JP2022000612A - 分析装置および分析方法 - Google Patents

Abstract

【課題】粒子の特性を精度良く分析できる分析装置を提供する。【解決手段】分析装置は、粒子が流れる流路と、粒子画像解析装置と、散乱振幅測定装置と、情報生成部と、を備える。粒子画像解析装置は、流路を流れる粒子の画像を撮像する撮像部と、画像から、画像に写る粒子のサイズを取得する第１取得部と、を含む。散乱振幅測定装置は、流路にレーザー光を照射するレーザー光源と、レーザー光のうち流路を透過した透過光と粒子による散乱光とを検出する光検出器と、透過光と散乱光との干渉情報の時間変化から、粒子の複素散乱振幅を取得する第２取得部と、を含む。情報生成部は、取得されたサイズと取得された複素散乱振幅とを用いて、粒子の複素屈折率を含む特性情報を生成する。【選択図】図７

Description

本発明は、分析装置および分析方法に関する。

環境、産業、生体医学などの様々な研究開発分野において、粒子の特性を精度良く分析することが要求される。

近年、このような粒子の特性を分析する技術として、単一粒子の複素散乱振幅を測定する技術が提案されている。例えば、特許文献１（米国特許出願公開第２０１０／０１４１９４５号明細書）には、単一粒子光消散（Single Particle Extinction and Scattering（ＳＰＥＳ））法が開示される。ＳＰＥＳ法は、単一粒子にレーザー光を照射することにより発生する散乱光と透過光との干渉を検出し、検出結果から粒子の複素散乱振幅を算出する手法である。非特許文献１，２にもＳＰＥＳ法が開示されている。

米国特許出願公開第２０１０／０１４１９４５号明細書

Marco A.C. Potenza、外２名、「Measuring the complex field scattered by single submicron particles」、AIP ADVANCES 5、117222、2015 Nobuhiro Moteki、「Capabilities and limitations of the single-particle extinction and scattering method for estimating the complex refractive index and size-distribution of spherical and non-spherical submicron particles」、Journal of Quantitative Spectroscopy & Radiative Transfer、243、2020、106811 D.W. Mackowski、外１名、「A multiple sphere T-matrix Fortran code for use on parallel computer clusters」、Journal of Quantitative Spectroscopy & Radiative Transfer、112、p.2182-2192、2011 J. Leinonen、「High-level interface to T-matrix scattering calculations: architecture, capabilities and limitations」、Optics Express、Vol.22、No.2、p.1655-1660、2014

複素散乱振幅は、粒子のサイズと粒子の複素屈折率とに依存する。そのため、粒子のサイズを仮定することにより、複素散乱振幅から複素屈折率を算出できる。しかしながら、粒子のサイズを仮定していることから、算出された複素屈折率の精度は、仮定したサイズと実際のサイズとの差に応じて変動する。したがって、算出された複素屈折率の精度が低下し得る。

本開示の目的は、粒子の特性を精度良く分析できる分析装置および分析方法を提供することである。

本発明の第１の態様に係る分析装置は、粒子の特性を分析する。分析装置は、粒子が流れる流路と、粒子画像解析装置と、散乱振幅測定装置と、情報生成部と、を備える。粒子画像解析装置は、流路を流れる粒子の画像を撮像する撮像部と、画像から、画像に写る粒子のサイズを取得する第１取得部と、を含む。散乱振幅測定装置は、流路にレーザー光を照射するレーザー光源と、レーザー光のうち流路を透過した透過光と流路を流れる粒子による散乱光とを検出する光検出器と、透過光と散乱光との干渉情報の時間変化から、流路を流れる粒子の複素散乱振幅を取得する第２取得部と、を含む。情報生成部は、第１取得部によって取得されたサイズと第２取得部によって取得された複素散乱振幅とを用いて、粒子の複素屈折率、粒子の複素誘電率、および、複素屈折率または複素誘電率から導かれる情報の少なくとも１つを含む特性情報を生成する。

本発明の第２の態様に係る分析方法は、粒子の特性を分析する。分析方法は、流路を流れる粒子の画像を撮像するステップと、画像から、画像に写る粒子のサイズを取得するステップと、流路にレーザー光を照射するステップと、レーザー光のうち流路を透過した透過光と流路を流れる粒子による散乱光とを検出するステップと、透過光と散乱光との干渉情報の時間変化から、流路を流れる粒子の複素散乱振幅を取得するステップと、取得されたサイズと取得された複素散乱振幅とを用いて、粒子の複素屈折率、粒子の複素誘電率、および、複素屈折率または複素誘電率から導かれる情報の少なくとも１つを含む特性情報を生成するステップと、を備える。

本発明によれば、散乱振幅測定装置によって測定された複素散乱振幅だけでなく粒子画像解析装置によって取得されたサイズを用いることにより、粒子の特性を精度良く分析できる。

参考形態に係る測定装置の構成を示す模式図である。 光検出器の出力から得られたパラメータＡ，Ｕの値（縦軸）と粒子位置ξ（横軸）との関係の一例を示す図である。 非特許文献３，４の手法を用いて算出された複素散乱振幅Ｓの一例を示す図である。 非特許文献３，４の手法を用いて算出された複素散乱振幅Ｓの他の例を示す図である。 粒子の複素散乱振幅の測定結果から粒子の複素屈折率を推定する過程の例を示す図である。 複素屈折率およびサイズ（粒子径）が異なる粒子に対して算出された複素散乱振幅Ｓを示す図である。 実施の形態１に係る分析装置の構成を示す概略図である。 粒子画像解析装置２０の詳細な構成例を示す模式図である。 粒子画像解析装置２０に含まれる取得部２５の処理の一例を説明する図である。 実施の形態１に係る分析装置によって実現される分析方法の流れを示すフローチャートである。 実施の形態２に係る分析装置の構成を示す概略図である。 実施の形態３に係る分析装置の構成を示す概略図である。

［参考形態］
本開示の実施の形態について説明する前に、参考形態とその問題点について説明する。図１は、参考形態に係る測定装置の構成を示す模式図である。図１に示される測定装置１００は、ＳＰＥＳ法を用いて単一粒子の複素散乱振幅を測定する。

