の更なる態様によれば、２つのチャンバを接続するアパーチャを通る電流または電圧の一方を印加するステップであって、チャンバは、電解質で少なくとも部分的に充填され、複数のテスト粒子が、チャンバの少なくとも１つの電解質中に浮遊しているようにしたステップと、
アパーチャを通る電流または電圧の他方を測定するステップと、
２つのチャンバ間の圧力差、及び／又は、アパーチャを通る電流もしくは電圧を変化させるステップと、
２つのチャンバ間の圧力差に起因したテスト粒子への駆動力が、前記電圧に起因したテスト粒子への駆動力とほぼ釣り合う時間を決定するステップと、を含む方法が提供される。
本発明の更なる態様によれば、少なくとも１つのテスト粒子の電荷を決定するための装置であって、
アパーチャによって接続された第１チャンバおよび第２チャンバと、
アパーチャを通る電流または電圧を印加するための手段と、
チャンバが、電解質で少なくとも部分的に充填され、少なくとも１つのテスト粒子が、チャンバの少なくとも１つの電解質中に浮遊している場合、アパーチャを通る電流または電圧の他方を測定するための手段と、
第１チャンバと第２チャンバの間の圧力差を変化させるための手段と、
電流及び／又は電圧の測定に基づいて電荷を決定するための手段と、を備える装置が提供される。
本発明の更なる態様によれば、アパーチャをテスト粒子が通過する方向を決定するための装置であって、
アパーチャによって接続された第１チャンバおよび第２チャンバと、
アパーチャを通る電流または電圧の一方を印加するための手段と、
チャンバが、電解質で少なくとも部分的に充填され、テスト粒子が電解質中に浮遊している場合、アパーチャを通る電流または電圧の他方を監視するための手段と、
監視した電流または電圧の非対称性と、アパーチャの非対称性とを関連付けるための手段と、を備える装置が提供される。
本発明の更なる態様によれば、アパーチャをテスト粒子が通過する速度を決定するための装置であって、
アパーチャによって接続された第１チャンバおよび第２チャンバと、
アパーチャを通る電流または電圧の一方を印加するための手段と、
チャンバが、電解質で少なくとも部分的に充填され、テスト粒子が電解質中に浮遊している場合、アパーチャを通る電流または電圧の他方を監視するための手段と、
前記監視の結果に基づいて、前記速度を決定するための手段と、を備える装置が提供される。
本発明の更なる態様によれば、少なくとも１つの粒子の電荷を決定するための装置であって、
アパーチャによって接続された第１チャンバおよび第２チャンバと、
アパーチャを通る電流または電圧の一方を印加するための手段と、
チャンバが、電解質で少なくとも部分的に充填され、少なくとも１つのテスト粒子が、チャンバの少なくとも１つの電解質中に浮遊している場合、アパーチャを通る電流または電圧の他方を監視して、少なくとも１つの遮断イベントを監視するための手段であって、遮断イベントは、少なくとも１つのテスト粒子がアパーチャを通過して電流または電圧を変化させる際、監視した電流または電圧の変化によって表される手段と、
遮断イベントの時間または、監視した電流もしくは電圧の変化レートを示す値に基づいて、電荷を決定するための手段と、を備える装置が提供される。
本発明の更なる態様によれば、アパーチャによって接続された第１チャンバおよび第２チャンバと、
アパーチャを通る電流または電圧の一方を印加するための手段と、
チャンバが、電解質で少なくとも部分的に充填され、複数のテスト粒子が、チャンバの少なくとも１つの電解質中に浮遊している場合、アパーチャを通る電流または電圧の他方を測定するための手段と、
２つのチャンバ間の圧力差を変化させるための手段と、
測定した電流または電圧の変化を監視するための手段であって、前記変化は、アパーチャ内のテスト粒子の数または濃度の変化を示す手段と、
前記変化が生じた場合、２つのチャンバ間の圧力差がほぼゼロであることを決定するための手段と、を備える装置が提供される。
本発明の更なる態様によれば、アパーチャによって接続された第１チャンバおよび第２チャンバと、
アパーチャを通る電流または電圧の一方を印加するための手段と、
チャンバが、電解質で少なくとも部分的に充填され、複数のテスト粒子が、チャンバの少なくとも１つの電解質中に浮遊している場合、アパーチャを通る電流または電圧の他方を監視して、複数の遮断イベントを監視するための手段であって、遮断イベントは、テスト粒子がアパーチャを通過して電流または電圧を変化させる際、監視した電流または電圧の変化によって表される手段と、
少なくとも２つの遮断イベントの特性を監視するための手段と、
監視した特性に基づいて、粒子の特徴の分布または変化を示す情報を導出するための手段と、を備える装置が提供される。
本発明の更なる態様によれば、混合サンプル中の異なる粒子タイプの電荷を決定するための装置であって、
アパーチャによって接続された第１チャンバおよび第２チャンバと、
チャンバが、電解質で少なくとも部分的に充填され、複数のテスト粒子が、チャンバの少なくとも１つの電解質中に浮遊している場合、アパーチャを通る電流または電圧の一方を印加するための手段と、
２つのチャンバ間に圧力差を印加して、テスト粒子をアパーチャから追い出すための手段と、
続いて、圧力差を減少させ、またはゼロに設定して、粒子が電気泳動によってアパーチャに戻るようにするための手段と、
テスト粒子がアパーチャに戻り、アパーチャを転位するレートを、相対電荷の指標として決定するための手段と、を備える装置が提供される。
本発明の更なる態様によれば、アパーチャによって接続された第１チャンバおよび第２チャンバと、
アパーチャを通る電流または電圧の一方を印加するための手段と、
チャンバが、電解質で少なくとも部分的に充填され、複数のテスト粒子が、チャンバの少なくとも１つの電解質中に浮遊している場合、アパーチャを通る電流または電圧の他方を測定するための手段と、
２つのチャンバ間の圧力差、及び／又は、アパーチャを通る電流もしくは電圧を変化させるための手段と、
２つのチャンバ間の圧力差に起因したテスト粒子への駆動力が、前記電圧に起因したテスト粒子への駆動力とほぼ釣り合う時間を決定するための手段と、を備える装置が提供される。
本発明の幾つかの実施形態が、添付図面を参照して例としてのみ記載されている。
電気泳動測定用の装置の概略図である。 測定電流を縦軸に、時間を横軸に示すグラフである。 差圧を横軸に、カウントレートを縦軸に示すグラフである。 差圧を横軸に、カウントレートを縦軸に示すグラフである。 印加圧力を横軸に、カウントを縦軸に示すグラフである。 差圧を横軸に、遮断(blockade)イベントを縦軸に示すグラフである。 遮断イベントの持続時間を横軸に、カウントを縦軸に示すグラフである。 時間を横軸に、測定電流を縦軸に示すグラフである。 時間を横軸に、測定電流を縦軸に示すグラフである。 電気泳動(electrophoresis)測定用の装置の概略図である。 時間を横軸に、測定電流を縦軸に示す４つのグラフである。 表面電荷密度を横軸に、変曲点圧力を縦軸に示すグラフである。
図１は、電気泳動測定用の典型的な装置を示す。装置は、２つのチャンバ１４，１５を有し、両方とも、流体含有の溶解イオンである電解質で少なくとも部分的に充填される。２つのチャンバは、膜１１によって分離されている。膜は、孔１０（またはアパーチャ）を規定しており、これを通じて電解質が一方のチャンバから他方のチャンバへ移動可能である。膜間の圧力差は制御可能である。
電極１２，１３が、２つのチャンバ間の電位差が制御可能なように各チャンバ１４，１５内に設けられる。電位差は、電解質において一方の電極から他方の電極への電流を生成する。この電流は、電流計によって測定できる。代替として、電流が制御可能であり、電圧が電圧計によって測定可能でもよい。
粒子１８が、チャンバの一方または両方の電解質中に浮遊でき、装置は、これらの粒子の性質を特性評価するために使用できる。粒子の濃度は、各チャンバで同じでもよく、異なってもよい。装置は、粒子の電荷、サイズ、濃度、形状、柔軟性、拡散、分散、または凝集を測定するために適している。
孔は、柔軟であって、測定中または測定と測定の間に形状が適合してもよく、あるいは、孔は、サイズおよび形状が剛性であって固定でもよい。孔のサイズは、通常、粒子のサイズより大きいが、典型的には粒子のサイズと同じ桁である。
粒子は、チャンバ間で孔を通る圧力差及び／又は電位差によって、孔を通過するように駆動できる。粒子が孔を通過する際、電解質を通る電流の少なくともある部分が粒子によって一時的に遮断される。遮断(blockade)イベントは、電流計によって電流の一時的減少として記録されることになる。
