JP2015500467A - 粒径及び濃度測定のための検出スキーム - Google Patents

Abstract

本発明は、粒径及び濃度を測定するシステム及び方法を提供する。集束され、統合され、構造化されたレーザビームを準備し、ビームと粒子をインタラクトさせ、インタラクション信号及び１単位時間あたりのビームと粒子の間のインタラクションの数を測定し、アルゴリズムを用いて、インタラクション信号を粒径にマッピングし、１単位時間あたりのインタラクションの数を濃度にマッピングする。【選択図】 図６

Description

本発明は、粒径及び濃度の測定の分野に関する。詳しくは、本発明は、光学的手法による粒径及び濃度の測定に関する。

粒径及び濃度解析（particle size and concentration analysis：ＰＳＡ）のための多くの技術が存在しており、これらは、テリー・アラン（Terry Alan）による「"Introduction to Particle Size Analysis" T. Allen, Particle size analysis John Wiley & Sons; ISBN: 0471262218; June, 1983」に記載されている。最も一般的に使用されている技術は、測定される粒子とレーザ放射とのインタラクションに基づく光学的技術である。特に、約１ミクロン以下の粒径範囲を対象とする場合、これらの技術の大部分は、粒子の屈折率の実数部及び虚数部の作用に起因して、不正確になるという欠点がある。例えば、幾つかの技術、例えば、フラウンホーファー回折解析（Fraunhoffer diffraction analysis）に基づく技術では、光吸収粒子は、吸収から生じるエネルギ損失のために、サイズが過大に見積もられ、濃度が高い場合、二次拡散等のために、サイズが過小に見積もられることがある。

これらの問題の影響がより小さい光学的技術として、遷移時間（Time of Transition：ＴＯＴ）法が知られている。この技術では、走査される集束レーザビームと、粒子との間のインタラクションを、振幅領域ではなく、時間領域で解析し、これによって、屈折率の変化の影響を低めている。この技術の詳細な説明は、論文「"Improvements in Accuracy and Speed Using the Time-of-Transition Method and Dynamic Image Analysis For Particle Sizing by Bruce Weiner, Walter Tscharnuter, and Nir Karasikov",[Particle Size Distribution III; Assessment and Characterization; Editor(s): Theodore Provder1; Volume 693, Publication Date (Print): June 10, 1998; Copyright 1998 American Chemical Society]」に記載されている。概略的に言えば、この技術では、インタラクション信号からの既知のレーザビームプロファイルの逆畳み込みアルゴリズム（de-convolution algorithm）によって、サイズを推定する。濃度は、集束レーザビームの既知のボリューム内における単位時間あたりのインタラクションの数から推定される。

ＴＯＴ技術では、粒子は、集束走査レーザビームとインタラクトする。より小さい粒子を測定するためには、より小さく集束されたスポットを用いる必要がある。ここで、ガウスレーザビームの回折の法則によれば、ビームのウエストをＤとし、レーザの波長をλとすると、ビームの拡がり角は、λ／Ｄに比例する。小さな粒子をフォーカスボリュームに解像する能力と、濃度の測定の正確度との間にトレードオフが存在することは明らかである。すなわち、ＴＯＴ技術によってミクロン範囲及びサブミクロン範囲の粒子を解像及び測定する場合、その能力は、瞬間的なフォーカスボリュームが小さく、粒子のインタラクション速度が低い低濃度の測定に制限される。一方、スポットを大きくすれば、濃度測定レートが改善されるが、粒径解析の質及び解像度が低下する。

より短い波長を用いることによって、性能を改善することができる。但し、波長が短すぎると、光学部品がレーザ光を吸収し、粒子が液体内にある場合、液体もレーザ光を吸収するため、この効果は、最大で２倍程度に限定される。

本発明者らは、以前の発明（米国特許番号第７，７４６，４６９号）によって、構造化されたレーザビーム（structured laser beam）を用いた単一粒子のインタラクションに基づく測定を用いて、２つの相矛盾する要求を切り離す新たな手法及び手段、小さな粒子を解像する能力及び低い濃度を測定する能力を実現している。