測定装置１００は、フローセル２００を流れる粒子６０の複素散乱振幅を測定する。フローセル２００は、例えば石英などの光透過性材料によって構成される。フローセル２００の内部には、測定対象となる粒子６０を含む液体試料を流通させるための流路２０１が形成される。以下、流路２０１の延伸方向をＸ軸とし、流路２０１における液体試料の進行方向をＸ軸の正方向とする。

測定装置１００は、レーザー光源１０１と集光レンズ１０２と光検出器１０３とを備える。

レーザー光源１０１は、ガウシアン強度プロファイルを有するレーザー光を発する。レーザー光源１０１は、レーザー光の伝搬方向が流路２０１と交差するように配置される。すなわち、レーザー光源１０１から照射されるレーザー光の光軸をＺ軸とするとき、Ｚ軸はＸ軸と交差する。図１に示す例では、Ｚ軸はＸ軸に直交する。レーザー光の伝搬方向は、Ｚ軸の正方向である。

レーザー光源１０１から照射されるレーザー光は、直線偏光である。レーザー光の電場の振動方向は、レーザー光の伝搬方向および流路２０１に交差する。図１に示す例では、レーザー光の電場の振動方向は、Ｘ軸およびＺ軸に直交するＹ軸に平行である。

集光レンズ１０２は、レーザー光源１０１とフローセル２００との間に配置される。集光レンズ１０２は、レーザー光源１０１から照射されたレーザー光を流路２０１の領域２０２に集光させる。集光レンズ１０２は、領域２０２がビームウエスト位置と一致するように配置される。

光検出器１０３は、レーザー光源１０１から照射されるレーザー光の光軸上であり、かつ、フローセル２００に対してレーザー光源１０１の反対側に配置される。光検出器１０３は、レーザー光源１０１から照射されたレーザー光のうち流路２０１を透過した透過光と流路２０１を流れる粒子６０の散乱光とを検出する。

光検出器１０３は、４つの受光素子１０４〜１０７を有する。受光素子１０４〜１０７は、例えばフォトダイオードによって構成される。典型的には、光検出器１０３は、４分割フォトダイオードである。

受光素子１０４〜１０７は、レーザー光の光軸（図１ではＺ軸）を囲むように配置される。具体的には、受光素子１０４，１０６は、レーザー光の光軸であるＺ軸を含み、かつ、流路２０１の延伸方向（Ｘ軸）に直交する平面７０に関して面対称の位置に配置される。受光素子１０５，１０７も、平面７０に関して面対称の位置に配置される。受光素子１０４，１０５は、レーザー光の光軸であるＺ軸を含み、かつ、流路２０１の延伸方向（Ｘ軸方向）に平行な平面７２に関して面対称の位置に配置される。受光素子１０６，１０７も、平面７２に関して面対称の位置に配置される。すなわち、受光素子１０４は、Ｚ軸に対して、Ｘ軸の負方向であり、かつ、Ｙ軸の負方向である領域に配置される。受光素子１０５は、Ｚ軸に対して、Ｘ軸の負方向であり、かつ、Ｙ軸の正方向である領域に配置される。受光素子１０６は、Ｚ軸に対して、Ｘ軸の正方向であり、かつ、Ｙ軸の負方向である領域に配置される。受光素子１０７は、Ｚ軸に対して、Ｘ軸の正方向であり、かつ、Ｙ軸の正方向である領域に配置される。

測定装置１００は、透過光と散乱光との干渉情報の時間変化から、粒子６０の複素散乱振幅を測定する。具体的には、受光素子１０４〜１０７それぞれの出力Ｐａ〜Ｐｄを用いて、流路２０１の領域２０２を通過する粒子６０の複素散乱振幅を測定する。

測定装置１００は、領域２０２における粒子６０の通過に伴う、以下の式（１），（２）によってそれぞれ定義されるパラメータＡ，Ｕの時間変化を計測する。式（１）において、Ｐｔｏｔは、出力Ｐａ〜Ｐｄの総和である。式（１），（２）において、Ｐｒｅｆは、領域２０２に粒子６０が存在しないときのＰｔｏｔであり、予め実験等によって求められ、測定装置１００に設定される。パラメータＡは、出力Ｐａ〜Ｐｄの総和をＰｒｅｆによって規格化した値を示す。パラメータＵは、出力Ｐａ，Ｐｂの和と出力Ｐｃ，Ｐｄの和との差をＰｒｅｆによって規格化した値を示す。パラメータＡ，Ｕは、透過光と散乱光との干渉情報を示す。

パラメータＡ，Ｕの時間変化Ａ（ｔ），Ｕ（ｔ）は、以下の理論式（３）、（４）によってそれぞれ表される。

理論式（３），（４）において、λはレーザー光の波長である。ω_０は、ビームウエスト半径である。ξ（ｔ）は、ビームウエスト半径で規格化した、時刻ｔにおけるＸ軸上の粒子位置である。ｅｒｆｉは虚数誤差関数である。Ｓは複素散乱振幅である。φは、入射電場に対する散乱電場の位相差である。

図２は、光検出器の出力から得られたパラメータＡ，Ｕの値（縦軸）と粒子位置ξ（横軸）との関係の一例を示す図である。粒子位置ξは、ビームウエスト半径で規格化したＸ軸上の粒子位置である。実線はパラメータＵを示す。点線はパラメータＡを示す。図２には、波長λ＝０．６３２８μｍ、ビームウェスト半径ω_０＝５．０μｍ、複素散乱振幅強度｜Ｓ｜＝１．０、位相差φ＝０．４としたときのパラメータＡ，Ｕと粒子位置との関係が示される。図２に示されるように、粒子６０が流路２０１に沿ってＸ軸方向に移動することにより、粒子位置に応じてパラメータＡ，Ｕの値が変化する。

Ｚ軸の正方向に伝搬し、Ｙ軸方向に振動する入射電場Ｅinc,yと、座標原点に位置する散乱体から発生し、原点から距離ｒだけ離れたＺ軸上の位置における散乱電場Ｅsca,yとは、複素散乱振幅Ｓを用いた以下の式（５）を満たす。ｋは、レーザー光の波数である。

