JP4513982B2 - 粒子を用いた粘度測定装置 - Google Patents

Description

本発明は、粒子を用いて各種液体の粘度を測定する新しい原理に基づく粘度測定装置に関し、特に微細な流路における液体の粘度を正確に測定することのできる粘度測定装置に関する。

各種液体等の粘度を測定する粘度計として、従来、細管式粘度計、回転粘度計、超音波を用いた振動式粘度計などが知られている。

細管式粘度計は、溶融物等の被測定液が細管を通過するときの粘性抵抗を測定するものであり、シリンダ内に収容した被測定液をピストンで押圧することによって細管を通して流出させ、そのときのピストンの流出速度やピストンに作用させた荷重等から、被測定液の粘度を求める（例えば特許文献１参照）。

また、回転粘度計は、被測定液中にロータを浸した状態で回転させ、被測定液の粘性によりロータに作用する制動力を検出し、その検出結果を粘度に換算する（例えば特許文献２参照）。

更に、超音波を用いた振動式粘度計は、振動子と振動センサを取り付けた振動体を被測定液中に浸漬し、振動子に交流電圧を印加して振動体に振動を与え、そのときの振動子と振動センサとの位相差を検出し、あらかじめ求めておいた液体の粘度と位相差の関係から被測定液の粘度を求めるものなどが知られている（例えば特許文献３参照）。
特開平９−３２９５３９号公報 特開２００２−３４０７６８号公報 特開平１１−１７３９６７号公報

ところで、微細加工技術を利用してガラス等の基板上に液が流れる微小な溝のネットワークを形成し、生化学等の各種操作や検出を１枚のチップ上に集積化したμ−ＴＡＳ（マイクロ総合分析システム）をはじめとするＭＥＭＳ技術を利用したシステムや要素において、例えば数十μｍ程度の幅の微細な流路内で化学反応や生物反応を生起させる際に、流路が狭すぎると理論値よりも反応速度が遅くなることがある。このことから、液体の粘度が微細流路内で高くなるのではないかと疑われている。

しかしながら、前記したものをはじめとする従来の粘度計では、以上のような狭い領域における液体の粘度を計測することができず、上記の疑いを実証する手段がないのが実情である。

また、従来の粘度計においては、粘度を計測するために必要な被測定液は、一般に数十ｃｃのオーダーで必要であり、被測定液量が少ない場合にはその粘度を測定することができないという問題もある。

本発明はこのような実情に鑑みてなされたもので、従来の粘度計に比して被測定液の量が少なくてもその粘度を計測することができ、かつ、μ−ＴＡＳをはじめとするＭＥＭＳの要素内で流動するような狭い領域における液の粘度を正確に計測することのできる、粒子を用いた粘度計の提供をその課題としている。

上記の課題を解決するため、本発明の粒子を用いた粘度計は、被測定液中に粒子径が既知の粒子群を拡散させてなる懸濁液を保持する容器と、直流，周波数変調、電圧変調を含む所定のパターンもしくは任意に設定できるパターンの電圧を発生する電源と、上記容器に設けられ、上記電源からの電圧を印加することにより容器内に規則的に並ぶ電界分布を発生させる電極対と、その電極対への電源からの電圧の印加の制御により、上記容器内の懸濁液中の粒子に作用する泳動力により生じる粒子群の密度分布に起因する回折格子の生成と、その消滅を制御する制御手段と、容器内の上記回折格子の生成部位に向けて光を照射する光源と、その光の上記回折格子による回折光を検出する光検出器と、その光検出器により検出される回折光強度の時間的変化から上記粒子群の拡散の速度に係る情報を求めるとともに、その結果と上記粒子群の粒子径とから、被測定液の粘度を求める解析・演算手段を備えていることによって特徴づけられる（請求項１）。

ここで、本発明においては、上記粒子群の拡散の速度に係る情報が拡散係数であり、上記解析・演算手段は、その拡散係数と上記粒子群の粒子径を用いてアインシュタイン・ストークスの式から被測定液の粘度を算出する構成（請求項２）を好適に採用することができる。