本発明の目的は、インタラクション信号の粒径への依存性が低く、したがって、感度が高い新しい検出スキームを提供することである。

本発明の他の目的は、生来的な光雑音フィルタリングによって、より高濃度の粒子を測定する能力を提供する新しい検出スキームを提供することである。

本発明の他の目的は、前方散乱及び後方散乱の両方におけるインタラクション信号によって粒子を特徴付ける能力を提供する新しい検出スキームを提供することである。

本発明の更なる目的及び利点は、以下の説明によって明らかとなる。

本発明は、粒径及び濃度を測定するシステム及び方法を提供し、方法は、集束され、統合され、構造化されたレーザビームを準備するステップと、ビームと粒子をインタラクトさせるステップと、インタラクション信号及び１単位時間あたりのビームと粒子の間のインタラクションの数を測定するステップと、アルゴリズムを用いて、インタラクション信号を粒径にマッピングし、１単位時間あたりのインタラクションの数を濃度にマッピングするステップとを有する。

粒子は、流体内にあってもよく、気体内にあってもよく、表面上にあってもよく、サブミクロンから数千ミクロンの範囲のサイズを有する。本発明の好ましい実施形態では、集束され、統合され、構造化されたレーザビームは、暗視野ビーム（dark beam）である。

構造化されたビームは、ガウスレーザビーム上でマスクを使用することによって、レーザ空胴を直接的に変更することによって、複数のレーザからのビームを結合することによって、又は、例えば、干渉計的又は偏光修正スキームによるレーザビームの他の操作によって生成することができる。測定は、暗視野を含む走査ビームとのインタラクションの期間を用いて行うことができる。本発明は、更に粒径及び濃度測定システムを提供する。

他の手法では、粒子が集束レーザビームの焦点領域を横切るようにし、これは、ビームを走査させるための可動部品を使用しないという利点を有する。

本発明の他の側面は、前方及び後方散乱に基づいて粒子をより良く特徴付けし、粒子蛍光を検出し、粒子速度を測定することができる改善された検出スキームに関連する。

本発明は、新しい検出スキームを導入し、この検出スキームは、インタラクション信号の粒径への依存性が低い（従来のサブ波長粒子（sub wavelength particles）の拡散のｒ^４〜ｒ^６より遙かに低い）ために、感度が高く、生来的な光雑音フィルタリングのためにより高い粒子濃度を測定する能力を提供し、前方及び後方散乱におけるインタラクション信号によって、例えば、液体内を流れる粒子と気泡とを区別して、粒子を特徴付ける能力を提供し、粒子からの蛍光を測定する能力を提供し、及び粒子の速度を測定する能力を提供する。この検出スキームによって、粒子のフローの速度が既知であるか、各粒子の速度が本質的に測定される場合、スキャナなしのシステムを実現できる。

本発明は、粒子監視システムを提供し、粒子監視システムは、ガウスビームを生成するレーザと、ガウスレーザビームを構造化された暗視野ビームに変換する手段と、暗視野ビームを、照射されている暗視野ビームを通って移動する粒子にフォーカスするフォーカスレンズと、２つのディテクタとを備える。２つのディテクタの一方は、暗視野ビームの各強度ローブ上に配置される。

粒子監視システムは、粒子が暗視野ビームの方向に対して９０度の角度の方向に、照射されている暗視野ビームを通って移動するように構成される。

２つのディテクタからの信号は、
ａ）個別の信号、
ｂ）２つのディテクタ信号の差分信号、及び
ｃ）２つのディテクタ信号の和のうちの少なくとも１つとして記録される。

粒子監視システムの実施形態は、暗視野ビームの暗線に直交する方向に向けられたビームスプリッタ及びディテクタの第２の組を備える。

粒子監視システムの実施形態は、粒子からの後方散乱放射の同時測定を行うように構成されたビームスプリッタ及び第３のディテクタを備える。

本発明の上述した全ての及び他の特徴及び利点は、添付の図面を参照する以下の例示的で非制限的な説明によって更に明らかとなる。同じ要素については、異なる図面間で共通の符号を使用している。