複素散乱振幅Ｓは、上記の理論式（３），（４）に含まれる｜Ｓ｜とφとを用いて、以下の式（６）で表される。

そのため、測定装置１００は、パラメータＡの時間変化Ａ（ｔ）の極小値とパラメータＵの時間変化Ｕ（ｔ）の極大値および極小値とを用いて、複素散乱振幅Ｓを算出できる。

非特許文献２に開示されているように、複素散乱振幅Ｓは、理論的に、以下の式（７）によって表される。

式（７）において、ｖは散乱体である粒子の体積、ｍは粒子の複素屈折率、ｍ_medは溶媒の複素屈折率、Ｆは粒子の形状因子である。このように、複素散乱振幅Ｓは、粒子の体積、粒子の複素屈折率、粒子の形状因子に依存する。複素散乱振幅Ｓは、非特許文献３，４の手法を用いることにより、数値計算によって算出され得る。

図３は、非特許文献３，４の手法を用いて算出された複素散乱振幅Ｓの一例を示す図である。図４は、非特許文献３，４の手法を用いて算出された複素散乱振幅Ｓの他の例を示す図である。図３および図４において、横軸は複素散乱振幅Ｓの実部を示し、縦軸は複素散乱振幅Ｓの虚部を示す。

図３には、複素屈折率ｍ＝１．０＋０．０ｉ，１．４＋０．０ｉ，１．５＋０．０ｉを有する球形粒子について計算された複素散乱振幅Ｓがそれぞれ破線，点線，実線で示される。図３の破線、点線、実線は、レーザー光の波長λを０．６３２８μｍとし、溶媒の複素屈折率ｍ_medを１．３２７＋０．０ｉとし、粒子の半径ｒを０＜ｒ＜０．５μｍの範囲で変化させたときの複素散乱振幅Ｓを示す。

図４には、球形の粒子および回転楕円体の粒子について計算された複素散乱振幅Ｓがそれぞれ実線および点線で示される。なお、回転楕円体における短軸と長軸との比（アスペクト比）を０．６に設定した。図４の実線および点線は、レーザー光の波長λを０．６３２８μｍとし、溶媒の複素屈折率ｍ_medを１．３２７＋０．０ｉとし、粒子の複素屈折率ｍを１．４＋０．０ｉとし、粒子の等体積球相当径（体積等価粒径）の１／２であるｒｖを０＜ｒｖ＜０．５μｍの範囲で変化させたときの複素散乱振幅Ｓを示す。

図３および図４に示されるように、粒子径が分布を有する場合、粒子の形状が既知であるまたは仮定されることにより、粒子の複素散乱振幅Ｓは、粒子の複素屈折率ｍに応じた線上にプロットされる。そのため、測定装置１００によって同一組成の複数の粒子６０に対してそれぞれ測定された複数の複素散乱振幅Ｓをプロットすることにより、粒子６０の複素屈折率を推定できる。

図５は、粒子の複素散乱振幅の測定結果から粒子の複素屈折率を推定する過程の例を示す図である。図５には、粒子６０の形状が球形であると仮定したときの粒子６０の複素屈折率を推定する過程が示される。

図５に示されるように、ＣＶ値３％で粒子径がばらついている同一組成の複数の粒子６０に対してそれぞれ測定された複数の複素散乱振幅Ｓをプロットした散布図が作成される。次に、作成された散布図との誤差が最小となる複素屈折率を、回帰計算などを用いて算出する。算出された複素屈折率が、粒子６０の複素屈折率として推定される。

図５には、複素屈折率ｍ＝１．５＋０．０ｉの球形粒子に対応する破線が示される。当該破線と散布図との誤差が最小となる。そのため、粒子６０の複素屈折率は、１．５＋０．０ｉと推定される。

しかしながら、上記の方法では、同一組成の複数の粒子６０に対してそれぞれ測定された複数の複素散乱振幅Ｓを取得する必要がある。そのため、流路２０１を流れる液体試料に複数種類の粒子が含まれ、そのうちの１種類の粒子の複素屈折率を推定できない。例えば、存在比率の小さい異物またはコンタミ粒子の複素屈折率を推定できない。

さらに、複素屈折率およびサイズ（粒子径）が異なる粒子であっても似たような複素散乱振幅Ｓを示し得る。そのため、サイズが未知である場合、同一組成の複数の粒子６０に対してそれぞれ測定された複数の複素散乱振幅Ｓから粒子６０の複素屈折率を精度良く推定できない。

図６は、複素屈折率およびサイズ（粒子径）が異なる粒子に対して算出された複素散乱振幅Ｓを示す図である。図６には、複数の第１粒子に対応する複素散乱振幅Ｓ（丸印）と、複数の第２粒子に対応する複素散乱振幅Ｓ（菱形印）とが示される。複数の第１粒子は、複素屈折率ｍ１＝１．６＋０．０ｉを有する球形粒子である。複数の第１粒子の粒子径は、ＣＶ値３％でばらついており、複数の第１粒子の平均半径ｒ１は、０．４１μｍである。複数の第２粒子は、複素屈折率ｍ２＝１．５＋０．０３５ｉを有する球形粒子である。複数の第２粒子の粒子径は、ＣＶ値３％でばらついており、複数の第２粒子の平均半径ｒ２は０．５０μｍである。なお、レーザー光の波長λを０．６３２８μｍとし、溶媒の複素屈折率ｍ_medを１．３２７＋０．０ｉとして計算した。

図６に示されるように、第１粒子に対応する複素散乱振幅Ｓと、第２粒子に対応する複素散乱振幅Ｓとはほぼ一致する。そのため、測定対象となる粒子６０のサイズが未知である場合、粒子６０の複素屈折率を精度良く推定できない。あるいは、粒子６０の複素屈折率を精度良く推定するために、予め分級処理を実施しておく必要がある。

以下に示す実施の形態に係る分析装置は、このような問題点を解決するものであり、予め分級処理を実施することなく、粒子の特性を精度良く分析できる。

［実施の形態１］
図７は、実施の形態１に係る分析装置の構成を示す概略図である。図１に示されるように、分析装置１は、分析対象となる粒子６０が流れる透明の流路１１と、粒子画像解析装置２０と、散乱振幅測定装置３０と、情報生成部４０と、ポンプ５０とを備える。

（流路１１）
流路１１は、１つのフローセル１０によって形成される。フローセル１０は、例えば石英などの光透過性材料によって構成される。１つのフローセル１０を用いることにより、図１に示されるように、直線状であり、かつ、一定の断面積を有する流路１１を容易に形成できる。図１に示す例では、流路１１の延伸方向は、鉛直方向と一致している。以下、流路１１の延伸方向をＸ軸とする。

