JP2014526047A - 光学測定セル用気泡抑制システム - Google Patents

Abstract

光学測定セル中の気泡を抑制する方法および装置を開示する。測定セルは液体試料で充填される。管接続によってセルに接続された弁が、セルに流出入する流体を止めるように作動される。次に圧力源が、弁および流れインピーダンス機構を介してセルに含有されている液体に適用され、それによりセル内に含有されているまたはセル内で発生する気泡を溶解して溶液に戻すか、サイズを低減させて、試料から取られる光学測定がより正確であり、測定ビームに干渉がなく、かつ測定される迷光のないようにする。可能な圧力源は、圧縮ガス、ピストン、および定流速ポンプを含む。

Description

優先権
本出願は、２０１２年８月５日に出願された、米国仮特許出願第６１／５１５，７９６号明細書「Ｍｅｔｈｏｄ ａｎｄ ａｐｐａｒａｔｕｓ ｔｏ ｓｕｐｐｒｅｓｓ ｂｕｂｂｌｅｓ ｉｎ ｏｐｔｉｃａｌ ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ ｃｅｌｌｓ」の優先権を主張する。

関連出願および特許
以下の特許出願は、粒子の電気泳動移動度の測定に関し、引用することにより本明細書に組み込まれる：
米国特許出願第１２／７８２，６８２号明細書、Ｈ．−Ｔ．Ｈｓｉｅｈ ａｎｄ Ｓ．Ｔｒａｉｎｏｆｆ、「Ｍｅｔｈｏｄ ａｎｄ ａｐｐａｒａｔｕｓ ｔｏ ｍｅａｓｕｒｅ ｐａｒｔｉｃｌｅ ｍｏｂｉｌｉｔｙ ｉｎ ｓｏｌｕｔｉｏｎ」、２０１０年３月１８日出願。

本発明は、非限定的に電気泳動移動度測定セルを含む光学測定セル中で気泡を抑制できる革新的な方法および装置を開示し、本方法および装置では、適用電界にさらされる溶液中の荷電粒子の移動が測定される。本発明は、明細書の大半を通じて、高分子に言及するが、本明細書に開示される発明の方法および装置を使用して気泡を抑制できる測定セルは、より一般的に、エマルジョン、ウィルス、ナノ粒子、リポソーム、高分子イオンおよびそのサイズが約５００〜数千ナノメートルであり得る他のいずれの溶液構成要素も含む全階級の小粒子を含み得る。従って、用語「分子」、「高分子」または「高分子イオン」を用いるときは常に、ある光学測定の形態にかけられる上記の溶液に支持される物体の全てを含むと理解されたい。

電気泳動移動度は、直接測定可能でありかつ最も広く用いられる量であり、分子または溶液中の他の粒子の荷電を特徴づける。一度測定すると、電気泳動移動度を使用して次に、かかる分子によって運ばれる有効電荷Ｚｅ、ならびにそれらのいわゆるゼータ電位ζを決定することができる。粒子に緊密に結合したイオン群と、粒子とともに移動しない周囲溶液のイオン群との界面が、流体力学的なせん断面を定める。ゼータ電位はこのせん断面に存在する静電位を示す。光学測定セル内に含有される溶液中の分子および粒子の電気泳動移動度、有効電荷およびゼータ電位の光学測定を改善することが本発明の目的である。しかしながら、本発明の方法および装置は、粒子電荷に基づく測定に限定されないことに留意されたい。光源が光学的に透明な測定セルを通過してその中に含有される液体試料を照らす、動的光散乱、ＤＬＳともしばしば呼ばれる複数角度光散乱、ＭＡＬＳ、および準弾性光散乱、ＱＥＬＳなどの他の測定が、本明細書に開示される発明の要素から利益を受けるであろう他の技術の中にある。従って、本開示は、移動度測定セルに適用される本発明の利用に主に焦点を合わせるが、この測定技術または利用に限定されると解釈すべきでない。