本明細書で用いたように、用語「遮断イベント」、「遮断」または「イベント」は、孔の中または近傍における粒子の存在を指しており、従って、孔を通る電流（の一部）の遮断、あるいは、これに関連した測定（多くの場合、時間経過に対する電流）の記録または視覚化を指すこともある。このことは文脈から明らかになろう。同様に、用語「遮断の幅」は、こうした測定（通常は時間経過に対する電流）の視覚化の幅を指すこともある。
孔の形状は、円錐台(frustoconical)でもよい。電流対経過の遮断測定の形状は、この場合、非対称になることになる。その理由は、粒子が円錐の狭い部分を（円錐の先端に向かって）通過する場合、粒子が円錐の広い部分を（円錐の基部に向かって）通過する場合よりも多くの電流が遮断されるためである。一連の遮断イベントの電流測定の説明を図２に示す。図２においてバックグランド信号は、平坦な信号として見えるが、実際の測定では、信号対ノイズ比は有限になる。図２で判るように、孔の非対称形状に対応して、記録したイベントは、非対称であり、他方のエッジより急峻な一方のエッジを有する。２つのエッジが出会うポイントは、このイベントで最大の電流が遮断される「最深」ポイントであるが、最深ポイントは、孔の最も狭い部分を通過する粒子に必ずしも対応していない。孔の配向が既知である場合、測定した遮断イベントの形状は、粒子が孔を通過する方向に見える。一例として、図２の測定の孔が、孔の狭い部分が上に、孔の広い部分が下になるように位置決めされた場合、図２の測定に従って、粒子は上側貯留部から下側貯留部へ移動した。
孔を通る粒子の輸送は、幾つかの機構によって駆動できる。第１機構が電気泳動であり、これは電解質内の電界と粒子の電荷との電磁相互作用によって生ずる。分散した粒子は表面電荷を有し、これは粒子表面と周囲の電解質との間の界面に存在する電荷である。電界は、静電クーロン力をその表面電荷に作用する。クーロン力は、電解質を通るように粒子を駆動する。
第２機構が、電気浸透(electro-osmosis)である。孔での電気浸透が、電界の影響によって、帯電した孔壁に近接した液体の移動を生じさせる。負に帯電した孔表面では、近接した液体中に過剰な正イオンが存在するようになり、イオンが電界下で移動すると、これらが液体を引き寄せて、栓流(plug flow)および電気浸透圧力を生じさせる。栓流は、パイプ内の流体の流れを記述するための流体力学モデルである。電気浸透圧力は、孔直径が減少するにつれて増加する。
第３機構が、２つのチャンバ間の圧力差による輸送である。圧力は、外部コントローラによって印加でき、粒子は、より高い圧力の貯留部からより低い圧力の貯留部へ駆動されることになる。装置の特定の実施形態において、貯留部の配向は、一方が他方の上方に設置されるようにする。上側貯留部での電解質は、追加の圧力が何れのチャンバにも印加されていなければ、重力によって下側貯留部に駆動されることになる。一例として、上側貯留部内で孔の直ぐ上方にある約５〜１０ｍｍの電解質層が、粒子を孔に通過させるのに充分である。上チャンバ内の流体層の重量に起因したこの圧力は、ヘッド圧力とも称される。小さな静的ヘッド圧力（例えば、アイゾン・サイエンス・リミテッド社から市販されているセルの場合は４．７ｍｍ）は、大きなナノ孔内に大きな流体フローレートを発生できる。同じ印加圧力は、異なるサイズの孔内に極めて異なるフローレートを生じさせることになる。極端に微細な圧力調整手段が、１ミクロン粒子およびそれ以上の電荷測定を可能にするために必要になることがある。
第４機構が、電解質内での粒子の拡散であるが、この機構は、典型的には上述した機構よりも粒子の輸送に関与するのがかなり小さいため、無視してもよい。
孔を通る全体粒子輸送は、下記のネルンスト−プランク法を用いて要約できる。
Figure 2014521962
ここで、Ｊは全体粒子束、Ｃは粒子濃度、εおよびηはそれぞれ電解質の誘電率および動粘性率、ζはゼータ電位を示し、Ｅは電界、ＱＰは圧力駆動体積フローレート、Ａは孔狭窄の断面積である。この式は、電気泳動（ζｐａｒｔｉｃｌｅを含む項）、電気浸透（ζｐｏｒｅを含む項）および流体力学的輸送（圧力）に起因した関与を含む。拡散を省略した。理由は、その関与は他の項と比べて無視できるからである。電気浸透および電気泳動の関与が、ドリフト項を伴う周知の拡散方程式であるスモルコフスキーの式を用いて推定される。これは、０．１Ｍの一価の電解質の濃度および約２００ｎｍの粒子サイズについて良好な近似であり、ここで、粒子半径とデバイ長の逆数との積は１よりかなり大きい。
ゼータ電位は、界面から遠いバルク流体でのポイントに対する、滑り面の場所での界面二重層での電位である。換言すると、ゼータ電位は、分散媒体と、分散粒子に付着した静止流体層との間の電位差である。
ゼータ電位の計算は、印加圧力が、電気浸透、電気泳動および固有圧力の組み合せた効果とは正確に反対になるように、式（１）においてＪ＝０を設定することによって達成できる。式（１）の使用が、ζｐｏｒｅの測定および固有の圧力ヘッドの決定を必要とするであろう。他の項のうち、εおよびηは標準的な研究室条件下で既知であるとともに、ＱＰ，ＡおよびＥは、その実験で用いた同じストレッチ条件下での孔の走査電子顕微鏡撮像に基づいて、円錐形状プロファイルを用いて計算できる。孔壁ゼータ電位は、明確に規定されたチャネルにおいて電気浸透を測定することによって決定できる。
式（１）における他の全ての項が既知である場合、未知のパラメータ、例えば、粒子の濃度または電荷などが計算できるが、実際の用途では、他の全ての項が既知であるわけでない。例えば、特定のナノ孔の直径は既知ではない。全てのパラメータが既知でない場合、粒子の電荷（または他のパラメータ）の値は、本発明の一実施形態に従って、システムを、既知の電荷（または他の対応するパラメータ）を持つ粒子で較正することによって、決定できる。
圧力（横軸）対遮断イベントのレートのグラフの一例を図３に示す。この例では、電位および圧力の力が同じ方向に作用し、その結果、粒子が１つの方向だけに転位(translocate)する。３つのラインを示しており、１つは、例えば、較正粒子（上ライン）であり、２つは、未知の粒子（２つの下ライン）である。図から判るように、圧力とカウントレートの間には線形の関係がある。ラインは、図に示したように、測定値セットを介して描かれる。圧力がゼロであるポイント（縦軸）では、カウントレートはゼロではない。その理由は、そのポイントにおいて電界は粒子の輸送を生じさせているからである。ラインは、ラインが横軸と交差するポイントに外挿できる。そのポイントは、電界に起因した輸送を釣り合わせて、ほぼゼロのイベントを生成するのに必要な圧力を示す。
平均すると粒子の輸送が生じないポイント、即ち、ラインが横軸と交差するポイントは、粒子に作用する種々の力が互いに相殺する場所である。大きな孔では、そのバランスポイントにおいて、通常、輸送が生じないが、より小さな孔、典型的には、１μｍより小さな直径の孔では、バランスポイントにおいて残存イベントが存在する。
このバランスポイントは特に興味深い。その理由は、経験的証拠によれば、対応する印加圧力が電荷と比例するからである。
図３の横軸は、印加圧力を示し、それは圧力コントローラによって上チャンバに印加される圧力である。印加圧力は、圧力ヘッド、メニスカスおよび電気浸透圧に起因した固有圧力を含んでいない。メニスカスは、上チャンバの表面に近くの液体の上側表面でのカーブであり、孔での圧力に関与する。固有圧力および電気浸透圧は決定され、そして、上チャンバでの圧力計に係る印加圧力の値から減算され、これにより印加圧力を補正する。補正の後、粒子束を記述し、図３を説明するモデルを提供する式は、右辺の２つの項、即ち、電気浸透に起因した輸送、および（補正した）印加圧力に起因した輸送を含むだけになる。
テスト装置の物理レイアウトに応じて、ナノ孔を介して固有の差圧が存在することになる。これは、流体高さの差または、ナノ孔の両側でのメニスカス力の差に起因するであろう。この固有圧力は、電荷測定の精度を改善するために、定量化し考慮すべきである。固有圧力は、大きなミクロン孔（典型的には５μｍより大きい）および理想的には非荷電粒子を用いて決定できる。この例では、固有圧力は、電気泳動および電気浸透圧を大きく支配している。最初に真空を上側セルに印加し、そして圧力を変化させることによって、粒子の流れを停止するのに必要な圧力が決定できる。このバランスポイントにおいて、孔を横断する粒子が無く、印加圧力は固有圧力とは反対になり、そして上チャンバの圧力計での印加圧力の値を読むことによって、固有圧力についての値を提供する。