本発明は、液体中における粒子は誘電泳動もしくは電気泳動により移動すること、および、液体中における粒子の拡散のしやすさが、温度が一定であれば液の粘度と粒子径に依存することを利用し、被測定液に粒子径既知の粒子群を拡散させて懸濁液の状態として容器内に収容し、その懸濁液に対して電極対を通じて空間周期的な電界分布を作用させることで粒子群による回折格子を生成させ、その回折格子に対して光を照射して得られる回折光の強度を検出し、電界分布を変化させたときの回折光の経時的変化から、被測定液の粘度を求めるものである。

すなわち、被測定液に対して粒子径が既知の粒子群を混入・拡散させた懸濁液の状態で容器内に収容し、その容器に設けた電極対に電圧を印加することによって容器内部に規則的に並ぶ電界分布を発生させると、粒子に泳動力が作用して粒子群による回折格子が生成される。この粒子群による回折格子は、電極対に対する電圧印加の停止ないしは周波数変調あるいは電圧変調により消滅する。その粒子群による回折格子の生成部位に向けて光を照射し、回折格子により回折した光を検出し、回折格子の消滅過程における回折光強度の時間的変化を計測すると、その時間的変化は、被測定液中での粒子群の拡散に関する情報となる。粒子径は既知であるため、測定時における温度とから、被測定液の粘度を算出することができる。

具体的には、請求項２に係る発明のように、回折光強度の時間的変化から被測定液中での粒子の拡散係数を求め、アインシュタイン・ストークスの式から被測定液の粘度を算出することができる。

以上の構成において、被測定液中での粒子群の泳動による回折格子の生成とその消滅は、極めて狭い領域で生じさせることができ、容器の厚さを数１００μｍ以下程度に設定することにより、μ−ＴＡＳ等で用いられる溝内部と同等の領域における被測定液の粘度を計測することができる。また、微細領域中での被測定液の粘度以外の、通常領域での被測定液の粘度を測定する場合においても、容器厚さを例えば数ｍｍ程度とすることで、粘度計測に要する被測定液量を少なくすることが可能となる。

以上のように、本発明によれば、被測定液中に粒子径が既知の粒子群を拡散させた状態で容器内に収容し、その容器内部に規則的に並ぶ電界を発生させて粒子群による回折格子を生成させるとともに、その回折格子の消滅過程における回折光強度の時間的変化から、被測定液中における粒子の拡散に係る情報を得て、その拡散に係る情報と粒子径とから、被測定液の粘度を算出するので、容器の幅をμ−ＴＡＳをはじめとするＭＥＭＳにおける要素中での流路と同等の狭い領域での粘度を計測することができ、この種の分野における液の挙動の解明に有用であると期待される。

また、狭い領域での粘度に限らず、通常の粘度の計測に際しても、数ｍｍ以下程度の小さな容器を用いて被測定液の粘度を計測することが可能となることから、従来の各種方式に基づく粘度計に比して、被測定液の所要量を大幅に少なくすることができる。

以下、図面を参照しつつ本発明の実施の形態について説明する。
図１は本発明の実施の形態の構成図であり、光学的構成を表す模式図と電気的構成を表すブロック図とを併記して示す図である。また、図２は図１における容器１の模式的断面図と、電極対２１，２２に対する電圧印加のための回路図とを併記して示す図であり、図３は図１における容器１中に設けられている電極対のパターンの例を示す図である。

装置は、粘度の被測定液中に粒子径が既知の粒子群を分散させてなるサンプル懸濁液Ｌが充填される容器１と、その容器１内に設けられている電極対２と、その電極対２に対して電圧を印加する電源３と、容器１に対して光を照射する照射光学系４と、電極対２への電圧の印加により容器内１で生じる粒子群の密度分布による回折格子からの回折光を測定する検出光学系５と、容器１内に前記したサンプル懸濁液Ｌを供給するサンプル輸送部６、容器１内部の温度を計測する温度計測部７、および装置全体を制御するとともに、検出光学系５および温度計測部７からの出力を取り込んでデータ処理を施す制御・データ収集・解析部８を主体として構成されている。

容器１は、図２に示すように、互いに平行で、かつ、透明材料からなる壁体１１，１２を含む全体として直方体形状を有しており、壁体１２の内側の表面に電極対２が形成されている。そして、この例において、容器１は、壁体１１，１２間の間隔が数１００μｍ以下とされており、これらの壁体１１，１２を含めて、容器１の材質は例えば石英ガラスであって、ＭＥＭＳ技術の応用により容易に製作することができる。

