JP2022110137A - コロイド中のナノ粒子のサイズを決定するための改良された方法 - Google Patents

Abstract

【課題】デジタルビデオカメラを備えた顕微鏡を用いた液体試料中のナノ粒子の測定および観察に関する。【解決手段】電磁放射のビームを試料チャンバに向けるように構成され、チャンバ内の粒子を照射するときにビームの一部を散乱させるように構成されている光源を備える。散乱された一部は、画像平面を有するセンサに向けられる。画像平面内で試料チャンバを横切る電界を生成するように構成された電極をさらに備える。センサと光源と電極に接続されたプロセッサを備え、プロセッサは以下のステップを実行する：光源を作動させ、電極を作動させて電界を発生させながらセンサから画像を取得するステップ。センサからの画像から粒子のブラウン運動を決定するステップ。ブラウン運動を、電界に略平行な第１の成分と、電界に略直交する第２の成分とに分解するステップ。各成分について、粒子のサイズを決定するステップ。【選択図】図４Ａ

Description

本発明は、デジタルビデオカメラを備えた顕微鏡を用いた液体試料中のナノ粒子の測定および観察に関する。

（優先出願に基づく組み込み）
本出願は、2019年3月23日に出願された“IMPROVED METHOD FOR DETERMINING THE SIZE OF NANOPARTICLES IN A COLLOID”という名称の米国特許出願第16/362636号、および2019年4月23日に出願された“IMPROVED METHOD FOR DETERMINING THE SIZE OF NANOPARTICLES IN A COLLOID”という名称の米国特許出願第16/391870号の優先権を主張するものであり、その全ての開示は、その全体が参照により本明細書に組み込まれる。

本出願はまた、以下の各出願に関連するものであり、これらの特許および特許出願の全ての開示は、その全体が参照により本明細書に組み込まれる。2016年7月1日に出願された“METHOD FOR CALIBRATING INVESTIGATED VOLUME FOR LIGHT SHEET BASED NANOPARTICLE TRACKING AND COUNTING APPARATUS”という名称の米国仮特許出願第62/357777号、2016年8月8日に出願された“METHOD FOR CALIBRATING INVESTIGATED VOLUME FOR LIGHT SHEET BASED NANOPARTICLE TRACKING AND COUNTING APPARATUS”という名称の米国仮特許出願第62/372025号、2016年11月14日に出願された“METHOD FOR CALIBRATING INVESTIGATED VOLUME FOR LIGHT SHEET BASED NANOPARTICLE TRACKING AND COUNTING APPARATUS”という名称の米国仮特許出願第62/421585号、2015年10月14日に出願された“APPARATUS FOR MEASUREMENTS OF GROWTH OR DISSOLUTION KINETICS OF COLLOIDAL NANOPARTICLE”という名称の米国仮特許出願第62/241354号、2016年10月16日に出願された“APPARATUS AND METHOD FOR MEASUREMENT OF GROWTH OR DISSOLUTION KINETICS OF COLLOIDAL PARTICLES”という名称の米国特許出願第15/293180号、2016年2月8日に出願された“MULTI-CAMERA APPARATUS FOR OBSERVATION OF MICROSCOPIC MOVEMENTS AND COUNTING OF PARTICLES IN COLLOIDS AND ITS CALIBRATION”という名称の米国特許出願第15/018532号、米国特許第9541490号として2017年1月10日に発行された“SPECIAL PURPOSE CUVETTE ASSEMBLY AND METHOD FOR OPTICAL MICROSCOPY OF NANOPARTICLES IN LIQUIDS”という名称の2016年6月28日に出願された米国特許出願第15/194823号、米国特許第9645070号として2017年5月9日に発行された“NANOPARTICLE ANALYZER”という名称の2015年6月3日に出願された米国特許出願第14/730138号、2017年1月5日に出願された“SPECIAL PURPOSE CUVETTE ASSEMBLY AND METHOD FOR OPTICAL MICROSCOPY OF NANOPARTICLES IN LIQUIDS”という名称の米国特許出願第15/399679号、2017年5月15日に出願された“SPECIAL PURPOSE CUVETTE ASSEMBLY AND METHOD FOR OPTICAL MICROSCOPY OF NANOPARTICLES IN LIQUIDS”という名称の米国特許出願第15/594967号、2015年7月1日に出願された“SPECIAL PURPOSE CUVETTE ASSEMBLY AND METHOD FOR OPTICAL MICROSCOPY OF NANOPARTICLES IN LIQUIDS”という名称の米国特許出願第62/187391号。