レーザードップラー電気泳動、ＬＤＥおよび位相解析光散乱、ＰＡＬＳの両方を含むヘテロダインＤＬＳなどの光散乱法を含むいくつかの技術が開発され、移動度の測定に利用可能である。これら技術は、移動粒子から散乱される測定光を必要とし、それによりそのような散乱光がそのような移動に関連する情報を運び、それから関連付けられた粒子の電気泳動移動度を決定することができる。

電気泳動移動度を測定するこれら技術のうちもっとも重要なのはＰＡＬＳであり、一般的にレーザ源からの単色光ビームが、適用電界にさらされる液体中粒子の試料を照らす。散乱する光の一部は収集され、入射非散乱光の一部と組み合わされる。言い換えると、散乱信号は入射光とコヒーレントに組み合わされ、検出器で干渉縞を生成するヘテロダイン信号を生成する。組み合わされたビームの変動を測定し、それから散乱粒子の電気泳動移動度の測定値を導くために、入射ビームの一部が振動ミラーから反射するように向けられる。これが、電気泳動移動がない場合でさえ、検出された干渉縞に強度変調を示させる。適用電界を適用した結果生じる電気泳動移動により付加的な周波数偏移が生じ、それにより適用電界の方向に対する粒子の方向の明確な測定が可能になる。この方法は試料から散乱される光の極めて正確な測定を必要とする。照らされた試料内に含有される気泡が、分子から散乱する光と干渉する光を散乱し、導かれる測定値を改悪する。

光散乱測定を実行するとき、気泡のない環境を維持することは常に難題である。気泡のない試料を測定セルに導入しようとする多数の方法があり、振動、タッピング（ｔａｐｐｉｎｇ）、アルコールによるすすぎ、または意図的な空気によるセルのフラッシングさえ含まれるがそれらに限定されない。これらは有用であり得るが、気泡が表面に付着することがよく起きる。気泡のない試料を得られたとしても、電気泳動分子移動を引き起こす電流が、溶液の電解も引き起こし、それにより電極に気泡が形成される可能性がある。この問題は、所与の電界を得るために漸進的により大きな電流が必要とされるので、緩衝液のイオン強度が増大するにつれて悪化する。大量の電流はより多くの気泡を生成する。本発明の別の目的は、電気泳動測定と干渉し得るそのような気泡の数およびサイズを低減することである。

さらに、溶液中に気体を含有するまたは化学反応を経る試料は、適用される電界のない場合でさえ、自然発生的に気泡を生成する場合がある。本発明の別の目的は、そのような自然発生的な気泡の形成を抑制することである。

中に導入された液体試料を含有する光学測定セルの自動的な加圧（ｐｒｅｓｓｕｒｉｚａｔｉｏｎ）を生じさせ、それにより気泡の存在を低減する革新的な装置および方法を開示する。一連の弁を使用して試料をセルに導入し、続けてセルはフラッシングされ、加圧される。多様な圧力（ｐｒｅｓｓｕｒｅ）源を使用することができる。

光学測定セルの気泡を抑制するための、３つの弁を含む、基本的な加圧システムを示す。 加圧媒体として加圧シリンダ内に含まれる気体を使用する加圧システムを示す。 圧力源としてピストンを使用する加圧システムを示す。 圧力源としてポンプを使用する加圧システムを示す。 図１の加圧システムの別の実施形態を示し、任意選択的要素が、排液容器に接続された圧力リリーフ弁、逆流を防止する逆止弁、および加圧センサを含む。

