JP4121460B2 - 材料分析用音響セル - Google Patents

Description

本発明は、一般に材料分析に関し、より詳細には、材料試料中に音響場を生成し、かつ該音響場の振幅、位相またはインピーダンスの周波数依存性を分析することができる装置ならびに超音波分光法においてこのような装置を使用する方法に関する。

音響セル技術では、チャンバ内に試料を配置し、このチャンバ内で音波を生成することによって音響測定を行うことが知られている。一般に、こうした音波は機械的な振動によって発生させることができ、該機械的な振動は試料中に波形を生成する。このような波形の測定により、音波と試料の相互作用が特徴づけられ、それによって、材料の特性を高分解能で評価することができる。この技術は、極めて小さい試料に対して測定を行うことができるという利点を有する。このチャンバの精確な幾何形状が、得られる測定精度だけでなく、セルの製作コストにも重要なファクタになる。また、このセルの幾何形状は、例えば、セル内の気泡の生成を最小限に抑えるようにも選択しなければならない。しかし、このように考慮すると、チャンバの壁を数学的に簡単な形状にして分析を容易にするという要件に矛盾することがある。セルの幾何形状を選択する際に考慮すべき他の検討事項は、壁の耐化学性、効果的な洗浄手順、および試料の効果的な撹拌処理などのファクタである。さらに、熱膨張などの環境的なファクタが、幾何形状を変更する際に大きな役割を果たし、これは、セル構造の材料を選択する際に真剣に検討しなければならない。したがって、これらの基準を満たし、さらに、コスト効果も高く、動作するのに複雑な支援機器を必要としない音響セルを提供することは困難である。

超音波分光法は、低エネルギーの超音波のパラメータの測定に基づく非破壊分析技術である。このことは、医学および数多くの材料分析分野における成功応用例により既に公知となっている。しかし、測定分解能が制限され、かつ必要とされる試料ボリュームが大きいことが、過去にこの技術が研究・分析試験所において普及する妨げとなっていた。特に、酵素反応、ポリマーの立体配座変化、バイオポリマー−リガンド結合および抗原−抗体相互作用、懸濁液および乳濁液の凝集、粒子とポリマーのゲル形成、ミセル化、粒子表面の吸着、組成分析その他の分析に用いる装置が潜在的に求められているが、現在の超音波分析装置は、以下で論じるように上記のことを行うにはその能力に限界がある。

本発明は、上記で述べた問題の一部を克服し、コスト効果が高く操作が簡単なセルおよびこのようなセルを使用する方法を提供しようとするものである。

本発明によれば、音速の示度を含めて音響パラメータを測定することによって材料を分析する音響セルが提供される。このセルは、
壁が一体に形成される支持フレームと、
前記支持フレームと別体で構成され、少なくとも１つの間隙と、前記壁と係合可能な外面とを含み、使用に際して、前記壁に挟まれて該外面が壁と係合することで、分析用試料を配置するための試料キャビティを画定する主フレームと、
前記支持フレーム内に収容され、前記試料キャビティとは反対側で壁に音響的に結合し、少なくとも１つの電気音響トランスデューサを備える電気音響トランスデューサアセンブリと、
前記トランスデューサの出力を分析して、使用中の前記試料キャビティ内の試料の音速特性の変化を示す分析手段とを備える。

好ましくは、このセルは、主フレームおよび壁を実質的に収容する支持フレームを備える。この支持フレームおよび壁は、単一ブロックとして作製することができ、同じ材料から形成し得る。好ましくは、この主フレームおよび壁、ならびに支持フレームが設けられる場合には支持フレームは、光学パラメータを測定することができるように光透過性の材料から形成する。