ナノ粒子は遍在しており、地球上の自然環境において圧倒的に最もたくさんある粒子状の物質であり、ヒトの活動に関連する多くの用途にわたって広く普及している。多くの種類の天然ナノ粒子や人工(工学的)ナノ粒子が存在している。ナノ粒子は、空気中、水中生環境中、雨水中、飲料水中、生体液中、医薬品中、薬物送達（ドラッグデリバリー）や治療用の製品中、ならびに広範囲の多くの工業製品中に存在する。ナノ粒子は通常、異なるサイズの粒子が共に存在する特徴をもつ多分散集合体内に存在する。

ナノ粒子は、（ISO定義によると）直径100nm未満の粒子である（より正確には、3つのデカルト次元のそれぞれが100nm未満である）。しかし、実際の応用では、この範囲は、サブミクロンまたは1000nm未満の直径まで拡大されている。後者はメソスケールと呼ばれることもある。

ナノ粒子の広範な使用を考慮すると、それらの特性を制御し、正確に特徴付けられる能力は、多くの用途について有用となり得る。ナノ粒子の特性を測定するための従来の方法としては、ナノ粒子トラッキング解析が挙げられ、これは、顕微鏡およびビデオカメラを使用して、記録されたビデオのフレームを分析し、ブラウン運動しているナノ粒子によって反射または散乱された光の画像を追跡する。

ナノ粒子のブラウン運動の解析は、A.Einstein(1905 Annalen der Physik 17 pp.549-560)によって記述されているようなサイズ決定を可能にし、そのような粒子が多かれ少なかれ球状であるという単純な仮定、すなわち、それらのランダムな運動はすべての方向に等しく起こり得るという仮定に基づいている。現在では、適切な光学系を有するレーザ光源が使用されており、これは非常に狭い光シートの生成を可能にし、ナノ粒子から散乱する光が直角方向から観察される。これは暗視野顕微鏡法と呼ばれる。しかしながら、このタイプの顕微鏡法は、ナノ粒子が連続的に光を散乱させることができ、したがって、安定した明るさ(時間的にあまり変化しない)を有する画像を生成して、ソフトウェアによる粒子の動きの連続的な追跡が可能であることを想定している。上記の両方の仮定(球面および連続光散乱)は、不可能である場合も多い。最も明白な例は、タバコモザイクウイルス(TMV)のような非常に細長い粒子が、TEM画像によって見られるように、約20nmの直径および約300nmの長さを有し、トウモロコシ穂軸に似た表面を有する棒のように見えることである(例えば、P.Ge and Z.H.Zhou 2011 PNAS 108(23), pp.9637-0642を参照のこと)。

そのような非常に細長い粗面粒子の場合、光散乱強度は、光シートに対するある粒子の向き(異なる有効な断面積)および粒子の回転によって大きく左右され、時間とともに変化する。実際には、このような粒子について記録された画像は、数Hzの周波数で明滅する特徴を示し、ブラウン並進運動は、2つの完全に異なる運動に分離することができ、ディスコボール効果(様々な方向に散乱された光のパルスを発する平面ミラーで覆われた回転面)に従ってブラウン回転により明滅が強められる。

ブラウン運動の追跡によってナノ粒子のサイズを決定する現在の機器が、そのような粒子に遭遇した場合、この機器は、正確なサイズ決定が制限され、または完全に阻害されるという、重大な問題を生じる。この機器は、正確なサイズ決定には短すぎ、また、標準的な30fpsで記録されたビデオの複数のビデオフレームにわたって飛跡をつないでも、補正することが不可能な、不完全なナノ粒子の飛跡を観測する。