電気浸透圧は、ある範囲の較正粒子（少なくとも３つ）対これらの粒子の表面電荷密度について、バランスポイントでの圧力をプロットすることによって決定できる。種々の官能基（ＣＯＯＨ）表面密度でカルボキシル化された粒子が較正として使用でき、官能基密度は滴定によって決定した。これらの「較正粒子」についてバランスポイントでの圧力は、線形カーブを用いてフッティング可能であり、電気浸透圧は、図１１に示すように、このカーブのｙ切片から抽出できる。
固有圧力および電気浸透圧を決定した後、補正した印加圧力は電荷に比例する。図３のグラフの横軸において、固有圧力ヘッドは外部印加圧力ヘッドに加算されている。電気浸透圧力ヘッドは、この場合、ナノ孔の大きなサイズに起因して無視している。図３において、横軸は補正した印加圧力を示す。比例定数は、較正粒子を用いて決定してもよい。圧力は定数×電荷に等しく、圧力および電荷が既知であれば、定数が算出できる。定数が既知になれば、圧力が既知である場合、未知の電荷が算出できる。
しかしながら、実際、この「バランスポイント」を実験で正確に決定することは困難である。理由は、信号はこのポイント付近でジッタがあるからである。これは、極めて低い大きさを持つイベントを含む、両方向に生ずる幾つかの残存イベントに起因しており、これは、孔検知ゾーンに接近するが、孔を完全に通過しない粒子（未通過イベント）の結果であろう。バランスポイント付近では、１より多くのピークを持つ遮断イベントが生ずる。これは、運動方向を反転することなく孔を通過する代わりに、単一粒子が孔内部で振動することを示唆している。従って、バランスポイントを実験で決定するより、直線ラインをラインが横軸と交差するポイントに外挿することによって（図３および上述のように）バランスポイントを決定するのがより正確になる。
この方法に従った未知の電荷の計算の一例を下記に示す。設備として、ＮＰ４００ナノ孔（２００ｎｍ〜８００ｎｍ＋の検知範囲）とともに標準のｑＮａｎｏシステムを使用する。両方ともアイゾン・サイエンス・リミテッド社から入手できる。０．１ＭおよびｐＨ８の塩化カリウム電解質を用いる。較正粒子は、３５０ｎｍ ＣＯＯＨであり、これは、バングス・ラボラトリーズ社で製造され、サイズおよび濃度についてアイゾン社で認証された３５０ｎｍ カルボキシル化ポリスチレン粒子である。これらの粒子は、ＫＣｌ緩衝液中で高い負電荷を有する。未知の電荷を持つテスト粒子は、ＮＩＳＴ４００（４００ｎｍ直径のポリスチレン粒子）およびＮＩＳＴ５０４（５０４ｎｍ直径のポリスチレン粒子）である。これらのテスト粒子は、負の官能性、例えば、カルボキシル基で表面修飾されておらず、よってＫＣｌ緩衝液中で低い負電荷を有する。粒子は、流体セルの１つのチャンバに投入され、電圧が印加される。一連の増加する圧力が印加され、粒子を電圧と同じ方向に移動させる。カウントレートを測定し、対応する圧力に対してプロットを行った。図３の圧力軸において、静的圧力ヘッド（４．７ｍｍ）および印加圧力を補正していることに留意する。
未知の粒子の電荷は、既知の電荷の粒子に対して較正される。横軸との切片は、粒子が孔を転位するのを停止させるのに要する差圧を表す。種々のサンプルについて切片での差圧の比率は、電気泳動移動度の比率、従って、ゼータ電位の比率に比例する。この用途では、電荷およびゼータ電位の項が交換可能に用いられるが、両方とも式（１）の右辺の第１項のζｐａｒｔｉｃｌｅを指す。
図３に示すラインに対応した例示データを下記に示す。３５０ｎｍ ＣＯＯＨテスト粒子は、−０．３０ｃｍ水のｘ切片（即ち、横軸の切片ポイントでの圧力）および−３０ｍＶの既知の電荷を有する。第１テスト粒子ＮＩＳＴ４００は、−０．０６ｃｍ水のｘ切片を有し、その結果、−６ｍＶの電荷を有する。第２テスト粒子ＮＩＳＴ５０４は、−０．１０ｃｍ水のｘ切片と、その結果、−１０ｍＶの電荷を有する。
ｘ切片を決定すること以外でバランスポイントを決定する方法の一実施形態が、圧力を連続的に調整して、イベントの合計数を時間の関数として記録することによる。幾つかのタイプの粒子についてイベント累積数対時間のグラフを図４に示す。全てのイベントが、転位方向に関係なくカウント（正として）される。一方向の粒子の流れ（図４の左端）からスタートして、圧力は増加し、バランスポイントを通過し、そこではグラフがイベント頻度の大きな減少に起因して変曲点を通過し、そして、圧力をより増加させた後、粒子は、孔を通って反対方向に移動し始めるようになり、累積粒子数が再び増加する。換言すると、累積カウント対印加圧力はＳ字カーブを示す。
図４のグラフを記録した後、次のステップは、Ｓ字カーブの２つの分岐を放物線でフッティングして、バランスポイントに対応した圧力の値を決定する。これは、傾斜が最小になるグラフ上のポイントである。他のフッティング関数も使用でき、Ｓ字カーブの１つの分岐だけをフッティングすることも可能であろう。経験的証拠から、この方法は、圧力差に起因した輸送が電界差に起因した輸送と釣り合う「バランス」ポイントを決定する極めて正確な方法であることが示される。既知の粒子（上述）を用いて較正した後、電荷が決定できる。図４中のカーブは、点対称であり、バランスポイントの両側で２つの放物線カーブを用いて充分に正確にフッティング可能である。
バランスポイントの近傍（数ｍｍＨ２０）において、上述したように、マルチピークの未通過イベントに起因して、実験カーブが放物線カーブでフッティングできないことに留意する。従って、フッティングは、バランスポイントまで延びない、またはバランスポイントを通る領域において行う。フッティングを行った後、バランスポイントは、フッティング結果の外挿によって決定できる。測定を通じてカーブをフッティングする方法は、さらに詳細に説明する。
上チャンバおよび下チャンバでの粒子の濃度はほぼ等しいはずであり、そうでなければ孔を通って上に移動する粒子のカウントレートは、孔を通って下に移動する粒子のカウントレートとは異なることになる。
このバランスポイントを決定するための方法のさらに異なる実施形態を図５に示す。ナノ孔を介した圧力勾配は、正の印加圧力から負の印加圧力へ連続的に変化する。個々の粒子がナノ孔を転位するのに要する時間（電流遮断イベントの半値全幅）は、各印加圧力について測定され平均化される。最大時間は、圧力および電気泳動力が釣り合うこと、即ち、個々の粒子がナノ孔を転位する速度が最も遅いことを示す。この例では、「半値全幅」時間を用いており、これは粒子サイズから独立した比較時間測定を出力する。これは、バランスポイントを決定するための正確な方法でもある。
図５に示す特定の例において、補正した圧力は、以前のように、＋５ｃｍ水から−５ｃｍ水へ０．５ｃｍステップで変化している。設備は、アイゾン・サイエンス・リミテッド社から入手できる、ＮＰ２００ナノ孔（１００ｎｍ〜４００ｎｍ＋の検知範囲）を用いた標準のｑＮａｎｏシステム、および塩化カリウム電解質（０．１Ｍ ｐＨ８）である。既知の電荷を持つ較正粒子は、ＣＰＣ２００Ｂであり、これはバングス・ラボラトリーズ社で製造された２００ｎｍ直径のカルボキシル化ポリスチレン粒子である。これらの粒子は、ＫＣｌ緩衝液中で高い負電荷を有する。未知の電荷の粒子は、ＣＰＮ２００Ａであり、これは２００ｎｍポリスチレン粒子である。これらの粒子は、ＫＣｌ緩衝液中で極めて低い負電荷を有すると予想される。
図５の例では、静的圧力ヘッド（４．７ｍｍ）および印加圧力について説明している。圧力掃引を、連続的な変化とは反対に個別の５ｍｍＨ２Ｏ圧力ステップで行った。圧力掃引は、各サンプルについて正電圧および負電圧の両方で行った（図５および表１中に粒子説明の後に＋または−で示す）。これは、ゼロの差圧に関してほぼ対称な結果を与える。正電圧および負電圧の両方で測定することは、種々の粒子のより良好な分解能を与える。
未知の粒子（ＣＰＮ２００）の電荷は、既知の電荷を持つ粒子（ＣＰＣ２００Ｂ）に対して較正される。各ランについて、最大レシオメトリック（ＦＷＨＭ）遮断時間が同定される。各最大時間での差圧が記録される。各粒子セットにつき正電圧および負電圧の最大値の組合せ差圧が較正される。これは、電気泳動移動度に対抗するのに要する圧力の２倍に等しい。種々のサンプルについての圧力の比率は、電気泳動移動度（よって、ゼータ電位）の比率に比例する。これらの計算ステップの結果は、表１に示す。