使用に際して、支持フレームと壁の間のスペースに試料を充填することができる。

この壁は、ほぼ平坦にするか、あるいは湾曲させて回折損失を最小限に抑えることができる。

好ましくは、このトランスデューサを付勢させて、１つまたは複数の壁に直接または間接的に接触したままにするとよい。

このセルは、使用中に試料の蒸発を防止するストッパーをさらに含むことができる。

次に、図面を参照して本発明の実施形態を説明する。

図１に、本発明によるセル１を示す。セル１は、少なくとも１つの間隙３からなる主フレーム２を備える。主フレーム２は、使用に際して壁４と係合して試料キャビティ５を画定し、使用に際して試料キャビティ５に試料６を配置することができる。試料キャビティ５は、支持フレーム７によって取り囲まれる。支持フレーム７と試料キャビティ５の間のギャップ８には、少なくとも１つのトランスデューサ９が収容される。ストッパー１０が設けられ、任意選択で、主フレーム１内に撹拌用磁石１１が設けられる。

少なくとも１つのトランスデューサ９は、複数の壁４の少なくとも１つに取り付けられて、共振し得る音響場が生成される。このトランスデューサは、結露の浸入を防ぐために密封し、不活性ガスによって取り囲んでトランスデューサパラメータの制御を改善することができる。場の検出は、トランスデューサ９の電気的特性を測定するか、あるいは、任意選択で、試料キャビティ５の同じまたは別の壁４に取り付けられる第２トランスデューサ９の電気的特性を測定することによって行い得る。いずれの場合も、この装置に電気的に接続された分析・制御手段９０内で分析が行われる。分析・制御手段９０は、以下でより詳細に論じる。一般に、このような音響場は機械的な振動によって生成され、それによって定在波波形が発生するが、材料の減衰係数が極めて大きい場合には、音響共振を形成することができず、この場合には、試料の音響パラメータを評価するために連続波自体を用いることができる。図に示すように、壁４は、ほぼ平坦で互いに平行な壁とするか、あるいは、例えば形状を球形または円筒形として、低周波数における回折を最小限に抑えるキャビティ形状にし得る。壁４のこの形状により、分析の前に試料キャビティ５に試料６を充填する助けになるという更なる利点も得られる。

支持フレーム７は、高分解能分析に望ましい薄い壁と、薄い壁の不安定性および起こり得る反りの問題との間のトレードオフに関連する問題を克服するために設けられる。この問題を克服するために、中央フレーム、支持フレーム、および壁を単一ブロックから作製することが企図されている。さらに、この単一ブロックは、クオーツまたはガラスなどの１種類の材料から形成することができる。この方法は、このようなモジュールが、清浄化および再組立を必要とする内部部品が少なくて済むという利点を有する。以前から、高精度光学技術により、光透過性の材料で高精度物体が提供されており、本発明では、この専門技術を利用して高精度音響測定用セル１を提供する。

この実施形態では、トランスデューサに供給される電気的な接続をグループ化するので、分析・制御手段９０からセル１への接続部は、トランスデューサの数に関わらず１つだけでよい。こうすると、セル１自体の単一ブロック構成とあいまって、プラグイン・モジュールとして動作するセル１が得られ、それによって、清浄化または再充填するためのこのモジュールの結合および取り外しが容易になる。

さらに、支持フレーム７と試料キャビティ５の間のギャップ８を用いて、ギャップ８に、例えば、試料６が揮発性の場合には不活性ガスを充填することによって、試料キャビティ５の内部状態を制御することができる。さらに、支持フレーム５に取り付けられ水槽を形成して試料６の温度を制御することができる外部シェル（図示せず）を設けることができる。他の形態の温度制御も可能である。

電気音響トランスデューサ９は、壁４の１つに固定的に取り付けるか、あるいは、極めて粘性が高く、および／または弾性のある層を介して取り付けることができ、それによって、トランスデューサ９、壁４、およびそれらを連結する材料の熱膨張係数が異なることによる温度上昇に伴う壁４およびトランスデューサ９の変形が防止される。さらに、ばねまたはＯリングなどの弾性要素を用いて、非固定的に取り付けられた電気音響トランスデューサ９を壁４に向けて付勢させることができる。