したがって、画像を処理する際に、ナノ粒子の明滅に対応し、細長いナノ粒子に対応して、ブラウン運動に基づいて粒子サイズを決定できるシステムおよび方法が必要とされている。

以下、本発明のいくつかの態様の基本的な理解を提供するために、簡略化された概要を提示する。この要約は克明な要約ではなく、主要な、および／または重要な要素を特定することや、あるいはクレームされた特許請求の範囲の境界を提示することを意図していない。その目的は、後述する、より詳細な説明の前置きとして、いくつかの概念を簡潔に提示することである。

本明細書で説明する装置、システム、および方法は、上記で提示した問題を的確に解決する。本方法は、非常に細長いナノ粒子のサイズ決定を、それらを平行集合体へ配列することにより（全ての粒子は、その最長寸法の軸が平行になるように方向付けられ、これは通常、粒子に電気モーメントがある場合に、電界を印加することによって行われる）、または、観察された粒度分布を分析し、その分布の形状から最大、最小および平均サイズを推測することによって、行うことを可能にする。この方法は、パルス光散乱を示し、古典的な粒子追跡分析に対してある種の問題（飛跡の不連続）を引き起こす粒子の観察を可能にする。

本システムは、試料チャンバ内の粒子に光を当てる際に、ビームの一部が散乱され得る試料チャンバに、電磁放射線のビームを向けるように構成された調整可能な光源を含んでいてもよい。ビームの散乱部分は、あるフレームレートであるフレーム間時間間隔を有するセンサに向けられる。本システムは、センサおよび光源に接続されたプロセッサを有し、プロセッサは、以下のステップを実行する： 光源を作動させ、センサから画像を取得し、前記センサからの前記画像が、前記粒子が明滅していることを示していた場合には、前記フレームレートを低減させ、前記露光時間をフレーム間の時間の少なくとも６０％以上に設定し、そして、照明強度を減少させる。次に、プロセッサは、追加の画像を取得し、それらの画像を処理してぼけやぶれを軽減する。プロセッサは、処理された画像から粒子のブラウン運動を決定し、その運動に基づいて粒子のサイズを決定する。

プロセッサは、明滅低減のプリセット値を設定し、この明滅低減のプリセット値が達成されるまで、フレームレートの低減および露光時間の設定を繰り返すことができる。また、プロセッサは計算されたサイズに基づいて粒度分布（ＰＳＤ）関数を決定し、ＰＳＤから、粒子が細長いかどうかを決定してもよい。

センサは画像平面を有してもよい。本システムは、画像平面内で試料チャンバ内を横切る電界を生成するような、プロセッサに接続された電極を含んでいてもよい。そして、プロセッサは、電極を作動させて電界を生成しながらセンサから画像を取得し、画像から粒子のブラウン運動を決定する。プロセッサはさらに、運動を、電界に実質的に平行な第１の成分と、電界に実質的に直交する第２の成分とに分解し、各成分について、粒子のサイズを決定してもよい。

また別の実施形態では、システムは、試料チャンバ内の粒子に光を当てる際に、ビームの一部が散乱され得る試料チャンバに、電磁放射線のビームを向けるように構成された調整可能な光源を含む。そして、ビームの散乱部分は、画像平面を有するセンサに向けられる。本システムは、画像平面内で試料チャンバ内を横切る電界を生成するような、プロセッサに接続された電極を含んでいてもよい。プロセッサは、光源、センサおよび電極に接続され、プロセッサは、電極を作動させて電界を生成しながらセンサから画像を取得し、画像から粒子のブラウン運動を決定する。プロセッサはさらに、運動を、電界に実質的に平行な第１の成分と、電界に実質的に直交する第２の成分とに分解し、各成分について、粒子のサイズを決定してもよい。

電極を作動させて電界を生成する前に、プロセッサは、まず、以下のステップにより、粒子が細長いかどうかを判定してもよい： センサーから画像を取得し、前記画像から粒子のブラウン運動を決定し、ブラウン運動に基づいて粒子のサイズを決定し、決定されたサイズに基づいて粒度分布（ＰＳＤ）関数を計算し、そしてこのＰＳＤから、粒子が細長いかどうかを決定してもよい。ＰＳＤによって、粒子が細長いと思われる場合、プロセッサは電極を作動させ、電界内の粒子の画像を得ることができる。