ポンプ５０は、ポンプ５０とフローセル１０とを接続する配管５１を介して、分析対象となる粒子６０を含む液体試料をフローセル１０に供給する。図１に示す例では、ポンプ５０は、流路１１の上端に液体試料を供給する。そのため、液体試料は、鉛直方向下向きに流路１１を流れる。粒子６０を含む液体試料は、ポンプ５０の能力に応じた流速Ｖで流路１１を流れる。流路１１の下端には配管５２が接続され、流路１１を通過した液体試料は、配管５２から排出される。

（粒子画像解析装置２０）
粒子画像解析装置２０は、流路１１を流れる粒子６０を撮像し、得られた画像を解析することにより得られる解析情報を取得する。粒子画像解析装置２０として、例えば、株式会社島津製作所製「ｉＳＰＥＣＴ ＤＩＡ−１０」が用いられてもよい。

図８は、粒子画像解析装置２０の詳細な構成例を示す模式図である。図７および図８に示されるように、粒子画像解析装置２０は、光源２１と、照明光学系２２と、撮像光学系２３と、撮像部２４と、取得部２５とを含む。

光源２１は、例えばフラッシュランプなどであって、フローセル１０にパルス光を照射する。

照明光学系２２は、光源２１とフローセル１０との間に配置され、光源２１から照射された光を流路１１の領域１２に集光させる。図８に示されるように、照明光学系２２は、例えば、フィールドレンズ２２１とコンデンサレンズ２２２とを有する。フィールドレンズ２２１は、光源２１と対向するように配置される。コンデンサレンズ２２２は、フローセル１０と対向するように配置される。

撮像部２４は、光の照射方向において、フローセル１０の下流側に配置される。撮像部２４は、例えば、カメラなどにより構成される。

撮像光学系２３は、フローセル１０と撮像部２４との間に配置され、フローセル１０を透過した光を撮像部２４に投影させる。図８に示されるように、撮像光学系２３は、例えば、対物レンズ２３１と投影レンズ２３２とを有する。対物レンズ２３１は、フローセル１０と対向するように配置される。投影レンズ２３２は、撮像部２４と対向するように配置される。

光源２１、照明光学系２２、撮像光学系２３および撮像部２４の光軸は、流路１１の延伸方向であるＸ軸と交差する。図７，８に示す例では、光源２１、照明光学系２２、撮像光学系２３および撮像部２４の光軸は、Ｘ軸に直交するＺ軸に平行である。なお、撮像部２４の光軸とは、撮像部２４における受光面の中心を通り、当該受光面の法線方向に平行な軸である。

光源２１から照射された光は、フィールドレンズ２２１を通過して平行光となり、さらに、コンデンサレンズ２２２を通過して、流路１１内の領域１２に集束される。流路１１内の液体試料に照射された光は、対物レンズ２３１を通過して結像位置２３３で結像され、さらに、投影レンズ２３２を通過して撮像部２４に投影される。

撮像部２４は、一定の時間間隔で撮像を行なう。撮像部２４は、図示しない時計を有し、撮像により得られた画像データ（以下、単に「画像」と称する。）に撮像時刻を示す第１時刻情報を付加し、画像データを取得部２５に出力する。

流路１１を流れる液体試料には、比較的濃度が低い状態で粒子が含まれる。そのため、撮像部２４から出力される画像には、粒子の写っていない画像も含まれ得る。

取得部２５は、その機能を実現する回路デバイスのようなハードウェアによって構成され得る。あるいは、取得部２５は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）のような演算装置および当該演算装置によって実行されるソフトウェアが記憶されるメモリによっても構成されてもよい。

取得部２５は、撮像部２４から出力される画像を解析し、解析結果を示す解析情報を取得する。解析情報は、少なくとも画像に写る粒子６０のサイズに関する情報を含む。サイズに関する情報は、例えば投影面積円相当径を示す。さらに、解析情報は、画像に写る粒子６０の形状に関する情報を含んでもよい。形状に関する情報は、例えば球状または回転楕円体のいずれかを示す。なお、形状に関する情報が回転楕円体を示す場合、サイズに関する情報は、長軸径および短軸径を示す。

流路１１の領域１２に粒子６０が存在すると、粒子６０が存在する場所において光の透過量が低下する。そのため、画像において、粒子６０の写る画素の輝度は、他の画素の輝度よりも低くなる。取得部２５は、例えば閾値未満の輝度を有する画素に対して同一のラベルを付し、ラベルが付された画素を粒子６０の写る画素として特定する。取得部２５は、公知の画像処理技術を用いて、特定した画素の領域から、サイズに関する情報および形状に関する情報を生成すればよい。

上述したように、撮像部２４から出力される画像には、粒子の写っていない画像も含まれ得る。そのため、取得部２５は、閾値未満の輝度を有する画素の個数が基準値未満である画像を粒子の写っていない画像として決定し、当該画像を破棄してもよい。

取得部２５は、粒子の写る画像から取得した解析情報と、当該画像に付加された第１時刻情報とを対応付けて記憶する。

（散乱振幅測定装置３０）
散乱振幅測定装置３０は、図１に示す測定装置１００と同様に、流路１１を流れる粒子６０の複素散乱振幅Ｓを測定する。図７に示されるように、散乱振幅測定装置３０は、光照射部３１、光検出器３２と、取得部３３とを含む。

光照射部３１は、流路１１の領域１３にレーザー光を照射する。領域１３は、複素散乱振幅Ｓの測定対象となる粒子６０が通過する領域である。レーザー光の光軸は、流路１１の延伸方向であるＸ軸と交差する。図７に示す例では、レーザー光の光軸は、Ｘ軸に直交するＺ軸と一致する。

光照射部３１は、図１に示すレーザー光源１０１と集光レンズ１０２とによって構成される。ただし、レーザー光源１０１から照射されたレーザー光の大部分が直接に領域１３に入射する場合、集光レンズ１０２は省略されてもよい。

光検出器３２は、図１に示す光検出器１０３と同様の構成を有する。すなわち、光検出器３２は、４つの受光素子１０４，１０５，１０６，１０７を含む４分割フォトダイオードによって構成される。そのため、光検出器３２の詳細な説明を省略する。

取得部３３は、その機能を実現する回路デバイスのようなハードウェアによって構成され得る。あるいは、取得部３３は、ＣＰＵのような演算装置および当該演算装置によって実行されるソフトウェアが記憶されるメモリによって構成されてもよい。