Figure 2014521962
この方法の利点は、孔を通る粒子の通過の最大時間が、最小カウントレートよりも同定がより容易になることである。この方法はまた、混合した電荷の粒子集団により良く対処できる。
電荷を決定する方法の異なる実施形態を以下に説明する。貯留部間の圧力差（印加圧力および重力の両方に起因する）がゼロであるポイントは、特に興味深い。その理由は、当該ポイントでの何れの輸送も電界だけで生ずるからである。電気泳動が電気浸透に優越して、電気浸透が無視できる場合、電界と帯電粒子との間の電磁相互作用は主要な駆動力であり、電荷は、遮断イベントを記録し、遮断イベントの幅、例えば、最大値の半値全幅を決定することによって決定できる。遮断イベントの幅は、粒子が孔を横断するのに要する時間に対応する。遮断イベントの幅と既知の電荷を持つ較正粒子と比較することによって、粒子の電荷は決定できる。即ち、もしテスト粒子が較正粒子の２倍速く移動する場合、テスト粒子の電荷は較正粒子の電荷の２倍である。式（１）の右辺の第２項（ζｐｏｒｅを含む項）が小さい（即ち、無視できる）と仮定し、式（１）の右辺の第３項（ＱＰ／Ａ）がほぼゼロである場合、粒子束（または単一粒子の速度）は電荷に比例する。
デバイ長の逆数と粒子半径との積が１よりかなり小さいか、あるいは１よりかなり大きい場合、粒子の電気泳動移動度およびゼータ電位は表面電荷密度に比例する。この場合、測定したイベント時間（例えば、遮断イベントのＦＷＨＭ）が粒子サイズから独立していることになる。これらの極端の間では、電気泳動移動度はサイズ依存になる。電気泳動移動度が粒子サイズと負に相関している場合、傾斜または、代替として信号高さと信号時間（例えば、ＦＷＨＭ）の比率が電気泳動移動度の良好な指標である。
外部印加圧力が、無視できない電気浸透と固有圧力との組合せ圧力に正確に対抗する場合、正味の圧力はゼロであり、流体は孔を通って流れない。このバランスポイントにおいて、粒子の孔通過は単に電気泳動を基づくものである。これにより遮断時間または変曲点（即ち、バランスポイント）圧力を解析することによって、粒子の電気泳動移動度およびゼータ電位の測定を可能にする。
この方法の特定の例を下記のように説明する。設備として、ＮＰ２００ナノ孔（１００ｎｍ〜４００ｎｍ＋の検知範囲）を用いた標準のｑＮａｎｏシステムを、緩衝化した塩化カリウム電解質（０．１Ｍ ｐＨ８）とともに用いる。較正粒子は、ＣＰＣ２００Ｂであり、バングス・ラボラトリーズ社で製造され、サイズおよび濃度についてアイゾン社で認証された「アイゾン認証」カルボキシル化ポリスチレン粒子である。これらの粒子は、ＫＣｌ緩衝液中で高い負電荷を有する。テスト粒子は、ＣＰＮ２００Ａであり、ＮＩＳＴトレーサブル（直径に関して）非官能化ポリスチレン粒子である。これらは官能化されておらず、ＫＣｌ緩衝液中で極めて低い負電荷を有する。
非カルボキシル化およびカルボキシル化の２００ｎｍポリスチレン粒子のＦＷＨＭ時間が、ゼロ正味圧力で比較される。図６に示すように、非カルボキシル化粒子の時間は、カルボキシル化粒子について測定した時間より著しく長い。これは、後者のより高い表面電荷密度に起因している。
この方法の利点は、ゼロ圧力での遮断時間の測定は、集団(ensemble)測定とは反対に、単一粒子の測定であることである。従って、各粒子の時間および表面電荷密度は、測定可能である。これにより、混合した電荷を持つ集団の電荷解析が可能になる。
較正粒子に伴う問題は、較正粒子のサイズがテスト粒子のサイズとは異なることであろう。例えば、較正粒子のサイズがテスト粒子より大きい場合、遮断イベントの幅はより大きくなる。理由は、より大きな粒子は、より小さな粒子よりも多くの電気泳動電流を遮断するからである。この問題に対処するため、遮断イベントのエッジの１つの傾斜を、イベントの幅の代わりに測定してもよい。傾斜は粒子の速度を示す。イベントの傾斜は、サイズから独立している。理由は、電気泳動（及び／又は電気浸透）によって駆動される粒子の速度は、そのサイズから独立しているからである。遮断イベントの幅の代わりに傾斜を測定する場合、較正粒子のサイズがテスト粒子のサイズと異なり得ることは問題ではない。幅の代わりに傾斜を使用することは、異なるサイズの較正粒子が較正目的にとって有用になり得ることを意味する。
遮断軌跡の「最もきれいな」部分は、遮断の立下りエッジである。このエッジは典型的にはリニアである。図７は、遮断イベントの一例を示し、横軸は時間遅延、縦軸は電流であり、ラインＡは遮断の立下りエッジを示す。特定の粒子がナノ孔の検知ゾーンに完全に進入する平均速度は、遮断の大きさ（ベースラインの平均信号に対する遮断の深さ）と組み合わせて、遮断の立下りエッジの勾配を用いて計算できるであろう。
第１近似として、ＦＷＨＭ時間で除算された遮断の大きさは、遮断の下半分の立下りエッジおよび立上りエッジについて平均傾斜を与えることになる。より良好な精度は、立下りエッジの勾配だけを計算することによって達成されるべきである。
実際、圧力差がゼロになるポイントを決定することは挑戦的である。とりわけ孔内部に圧力計を有することが不可能であるからである。圧力計が、通常、孔から遠くに設置されており、その場所で圧力は、孔内部の圧力と異なることになる。
孔内部の圧力がゼロであるポイントを決定する方法が、圧力を変化させながら、電解質を通る電流のバックグランド「ベースライン」信号を監視することによるものである。本方法は、小さな孔よりも大きな穴についてより良好に動作する傾向がある。孔が水平または垂直に配向しているかに関係なく、通常、固有圧力が何れのマイクロ／ナノ孔を介して常に存在することになる。この固有圧力は、メニスカス効果または重力に起因するものであり、ここで開示した方法は、固有圧力の詳細な知識なしで、孔内のゼロ圧力のポイントを決定できる。該構成は、一方の貯留部が、テスト粒子無しの電解質で少なくとも部分的に充填され、一方、他方の貯留部（一般には上側）が、テスト対象である粒子を含有する電解質で少なくとも部分的に充填されている。純粋な電解質のコンダクタンスは、粒子を伴う電解質より高い。上チャンバでの圧力（外部圧力および重力の組合せに起因する）が下チャンバでの圧力より高い場合、浮遊粒子を伴う電解質は孔を通過する。
ゼロ正味圧力のポイントに接近すると、遮断頻度はゼロ近傍になり、まばらな遮断イベントは、外部印加圧力無しの遮断イベントより１００倍長い時間になる。遮断頻度の最小値は、バックグランド電流の増加と密接な関係がある。この増加は、下部流体セル内でより多くの導電性（粒子なし）電解質が孔に進入すること、変化する孔形状、流動電位方向の変化、という効果の組合せに起因すると考えられる。
図８は、メインカーブの右側に向かうベースライン信号の増加の一例を示す。横軸は時間遅延を示し、縦軸は孔を通る電流を示す。電流は、孔を通って流れる電解質に主に起因しており、遮断イベントはメインカーブにおいて辛うじて見える。３つの挿入図は、特定の遮断イベントについて電流の拡大図を示す。左の挿入図は、孔のコーンの狭い端から孔に入る粒子の遮断イベントを示す。右の挿入図は、孔の広い端に入る粒子について遮断イベントを示す。中央の挿入図でのイベントは、狭い端から孔に入る粒子を示しているが、粒子は、左の挿入図の例よりもはるかに低速で孔を通って移動する。理由は、左の挿入図に示すイベントよりも、粒子に作用する種々の力が互いに釣り合うからである。
バックグランド信号の増加を検出することによって孔内部のゼロ圧力差のポイントを見つけると、圧力は当該ポイントに固定され、遮断イベントが記録される。圧力がバランスポイントに接近すると、遮断レートは極めて低速である。遮断イベントは純粋に電界によって生じ、従って、電荷は較正データとの組合せで決定できる。更なる実施形態によれば、遮断幅の分布を解析するために、多数のイベントが圧力および電圧の固定した設定で記録できる。小さな分散を持つ分布が、一般に、大きな分散を持つ分布より好ましいものとされる。
ナノ孔を用いた電荷測定が重要な解析ツールとなり得る用途の一例が、血小板を解析する場合である。血小板が時間とともに劣化すると、血小板の幾つかの表面電荷が小さくなり、幅の分布の全体分散が大きくなる。
第２の例が、塗料粒子の品質制御である。遮断幅の分布は好ましくは狭く、これは均一な性質を持つ塗料中の顔料粒子セットを示し、高品質の顔料を示している。
上述した該方法の特定の例について、ここで検討する。