セル１内で行われる測定が精確な性質のものであることから、様々な構成要素の熱膨張係数の問題は重要であることが多い。したがって、支持フレーム７と壁４を単一ブロックとして形成してこの問題を軽減することができ、かつ、これらを同じ材料から形成することができる。このとき材料は、トランスデューサを形成する材料と同じにしてよい。

主フレーム２の基部に収容された磁石１１を（図示しない）磁気的に作動する撹拌機構（図示せず）とともに用いると、試料６を撹拌することができる。セル１から試料が蒸発するという問題を解決するためにストッパー１０が設けられる。

この実施形態では、試料キャビティ５に流体を注入して試料６と混合することができる手段（図示せず）がさらに設けられる。こうすると、このような構成を用いて、例えば滴定を行うことができる。

図２に、ストッパー１０によって閉じられた２つの間隙３の注入口を備えたセル１の外観を示す。このように２つの間隙３を有することの利点は、同じ条件下で、２つの別々の物質の測定を並列に行って、差分効果を精確に測定することができることである。

図３に、図１および図２の実施形態で用いられる２つの間隙３を備えた主フレーム２を示す。前側の壁１２および後側の壁（図示せず）は互いにほぼ平行であり、そのため、それらは壁４と容易に係合して、試料キャビティ５を形成することができる。従って実施形態に応じて、より多くの間隙を設けることが可能である。

上記で説明した装置を用いることによって測定することができる反応の例を説明する前に、物質の超音波測定に関連する基礎原理の一部を検討する意義があろう。

材料の固有特性の非破壊分析には、被分析試料を通して伝えられる信号の測定が含まれる。どの信号も波の組合せであり、材料分析分野で主に用いられてきた波は電磁波のみである。この波は、材料の電磁的な特性を調べ、さらに光学分光法およびその変形形態、ＮＭＲ、マイクロ波その他に用いられる。その他の波として超音波が用いられ、それによって分子間力が調べられる。この波の場合、振動する圧力（応力）により圧縮振動（機械的な変形）が生じる。したがって、この波は本質的に流体力学的な波である。この波は、周波数が高い（一般に１００ｋＨｚよりも高い）だけで、音波と同じである。

高分解能超音波分光法で測定されるパラメータは、超音波の減衰および速度である。均質な試料で超音波の減衰に主に寄与するのは、速い化学緩和である。超音波による圧力および温度変化により、化学反応の平衡位置が周期的に変化する。平衡状態に緩和することより、超音波のエネルギー損失が生じる。これにより、一般に緩和時間範囲が１０^−５〜１０^−８秒である速い化学反応の動特性を分析することができる。不均質な試料（乳濁液、分散液など）では、超音波の散乱が超音波の減衰にさらに寄与することとなり、公知の超音波粒度測定を行うことができる。

第２パラメータである超音波の速度は、媒質の密度および弾性によって決定される。超音波中で圧縮されると、試料の分子間距離が変化し、これにより、分子間反発力による反応が生じる。そのため、超音波の速度を圧縮率の形で表すことができる。このパラメータは、被分析媒質中の分子組成および分子間相互作用に対し極めて感度が良く、広範囲の分子プロセスの分析で用いられる。しかし、超音波の速度を広く応用するには、（１０^−４％よりも良好な）極めて高い分解能が必要とされ、これを公知の装置で実現するのは難しい。

図４に、リガンド−ポリマー結合、すなわち、プラスに帯電したマグネシウム・イオンと、（周知のＲＮＡに類似の）マイナスに帯電したポリリボアデニン酸（polyriboadenilic acid）、すなわちポリ（Ａ）との結合の超音波分析に図１〜図３の装置を適用した例を示す。ポリ（Ａ）水溶液１ｍｌを含む測定用超音波セルおよび緩衝液１ｍｌを含む基準超音波セルに段階的にＭｇＣｌ_２の濃縮溶液を加えた。この装置により、測定セルおよび基準セル内のこれらの試料の超音波パラメータの差異が測定され、ＭｇＣｌ_２の寄与が差し引かれた。したがって、超音波の速度および減衰の変化をグラフにすると、マグネシウム・イオンとポリ（Ａ）の相互作用だけが示される。