取得部３３は、光検出器３２によって検出された透過光と散乱光との干渉情報の時間変化から、流路１１を流れる粒子６０の複素散乱振幅Ｓを取得する。具体的には、取得部３３は、光検出器３２からの４つの出力Ｐａ，Ｐｂ，Ｐｃ，Ｐｄから演算されるパラメータＡ，Ｕのそれぞれの時間変化Ａ（ｔ），Ｕ（ｔ）に基づいて、領域１３を通過する粒子６０の複素散乱振幅Ｓを取得する。複素散乱振幅Ｓの算出方法は、上記の参考形態において説明したとおりである。すなわち、取得部３３は、時間変化Ａ（ｔ），Ｕ（ｔ）が図２に示されるような波形を示すことに応じて、時間変化Ａ（ｔ）の極小値と時間変化Ｕ（ｔ）の極大値および極小値とに基づいて、粒子６０の複素散乱振幅Ｓを算出する。

光照射部３１は、レーザー光の光軸が領域１３の中心を通るように配置される。しかしながら、粒子６０は、領域１３においてＹ軸方向の中心付近を通過するとは限らない。領域１３においてＹ軸方向の端部付近を粒子６０が通過すると、複素散乱振幅Ｓを精度良く測定できない可能性がある。そのため、取得部３３は、以下の式（８）で示されるパラメータＵ’を演算し、パラメータＵ’が予め定められた閾値未満の場合にのみ、複素散乱振幅Ｓを算出してもよい。

取得部３３は、図示しない時計を有し、時間変化Ａ（ｔ）の極小値を示す時刻（または時間変化Ｕ（ｔ）が０となる時刻）を示す第２時刻情報を生成する。なお、取得部３３が有する時計は、取得部２５が有する時計と時刻同期されている。第２時刻情報によって示される時刻は、粒子６０がレーザー光の光軸を通過する時刻に対応する。取得部２５は、時間変化Ａ（ｔ），Ｕ（ｔ）から算出した複素散乱振幅Ｓと、当該時間変化Ａ（ｔ）（または時間変化Ｕ（ｔ））から生成した第２時刻情報とを対応付けて記憶する。

（情報生成部４０）
情報生成部４０は、その機能を実現する回路デバイスのようなハードウェアによって構成され得る。あるいは、情報生成部４０は、ＣＰＵのような演算装置および当該演算装置によって実行されるソフトウェアが記憶されるメモリによって構成されてもよい。

情報生成部４０は、取得部２５によって取得された解析情報と取得部３３によって取得された複素散乱振幅Ｓとを用いて、粒子６０の特性を示す特性情報を生成する。本実施の形態１では、情報生成部４０は、粒子の複素屈折率を含む特性情報を生成する。

情報生成部４０は、取得部２５が記憶する解析情報と取得部３３が記憶する複素散乱振幅Ｓとから、同一の粒子６０に対応する解析情報と複素散乱振幅Ｓとを抽出する。粒子６０は、流路１１において流速Ｖで流れる。撮像対象となる領域１２とレーザー光が照射される領域１３との距離をＤとすると、粒子６０の領域１２と領域１３との間の移動時間ｔ３は、ｔ３＝Ｄ／Ｖで表される。移動時間ｔ３は、情報生成部４０に予め設定される。情報生成部４０は、対応する第１時刻情報で示される時刻ｔ１および対応する第２時刻情報で示される時刻ｔ２が以下の式（９）を満たす解析情報および複素散乱振幅Ｓを、同一の粒子６０に対応する解析情報および複素散乱振幅Ｓとして抽出する。
｜ｔ３−（ｔ２−ｔ１）｜＜ｔｄｅｔ ・・・式（９）
式（９）において、ｔｄｅｔは、予め定められる閾値である。

粒子６０の複素散乱振幅Ｓと、粒子６０の複素屈折率ｍと、粒子６０の体積ｖと、粒子６０の形状因子Ｆとは、上記の式（７）を満たす。そのため、情報生成部４０は、抽出した解析情報および複素散乱振幅Ｓと式（７）とを用いて、粒子６０の複素屈折率ｍを算出する。

具体的には、情報生成部４０は、抽出した解析情報に基づいて、粒子６０の体積ｖおよび形状因子Ｆを算出する。例えば、粒子６０の形状が球形であることが既知である場合、情報生成部４０は、解析情報によって示されるサイズ（例えば投影面積円相当径）を用いて、粒子６０の体積ｖおよび形状因子Ｆを算出すればよい。あるいは、粒子６０の形状が未知である場合、情報生成部４０は、解析情報に含まれる形状に関する情報によって示される形状（球形または回転楕円体）と、解析情報によって示されるサイズ（例えば投影面積円相当径、長軸径、短軸径）とを用いて、粒子６０の体積ｖおよび形状因子Ｆを算出すればよい。

情報生成部４０は、算出した体積ｖおよび形状因子Ｆと抽出した複素散乱振幅Ｓとを式（７）に代入することにより、粒子６０の複素屈折率ｍを算出する。なお、情報生成部４０は、予め実験等により測定された溶媒の複素屈折率ｍ_medを記憶しており、当該複素屈折率ｍ_medを式（７）に代入する。

このように、情報生成部４０は、散乱振幅測定装置３０によって測定された複素散乱振幅Ｓだけでなく粒子画像解析装置２０によって取得されたサイズを用いることにより、粒子６０の複素屈折率ｍを精度良く分析できる。

なお、液体試料において粒子６０の姿勢が変化し得る。粒子６０が球形である場合、粒子６０の姿勢が変化したとしても、取得される解析情報および複素散乱振幅Ｓへの影響は小さい。そのため、球形の粒子６０の複素屈折率ｍを精度良く分析できる。

一方、粒子６０が回転楕円体である場合、粒子６０の姿勢が変化すると、取得される解析情報および複素散乱振幅Ｓも変化する。しかしながら、本実施の形態１では、流路１１は、直線状であり、かつ、一定の断面積を有する。そのため、液体試料を構成する溶媒の粘度等を適宜調整することにより、姿勢を一定に維持したまま、粒子６０を領域１２から領域１３まで移動させることができる。さらに、撮像部２４の光軸は、レーザー光の光軸（Ｚ軸）に平行である。これにより、粒子６０が回転楕円体であったとしても、同一の姿勢を有する粒子６０に対して解析情報および複素散乱振幅Ｓが取得される。その結果、粒子６０の複素屈折率ｍを精度良く分析できる。