液体中試料の全ての光学測定は、そのような試料中に含有されているまたは生成されている気泡に起因する不確実性にさらされる。複数角度光散乱測定および準弾性光散乱測定は、例えば、小さい気泡が測定セルに誤って注入しやすい可能性がある。これら気泡によって測定値に誤差が生じることもあり、または測定が不可能になることさえある。さらに、いくつかの試料は、試料がセル中に存在する間、気泡がセル中で形成され、この場合もやはり散乱光の測定を不正確または不可能にする点まで、気体で飽和される場合がある。電気泳動移動度測定は、セル内に含有される気泡が原因で、得られる測定値がさらにより不正確になりやすい。注入および沈降された気泡の可能性に加えて、電気泳動移動度がしばしば測定される機序は、セル内に含まれる電極による液体試料を通る電流の通過を含む。この手順は、試料溶媒の電解および電極上の気泡の生成を引き起こす可能性があり、気泡は続いて試料中に放出されかつしばしば入射光ビームと交差し得、溶媒和試料に由来すると誤解され得る光を拡散し、あるいは他の方法で散乱光信号に影響を及ぼす。高イオン強度緩衝液が使用されるとき、必要な電界を得るために対応してより高い電流を試料に通さなければならないので、気泡の問題は悪化する。電流は溶媒を電解し、気泡の形態で放出され得る気体を生成する。

試料セルを加圧することは、３つの別個の機序による気泡の低減に役立つ。第１の機序は、ボイルの法則に従って、気体気泡の量が周囲圧力と反比例することである。例えば、セルが充填された後、残留気泡が存在する場合、セルを１０バールまで加圧することにより気泡の量は１０分の１に低減するであろう。気泡がなおも存在するとしても、迷光の一因となるその可能性は大幅に低減されるであろう。

加圧が気泡形成の低減に役立つ第２の手段は、液体中の気体の溶解性を変化させることによる。シャルルの法則によれば、気体の溶解性は周囲圧力に正比例する。例えば、セルを１０バールまで加圧した場合、溶液中に溶解できる気体の量は同じく１０倍増大する。増大された溶解性により気泡の中の気体は溶液に入り込み、それによってそれらの量を、ボイルの法則によって決定される量を超えて低減し、またはそれらを一緒に排除する。溶解性が高くなると、周囲圧力および溶解張力（ｓｏｌｕｂｉｌｉｔｙ ｔｅｎｓｉｏｎ）の差が同じく１０倍増大するので、このプロセスはより迅速に生じる。

気泡の存在を低減する第３の手段は、気泡の内側のラプラス圧力の修正による。先に記載したように、気泡の量は圧力に反比例して低減する。しかしながら、より小さい気泡は、それらのより大きい曲率半径により、増大した表面張力も有する。これは気泡の内側の圧力を周囲圧力より高くする。この過圧の純効果は、気体が気泡から溶液中へ運ばれる速度を増大することである。小さい気泡は大きい気泡よりも速く溶解する。

他の方法で注入、沈降、電解、または他の手段から生じる気泡は、本明細書に開示される発明の方法および装置によって軽減され得る。本装置により、光拡散または移動度測定に使用されるような光学測定セルの自動加圧が可能になる。試料が流れている、静止している、またはストップフローモードにある間にＱＥＬＳまたはＭＡＬＳ測定を実行することができる一方で、単に電気泳動移動度測定をストップフローモードで実行できることに留意することが重要である。小さい毛管を出口に置くことによってフローセルを加圧する、および試料が送り出される間に測定を実行する共通の方法は、試料の移動が、適用される流れのため、適用される電界によって誘発される移動を完全に小さくし得るので、使用することはできない。

電気泳動移動度測定の特定の事例では、適用された電界は、電解生成物、一般的には水素および酸素、を生成し得る。これら生成物は溶液に入り込むか、気泡として放出されることができる。より高い周囲圧力は、気体を、気泡として放出される代わりに、溶液に優先的に入り込ませる。