マグネシウムとポリ（Ａ）が結合すると、まず、Ｍｇ^２＋イオンおよびポリマー原子グループの配位殻から水和水が放出されることによって超音波速度の減少が生じる。リガンドとポリマーの水和殻中の水の圧縮率はバルクの水の圧縮率よりも小さく、したがって、水和水をバルクの水に移すと、この溶液の総圧縮率が大きくなり、そのため超音波速度が減少する。ポリマー上の利用可能なすべての部位がリガンドによって占められると、この曲線は一定水準で安定する。超音波速度の総減少量は、Ｍｇ^２＋の配位殻から排除された水分子の数に関連しており、それによって、この複合体を構造的に特徴づけることができる。この曲線の形状から、結合定数と化学量論を計算することができる。

マグネシウムの濃度が高いところで、静電的に中和したポリマー分子は凝集体の形成を開始する。この凝集体による超音波の散乱により、減衰が増加する。追加の脱水およびこの凝集体の固有の圧縮率により、この段階で超音波速度が減少する。これらの測定はいずれも、リガンドおよびポリマーの光学活性ならびに媒質の光透過性を必要としない。

図５に、開始時点から、試薬を加える時点を経て、生産物が生成される時点までの反応速度の超音波分析結果を示す。この反応は、酵素によるものとし得る。この例では、酵素によって触媒された基質が加水分解され、グラフに、阻害剤が存在しない場合、弱い阻害剤が存在する場合、および強い阻害剤が存在する場合の出力がグラフに示される。初期および最終的な超音波速度を分析することによって超音波曲線を計算し直して、加水分解された基質の量の時間依存性、すなわち、この反応の動特性プロフィールにし、それによって酵素活性を計算することができる。もちろん、この例に示すグラフを見ると、本発明の装置を用いて、反応した総量または特定の成分およびその成分の濃度、あるいは、長時間にわたる濃度変動を測定できることが理解されよう。実際、本発明により、初めて、試料中の成分の濃度を求める方法が、酵素によるものとし得るかどうかに関わらず、簡単な非破壊超音波測定手法によって提供される。

図６に、ＤＮＡの短い断片の水溶液中の熱推移の分析について、ある温度勾配形態を図１〜図３の装置に適用した例を示す。図６からわかるように、この装置の出力を用いてこの溶液の超音波速度の変化を求めることによって、２つのＤＮＡ鎖が分裂する融解温度を求めることができる。この測定は、この装置内に単に緩衝溶液を含む基準セルをも設けることによって差分的に実施することができる。こうすると、このプロセスに対する外部の影響を補償することができる。減衰の増加に主に寄与するものは、凝集体における超音波の散乱である。このシステムでは、相転移温度およびその幅、すなわち融点の検出、ならびに（超音波速度による）構造転換の分析および（超音波の減衰による）凝集体の構造の特徴づけを行うことができる高分解能の超音波分光法を行うことが可能である。

上記すべての実施形態では、この装置の分析手段９０をトランスデューサの出力をデジタル的にサンプリングすることができる適切に構成されたＰＣとすることができるが、この分析手段９０は、トランスデューサから信号を受け取り、それらを分析して、データが得られるように構成される。得られたデータは、超音波の速度および減衰の示度であるが、このデータは、場合によっては、装置の試料キャビティ内で測定される物質の圧縮率の形で表されることがある。

本発明の１実施形態を示す断面図である。 ２つの間隙を構成する本発明によるセルを示す図である。 図２の実施形態で用いられる主フレームを示す正面図である。 図１〜図３の装置の滴定反応中の出力を示すグラフである。 ある反応例について超音波速度の時間変化を示すグラフである。 水中でゲルが融解する間の相対的な超音波速度および超音波の減衰の変化を示すグラフである。