（取得部２５の処理例）
図９は、粒子画像解析装置２０に含まれる取得部２５の処理の一例を説明する図である。図９には、Ｚ軸方向から見たときの流路１１が示される。図９に示されるように、撮像部２４の撮像対象となる領域１２におけるＹ軸方向の長さは、流路１１のＹ軸方向の長さよりも大きい。なお、Ｙ軸は、上述したように、流路１１の延伸方向（Ｘ軸）およびレーザー光の光軸であるＺ軸に直交する。

これに対し、散乱振幅測定装置３０による複素散乱振幅の測定対象となる粒子６０が通過する領域１３におけるＹ軸方向の長さｄＹは、流路１１のＹ軸方向の長さよりも小さい。長さｄＹは、ビームウエスト半径ω_０に依存する。さらに、上記の式（８）で示されるパラメータＵ’と閾値との比較処理が実行される場合、長さｄＹは、当該閾値にも依存する。このように、散乱振幅測定装置３０の取得部３３は、流路１１においてＹ軸上の長さｄＹを有する対象範囲（Ｙ１＜Ｙ＜Ｙ２）内を流れる粒子６０の複素散乱振幅を取得する。

粒子画像解析装置２０の取得部２５は、撮像部２４によって得られた画像のうち、上記の対象範囲（Ｙ１＜Ｙ＜Ｙ２）に対応する部分に写る粒子６０について、解析情報を取得してもよい。これにより、図９に示されるように、複数の粒子６０が領域１２内に存在する場合であっても、対象範囲内を流れる粒子６０（すなわち、複素散乱振幅Ｓが測定される粒子６０）に対応する解析情報が生成される。

（分析方法の流れ）
図１０は、実施の形態１に係る分析装置によって実現される分析方法の流れを示すフローチャートである。

図１０に示されるように、撮像部２４は、透明な流路１１を流れる粒子６０の画像を撮像する（ステップＳ１）。次に、取得部２５は、画像から、画像に写る粒子６０についての解析情報を取得する（ステップＳ２）。解析情報は、少なくとも粒子６０のサイズを含む。

次に、光照射部３１は、流路１１にレーザー光を照射する（ステップＳ３）。次に、光検出器３２は、レーザー光のうち流路１１を透過した透過光と流路１１を流れる粒子６０による散乱光とを検出する（ステップＳ４）。次に、取得部３３は、透過光と散乱光との干渉情報の時間変化から、流路１１を流れる粒子６０の複素散乱振幅Ｓを取得する（ステップＳ５）。

次に、情報生成部４０は、取得された解析情報と取得された複素散乱振幅Ｓとを用いて、粒子６０の複素屈折率を含む特性情報を生成する（ステップＳ６）。

［実施の形態２］
図１１は、実施の形態２に係る分析装置の構成を示す概略図である。図１１に示されるように、実施の形態２に係る分析装置１Ａは、図７に示す分析装置１と比較して、流路１１の変わりに流路１１Ａを備える点で相違する。

流路１１Ａは、２つのフローセル１４，１５と、フローセル１４，１５を接続する配管１６とによって形成される。すなわち、流路１１Ａは、フローセル１４内に形成される流路１７と、配管１６内の流路１８と、フローセル１５内に形成される流路１９とを含む。撮像部２４の撮像対象となる領域１２は、流路１７に配置される。また、レーザー光が照射される領域１３は、流路１９に配置される。

流路１７，１８の断面積が異なる場合、流路１７，１８の接続部分において、液体試料に乱流が生じる。流路１８，１９の断面積が異なる場合、流路１８，１９の接続部分において、液体試料に乱流が生じる。これらの乱流によって、粒子６０が領域１２から領域１３に移動する間に、粒子６０の姿勢が変化する。上述したように、粒子６０が球形である場合、粒子６０の姿勢が変化したとしても、取得される解析情報および複素散乱振幅Ｓへの影響は小さい。そのため、実施の形態２に係る分析装置１Ａは、球形である粒子６０に対して適用される。

なお、流路１７，１８の断面積が異なる場合、流路１７，１８における流速も異なる。そのため、移動時間ｔ３は、領域１２と領域１３との間の容量Ｖｏと流路１１Ａにおける流量Ｖｍとを用いて、ｔ３＝Ｖｏ／Ｖｍで決定される。

［実施の形態３］
図１２は、実施の形態３に係る分析装置の構成を示す概略図である。図１２には、流路１１の延伸方向（Ｘ軸方向）から見たときの分析装置１Ｂが示される。図１２に示されるように、実施の形態３に係る分析装置１Ｂは、図７に示す分析装置１と同様の装置構成を備える。ただし、流路１１における、撮像部２４の撮像対象となる領域と、光照射部３１によってレーザー光が照射される領域とが重なる。

具体的には、図１２に示されるように、撮像部２４は、流路１１の領域８０を撮像する。レーザー光は、領域８０に照射される。ただし、撮像部２４の光軸とレーザー光の光軸とは交差する。図１２に示す例では、撮像部２４の光軸とレーザー光の光軸とは直交する。

実施の形態３に係る分析装置１Ｂによれば、解析情報と複素散乱振幅Ｓとを同じタイミングで取得できる。そのため、実施の形態１の分析装置１のように、第１時刻情報で示される時刻ｔ１と第２時刻情報で示される時刻ｔ２との時間差を用いて、取得部２５および取得部３３から解析情報および複素散乱振幅Ｓをそれぞれ抽出する必要がない。

実施の形態３に係る分析装置１Ｂによれば、撮像部２４に写る粒子６０の姿勢は、光検出器３２から見たときの粒子６０の姿勢と一致しない。上述したように、粒子６０が球形である場合、粒子６０の姿勢が変化したとしても、取得される解析情報および複素散乱振幅Ｓへの影響は小さい。そのため、実施の形態３に係る分析装置１Ｂは、球形である粒子６０に対して適用される。

［変形例］
実施の形態１，２において、粒子画像解析装置２０は、散乱振幅測定装置３０よりも流路１１，１１Ａの上流側に配置されるものとした。しかしながら、粒子画像解析装置２０は、散乱振幅測定装置３０よりも流路１１，１１Ａの下流側に配置されてもよい。この場合、図１０において、ステップＳ１，Ｓ２の前にステップＳ３〜Ｓ５が実行される。