粒子監視システムの実施形態を示す図である。 照射暗視野ビームパターンに対する図１のシステムのディテクタの位置を示す図である。 図１のシステムの２つのディテクタによって測定される典型的な信号を示す図である。 図１のシステムの２つのディテクタによって測定される典型的な信号を示す図である。 水の気泡及びラテックス粒子について図１のシステムの２つのディテクタによって検出された信号の半分を示す拡散シミュレーションを示す図である。 様々なサイズの粒子が中心から外側に動く際の図１の２つのディテクタからの信号間の差のシミュレートされた信号を示す図である。 粒子から放射の後方散乱の測定をも可能とするように変更された図１の検出システムの実施形態を示す図である。 本発明におけるクラスタリングによる分類を説明する具体例を示す図である。 教師なし学習メソッドを用いた多次元のクラスタリングの具体例を示す図である。 暗視野ビームのプロファイルを示す図である。 雑音が存在する状況における３個の照射ビーム構造の２つのディテクタ信号の差分信号及び共通雑音の抑圧における暗視野ビームの利点を示す図である。 図１０Ａと同様の３個の照射ビーム構造の２つのディテクタ信号の和信号を示す図である。 スポットサイズの半分に対応するインタラクション信号における２つのショルダを示す写真図である。 暗視野ビームの暗線に直交する方向に向けられた２つの前方ディテクタ及びビームスプリッタの第２の組を備える本発明のシステムの一実施形態の照射暗視野ビームパターンに対するディテクタの位置を示す図である。

粒子監視システムの実施形態を図１に示す。図１に示すシステムは、ガウスビームを生成するレーザ（１）と、コリメートレンズ（２）と、ガウスレーザビームを構造化された暗視野ビーム（structured dark beam）に変換する位相マスク（３）と、粒子（６）を含む水が矢印の方向に流れるキュベット（５）内に暗視野ビームをフォーカスするフォーカスレンズ（４）と、２つのディテクタ（７）及び（８）とを備える。なお、空中浮遊粒子の場合、粒子を運ぶ空気流は、キュベット内に閉じ込める必要はない。図２は、照射暗視野ビームパターンに対するディテクタの位置を示している。この実施形態では、元の暗視野ビームの各強度ローブ（intensity lobe）上に１つのディテクタを配置している。粒子がビームと交差すると、出力強度パターンが変化し、ディテクタがこの変化を感知する。ディテクタの間隔を暗視野ビームの最大の強度勾配に揃えることによって、感度を最適化できる。様々な解析目的のために、ディテクタ信号は、以下のいずれかとして記録できる。

ａ）個別の信号
ｂ）２つのディテクタ信号の差分信号
ｃ）２つのディテクタ信号の和
他の実施形態においては暗視野ビームの暗線（dark line）に直交する方向において、ビームスプリッタを介して、２つの前方ディテクタ（forward detector）の第２の組を使用する。これらの２つのディテクタは、ビームサイズに対して大きく、総合的なビーム強度を統合する。図１２は、この実施形態における照射暗視野ビームパターンに対するディテクタの第２の組の位置を示している。これらの２つのディテクタからの信号の対称性を確認することによって、粒子が直径に沿って焦点ゾーンを横切った（信号が等しい）か、弦に沿って焦点ゾーンを横切った（信号が異なる）かを推定でき、及び粒径に関する重要な情報、例えば、信号におけるインタラクションの幅又は変調の深さを推定できる。これらの２つの信号のタイミングは、粒子フロー方向の整列、並びに層流の程度及び光軸への垂直の度合い等の情報を提供する。

図１のシステムの２つのディテクタによって測定される典型的な信号を図３Ａ及び図３Ｂに示す。これらの図では、ディテクタ１（７）によって測定された信号を符号（１０）で示し、ディテクタ２（８）によって測定された信号を符号（１２）で示している。適切な信号解釈のためには、粒子が焦点面に沿ってビームを横切ることを確認する必要がある。図３Ａに示すように、本発明では、粒子が焦点を横切ったとき、２つのディテクタの信号が同時に現れる。粒子が焦点面を横切らない場合、図３Ｂに示すように、一方のディテクタ信号が他方のディテクタ信号に対して遅れる。また、シフト方向は、粒子がビームの焦点の前を横切ったか後を横切ったかによって決まる。なお、信号の形状は、粒子の本質的な特性を表す。