当業者に明らかであるような追加の態様、代替形態、および変形形態も本明細書に開示されているものであり、本発明の一部として明確に含まれるものである。本発明は、本出願または関連出願において特許庁によって許可された特許請求の範囲の記載によってのみ特定され、その他の明細書に記載された実施例等の概要説明等は、本発明の法的保護の範囲を限定、定義、その他の方法で制限するものではない。

本発明は、以下の図面を参照すれば、よりよく理解することができる。図面内の構成要素は、必ずしも縮尺通りではなく、代わりに、本発明の例示的態様を明確に示すことに重点が置かれている。図面において、参照番号は、異なる図および/または実施形態にわたって対応する部分を示す。いくつかの構成要素および詳細は、本発明をより明確に説明するのに役立つことから、図面に現れない場合があることが理解されるであろう。

図１は、ナノ粒子の明滅を示す、高速で撮影された一連の画像フレームである。

図２Ａは、細長いナノ粒子コロイドの粒度分布である。

図２Ｂは、球状ナノ粒子コロイドの粒度分布である。

図３Ａは、溶液中のいくつかの細長いナノ粒子を示す。

図３Ｂは、画像平面に平行な電界内で整列した、溶液中のいくつかの細長いナノ粒子を示す。

図４Ａは、粒子のサイズを決定するための改良された方法である。

図４Ｂは、画像検出、処理およびＰＳＤプロットのためのサブルーチンである。

図４Ｃは、明滅を低減するサブルーチンである。

図５は、機器の配置の概略図である。

以下において、本発明者が最良の実施態様と考えるものを含む、本発明のいくつかの具体的な実施形態を説明する。これらの具体的な実施形態の例を添付の図面に示す。本発明は、これらの具体的な実施形態に関連して説明されるが、本発明は、説明または図示されている実施形態に限定されるものではない。一方で、別記の特許請求の範囲によって定義される本発明の趣旨および範囲内に含まれ得る代替形態、修正形態、および均等物については、本発明に包含されているものである。

以下の説明では、本発明を十分に理解するために、多数の具体的な詳細について記載する。本発明の実施形態の例の中には、これらの具体的な詳細の一部または全部を省略して実現可能な場合もある。また、他の例においては、当業者に知られている作業工程は、本発明を不必要に不明瞭にすることを避けるべく、詳細に説明されていない場合もある。本発明の様々な技術および機構は、明確化のために単数形で記載されることがある。しかしながら、各実施形態においては、特に断りのない限り、こういった技術または機構について、複数のものが反復されている場合を含むことに留意されたい。同様に、本明細書に示され、記載されている方法の種々のステップは、必ずしも示された順序で実施されなくともよく、また、ある実施形態において、一部のステップが実施されなくとも良い場合がある。したがって、本明細書で説明される方法のいくつかの実施形態は、図示または説明されているものよりも多いまたは少ないステップを含んでいても良い。さらに、本発明の技術および機構は、２つ以上の物体の間の接続、関係、または通信の説明を含んでいる場合がある。このような物体間の接続や関係は、必ずしも、直接的な、妨げのない接続に限定されてはおらず、それらの２つの物体の間に、他のさまざまな物体やプロセスが介在する場合も含まれる。したがって、記載されている接続は、別段明記されていない限り、必ずしも直接的で、妨げのない接続を意味するものではない。

以下に、添付の図面に対応した主な構成例のリストを示す。これらは、参照を容易にするために提示されるものであり、同様の参照番号については、明細書および図面を通じて、対応する構成を示している。