流路１１，１１Ａにおける液体試料の流れる方向は、鉛直方向上向きであってもよい。また、流路１１，１１Ａの延伸方向は、鉛直方向に限定されず、水平方向であってもよい。

上記の説明では、粒子画像解析装置２０は、光源２１、照明光学系２２および撮像光学系２３を含むものとした。しかしながら、粒子画像解析装置２０の外部の照明環境に応じて、光源２１、照明光学系２２および撮像光学系２３のいずれかが省略されてもよい。

上記の説明では、情報生成部４０は、解析情報および複素散乱振幅Ｓを用いて、粒子６０の複素屈折率ｍを含む特性情報を生成するものとした。しかしながら、特性情報は、複素屈折率ｍに加えて、または、複素屈折率ｍに代えて、粒子６０の複素誘電率を含んでもよい。複素誘電率は、複素屈折率ｍから換算される。

あるいは、情報生成部４０は、複素屈折率ｍまたは複素誘電率から導かれる情報を含む特性情報を生成してもよい。例えば、情報生成部４０は、粒子の複素屈折率と粒子の組成とを対応付けたテーブルを予め記憶しておき、上記のようにして算出された複素屈折率ｍに対応する組成を当該テーブルから読み出す。そして、情報生成部４０は、読み出した組成を含む特性情報を生成してもよい。

［態様］
上述した複数の例示的な実施の形態及びその変形例は、以下の態様の具体例であることが当業者により理解される。

（第１項）一態様に係る分析装置（１，１Ａ，１Ｂ）は、粒子（６０）の特性を分析する。分析装置は、粒子が流れる流路（１１，１１Ａ）と、粒子画像解析装置（２０）と、散乱振幅測定装置（３０）と、情報生成部（４０）と、を備える。粒子画像解析装置は、流路を流れる粒子の画像を撮像する撮像部（２４）と、画像から、画像に写る粒子のサイズを取得する第１取得部（２５）と、を含む。散乱振幅測定装置は、流路にレーザー光を照射するレーザー光源（３１，１０１）と、レーザー光のうち流路を透過した透過光と流路を流れる粒子による散乱光とを検出する光検出器（３２）と、透過光と散乱光との干渉情報の時間変化から、流路を流れる粒子の複素散乱振幅を取得する第２取得部（３３）と、を含む。情報生成部は、第１取得部によって取得されたサイズと第２取得部によって取得された複素散乱振幅とを用いて、粒子の複素屈折率、粒子の複素誘電率、および、複素屈折率または複素誘電率から導かれる情報の少なくとも１つを含む特性情報を生成する。

上記の構成によれば、散乱振幅測定装置によって測定された複素散乱振幅だけでなく粒子画像解析装置によって取得されたサイズを用いることにより、粒子の特性を精度良く分析できる。

（第２項）第１項に記載の分析装置において、撮像部は、流路の第１領域を撮像する。レーザー光は、流路の第２領域に照射される。情報生成部は、第１時刻に撮像された画像から取得されたサイズと、第２時刻を含む時間帯における干渉情報の時間変化から取得された複素散乱振幅とを用いて、前記特性情報を生成する。第１時刻と第２時刻との時間差と、粒子の第１領域と第２領域との間の移動時間との差は、予め定められた閾値未満である。

上記の構成によれば、第１領域と第２領域との間の移動時間を考慮することにより、同一の粒子に対応するサイズおよび複素散乱振幅を用いて、当該粒子に関する特性情報を生成できる。

（第３項）第２項に記載の分析装置において、流路は、第１領域と第２領域との間において、直線状であり、かつ、一定の断面積を有する。撮像部の第１光軸とレーザー光の第２光軸とが平行である。

上記の構成によれば、回転楕円体に近似される粒子であっても、同一の姿勢を有する粒子に対して解析情報および複素散乱振幅が取得され得る。その結果、粒子の特性をより精度良く分析できる。

（第４項）第３項に記載の分析装置において、第２取得部は、流路において、流路の延伸方向および第２光軸に直交する軸上の対象範囲内を流れる粒子の複素散乱振幅を取得する。第１取得部は、画像のうち対象範囲に対応する部分に写る粒子のサイズを取得する。

上記の構成によれば、複素散乱振幅が測定される粒子の通過する領域が流路断面のうちの一部であっても、複素散乱振幅が測定された粒子のサイズを画像から取得できる。これにより、粒子の特性をより精度良く分析できる。

（第５項）第１項から第４項のいずれか１項に記載の分析装置において、第１取得部は、画像から、画像に写る粒子の形状をさらに取得する。情報生成部は、第１取得部によって取得された形状をさらに用いて特性情報を生成する。

上記の構成によれば、形状が未知である粒子であっても、粒子の特性を精度良く分析できる。

（第６項）第１項に記載の分析装置において、撮像部は、流路の対象領域を撮像する。レーザー光は、対象領域に照射される。撮像部の第１光軸とレーザー光の第２光軸とが交差する。

上記の構成によれば、同一の粒子に対する解析情報と複素散乱振幅とを同じタイミングで取得できる。

（第７項）第１項、第２項および第６項のいずれか１項に記載の分析装置において、光検出器は、第１受光素子（１０４）、第２受光素子（１０５）、第３受光素子（１０６）、および第４受光素子（１０７）を有する。第１受光素子と第３受光素子とは、レーザー光の光軸を含み、かつ、流路の延伸方向に直交する第１平面に関して面対称の位置に配置される。第２受光素子と第４受光素子とは、第１平面に関して面対称の位置に配置される。第１受光素子と第２受光素子とは、レーザー光の光軸を含み、かつ、流路の延伸方向に平行な第２平面に関して面対称の位置に配置される。第３受光素子と第４受光素子とは、第２平面に関して面対称の位置に配置される。

上記の構成によれば、第１受光素子、第２受光素子、第３受光素子、および第４受光素子の出力値（つまり、透過光と散乱光との検出値）が粒子位置に応じて変化する。そのため、粒子の移動に伴う、第１受光素子、第２受光素子、第３受光素子、および第４受光素子の出力値の時間変化を用いることにより、粒子の複素散乱振幅を容易に算出できる。