約２００〜２２０ｎｍの公称直径を持つカルボキシル化ポリスチレン粒子標準品をバングス・ラボラトリーズ社およびポリサイエンス社から購入した。２００ｎｍおよび４０００ｎｍの公称直径を持つ非カルボキシル化ポリスチレン粒子（ＮＩＳＴトレーサブル・サイズ標準品）をポリサイエンス社から購入した。２００〜２２０ｎｍ粒子は、それぞれＢ１２１，Ｂ８６，Ｂ４７，ＰＳＣＯＯＨおよびＰＳとして示し、４０００ｎｍ粒子は、ＰＳ４０００として示す。製造者によって決定されたＢ１２１，Ｂ８６およびＢ４７の比表面電荷は、１２０．８，８６および４７μｅｑ／ｇであり、これらの公称直径は２００ｎｍ，２２０ｎｍおよび２２０ｎｍであった。
０．１ＭのＫＣｌ、１５ｍＭのトリス緩衝液、０．０１％ｖ／ｖ トリトンＸ−１００、３ｍＭのＥＤＴＡおよび、ｐＨ８に調整したＨＣｌからなる電解質を全てのナノ孔実験で使用した。ナノ粒子は、約１０９〜１０１０／ｍｌの濃度の電解質に浸漬した。
全ての２００〜２２０ｎｍポリスチレン粒子のゼータ電位をマルバーン社ゼータサイザー ナノＺＳで測定した。ＰＡＬＳ解析を使用して、トリス緩衝化した０．１ＭのＫＣｌ電解質に分散した種々のナノ粒子タイプの平均ゼータ電位を決定した。１５回の測定サイクルからデータを取得し、２回繰り返した。分散媒体（電解質）のイオン強度は高く、測定セルの寿命を延ばすために、機器は、高速（ＦＦＲ(fast field reversal mode)モード）測定プロセスを選択した。
ＰＳＣＯＯＨの制御測定を、他のマルバーン社ゼータサイザー ナノＺＳで異なるユーザよって実行し、これも２回繰り返した。
熱可塑性ポリウレタン膜に製作した調整可能な(tuneable)ナノ孔を、アイゾン社所有のソフトウエアとの組合せで使用し、電流パルス信号を記録した。適切なナノ孔および関連した技法の一例が、例えば、英国特許第２４２１３０３号に記載されている。要約すると、図９（ｂ）に示すように、単一の円錐状ナノ孔を含む可撓性ポリウレタン膜を、測定電極をそれぞれ含む上部および下部流体セルの間に設置した。孔を介して一定電位を印加することによって（典型的には１Ｖ未満）、孔を通る粒子の転位がバックグランド電流の短い変化として検出できる。膜の４つのアームに接続された歯車付き顎部の間の距離を変化させると、孔の幾何形状が、種々の粒子サイズにより適合するようにリアルタイムで調整できる。孔の開口および膜厚の寸法は、ＳＥＭおよびデジタルマイクロメータを用いて決定した。４μｍ粒子（ＰＳ４０００）を用いた実験を、上部流体セルだけにある粒子を用いて０．０２Ｖの電圧で行った。一方、２００〜２２０ｎｍポリスチレン粒子の測定を、両方の流体セル内で等しい粒子濃度で、０．３Ｖの電圧で実行した
図９は、ｑＮａｎｏナノセンサ（ａ）を用いた可変圧力設定の概略を示す。上部流体セル（ｂ）内の圧力は、部分浸水したビュレット（ｄ）内の水位と大きな水貯留部（ｅ）の水位との間の高さの差を変化させることによって、可撓性配管接続（ｃ）を経由して正確に制御される。ビュレットは、弁（ｆ）を開くことによって大気圧と平衡にした。圧力が正から負に変化する実験の進行を（ｇ）に示す。
膜を介して印加される圧力は、マノメータ配置（図９）によって正確に安定化される。典型的な実験では、弁（図９（ｆ））を閉じて、ビュレットおよび配管を封止し、流体セルを大気圧と平衡にする。この状態で、孔を通る圧力は、重力圧力ヘッドのものであった（図９（ｂ））。上部流体セル内の圧力は、ビーカーから一定のフローレートで水を徐々に放出することによって減少させ、その結果、ビュレット内の流体高さはビーカー内より大きくなり、高さの差が印加圧力を生成した。印加圧力は、正確に既知であった。理由は、ビュレットに対する主ビーカー内の水の高さの所定の変化について変位した流体の重量を較正したからである。ビーカー内の水位の低下に起因して、流体が変位するレートは、時間とともにゆっくり減少する。システムを較正する際、圧力と時間との線形関係からのこの小さな偏差を考慮した。使用した圧力の単位は、水の等価高さを参照している。
電気浸透フロー測定を電流監視方法を用いて行った。２ｍｍ直径の井戸に連結した矩形マイクロチャネル（寸法０．０２２×０．１×３０ｍｍ）を、熱エンボス加工によって調整可能なエラストマーナノ孔（Ｅｌｌａｓｔｏｌｌａｎ １１６０，ＢＡＳＦ社） を製作するために使用した同じ熱可塑性ポリウレタンから製作した。孔検知実験を再現するために、チャネルは最初に電解質で充填した（トリス緩衝化した１００ｍＭのＫＣｌ、濃ＨＣｌを添加することによってｐＨ８に調整）。５００Ｖをプラチナ電極を介して印加して安定な電流を確立し、１つの壁内の電解質は、少し低い濃度（９８ｍＭ）の電解質と置換した。高濃度電解質を変位させて、線形な電流変化を監視することによって電気浸透フローレートを測定した。各測定の前後で、チャネルをメタノールで濡らし、脱イオン水で洗浄した。
測定および計算の結果をここで検討する。我々は、遮断レートの測定値を使用して、上記式（１）を用いてナノ粒子のゼータ電位を導出する。ゼータ電位の計算が、式（１）でＪ＝０に設定することによって達成され、その結果、印加圧力は、電気浸透、電気泳動および固有圧力の組合せ効果と正確に対抗する。式（１）の使用が、ζｐｏｒｅの測定および固有圧力ヘッドの決定を必要とする。他の項について、εおよびηは標準的な研究室条件下で既知であるが、ＱＰ，ＡおよびＥは、その実験で用いた同じストレッチ条件下での孔のＳＥＭ撮像に基づいて円錐形状プロファイルを用いて計算した。小さい孔開口および大きい孔開口の有効半径ｓ，ｌを使用して電界を計算し、一方、流体力学的半径ｓｈ，ｌｈを使用して圧力変動を導出した。有効半径を計算した結果、半径ｓ，ｌの円の面積は開口の実際の面積と同じであり、一方、流体力学的半径は、面積を孔周長の半分で除算することによって決定した。孔壁ゼータ電位は、明確に規定されたチャネルにおいて電気浸透を測定することによって決定した（実験セクションを参照）。
孔内の電界は、孔の開口と電極との間のアクセス抵抗を含む孔の抵抗を導出することによって計算した。
Figure 2014521962
ここで、円錐形状の孔では、下記のようになる。
Figure 2014521962
Figure 2014521962
ここで、Ｅｚ，Ｉ０，Ｖ０，ρおよびＲ０は、それぞれ孔軸に沿った電界成分、電流、電圧、電解質の抵抗率、および孔に充填された電解質の抵抗である。
圧力駆動体積フローレートＱＰは、孔を通るフロー抵抗を考慮することによって計算される。膜表面を越えた関与は、薄い円形オリフィスを通る圧力降下の半分になるようにする。同じ仮定は、半分スペースと有限または無限の長さの円筒チューブの端部との間の圧力降下に対して無視できる誤差を与える。
Figure 2014521962
ここで、ＥおよびＱＰの両方の計算は、輸送が孔軸ｚと平行なベクトル成分によって支配されることを仮定している。これは、本研究で使用した調整可能なエラストマーナノ孔の場合のように、長さとともにゆっくり変化する孔幅について適合している。
実験は、デバイ長が３ｎｍを超えず、電気浸透輸送が栓流によって記述される高塩(high-salt)領域で実行する。電気浸透フローの速度は、下記のヘルムホルツ−スモルコフスキー(Helmholtz-Smoluchowski)の式を適用することによって計算できる。
Figure 2014521962
ここで、円錐形状のナノ孔を通る電気浸透フローレートの記述は、電気浸透速度ｖｅｏが局所電界Ｅに比例することを仮定しており、本チャネルおよび０．１ＭのＫＣｌ電解質について適切な仮定である。
孔壁のゼータ電位が、マイクロチャネル内の電気浸透フローを評価し、式（４）を用いることによって計算した。ζｐｏｒｅ＝−８±３ｍＶの値が、ナノ孔実験で用いた特定の電解質（トリス緩衝化した０．１ＭのＫＣｌ）およびエラストマー材料について得られた。引用した値（３７．５％）での不確実性が、同じ材料からなる種々のチャネルを用いた数多くの測定をベースとしている。電気浸透フローへ等価の体積フローレートを出力する圧力（電気浸透圧力として表される）は、４．４±２．８ｍｍＨ２Ｏと計算した（式（２），（３），（４）を使用し、電気浸透に起因した流体フローがπｓｈ ２ｖｅｏであることを考慮して）。
孔を通る固有圧力は、システムが大気圧と釣り合う場合、重力ヘッドおよびメニスカス効果に起因した圧力であり、その結果、可変圧力システムを経由して外部から印加された圧力はない（図９（ｇ）（ｉｉ））。我々は、固有圧力と外部印加圧力との間に明確な区別をしており、これはビュレット内およびビーカー内の水位の高さの差に起因している（図９（ｇ））。両方の合計は「正味圧力」として表され、これは全体の体積フローレートＱＰを生じさせる。固有圧力の正確な知識は、ゼータ電位の測定にとって重要であり、特に、固有圧力が著しくなる垂直流体セル配置において重要である。