１０ 画像フレーム

１５ 散乱ナノ粒子

２０ 非散乱ナノ粒子

２５ ブラウン並進運動

３０ グループ

３５Ａ、３５Ｂ、３５Ｃ ナノ粒子１、２、３

４０ 粒度分布（ＰＳＤ）（細長いナノ粒子）

４５ 粒度分布（球状ナノ粒子）

５０ 電界が無い状態での細長いナノ粒子

５５ 電界が存在する状態での細長いナノ粒子

５６ センサー画像平面

６０ 電界

６５ ブラウン運動ベクトルの例

７０ 運動の、電界と平行な第１の成分

７５ 運動の、電界と直交する第２の成分

１００ 粒子のサイズを決定するための改良された方法

１０５－１６０ 粒子のサイズを決定するための改良された方法に係る各ステップ

２００ 画像検出、処理およびPSDプロットのためのサブルーチン

２０５－２２０ 画像検出、処理およびPSDプロットのためのサブルーチンに係る各ステップ

２３０ 明滅を低減するサブルーチン

２３５－２５５ 明滅を低減するサブルーチンに係る各ステップ

３１０ 機器の配置

３１５ 調整可能な光源

３２０ 光ビーム

３２５ 光学対物レンズ

３３０ 光シート

３３５ 試料チャンバ

３４０ 散乱光

３４５ 集束光学対物レンズ

３５０ 集束光ビーム

３５５ センサ（例えばカメラ）

３６０ プロセッサ

３６５ 電極

本開示によって解決される複雑な状況としては、ブラウン回転運動のために、非常に強い明滅、または、散乱光の強度の急速な変化を示すナノ粒子の追跡が含まれる。これは、結晶構造物質から削り取られた球状粒子、すなわち、典型的には、多くの無機物質を運ぶ濁った川の水の中で、硬い岩石が崩壊することにより生成される多くのコロイドのようなもの、の場合にもあてはまる。このような粒子は、通常、元の材料の結晶面によって作られた多くの面または平坦な表面を有する。こういった宝石に類似した粒子を含有するコロイドは、散乱光の強度が急速に変化(明滅)するために、上記のように、ブラウン運動を描写する連続した飛跡の記録が妨げられてしまい、標準的な粒子追跡法を用いて分析することはほとんど不可能である。

図１は、30フレーム/秒(fps)で撮影されたビデオの6つの画像フレーム10を表す。ナノ粒子は、散乱１５（実線円）または非散乱２０（破線円）のいずれかで示されている。したがって、非散乱ナノ粒子２０は、これらの画像フレームを撮影しているセンサ３５５によって検出されない。ナノ粒子１５、２０には、(矢印２５によって示される)並進ブラウン運動、および回転ブラウン運動の双方が生じるため、ナノ粒子１５、２０は、ある１つのフレーム内で散乱し、次のフレーム内で消失する、ということがあり得て、その場合には、後のフレームで全く異なる位置で再出現することとなり、粒子の追跡を不可能にする。ブラウン運動を正確に追跡しなければ、粒子サイズを正確に計算することはできない。

図１のフレーム４、５および６におけるグループ３０は、３つのナノ粒子３５Ａ、３５Ｂおよび３５Ｃの「明滅」および移動を示す。このようなグループ３０では、実際のナノ粒子３５Ｂの動きが、プロセッサ３６０によって決定されたものと全く異なってしまっていて、ナノ粒子３５Ｂ（フレーム４）が移動して、ナノ粒子３５Ｃ（フレーム５）と同じものであると判断してしまうような誤りをプロセッサ３６０が起こしてしまうことがある。

このような場合に提案される解決策は、毎秒記録フレーム数を極めて少なくすることである。例えば、一般的な３０ｆｐｓの代わりに、１秒あたりのフレーム数を１０分の１に減らし、同時に露出時間を増やす。例えば、３０ｆｐｓを使用する場合には、通常は、約１５ミリ秒の露光時間、あるいはフレーム間の時間（この場合、３３ミリ秒）の約半分の時間を使用する。４ｆｐｓまたは２５０ミリ秒のフレーム長では、少なくとも２００ミリ秒の露光時間が使用されるだろうから、当然のことながら、カメラのゲインの変化だけでなく、画像化された粒子の過剰露光を防止するために、照射レーザの出力を下げるようにする、という可能性も考慮した器具の使用が必要である。