電極対２は、図３に例示するように、それぞれが略櫛形をした電極２１，２２からなり、各電極２１，２２はそれぞれ、互いに平行な複数の直線状の電極片２１ａ・・２１ａ，２２ａ・・２２ａと、これらの各電極片２１ａ・・２１ａ，２２ａ・・２２ａを接続する接続部２１ｂ，２２ｂによって構成されている。各電極２１，２２において、各電極片２１ａ・・２１ａ並びに２２ａ・・２２ａは、２本の電極片２１ａ，２１ａまたは２２ａ，２２ａが互いに隣接配置された電極片偏在領域と、電極片が存在しない電極不存在領域を交互に形成した形状とされ、一方の電極の電極片偏在領域の２本の電極片２１ａ，２１ａまたは２２ａ，２２ａが、他方の電極の電極片不存在領域に入り込んだ状態となっている。これにより、全体として電極片２１ａと２２ａが一定の間隔を開けて平行に２本ずつ交互に、かつ、相互に絶縁を保ち配置された状態となっている。なお、各電極片２１ａ，２２ａの幅は１０μｍ程度である。

以上の電極対２には、図２に示すような結線のもとに電極電源３からの電圧が印加され、この電圧の印加により容器１に収容されている懸濁液Ｌ内に電界分布が発生し、その電界分布により、後述するように試料懸濁液Ｌ中の粒子群が泳動し、粒子群の密度分布による回折格子が生成される。電極電源３の出力電圧、換言すれば電極対２に対する印加電圧は、制御・データ収集・解析部８により後述するように制御される。

照射光学系４は、ほぼ単色化された光を概略平行光束に成形した状態で出力し、その出力光は容器１の電極対２の形成面に向けて照射される。照射光学系４の光源としては、レーザやＬＥＤ等の単色光のみを放射するものを好適に用いることができるが、連続波長光源をバンドパスフィルタや分光器などで疑似単色化した光を用いてもよい。
検出光学系５は、照射光学系４からの光のうち、後述する容器１内の粒子群の密度分布による回折格子で回折した例えば１次の回折光が出射される方位に配置される。この検出光学系５は、例えばアパーチャ５ａと光検出器５ｂによって構成されている。この検出光学系５によって、容器１内の粒子群の密度分布による回折格子が作る回折光の強度の変化が時系列に計測される。

以上の構成において、被測定液中に、粒子径が既知の粒子、好ましくは単分散で粒子径が揃っている粒子、粒子径の一例としては１０〜１００ｎｍ程度、を分散させた状態で容器１内に導入した状態で、電極対２を構成する各電極２１，２２間に、電極電源３から交流電圧を印加すると、その電極パターンに応じた電界の分布が容器１内のサンプル懸濁液Ｌ中に形成され、その電界の分布に基づく誘電泳動により、粒子群の高密度領域Ｐが形成される。図２に示す電極パターンにおいては、一方の電極２１の電極片２１ａと他方の電極２２の電極片２２ａとが隣接している部分に、粒子群の高密度領域Ｐが形成される。この粒子群の高密度領域Ｐは、従って、電極片２１ａ，２２ａのピッチの２倍のピッチで互いに平行に形成されることになり、その複数の粒子群の高密度領域Ｐにより回折格子が生成される。このような回折格子の生成状態において、電極対に対する電圧の印加を例えば停止することにより、粒子群は拡散を開始し、サンプル懸濁液Ｌ中の粒子群の空間密度は均一化していき、粒子群の密度分布による回折格子はやがて消滅する。

粒子群の密度分布による回折格子に対して照射光学系４からの光を照射することにより、その光は回折格子によって回折を受け、その回折光の強度は回折格子の消滅過程で次第に弱くなっていく。図４に電極対２に対して印加される電圧波形と、粒子群の密度分布が作る回折格子による回折光の強度の時間的変化の例をグラフで示す。この例では、一定の電圧Ｖ₀ の正弦波様の交流電圧を電極対２に印加し、粒子に誘電泳動を作用させて回折格子を生成させ、その電圧の印加を停止することにより誘電泳動力の作用を停止させた例を示している。