Claims (21)

1. 音速の示度を含めて音響パラメータを測定することによって材料を分析する音響セルであって、
   壁が一体に形成される支持フレームと、
   前記支持フレームと別体で構成され、少なくとも１つの間隙と、前記壁と係合可能な外面とを含み、使用に際して、前記壁に挟まれて該外面が壁と係合することで、分析用試料を配置するための試料キャビティを画定する主フレームと、
   前記支持フレーム内に収容され、前記試料キャビティとは反対側で壁に音響的に結合し、少なくとも１つの電気音響トランスデューサを備える電気音響トランスデューサアセンブリと、
   前記トランスデューサの出力を分析して、使用中の前記試料キャビティ内の試料の音速特性の変化を示す分析手段と
   を備える、音響セル。
2. 前記主フレームの前記外面が互いにほぼ平行である、請求項１に記載の音響セル。
3. 前記支持フレームは前記主フレームおよび前記壁を実質的に収容する、請求項１または２に記載の音響セル。
4. 前記支持フレームは、前記壁と１つのブロックとして作製される請求項１から３のいずれか１項に記載の音響セル。
5. 前記壁がほぼ平坦である、請求項１から４のいずれか１項に記載の音響セル。
6. 前記壁の前記共振キャビティに面する部分を、球形、円筒形または他の湾曲形状にして回折損失を最小限に抑える、請求項１から４のいずれか１項に記載の音響セル。
7. 使用中に試料の蒸発を防止するストッパーをさらに備える、請求項１から６のいずれか１項に記載の音響セル。
8. 前記少なくとも１つの間隙が、使用に際して流体を注入するためのチャネルをさらに備える、請求項１から７のいずれか１項に記載の音響セル。
9. 耐化学性材料で形成される、請求項１から８のいずれか１項に記載の音響セル。
10. 前記トランスデューサが前記壁に移動可能に結合される、請求項１から９のいずれか１項に記載の音響セル。
11. 超音波信号を用いることによって試料を分析する方法であって、
    請求項１ないし１０のいずれか１項に記載の音響セルを用意するステップと、
    前記試料キャビティ内に試料を挿入するステップと、
    前記試料を通して超音波信号を通過させるステップと、
    前記電気音響トランスデューサから電気信号を受信するステップと、
    前記受信した信号を分析するステップと、
    使用中の前記試料を通過する前記信号の超音波速度を示す出力を提供するステップとを含む、方法。
12. 前記出力が、前記試料の圧縮率の形で表される、請求項１１に記載の方法。
13. 前記試料が、酵素反応を生じるのに必要な成分を含む、請求項１１または１２に記載の方法。
14. 前記試料が、リガンド結合プロセスを実施するのに必要な成分を含む、請求項１１または１２に記載の方法。
15. 前記方法の実施中に前記試料を加熱する、請求項１１から１４のいずれか１項に記載の方法。
16. 前記出力において超音波の減衰も示される、請求項１１から１５のいずれか１項に記載の方法。
17. 前記信号の超音波速度を分析して、前記試料の成分の濃度を示す出力を提供する、請求項１１から１６のいずれか１項に記載の方法。
18. 超音波信号を用いることによって試料を分析する方法であって、
    請求項１ないし１０のいずれか１項に記載の音響セルを用意するステップと、
    前記試料キャビティ内に試料を挿入するステップと、
    前記試料を通して超音波信号を通過させるステップと、
    前記電気音響トランスデューサから電気信号を受信するステップと、
    前記受信した信号を分析するステップと、
    前記試料内の成分の濃度を示す出力を提供するステップとを含む、方法。
19. 時間に関する示度として前記濃度出力が提供される、請求項１８に記載の方法。
20. 前記試料が、酵素反応を生じるのに必要な成分を含む、請求項１８または１９に記載の方法。
21. 前記試料が、液体または結合プロセスの成分である、請求項１８または１９に記載の方法。

Images