ディテクタ信号は、質的に干渉計的応答（interferometric response）を示すので、移動する粒子による位相変調に反応する。したがって、周囲の媒体より大きい屈折率を有する粒子、例えば、水中のラテックスは、まず、ディテクタ１において負の信号を誘起し、ディテクタ２において正の信号を誘起し、屈折率が媒体より小さい粒子（水中の泡）は、逆の信号を生成する。なお、主となる特徴は、相対する信号である。ディテクタの順序を変えることによって、正／負を逆にすることができる。図４は、水中の気泡及びラテックス粒子について、ディテクタ出力に対する粒子が動いた距離を示すグラフの形式で、シミュレートされた信号の半分を示している。結論として、気泡を粒子から区別することが可能である。この図では、曲線（１４）は、水中の気泡に関するセンサ１からの信号を示しており、曲線（１６）は、水中の気泡に関するセンサ２からの信号を示しており、曲線（１８）は、水中のラテックスに関するセンサ１からの信号を示しており、曲線（２０）は、水中のラテックスに関するセンサ２からの信号を示している。

本発明の他の重要な側面は、粒子半径ｒに対する信号強度の依存性が低い検出スキームである。古典的な散乱理論によれば、散乱エネルギは、ｒ^４に影響されて振る舞い、甚だしい場合は、ｒ^６に影響されて振る舞うが、本発明で信号は、位相シフトの結果であり、粒子半径ｒへの依存度は、ｒ^２からｒ^３の間である。図５は、図２に示す暗視野ビームパターンの中心から移動する異なるサイズの３つの粒子に対する差分信号、すなわち、２つのディテクタの信号間の差分の依存性のシミュレーションの具体例である（ｒ＝５０ｎｍ：点線、ｒ＝１００ｎｍ：実線、ｒ＝２００ｎｍ：破線）。従来の技術に対して本発明が提供する利点は、必要とされるディテクタのダイナミックレンジが小さく、検出スキームがより単純であるという点である。レイリー散乱に基づき、０．１〜１ミクロンの範囲の粒子を検出するために、必要に応じて１：１０，０００〜１：１，０００，０００の範囲のダイナミックレンジを有するディテクタを準備することは、当業者にとっては、容易である。

通常、スポットサイズより大きい粒子については、２つのディテクタにおける強度が安定し、測定パラメータは、検出される幅の総和（detectors summation width）になり、これは、粒径に比例する。

図６は、図１の検出システムを、粒子からの放射の後方散乱を測定できるように変更した実施形態を図式的に示している。この実施形態は、図１について説明したものと同様の構成に加えて、ビームスプリッタ（２４）と、集光レンズ（２６）と、ピンホール（２８）と、後方散乱ディテクタ（３０）とを更に備える。フォーカスレンズ（４）の焦点における粒子（６）からの後方散乱放射は、フォーカスレンズ（４）によって集められ、ビームスプリッタ（２４）によってコリメート及び反射され、ピンホール（２８）を介して放射を集光する集光レンズ（２６）によって、後方散乱ディテクタ（３０）に方向付けられる。更に、レーザ（１）とコリメートレンズ（２）との間に、レーザ出力のタイプに応じて必要となる他のレンズ（３２）が追加されており、これによって、レンズ（３２）及びレンズ（２）が協働して、ビーム拡大器（３４）として機能する。

本発明では、後方散乱ディテクタは、以下の４つの役割を有する：
・後方散乱ディテクタ（３０）の明白な用途は、焦点において粒子とのインタラクションが実際にあったかを確認するための共焦点検出スキームである。

・暗点（dark spot）より小さい粒子について、暗視野ビーム変調が粒径に反比例する場合に、追加的なサイズ情報を提供する。一方、暗点より大きく、一定の速度で移動する粒子については、インタラクション期間は、粒径に比例する。

・後方散乱インタラクションは、粒子グループ間の弁別に、インタラクションの指紋（interaction fingerprint）の詳細に基づく更なる次元を追加し、これは、反射特性を含むことができる。

・後方散乱ディテクタは、照射ビームによって生成された蛍光を検出できる。この実施形態では、ビームスプリッタ（２４）を、ＢＳディテクタに蛍光を反射するダイクロイックミラーに置換する。粒子母集団が蛍光染料によって染色されている場合、前方ディテクタによる検出と平行して、蛍光を測定する能力によって、強力な分類ツールが追加される。これは、藻のタイプの特徴付けを補助し、又は病原菌の検出に特に有用である。