運転の３つの段階、すなわち装入、加圧および放出がある。装入段階では、試料が注入器１によって開口入口弁２を介して加圧システム３へ、その後測定器具５内に含まれる光学測定セル４へ導入される。出口弁６が同じく開口位置にあり、オーバーフロー流体をセルおよび加圧システムから出し、そして排液容器７に流れることを可能にする。この装入段階の間、圧力弁８は閉鎖位置にあり、それにより大部分の試料は、セルが加圧する速度を設定する流れインピーダンス９を含む捕捉アームに入ることが阻止される。大きいインピーダンスによりシステムは不当な機械的応力を防止しながらゆっくり加圧することが可能になる。注入器１は、手動操作注入器、注入器ポンプ、自動注入器または他の任意の注入装置を含む任意の形態数をとってもよい。さらに、流れインピーダンス機構９も、細い毛管、防護カラム、膜、フィルタ等を含む多数の形態をとってもよい。

加圧段階では、入口弁２および出口弁６を閉鎖すること、および圧力弁８を開くことによりシステムは加圧される。セル中の試料はその後静止する。セル中の試料は圧力源１０と同じ圧力に平衡化する。

放出段階では、測定値がとられたあと、またはセル中の加圧がもはや望まれなくなったあと、圧力弁８が閉鎖され、出口弁６が開かれて、システムが減圧するにつれ、インピーダンス機構９に捕捉されていたあらゆる試料が排液容器７へ流される。最後に入口弁２が開放され、新しい試料を注入することができる。

液体か気体のどちらかの多様な圧力源１０および媒体を使用することができる。システムは、セルの出口側に配置されるインピーダンス機構９を介して圧力を適用することに留意することが重要である。加圧段階の間、入口弁２は閉鎖され、それによりセル４に加圧媒体は流れない。放出段階において、加圧媒体は排液容器７へ出ていく。どの時点でも、試料は加圧媒体と接触して測定セル中に存在しない。

図２に示されるように、システムの最も簡単な実施形態は、システム圧力を設定するために圧力調整器１２とともに圧縮ガスシリンダ１１を使用する。調整器を調整することにより、システム圧力の量が設定される。ガスシリンダは便利であるが、定期的に再充填する必要がある。代替実施形態は、定期的にガスシリンダを再充填するために、小型のオンデマンド式圧縮機を使用し得る。

本発明の装置の別の実施形態は、図３に示されるように圧力源８として機能するピストン１３への既知の力の適用を利用する。ピストンに適用される力は、重量などの静的な力であり得るが、明らかに電気的に作動されるピストンは同じ効果を有するであろう。ピストンに適用される力を調整することによって圧力が設定される。理論上、流体に適用される圧力は、単にピストンの断面領域によって分割される力であるが、実際には、ピストンの摩擦により、適用される圧力は幾分これより小さくなる。従って、適用される圧力の正確な量を知るために、適用される実際の圧力を計測すべく計器１４が含まれてもよい。しかしながら、この実施形態は他より望まれない場合もある。その理由は、例えば圧縮ガスを使用する実施形態は各減圧後に加圧媒体を排液ラインに流出させるが、ピストンに包含される流体は本質的に捕捉されるためである。

別の実施形態は、図４に示すように、等速ポンプ１５を使用する。等速ポンプ１５は、流体を循環し、貯蔵器１６からインピーダンスまたは背圧調整器２０を介して貯蔵器へ戻す。要素２０が流れインピーダンスであるとき、流量を調整することによって、システム圧力が設定される。要素２０が背圧調整器であるとき、流量は、ポンプが安定であるのに十分高い限り、重要でない。上に記載したガスシリンダの実施形態のように、各減圧サイクル後に加圧媒体はシステムから流出されるので、流体は捕捉されない。

図５に示される本発明の実施形態は追加の要素を含み、それら要素は、過圧時に測定セルの損傷を防止するのに役立つか、あるいは、システムが加圧されている間新しい試料の導入を偶然に試みるのに役立つ。圧力センサ要素１７により、測定セルに適用される圧力の監視が可能になる。逆止弁１８は、注入装置から圧力源への逆流を防止し、システムの加圧アームに沿ったどの位置に配置されてもよい。圧力リリーフ弁１９が、排液容器７へ管により接続され、過圧を防止する。圧力リリーフ弁がなければ、加圧により漏出が生じるか、システム３が損傷するか、測定セル４自体が損傷する可能性がある。