（第８項）第１項から第７項のいずれか１項に記載の分析装置において、散乱振幅測定装置は、レーザー光を流路に集光させるレンズ（３１，１０２）をさらに含む。

上記の構成によれば、レーザー光が流路に集光されるため、光検出器の出力値が大きくなり、複素散乱振幅の算出精度が良くなる。

（第９項）一態様に係る分析方法は、粒子の特性を分析する。分析方法は、流路を流れる粒子の画像を撮像するステップと、画像から、画像に写る粒子のサイズを取得するステップと、流路にレーザー光を照射するステップと、レーザー光のうち流路を透過した透過光と流路を流れる粒子による散乱光とを検出するステップと、透過光と散乱光との干渉情報の時間変化から、流路を流れる粒子の複素散乱振幅を取得するステップと、取得されたサイズと取得された複素散乱振幅とを用いて、粒子の複素誘電率、粒子の複素屈折率、および、複素誘電率または複素屈折率から導かれる情報の少なくとも１つを含む特性情報を生成するステップと、を備える。上記の構成によっても、粒子の特性を精度良く分析できる。

今回開示された実施の形態は、全ての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は、上記した実施の形態の説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味及び範囲内での全ての変更が含まれることが意図される。

１，１Ａ，１Ｂ 分析装置、１０，１４，１５，２００ フローセル、１１，１１Ａ，１７〜１９，２０１ 流路、１２，１３，８０，２０２ 領域、１６，５１，５２ 配管、２０ 粒子画像解析装置、２１ 光源、２２ 照明光学系、２３ 撮像光学系、２４ 撮像部、２５，３３ 取得部、３０ 散乱振幅測定装置、３１ 光照射部、３２，１０３ 光検出器、４０ 情報生成部、５０ ポンプ、６０ 粒子、７０，７２ 平面、１００ 測定装置、１０１ レーザー光源、１０２ 集光レンズ、１０４〜１０７ 受光素子、２２１ フィールドレンズ、２２２ コンデンサレンズ、２３１ 対物レンズ、２３２ 投影レンズ、２３３ 結像位置。

Claims (9)

1. 粒子の特性を分析する分析装置であって、
   前記粒子が流れる流路と、
   粒子画像解析装置と、
   散乱振幅測定装置と、
   情報生成部と、を備え、
   前記粒子画像解析装置は、
   前記流路を流れる前記粒子の画像を撮像する撮像部と、
   前記画像から、前記画像に写る前記粒子のサイズを取得する第１取得部と、を含み、
   前記散乱振幅測定装置は、
   前記流路にレーザー光を照射するレーザー光源と、
   前記レーザー光のうち前記流路を透過した透過光と前記流路を流れる前記粒子による散乱光とを検出する光検出器と、
   前記透過光と前記散乱光との干渉情報の時間変化から、前記流路を流れる前記粒子の複素散乱振幅を取得する第２取得部と、を含み、
   前記情報生成部は、前記第１取得部によって取得されたサイズと前記第２取得部によって取得された複素散乱振幅とを用いて、前記粒子の複素屈折率、前記粒子の複素誘電率、および、前記複素屈折率または前記複素誘電率から導かれる情報の少なくとも１つを含む特性情報を生成する、分析装置。
2. 前記撮像部は、前記流路の第１領域を撮像し、
   前記レーザー光は、前記流路の第２領域に照射され、
   前記情報生成部は、第１時刻に撮像された前記画像から取得されたサイズと、第２時刻を含む時間帯における前記干渉情報の時間変化から取得された複素散乱振幅とを用いて、前記特性情報を生成し、
   前記第１時刻と前記第２時刻との時間差と、前記粒子の前記第１領域と前記第２領域との間の移動時間との差は、予め定められた閾値未満である、請求項１に記載の分析装置。
3. 前記流路は、前記第１領域と前記第２領域との間において、直線状であり、かつ、一定の断面積を有し、
   前記撮像部の第１光軸と前記レーザー光の第２光軸とが平行である、請求項２に記載の分析装置。
4. 前記第２取得部は、前記流路において、前記流路の延伸方向および前記第２光軸に直交する軸上の対象範囲内を流れる前記粒子の複素散乱振幅を取得し、
   前記第１取得部は、前記画像のうち前記対象範囲に対応する部分に写る前記粒子のサイズを取得する、請求項３に記載の分析装置。
5. 前記第１取得部は、前記画像から、前記画像に写る前記粒子の形状をさらに取得し、
   前記情報生成部は、前記第１取得部によって取得された形状をさらに用いて前記特性情報を生成する、請求項１から４のいずれか１項に記載の分析装置。
6. 前記撮像部は、前記流路の対象領域を撮像し、
   前記レーザー光は、前記対象領域に照射され、
   前記撮像部の第１光軸と前記レーザー光の第２光軸とが交差する、請求項１に記載の分析装置。
7. 前記光検出器は、第１受光素子、第２受光素子、第３受光素子、および第４受光素子を有し、
   前記第１受光素子と前記第３受光素子とは、前記レーザー光の光軸を含み、かつ、前記流路の延伸方向に直交する第１平面に関して面対称の位置に配置され、
   前記第２受光素子と前記第４受光素子とは、前記第１平面に関して面対称の位置に配置され、
   前記第１受光素子と前記第２受光素子とは、前記レーザー光の光軸を含み、かつ、前記流路の延伸方向に平行な第２平面に関して面対称の位置に配置され、
   前記第３受光素子と前記第４受光素子とは、前記第２平面に関して面対称の位置に配置される、請求項１、２および６のいずれか１項に記載の分析装置。
8. 前記散乱振幅測定装置は、前記レーザー光を前記流路に集光させるレンズをさらに含む、請求項１から７のいずれか１項に記載の分析装置。
9. 粒子の特性を分析する分析方法であって、
   流路を流れる前記粒子の画像を撮像するステップと、
   前記画像から、前記画像に写る前記粒子のサイズを取得するステップと、
   前記流路にレーザー光を照射するステップと、
   前記レーザー光のうち前記流路を透過した透過光と前記流路を流れる前記粒子による散乱光とを検出するステップと、
   前記透過光と前記散乱光との干渉情報の時間変化から、前記流路を流れる前記粒子の複素散乱振幅を取得するステップと、
   取得されたサイズと取得された複素散乱振幅とを用いて、前記粒子の複素屈折率、前記粒子の複素誘電率、および、前記複素屈折率または前記複素誘電率から導かれる情報の少なくとも１つを含む特性情報を生成するステップと、を備える分析方法。

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