上部流体セルでの固有圧力は、上述した可変圧力法を用いて決定した。この場合、大きな孔（約１０μｍの小さな孔開口直径）を、４μｍの非カルボキシル化ポリスチレン粒子（トリス緩衝化した０．１ＭのＫＣｌ電解質中で０．１ｗｔ％に希釈した）とともに使用し、粒子輸送が圧力によって支配されることを確保し、即ち、動電学的な力は無視できた。固有圧力は、粒子転位が停止するまで負の圧力を増加させることによって測定した。本実験の再現の１つからの軌跡を図８に示す。挿入図は、実験中に種々の時間での代表的な単一粒子遮断イベントを示しており、全て０．３ｓの時間間隔で表示している。
上部流体セルでの圧力は減少したため、これにより平均粒子速度を減少させ、遮断イベントの持続期間が増加する。上部流体セルでの正味圧力が負になると、流体および粒子は、下部から上部流体セルへ流れ始めた。粒子フロー方向のこうした変化は、遮断イベントの形状での変化によって示され、これは円錐形状に起因した孔での抵抗勾配の結果である。正味圧力ゼロポイントに接近すると、遮断頻度はゼロに近くなり、疎らな遮断イベントは、外部印加圧力なしの遮断イベントよりも時間が１００倍まで長くなる。遮断頻度の最小値は、バックグランド電流の増加と密接に関係する。この増加は、可能性として、効果の組合せ、即ち、下部流体セル内のより多くの導電性（粒子なし）電解質が孔に進入すること、変化する孔形状、および流動電位方向の変化に起因している。
図８は、上部流体セル内の固有圧力ヘッドを決定するために使用した、約１１分の長さの可変圧力実験からの代表的な軌跡である。挿入図は、左から右へ、圧力ヘッドが大きい場合、小さな孔開口から大きな孔開口へ最初に進行する単一粒子パルス軌跡を示し、正味圧力がゼロに接近するにつれて遅くなり、上部流体セルで正味圧力が負になると、粒子転位の方向が反転することを示す。
上部流体セルでの圧力は、４０μＬのサンプルで４．７ｍｍ±０．３ｍｍＨ２Ｏと測定した。
ナノ孔を用いたナノ粒子電荷の前回の研究は、固有圧力を考慮しなかった。この圧力は比較的小さいが、低い表面電荷を運ぶナノ粒子への電気泳動力に打ち勝つことがあり、水平サンプルセル配置および垂直サンプルセル配置の両方において大きな役割を演ずることがある。ナノ孔を通る流体フローレートが無視でき、そのため、孔を通る圧力差が実用的な時間スケールに渡って均等にならない。従って、粒子のゼータ電位の正確な測定を可能にするために、両サンプルセル間の圧力差は測定または均等化する必要がある。流体セル内の固有圧力を決定すると、より小さな孔を備えた可変圧力法を用いて、ナノ粒子への動電学的力を正確に測定することが可能になった。
図４は、種々のポリスチレン粒子についてＳ字カーブ（即ち、累積カウント対印加圧力）を示しており、可変圧力法を用いて取得し、三次式カーブ（ＰＳ，Ｂ４７，Ｂ８６，Ｂ１２１）および放物線カーブ（ＰＳＣＯＯＨ）を用いてフッティングを行った。外部印加圧力は、単位ｃｍＨ２Ｏで与えた。
図４は、ある範囲の２００ｎｍのポリスチレン粒子（ＰＳ，Ｂ４７，Ｂ８６，Ｂ１２１，ＰＳＣＯＯＨ）について累積カウント対印加圧力を示す。印加圧力が大気圧から負の圧力に（図９（ｇ）参照）徐々に変化した場合、累積カウントは、各粒子タイプについてＳ字カーブを記述する。遮断頻度（カウント／時間）は、圧力に対して線形スケールであることから、Ｓ字カーブの２つの半分は放物線になると予想され、一方の分岐は負の曲率を有し、他方は正の曲率を有する。圧力に対する累積カウントの放物線的依存性は、式（５）に示されており、Ｐは印加圧力、ａ，ｂ，ｃは粒子タイプおよび濃度に依存する定数である。
Figure 2014521962
各Ｓ字カーブの変曲点（即ち、グラフの曲率が符号を変化させるポイント）での圧力は、粒子の動電学的表面電荷の計算を可能にする。勾配は、この変曲点においてゼロであると予想される。しかしながら、未通過遮断イベントおよび多重遮断イベントなどの特異性（図１０（ａ）（ｂ））は、非ゼロの遮断頻度をもたらす。よって、Ｓ字カーブの変曲点は、実験データへの３次多項式フッティングを用いて最初に決定した。Ｓ字カーブの両方の分岐は、放物線でフッティングを行い、初期の変曲点のＰ＝０．５ｃｍＨ２Ｏ以内のデータを省略した（図４でＰＳＣＯＯＨへのフッティングを参照）。この手法は、非定型なイベントを全て除外するのに充分であった。放物線フッティングから、種々の粒子タイプについて変曲点圧力は、−ｂ／２ｃ（式（５））と等しくなった。三回測定を平均すると、変曲点での計算した外部印加圧力は、ＰＳ，Ｂ４７，Ｂ８６，Ｂ１２１およびＰＳＣＯＯＨについてそれぞれ、０．７７±０．０８ｃｍＨ２Ｏ，１．３５±０．０９ｃｍＨ２Ｏ，１．５８±０．１０ｃｍＨ２Ｏ，２．１７±０．２４ｃｍＨ２Ｏ，および１．３５±０．１２ｃｍＨ２Ｏであった。変曲点圧力は、粒子濃度から独立しており、ｂおよびｃは濃度に対して線形スケールである。
図１０（ａ）は、高い表面電荷Ｂ１２１の可変圧力実験からの軌跡を示し、図１０（ｂ）は、低い表面電荷ＰＳの可変圧力実験からの軌跡（ｂ）を示す。電流ベースラインは、０ｎＡにシフトして、簡素化したイベント解析のためにベースラインドリフトを除去している。挿入図は、圧力滴定実験において種々の時間での遮断イベントを示す。図１０（ａ）（ｉ’）および図１０（ｂ）（ｉ’）は、圧力下での高帯電粒子タイプおよび低帯電粒子タイプの両方について規則的な遮断イベントを示す。図１０（ａ）（ｉｉ’）および図１０（ｂ）（ｉｉ’）は、孔を通る圧力がゼロに接近する場合、粒子について代表的な遮断イベントを示す。
興味深いことに、より長い持続時間とともに、変曲点に近い遮断イベントは典型的には極めて低い大きさを有していた（図１０（ｂ）（ｉｉ’））。低い大きさの信号は、孔に進入するが、横断しない粒子に起因すると考えられる。これらのイベントは、ブラウン運動に起因するものであり、これは低電荷粒子の運動で大きな役割を演ずる。Ｂ１２１粒子では、低い大きさのイベントおよび多重イベントの両方が観察される。多重イベントは、４０ｍｓまでの期間、孔狭窄に捕捉され、前後に移動する粒子に起因すると考えられる。図１０（ａ）（ｉｉ’）での例は、粒子が見かけ上孔に進入して、動電学的力の下で転位する前に捕捉されることを示す。
図１１は、種々のポリスチレン粒子について、変曲点圧力と表面電荷密度との間の関係がほぼ線形であることを示す。この線形依存性は予想される。理由は、ナノ粒子のゼータ電位は、表面電荷密度に対して線形スケールであるからである。表面電荷密度は、Ｂ１２１，Ｂ８６およびＢ４７の比電荷１２１，８６および４７μｅｑ／ｇ（酸／塩基滴定を用いてバングス・ラボラトリーズ社によって供与された）をそれぞれ、ファラデー定数の乗算によってＣ／ｎｍ２に変換することによって計算した。重量は、公称粒子半径を考慮して、１．０６ｇ／ｃｍ３のポリスチレン密度を想定することによって表面積に変換した。計算した表面電荷密度は、Ｂ４７，Ｂ８６およびＢ１２１についてそれぞれ０．３９ｎｍ２，０．５０ｎｍ２および０．９１ｎｍ２のカルボキシレート基ごとの表面積に対応する。非カルボキシル化ＰＳ粒子が、スルフェート表面官能性に起因した、未知で非ゼロの表面電荷を有する。
図１１において、表面電荷密度に対する変曲点圧力（ｃｍＨ２Ｏ）の依存性を、粒子Ｂ４７，Ｂ８６およびＢ１２１について直線ラインでフッティングしている。非カルボキシル化ＰＳ粒子の非ゼロ表面電荷を矢印で示している。−０．０３ｃｍＨ２Ｏでの水平破線は、電気浸透輸送および固有圧力の和である。
電気浸透および固有圧力の和（図１１中の破線）は、変曲点圧力から引き算され、電気泳動に対抗して、ポリスチレン粒子のゼータ電位を抽出するのに必要な合計圧力（合計変曲圧力）を得る。電気泳動に対抗するのに必要な合計変曲圧力は、遮断時間の逆数に対応すると予想される。従って、時間および合計変曲圧力の積は、種々の粒子タイプについて一定になるはずである。
表２において、圧力を、印加圧力が固有圧力および電気浸透圧力の和に等しいポイントの近傍で抽出された遮断時間と比較しており、その結果、電気浸透は、粒子が孔を通る大きな駆動力だけである。図１０に表示した軌跡について、この平衡ポイントは約５ｓ後に到達した。各ランの第１の１０〜１２ｓにおける遮断を評価し、半値全幅（ＦＷＨＭ）時間を抽出した。各サンプルについて少なくとも４５個の遮断時間を平均化した。表２の最終列は、ある程度一定の値を示している。