本発明の装置を使用して、漏出に関して測定器具５の一体性を点検することもできる。上に記載した機序によってセルを加圧し、その後弁８を閉鎖して、圧力源をシステムの残りから孤立させ、それによりここで密閉体積が形成される。続いて計器１７の圧力を経時的に監視する。漏出がある場合、圧力が経時的に減少するであろう。測定された滴下が所定の割合を超える場合、システムは漏出を検出し、警報を発することができる。器具５が、加圧システムを輪状にしてそれ自体に戻るある長さの管で置き換えられる場合、加圧システム３は漏出についてそれ自体を点検することができる。弁が電気的に作動される実施形態では、漏出が存在しない場合でさえ、弁からの廃熱により圧力変化が引き起こされる可能性があり、従って弁体の温度調整によりシステムの感受性が増し、システムがより少ない漏出を検出することを可能にする。

光学測定および流体力学の当業者には明らかなように、本明細書に開示された基本的要素から逸脱しない発明の方法および装置の多数の明らかな変形形態がある。しかしそのような変形形態の全ては、記載した発明の明らかな実装形態であり、参照により以下の本発明の特許請求の範囲に含まれる。

Claims (32)

1. 光学測定セルに含有される液体試料内の気泡を抑制するシステムであって、
   Ａ．前記試料を前記光学測定セルに導入できる入口手段であって、互いの間の管によって連続的に接続された、
   ａ．入口開口部、
   ｂ．入口弁、
   ｃ．セル開口部に続く出口、
   を含む入口手段と、
   Ｂ．前記試料が前記測定セルから出て、排液容器に移動できる出口手段であって、互いの間の管によって連続的に接続された、
   ａ．出口弁、
   ｂ．排液容器開口部に続く出口、
   を含む出口手段と、
   Ｃ．前記出口手段に管によって接続された加圧手段であって、
   ａ．加圧源、
   ｂ．圧力弁、
   ｃ．流れインピーダンス手段、
   を含む加圧手段と、
   を含むシステム。
2. 前記光学測定セルが、電気泳動移動度検出器の要素である、請求項１に記載のシステム。
3. 前記電気泳動移動度検出器が、位相解析光散乱検出器である、請求項２に記載のシステム。
4. 請求項２。前記光学測定セルが、光散乱光度計の要素である、請求項１に記載のシステム。
5. 前記入口弁が逆止弁である、請求項１に記載のシステム。
6. 前記入口弁が電気作動弁である、請求項１に記載のシステム。
7. 前記入口弁、前記出口弁、および前記圧力弁が、電気作動弁である、請求項１に記載のシステム。
8. 前記流れインピーダンス手段と前記出口弁との間に接続された逆止弁をさらに含む、請求項１に記載のシステム。
9. 前記光学測定セルと前記出口弁との間に接続された圧力リリーフ弁をさらに含む、請求項１に記載のシステム。
10. 前記加圧手段と前記光学測定セルとの間に接続された圧力センサをさらに含み、その結果、前記圧力センサが、前記光学測定セルに適用された圧力を測定することができる、請求項１に記載のシステム。
11. 前記電気作動弁を自動的に操作する手段をさらに含む、請求項７に記載のシステム。
12. 前記流れインピーダンス手段が毛管である、請求項１に記載のシステム。
13. 前記加圧源が、適用される前記圧力を決定する圧力調整器に接続された圧縮ガスのシリンダである、請求項１に記載のシステム。
14. オンデマンド式圧縮機をさらに含む、請求項１３に記載のシステム。
15. 前記圧力源がピストンである、請求項１に記載のシステム。
16. 前記加圧源によって適用される圧力を監視する圧力計をさらに含む、請求項１に記載のシステム。
17. 前記圧力源が、インピーダンス手段を通って循環する液体ポンプである、請求項１に記載のシステム。