しかし、長い露光時間を有することは、それ特有の問題引き起こす。次フレームの画像は、露光中のブラウン運動のためにぼやける。適切な統計的方法によれば、粒子サイズ決定の精度に有害な、このような曖昧さを解決することができる（例えば、X.Michalet and A.J.Berglund 2012 Phys Rev E85, pp.061916-1-061916-14参照）。近年のプロセッサによれば、何秒にもわたって続く、より長いトラックも記録・処理可能であるので、このような低ｆｐｓ測定が可能であり、それによって観察粒子の正確なサイズ決定が可能である。

図４Ａは、ナノ粒子の「明滅」の影響を緩和する方法を開示する。ナノ粒子が明滅している場合(ステップ１０５)、サブルーチン２３０が実行される。まず、システムは、画像内の明滅事象の最初の回数を決定し（ステップ２３５）、次に、フレームレートを減少させるとともに、露光時間を、フレーム間の時間の少なくとも６０％になるように増加させる（ステップ２４０）。各フレームの露光時間が増加されるので、照明は低減されるべきである。そうでなければ、ナノ粒子は、あまりにも多くの光を散乱させ、隣接する粒子をかき消してしまい、それらの隣接する粒子をセンサから見えなくさせてしまう（ステップ２４５）。次に、ステップ２５０で、システムは、明滅事象の回数が十分に減少したかどうかをチェックし、減少していない場合には、フレームレートを再度減少させる（ステップ２５５）。図示されていないが、フレームレートを再度減少させた場合、露光時間は増加され、照明も再度減少させる必要がある。そして、明滅事象が所定値に減少するまで、システムはフレームレートの減少後のチェックを継続する。この値は、プロセッサが画像のぼけやぶれを除去して、正確な粒子の追跡が達成できるようにするために最適となるように設定される。

サブルーチン２３０を実行する代わりに、システムは、単に、フレームレートを４ｆｐｓに低減して、さらに各フレームの露光を少なくとも２００ミリ秒としてもよい。

明滅に対する処理がなされると、次に、システムはサブルーチン２００を実行する。そこでは、新たなフレームレート、フレームの露光長、および照明による画像の記録が行われる（ステップ２０５）。次に、システムは、ステップ２１０で粒子の位置を検出し、ステップ２１５において、画像を処理してぼけやぶれた動きを補正し、移動距離の正確な追跡を実現する。この移動に基づいて、ステップ２２０で、粒子サイズを決定し、描画することが可能となる。

図４Ａに示す方法の残りの部分は、細長い粒子に関連する問題に関するものであり、これについて以下に説明する。細長い粒子のブラウン運動はもとより２つの成分に分離される。すなわち、長軸に沿った運動は比較的活発であるが、その軸に垂直な方向の運動は希釈剤の粘性のため、比較的制約される。これは、各方向のブラウン運動から推測されるサイズが異なることを意味する。長軸に沿った動きは、各粒子の直径が小さいことを表し（運動は比較的活発となる）、他方、長軸に垂直な方向の動きは、より大きなサイズまたは長さに対応するものとなる（運動は比較的小さなものとなる）。追跡された粒子の長軸に垂直なブラウン回転が、観察時間（数秒）に比べて遅い場合には、棒状粒子の直径とその長さとの間の、見かけ上のサイズの分布がわかるだろう。実際には、サイズが非常に広範囲に分布していることを意味し、最も可能性の高いサイズは、粒子の直径と長さという２つの寸法の平均である。前記のＴＭＶの例の場合、自然な広がりを持つ分布（追跡プロセスにおける追跡ステップの数が限られている）により、これは約１６０ｎｍであり、その分布は約０ｎｍから３００ｎｍあるいはそれ以上の直径にまで広がっている。