ビームスプリッタ及びダイクロイックミラーの組合せることにより、２つの後方散乱ディテクタによって、逆散乱光及び蛍光を検出することができる。

２つの前方信号及びオプションの（蛍光あり及び蛍光なしの）後方散乱信号は、高分解能集束ビームと単一の粒子とのインタラクションを示す。これらのインタラクションは、高分解能の一次元走査型レーザ顕微鏡として機能し、粒子構造について多くの情報を提供する。この情報を用いて、特定の粒子を特徴付けることができる。サイズが同じであるが内部構造が異なる粒子は、同じインタラクション幅を有するが、内部インタラクションパルス挙動が異なり、これは、粒子の「指紋」と呼ぶこともできる。図７は、本発明に基づくクラスタリングによる藻の分類の具体例を示している。

図７は、二次元特徴平面におけるデータを示している。クロレラ（Chlorella）、テトラへドロン（Tetrahedron）及びクンショウモ（Pediastrum）の３つの異なるタイプの藻について、インタラクションの組を取得した（図では、それぞれ、×、＋及び＊で示す。）２個のチャンネルの対称性、インタラクション立ち上がり時間及び他の特徴を有するインタラクション信号に対して検証フィルタを適用した。検証フィルタによって、インタラクションが暗視野ビームの焦点ゾーンで行われていることが確認された。フィルタの様々な部分的組合せで検査を行ったが、図７は、全ての検証フィルタを適用した場合のデータを示している。これらの特徴は、検証フィルタによって検証されたインタラクションから抽出され、藻の異なるタイプのクラスタリングを示している。

特徴空間は、多次元であるが、図７は、２Ｄ散布図を示しており、Ｘ軸は、インタラクションパルス幅をマイクロ秒で示し、Ｙ軸は、ディテクタによって検出されたインタラクション毎の最大信号を示している。既にこの２Ｄ表現において、タイプが異なる藻が明確にグループ化されている。説明を明瞭にするために、この図では、グループを楕円で囲み、グループ間の境界を示している。この２Ｄ表現では、まだ幾らかの重なりが存在しているが、多次元特徴空間では、この重なりを減らすことができる。そして、多次元空間において人工知能クラスタリング技術を用いて、境界を特定する。

このメカニズムの応用によって、一旦、既知の藻のクラスタが確立されると、例えば、藻で汚染された水を監視することができ、混合物内にクラスタに一致する藻が存在するか否かを検出することができる。これによって、藻の母集団に関するリアルタイムの情報及び藻の母集団を減少させることを意図するあらゆるプロセスに関するフィードバックを得ることができる。

ここでは、本発明の能力を藻について説明したが、上述した全ての検出オプションを用いて、病原菌等の他のイベントのシステムを追跡することができ、上述した有機体のクラスタに一致するイベントの出現によって、アラーム信号をトリガすることができる。これは、個人を指紋によって特定する場合と同様であり、同じグループの対象が特徴空間内で共通性を有し、この共通性によって、対象を特定することができる。

人工知能ツールを用いて、クラスタリング法による分類を多次元空間に拡張して、特定のイベントの性質をシステムに学習させた後、このようなイベントの存在を監視することができる。本発明の一実施形態では、教師なし学習（un-supervised learning）によって、ディテクタ信号をクラスタリングする（「（http://www.autonlab.org/tutorials/」参照）。図８は、教師なし学習メソッドを用いた多次元クラスタリングの具体例を示している。

図１及び図６の測定システムを用いて、キュベットを通って動く粒子の本質的な速度を測定することができる。このような測定は、インタラクション信号期間が粒子速度に反比例するために可能となる。幾つかの構成では、一定且つ既知の速度を達成できるが、本発明のより包括的な手法は、インタラクション信号の生来的な情報から速度情報を抽出することである。これは、暗視野ビームの（図９に図式的に示す）プロファイルを考慮することによって実現できる。ビームプロファイルのローブの強度ピークの間の距離は、Ｗｏをガウスウエストとすると、Ｗｏ＊２^０．５に等しい。この値は、既知であり、したがって、横切る粒子速度を測定するために用いることができ、変調深さを用いて、サイズ情報を抽出することができる。この手法は、粒子の「レンズ効果」を無視できる小さな粒子に、適用可能である。より大きい粒子では、図１１に示すように、インタラクション信号内に２つのショルダがあり、これらはスポットサイズの半分に対応する。