18. 前記圧力源が、背圧調整器を通って循環する液体ポンプである、請求項１に記載のシステム。
19. 前記液体ポンプが等速ポンプである、請求項１７に記載のシステム。
20. 前記液体ポンプが等速ポンプである、請求項１８に記載のシステム。
21. 測定セルに含有される液体試料内の気泡を抑制する方法であって、
    Ａ．前記液体試料が、
    ａ．入口弁、
    ｂ．前記測定セル、および
    ｃ．出口弁、
    を通過することを可能にすることによって、前記液体試料で前記測定セルおよび相互接続する流体支持管を充填するステップと、
    Ｂ．前記入口弁を閉鎖するステップと、
    Ｃ．前記出口弁を閉鎖するステップと、
    Ｄ．加圧弁を開放するステップと、
    Ｅ．前記加圧弁を介して適切な圧力を前記測定セルに含有されている前記液体試料に適用し、前記液体試料中に存在する任意の気泡に起因する測定される干渉が低減されるようにするステップと、
    Ｆ．前記加圧された測定セル中の前記液体試料の特性を測定するステップと、
    を含む方法。
22. 前記圧力が、圧縮ガスシリンダを用いて適用される、請求項２２に記載の方法。
23. 前記圧力が、ピストンを用いて適用される、請求項２２に記載の方法。
24. 前記圧力が、液体ポンプを用いて適用される、請求項２２に記載の方法。
25. 前記測定セルが、手動操作式注入器を用いて充填される、請求項２２に記載の方法。
26. 前記測定セルが、自動試料採取器を用いて充填される、請求項２２に記載の方法。
27. 前記測定セルが、注入器ポンプを用いて充填される、請求項２２に記載の方法。
28. Ａ．前記加圧弁を閉鎖するさらなるステップと、
    Ｂ．前記出口弁を開放し、それにより前記測定された液体試料が排液容器へ流れることを可能にするさらなるステップと、
    Ｃ．前記入口弁を開放し、次の液体試料を前記測定セルに導入できるようにするさらなるステップと、
    を含む請求項２２に記載の方法。
29. 請求項１０に記載のシステムを使用する器具を含む光学測定セル中の漏出を検出する方法であって、
    Ａ．前記液体試料が、
    ａ．入口弁、
    ｂ．前記測定セル、および
    ｃ．出口弁、
    を通過することを可能にすることによって、前記液体試料で前記測定セルおよび相互接続する流体支持管を充填するステップと、
    Ｂ．前記入口弁を閉鎖するステップと、
    Ｃ．前記出口弁を閉鎖するステップと、
    Ｄ．加圧弁を開放するステップと、
    Ｅ．前記加圧弁を介して圧力を適用するステップと、
    Ｆ．前記加圧弁を閉鎖するステップと、
    Ｇ．前記圧力センサを経時的に監視するステップと、
    Ｈ．前記システムの圧力低下率を測定するステップと、
    Ｉ．前記測定されたシステムの圧力低下率を、所定の許容可能な圧力低下率と比較するステップであって、前記許容可能な圧力低下率を超えている測定された圧力低下率が、前記システムの漏出を示すステップと、
    を含む方法。
30. 漏出が検出された場合、警報を起動するさらなるステップを含む、請求項３０に記載の方法。
31. 前記弁の温度を調整し、それにより前記システム内の温度変動による圧力変化を低減し、それにより前記システムの漏出検出感度を向上させるさらなるステップを含む、請求項３０に記載の方法。
32. Ａ．前記入口弁を開放するさらなるステップと、
    Ｂ．前記出口弁を開放するさらなるステップと、
    Ｃ．前記加圧弁を閉鎖するさらなるステップと、
    を含む、漏出が検出されると、前記加圧システムが安全な状態に移行される、請求項３０に記載の方法。

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