図２Ａは、明滅を軽減するようにされた、特許の対象となる方法に特有の特別な記録条件で実験的に測定された、かかる分布４０を示している。比較のために、図２Ｂには、球状ナノ粒子の粒度分布関数（ＰＳＤ）４５を示す。細長いナノ粒子のものの底部は、球状ナノ粒子のものの狭くとがった底部よりもとても広い。したがって、ＰＳＤを分析することによって、システムは、観察されたナノ粒子が細長いものであるかどうかを決定して、ブラウン運動追跡の精度を向上させる方法を実行することができ、これによって、サイズ計算の精度を改善することができる。

図３Ａは、コロイド中でランダムに浮遊するいくつかの細長いナノ粒子５０を示す。粒子が電気双極子モーメントを有する場合、すなわち、それらの軸を電界と整列させることによって静電界と相互作用させることができる場合、そのような電界を使用して、２つの射影における粒子のサイズを正確に決定することができる。図３Ｂは、センサ３５５の画像平面５６内における電界６０の印加を示し、これによって、細長いナノ粒子５５が整列される。ナノ粒子５５がすべて整列している場合、カメラセンサ３５５の表面への投影として観測されるブラウン運動距離は、追跡の方向（印加される電界の向きに対して並行の方向７０、または垂直の方向７５）に応じて、２つの異なるサイズとなる。このような場合、コロイド中に存在する細長いナノ粒子の寸法を得るためには、平均二乗距離による標準的なブラウン分析を行うだけでよいが、２つの垂直な成分７０、７５で別々に行う。具体的には、ナノ粒子のブラウン運動がベクトル６５によって表される場合、これは、電界に平行な第１の成分７０と電界に直交する第２の成分７５とに分解することができる。簡単のために、電界６０は、センサの画素の行または列に沿ってナノ粒子５５を整列させるように構成することができる。

図４Ａに戻り、システムは、ＰＳＤ４５から、広底三角形が存在するかどうかを判定し（ステップ１１０－ここで、「広底三角形」とは、横軸方向について、約１０ｎｍといった非常に小さいサイズから、細長い粒子の長さとして予測される最大の値、例えば、ＭＴＶの場合は３００ｎｍ、にまで広がり、さらに、粒子の凝集およびコロイド中に常に存在する少数の不純物によって、さらに大きな値まで広がり得ると推測される三角形に似たＰＳＤ４５の形状を表す。）、もしそうであれば、試料をセンサ画像平面５６内の電界６０に露出させる（ステップ１２０）。システムは、ステップ１２５－１３０で、画像を記録し、画像内のナノ粒子の位置を検出し、さらに画像のぼけやぶれを除去して、移動した距離および方向に至る。次に、ステップ１４０において、移動は第１および第２の成分(７０、７５)に分解される。電界６０に平行な第１の成分７０に基づいて、ナノ粒子５５のサイズが決定されてプロットされ(ステップ１４５)、そこからナノ粒子５５の第１ナノ粒子径を表すサイズが決定される（ステップ１５０）。ステップ１５５および１６０に示されるように、第１の成分７０に直交する第２の成分７５に基づいて同様のことが行われる。

図５は、本明細書で開示される方法およびデバイスを使用するシステムを示す。本システムは、シリンドリカルレンズ（円柱レンズ）を通過する光ビーム３２０を生成する調整可能な光源３１５と、試料チャンバ３３５に向けられる光シート３３０を形成する光学対物レンズ３２５とを備える。試料チャンバ３３５には、希釈剤を用いて作られたコロイド中のナノ粒子が含まれている。電極３６５が作動されると、試料チャンバ３３５を横切って電界６０を生じさせる。

試料チャンバ３３５内のナノ粒子は、拡大光学対物レンズを含みうる集束光学対物レンズ３４５、すなわち顕微鏡、を通る向きの光３４０を散乱させ、センサ(例えばカメラ)３５５上に集束光ビーム３５０を生成する。プロセッサ３６０は、センサ３５５、光源３１５、および電極３６５に接続され、それらを制御するようにしてもよい。本機器の配置３１０によれば、正確に形成された狭い光シート３３０により任意の液体を照射し、光シート面に対して通常90度の角度で、ナノ粒子からの散乱光３４０を観察することとが可能となる。換言すれば、観察方向は、照明光面の方向に対して垂直である。プロセッサ３６０は、本明細書で開示する方法を実行するように構成されてもよい。