表２において、種々の粒子タイプについて、支配的な電気泳動を伴うイベントについて変曲圧力、これら２つの測定値の積とともに平均ＦＷＨＭ時間を列挙している。括弧内の数字は標準偏差を表す。
Figure 2014521962
我々の実験で使用した調整可能なエラストマーナノ孔は、事前に特性評価しており、円錐形状である。ＳＥＭ画像の解析から、ｓ，ｌ，ｓｈおよびｌｈは、それぞれ１５．３±２．３，４７０±７０，１３．６±２．０μｍ、および４６０±７０ｎｍであった。使用した緊張時の膜厚ｄは、２２０±１５μｍであった。
孔のゼータ電位、固有圧力、イベントレートを最小化するのに要する印加圧力を決定すると、我々は、ネルンスト−プランクの式（式１）および簡単な幾何モデルを使用し、これらの孔についてカスタマイズして（式２と式３）、粒子の粒子ゼータ電位を導出した（表３）。引用したζの誤差は、孔の幾何寸法での不確実性によって支配される。圧力駆動フローが、孔の幾何形状に大きく依存するからである。
第１近似として、この計算は有効半径の３乗に依存し、百分率誤差は、孔開口半径での測定不確実性の３倍である。ＰＡＬＳを用いて測定したゼータ電位は、可変圧力法から得られたものと極めて類似している（表３）。可変圧力法は、表面電荷が、ＰＳ，ＰＳＣＯＯＨ，Ｂ４７，Ｂ８６およびＢ１２１の順で増加することを示唆している。これに対して、ＰＡＬＳは、増加する電荷の異なる順序がＰＳ，Ｂ４７，Ｂ１２１，Ｂ８６およびＰＳＣＯＯＨであることを示唆している。Ｂ４７，Ｂ８６およびＢ１２１についてバングス社によって提供された滴定結果は、可変圧力法を用いて得られた結果をサポートしている。表３において、可変圧力法、ＰＡＬＳ、および酸／塩基滴定で決定した表面電荷密度を用いて測定したゼータ電位の比較を示す。括弧内の数字は測定不確実性を表す。
Figure 2014521962
注＊）ゼータ電位は２回の測定について平均化し、繰り返しは３％以内になった。他のゼータサイザー(zetasizer)機器でＰＳＣＯＯＨについて制御測定は、−２９．７ｍＶで、記録値の７％以内であった。注＊＊）製造者から提供なし。
本発明の範囲から逸脱することなく、上述した実施形態に対して種々の変更が可能であることは、当業者によって理解されるであろう。
例えば、電流を測定し、チャンバ間の電位差を一定に維持するというここで開示した手法は、電位差を測定し、電流を一定に維持するように変更してもよい。これらの手法の他の詳細は、適切に変更する必要があろう。
説明した実施形態において、チャンバ間の電位差を一般には一定に維持しつつ、圧力を変化させていたが、これらの実施形態の変更では、電位差を変化させつつ、圧力差を一定に維持してもよく、あるいは、電位差および圧力差の両方を変化させてもよい。また、他の詳細は、相応に変更する必要があろう。

Claims (30)

  1. 少なくとも１つのテスト粒子の電荷を決定する方法であって、
    ２つのチャンバを接続するアパーチャを通る電流または電圧の一方を印加するステップであって、チャンバは、電解質で少なくとも部分的に充填され、少なくとも１つのテスト粒子は、チャンバの少なくとも１つの電解質中に浮遊しているようにしたステップと、
    アパーチャを通る電流または電圧の他方を測定するステップと、
    ２つのチャンバ間の圧力差を変化させるステップと、
    電流または電圧の測定に基づいて電荷を決定するステップと、を含む方法。
  2. 少なくとも１つのテスト粒子への圧力差に起因した力が、アパーチャを通る電圧に起因した力とほぼ等しくかつ反対である、バランス圧力差を決定するステップをさらに含む請求項１記載の方法。
  3. 少なくとも１つのテスト粒子への重力、及び／又は、少なくとも１つのテスト粒子への前記チャンバの少なくとも１つにおけるメニスカスに起因した力、及び／又は、少なくとも１つのテスト粒子への電気浸透に起因した力について、圧力差を補正するステップをさらに含む請求項２記載の方法。
  4. バランス圧力差は、圧力差と、少なくとも１つのテスト粒子の輸送レートとの間の線形関係を外挿することによって決定され、輸送レートがほぼゼロである圧力差を決定する請求項２または３記載の方法。
  5. 該方法は、輸送レートがほぼゼロである圧力差を決定するために、アパーチャを通る複数のテスト粒子の輸送方向が反転するようにして圧力差を変化させるステップを含む請求項１記載の方法。
  6. 圧力差に応じて、アパーチャを通って輸送される粒子の合計数を決定するステップをさらに含む請求項５記載の方法。
  7. 輸送レートがほぼゼロである圧力差を推測するために、圧力差に応じて、粒子がアパーチャを横断するのに要する時間を決定するステップをさらに含む請求項１〜６のいずれかに記載の方法。
  8. 少なくとも１つの粒子の電荷と圧力差との間の定量的関係を較正するために、既知の電荷を持つ少なくとも１つの較正粒子を使用するステップをさらに含む請求項４〜７のいずれかに記載の方法。
  9. 前記定量的関係を較正することは、輸送レートがほぼゼロである前記定量的関係を較正することを含む請求項８記載の方法。
  10. 少なくとも１つの粒子の輸送が実質的に電気泳動だけで駆動されるように、チャンバ間の圧力差をほぼゼロに設定するステップをさらに含む請求項１記載の方法。
  11. 粒子の電荷を推定するために、電圧に応じて、粒子がアパーチャを横断するのに要する時間を決定するステップをさらに含む請求項１０記載の方法。
  12. 圧力差に応じた電解質中のバックグランド電流の測定に基づいて、チャンバ間の圧力差をほぼゼロになる時間を推定するステップをさらに含む請求項１０記載の方法。
  13. ２つのチャンバを接続するアパーチャをテスト粒子が通過する方向を決定する方法であって、
    チャンバは、電解質で少なくとも部分的に充填され、テスト粒子は、電解質中に浮遊しており、
    該方法は、アパーチャを通る電流または電圧の一方を印加するステップと、
    アパーチャを通る電流または電圧の他方を監視するステップと、
    監視した電流または電圧の非対称性と、アパーチャの非対称性とを関連付けるステップと、を含む方法。
  14. ２つのチャンバを接続するアパーチャをテスト粒子が通過する速度を決定する方法であって、
    チャンバは、電解質で少なくとも部分的に充填され、テスト粒子は、電解質中に浮遊しており、
    該方法は、アパーチャを通る電流または電圧の一方を印加するステップと、
    アパーチャを通る電流または電圧の他方を監視するステップと、
    前記監視の結果に基づいて、前記速度を決定するステップと、を含む方法。
  15. テスト粒子がアパーチャを通過する際、前記電流の少なくとも一部を遮断する傾向があり、
    該方法は、前記速度を決定するために、電流遮断の幅または時間を示す値を推定するステップをさらに含む請求項１４記載の方法。
  16. テスト粒子がアパーチャを通過する際、前記電流の少なくとも一部を遮断する傾向があり、
    該方法は、前記速度を決定するために、電流遮断時の電流の変化レートを示す値を推定するステップをさらに含む請求項１４記載の方法。
  17. 少なくとも１つのテスト粒子の電荷を決定する方法であって、
    ２つのチャンバを接続するアパーチャを通る電流または電圧の一方を印加するステップであって、チャンバは、電解質で少なくとも部分的に充填され、少なくとも１つのテスト粒子は、チャンバの少なくとも１つの電解質中に浮遊しているようにしたステップと、
    アパーチャを通る電流または電圧の他方を監視して、少なくとも１つの遮断イベントを監視するステップであって、遮断イベントは、少なくとも１つのテスト粒子がアパーチャを通過して電流または電圧を変化させる際、監視した電流または電圧の変化によって表されるステップと、
    遮断イベントの時間または、監視した電流もしくは電圧の変化レートを示す値に基づいて、電荷を決定するステップと、を含む方法。
  18. ２つのチャンバを接続するアパーチャを通る電流または電圧の一方を印加するステップであって、チャンバは、電解質で少なくとも部分的に充填され、少なくとも１つのテスト粒子が、チャンバの少なくとも１つの電解質中に浮遊しているようにしたステップと、
    アパーチャを通る電流または電圧の他方を測定するステップと、
    ２つのチャンバ間の圧力差を変化させるステップと、