多くの粒子監視アプリケーションは、僅かに大きい粒子が混入した多数の非常に小さい粒子によって特徴付けられる。具体例としては、コロイド、ＣＭＰスラリー、結晶化過程等がある。主濃度に対する僅かに大きい粒子のテール濃度（tail concentration）の比は、１０^６：１又はこれ以下であってもよい。従来の計測機器では、このような低い濃度を検出することはできなかった。この小さいテールは、量が僅かで測定が困難であるにも関わらず、ＣＭＰ又は他のプロセスにおいてダメージ又は傷を引き起こす原因になり得る。本発明は、このテールにおける１０^６：１以下の濃度を測定する能力を提供する。母集団の大部分がフィルタリングされて背景雑音になるようにスポットサイズを選択することによって、より大きい粒子が明確なインタラクションとして示される。

暗視野ビーム照射に基づき、ディテクタ信号を２つのディテクタの差分信号として記録する本発明は、背景雑音に対して非常に強健であり、高レベルな背景雑音下での検出を容易に行うことができる。図１０Ａ及び図１０Ｂに示すシミュレーションは、この強健性を例示している。図１０Ａは、２００ｎｍの粒子が、ガウス（破線）、ガウス−ラゲール（実線）及び暗視野ビーム（点線）の３個の照射ビーム構造の中心からのビームを横切った際の差分信号を任意のスケールで示している。図１０Ｂは、１０Ａと同様であるが、２つのディテクタ信号の和についてのグラフである。これらのシミュレーションは、総照射パワーの１０％のパワーを有する準動的雑音（semi-dynamic noise）の下で行われ、シミュレーションにおける他の光学パラメータは、以下の通りである。

・ＮＡ＝０．１２５
・λ＝４００ｎｍ
図１０Ａでは、暗視野ビームの信号は、他の２つのビーム構造の信号に比べて、約２倍高くなっている。曲線の符号の違いは、実質的なものではなく、粒子方向に対する減算におけるディテクタの順序に依存する。

なお、スポットより小さい粒子の有効な測定を行う場合、ガウスビームに比べて、暗視野ビームは、スポットがより大きく、視野がより深いため、雑音耐性は、更に顕著である。総和構成（図１０Ｂ）に比べて、差分構成（図１０Ａ）における雑音低減の重要な利点は明らかである。

実際の測定において、本発明に基づく測定セットアップは、より小さい粒子の主な母集団に対して濃度が１０^６分の１であるより大きい粒子のテールを検出できた。

本発明の実施形態を例示的に説明したが、特許請求の範囲を逸脱することなく、これらを様々に変更、修正、適応化して本発明を実施できることは明らかである。

Claims (5)

1. ガウスビームを生成するレーザと、
   前記ガウスレーザビームを構造化された暗視野ビームに変換する手段と、
   前記暗視野ビームを、照射されている前記暗視野ビームを通って移動する粒子にフォーカスするフォーカスレンズと、
   一方が前記暗視野ビームの各強度ローブ上に配置される２つのディテクタと、を備える粒子監視システム。
2. 前記粒子は、前記暗視野ビームの方向に対して９０度の角度の方向に、照射されている前記暗視野ビームを通って移動する請求項１記載の粒子監視システム。
3. 前記２つのディテクタからの信号は、
   ａ）個別の信号、
   ｂ）２つのディテクタ信号の差分信号、及び
   ｃ）２つのディテクタ信号の和
   のうちの少なくとも１つとして記録される請求項１記載の粒子監視システム。
4. 前記暗視野ビームの暗線に直交する方向に向けられたビームスプリッタ及びディテクタの第２の組を備える請求項１記載の粒子監視システム。
5. 粒子からの後方散乱放射の同時測定を行うように構成されたビームスプリッタ及び第３のディテクタを備える請求項１記載の粒子監視システム。

Images