本発明の例示的な実施形態および応用例を、上述の説明および例示的な図面により説明したが、本発明は、これらの例示的な実施形態および応用例に限定されることを意図しておらず、また、例示的な実施形態および応用例が動作する方法、または本明細書に記載される形態に限定されるものではない。実際、当業者には明らかなように、例示的な実施形態に対する多くの変形および修正が可能である。結果としてもたらされた装置、システム、または方法が、本特許出願または任意の関連特許出願に基づいて特許庁によって許可された請求項のうちのいずれかの範囲内に入る限り、本発明は任意の装置、構造、方法、または機能を含むことができる。

Claims (4)

1. 電磁放射のビームを試料チャンバに向けるように構成された光源を備えるシステムであって、前記チャンバ内の粒子を照射するときに前記ビームの一部を散乱させることを可能とし、前記散乱された一部は、画像平面を有するセンサに向けられ、前記システムは、前記画像平面内で前記試料チャンバを横切る電界を生成するように構成された電極をさらに備える該システムで用いられる、粒子のサイズを決定する方法であって、
   （Ａ）前記光源を作動させるステップと、
   （Ｂ）前記電極を作動させて前記電界を発生させながら、前記センサから画像を取得するステップと、
   （Ｃ）前記ステップ（Ｂ）の画像から前記粒子のブラウン運動を決定するステップと、
   （Ｄ）前記運動を、前記電界に略平行な第１の成分と、前記電界に略直交する第２の成分とに分解するステップと、
   （Ｅ）各成分について、前記粒子のサイズを決定するステップと、
   を備える粒子サイズ決定方法。
2. 前記ステップ（Ｂ）に先立って、
   （１）センサから画像を取得するステップと、
   （２）前記画像から前記粒子のブラウン運動を決定するステップと、
   （３）前記ブラウン運動に基づいて前記粒子のサイズを決定するステップと、
   （４）前記決定されたサイズに基づいて粒度分布（ＰＳＤ）関数を決定するステップと、
   （５）前記ＰＳＤから、前記粒子が細長いかどうかを決定するステップと、
   （６）前記粒子が細長い場合、前記ステップ（Ｂ）～（Ｅ）を実行するステップと、
   をさらに備える、請求項１に記載の粒子サイズ決定方法。
3. コロイドの粒度分布を決定するためのシステムであって、
   電磁放射のビームを試料チャンバに向けるように構成され、前記チャンバは、前記チャンバ内の粒子を照射するときに前記ビームの一部を散乱させるように構成されている光源と、
   前記ビームの散乱を検出するように配置されたセンサであって、画像平面を有するセンサと、
   前記画像平面内で前記試料チャンバを横切る電界を生成するように構成された電極と、
   前記光源と前記センサと前記電極に接続されたプロセッサであって、以下のステップを実行するもの：
   （Ａ）前記光源を作動させるステップと、
   （Ｂ）前記電極を作動させて前記電界を発生させながら、センサから画像を取得するステップと、
   （Ｃ）前記ステップ（Ｂ）の画像から前記粒子のブラウン運動を決定するステップと、
   （Ｄ）前記運動を、前記電界に略平行な第１の成分と、前記電界に略直交する第２の成分とに分解するステップと、
   （Ｅ）各成分について、前記粒子のサイズを決定するステップ、
   とを備えるシステム。
4. 前記プロセッサが、前記ステップ（Ｂ）に先立って、
   （１）前記センサから画像を取得するステップと、
   （２）前記画像から前記粒子のブラウン運動を決定するステップと、
   （３）前記ブラウン運動に基づいて前記粒子のサイズを決定するステップと、
   （４）前記決定されたサイズに基づいて粒度分布（ＰＳＤ）関数を決定するステップと、
   （５）前記ＰＳＤから、前記粒子が細長いかどうかを決定するステップと、
   （６）前記粒子が細長い場合、前記ステップ（Ｂ）～（Ｅ）を実行するステップと、
   をさらに実行することを特徴とする、請求項３に記載のシステム。
   
   
   

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