    測定した電流または電圧の変化を監視するステップであって、前記変化は、アパーチャ内のテスト粒子の数または濃度の変化を示すステップと、
    前記変化が生じた場合、２つのチャンバ間の圧力差がほぼゼロであることを決定するステップと、を含む方法。
  19. ２つのチャンバを接続するアパーチャを通る電流または電圧の一方を印加するステップであって、チャンバは、電解質で少なくとも部分的に充填され、複数のテスト粒子が、チャンバの少なくとも１つの電解質中に浮遊しているようにしたステップと、
    アパーチャを通る電流または電圧の他方を監視して、複数の遮断イベントを監視するステップであって、遮断イベントは、テスト粒子がアパーチャを通過して電流または電圧を変化させる際、監視した電流または電圧の変化によって表されるステップと、
    少なくとも２つの遮断イベントの特性を監視するステップと、
    監視した特性に基づいて、粒子の特徴の分布または変化を示す情報を導出するステップと、を含む方法。
  20. 混合サンプル中の異なる粒子タイプの電荷を決定する方法であって、
    ２つのチャンバを接続するアパーチャを通る電流または電圧の一方を印加するステップであって、チャンバは、電解質で少なくとも部分的に充填され、複数のテスト粒子が、チャンバの少なくとも１つの電解質中に浮遊しているようにしたステップと、
    ２つのチャンバ間に圧力差を印加して、テスト粒子をアパーチャから追い出すステップと、
    続いて、圧力差を減少させ、またはゼロに設定して、粒子が電気泳動によってアパーチャに戻るようにするステップと、
    テスト粒子がアパーチャに戻り、アパーチャを転位するレートを、相対電荷の指標として決定するステップと、含む方法。
  21. 第１圧力に曝されるように構成された第１チャンバと、
    管路の第１端と接続された第２チャンバと、を備え、
    管路の第２端が、流体中に少なくとも部分的に懸架されるように構成され、
    第１チャンバおよび第２チャンバは、アパーチャによって接続され、
    第２チャンバの圧力が、管路の第２端が流体中に懸架される量を変化させることによって、変化するようにした、システム。
  22. ２つのチャンバを接続するアパーチャを通る電流または電圧の一方を印加するステップであって、チャンバは、電解質で少なくとも部分的に充填され、複数のテスト粒子が、チャンバの少なくとも１つの電解質中に浮遊しているようにしたステップと、
    アパーチャを通る電流または電圧の他方を測定するステップと、
    ２つのチャンバ間の圧力差、及び／又は、アパーチャを通る電流もしくは電圧を変化させるステップと、
    ２つのチャンバ間の圧力差に起因したテスト粒子への駆動力が、前記電圧に起因したテスト粒子への駆動力とほぼ釣り合う時間を決定するステップと、を含む方法。
  23. 少なくとも１つのテスト粒子の電荷を決定するための装置であって、
    アパーチャによって接続された第１チャンバおよび第２チャンバと、
    アパーチャを通る電流または電圧を印加するための手段と、
    チャンバが、電解質で少なくとも部分的に充填され、少なくとも１つのテスト粒子が、チャンバの少なくとも１つの電解質中に浮遊している場合、アパーチャを通る電流または電圧の他方を測定するための手段と、
    第１チャンバと第２チャンバの間の圧力差を変化させるための手段と、
    電流及び／又は電圧の測定に基づいて電荷を決定するための手段と、を備える装置。
  24. アパーチャをテスト粒子が通過する方向を決定するための装置であって、
    アパーチャによって接続された第１チャンバおよび第２チャンバと、
    アパーチャを通る電流または電圧の一方を印加するための手段と、
    チャンバが、電解質で少なくとも部分的に充填され、テスト粒子が電解質中に浮遊している場合、アパーチャを通る電流または電圧の他方を監視するための手段と、
    監視した電流または電圧の非対称性と、アパーチャの非対称性とを関連付けるための手段と、を備える装置。
  25. アパーチャをテスト粒子が通過する速度を決定するための装置であって、
    アパーチャによって接続された第１チャンバおよび第２チャンバと、
    アパーチャを通る電流または電圧の一方を印加するための手段と、
    チャンバが、電解質で少なくとも部分的に充填され、テスト粒子が電解質中に浮遊している場合、アパーチャを通る電流または電圧の他方を監視するための手段と、
    前記監視の結果に基づいて、前記速度を決定するための手段と、を備える装置。
  26. 少なくとも１つの粒子の電荷を決定するための装置であって、
    アパーチャによって接続された第１チャンバおよび第２チャンバと、
    アパーチャを通る電流または電圧の一方を印加するための手段と、
    チャンバが、電解質で少なくとも部分的に充填され、少なくとも１つのテスト粒子が、チャンバの少なくとも１つの電解質中に浮遊している場合、アパーチャを通る電流または電圧の他方を監視して、少なくとも１つの遮断イベントを監視するための手段であって、遮断イベントは、少なくとも１つのテスト粒子がアパーチャを通過して電流または電圧を変化させる際、監視した電流または電圧の変化によって表される手段と、
    遮断イベントの時間または、監視した電流もしくは電圧の変化レートを示す値に基づいて、電荷を決定するための手段と、を備える装置。
  27. アパーチャによって接続された第１チャンバおよび第２チャンバと、
    アパーチャを通る電流または電圧の一方を印加するための手段と、
    チャンバが、電解質で少なくとも部分的に充填され、複数のテスト粒子が、チャンバの少なくとも１つの電解質中に浮遊している場合、アパーチャを通る電流または電圧の他方を測定するための手段と、
    ２つのチャンバ間の圧力差を変化させるための手段と、
    測定した電流または電圧の変化を監視するための手段であって、前記変化は、アパーチャ内のテスト粒子の数または濃度の変化を示す手段と、
    前記変化が生じた場合、２つのチャンバ間の圧力差がほぼゼロであることを決定するための手段と、を備える装置。
  28. アパーチャによって接続された第１チャンバおよび第２チャンバと、
    アパーチャを通る電流または電圧の一方を印加するための手段と、
    チャンバが、電解質で少なくとも部分的に充填され、複数のテスト粒子が、チャンバの少なくとも１つの電解質中に浮遊している場合、アパーチャを通る電流または電圧の他方を監視して、複数の遮断イベントを監視するための手段であって、遮断イベントは、テスト粒子がアパーチャを通過して電流または電圧を変化させる際、監視した電流または電圧の変化によって表される手段と、
    少なくとも２つの遮断イベントの特性を監視するための手段と、
    監視した特性に基づいて、粒子の特徴の分布または変化を示す情報を導出するための手段と、を備える装置。
  29. 混合サンプル中の異なる粒子タイプの電荷を決定するための装置であって、
    アパーチャによって接続された第１チャンバおよび第２チャンバと、
    チャンバが、電解質で少なくとも部分的に充填され、複数のテスト粒子が、チャンバの少なくとも１つの電解質中に浮遊している場合、アパーチャを通る電流または電圧の一方を印加するための手段と、
    ２つのチャンバ間に圧力差を印加して、テスト粒子をアパーチャから追い出すための手段と、
    続いて、圧力差を減少させ、またはゼロに設定して、粒子が電気泳動によってアパーチャに戻るようにするための手段と、
    テスト粒子がアパーチャに戻り、アパーチャを転位するレートを、相対電荷の指標として決定するための手段と、を備える装置。
  30. アパーチャによって接続された第１チャンバおよび第２チャンバと、
    アパーチャを通る電流または電圧の一方を印加するための手段と、
    チャンバが、電解質で少なくとも部分的に充填され、複数のテスト粒子が、チャンバの少なくとも１つの電解質中に浮遊している場合、アパーチャを通る電流または電圧の他方を測定するための手段と、
    ２つのチャンバ間の圧力差、及び／又は、アパーチャを通る電流もしくは電圧を変化させるための手段と、
    ２つのチャンバ間の圧力差に起因したテスト粒子への駆動力が、前記電圧に起因したテスト粒子への駆動力とほぼ釣り合う時間を決定するための手段と、を備える装置。
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