この粒子群の密度分布による回折格子の消滅過程における回折光強度の時間的変化は、被測定液中での粒子の拡散のしやすさに依存する。すなわち、回折光強度の時間ｔに対する変化を計測することにより、粒子群の拡散係数を求めることができる。例えば、１次回折光の時間的変化Ｉ（ｔ）は、拡散係数Ｄと以下の関係がある。
Ｉ（ｔ）∝ｅｘｐ［−２・ｑ² ・Ｄ・ｔ］ ・・・（１）
ここでｑは、粒子の密度分布による回折格子のピッチ（グレーティング周期）をΛとしたとき、
ｑ＝２π／Λ ・・・（２）
である。

一方、液体中の粒子の拡散係数Ｄは、液体の粘度をη、粒子の粒子径をｄ、絶対温度をＴとすると、ボルツマン定数ｋを用いて下記のアインシュタイン・ストークスの式が成り立つことが知られていてる。
Ｄ＝ｋＴ／３πηｄ ・・・（４）

制御・データ収集・解析部８では、検出光学系５の出力に基づく１次回折光の時間的変化Ｉ（ｔ）から、（１）式を用いてサンプル懸濁液中の粒子の拡散係数Ｄを算出するとともに、その拡散係数Ｄと、温度計測部７からの温度検出値Ｔ、および、既知の粒子径ｄを用いて、被測定液の粘度ηを算出する。

ここで、容器１は前記したように壁体１１，１２間の間隔が数１００μｍ以下と狭小であり、従って、以上の計算により求められる粘度ηは、狭小領域における被測定液の粘度を表す値となる。現実に、容器１の壁体１１，１２間の間隔を十分に広くした場合、拡散係数はその間隔を変化させても一定の値をとるが、その間隔を上記のように数１００μｍ以下と狭くすると拡散係数は小さくなる。これは、液体が狭小領域においては、広い領域での粘度と異なる値をとることにほかならず、μ−ＴＡＳ等における液体の挙動を確かめることが可能となった。

なの、以上の実施の形態においては、容器１を狭小なものとして、狭小領域における被測定液の粘度を算出したが、本発明の粘度計は、このような狭小領域における粘度のみならず、容器１の壁体１１，１２間の間隔を十分に広くして、上記と同様の測定を行うこともできる。この場合において、例えば壁体１１，１２間の間隔を数ｍｍ程度とすることにより、従来の既存の各種粘度計に比して、測定のためのサンプルの所要量を大幅に少なくすることができる。

また、以上の実施の形態においては、電極対２に対して交流電圧を印加して粒子に誘電泳動力を生じさせて粒子の密度分布による回折格子を生成させた後、その印加を停止することによって粒子を拡散させたが、誘電泳動力が生じやすい周波数の交流電圧を印加して回折格子を生成した後、誘電泳動力が生じにくい周波数に変調してもよく、また、交流電圧の振幅を変化させてもよい。なお、交流電圧の波形は正弦波様やパルス様など、任意である。誘電泳動により電解密度の高い電極対２の近傍へ粒子が移動する正の力が働く場合と、粒子が電極から遠ざかる負の力が働く場合があるが、いずれでもよい。更に、電極対２に対して直流電圧を印加し、粒子に電気泳動力を作用させて捕集してもよい。

また、以上の実施の形態においては、電極対２として、電極２１と２２の電極片２１ａ，２２ａを２本ずつ交互に配置した。これにより、電極片２１ａ，２２ａが作る回折格子と粒子群の密度分布による回折格子のグレーティング周期を異なるものとし、粒子群の密度分布による回折格子からのｍ＋１次の回折光が電極片２１ａ，２２ａによる回折光とは異なる方位に現れ、これにより、粒子群の密度分布による回折格子からの回折光のみを検出することが可能となる。しかしながら、本発明はこれに限定されることなく、電極片２１ａと２２ａを１本ずつ交互に配置した電極構成を採用することもでき、この場合、回折光は粒子群の密度分布による回折格子からの回折光と電極片２１ａ，２２ａからの回折光とを同時に検出することになるが、回折光の時間的変化は粒子群の密度分布による回折光のみに生じるため、その変化を抽出することにより、上記と同等の作用効果を奏することができる。電極片２１ａ，２２ａの幅は１０μｍに限定されているものではなく、１μｍ〜１０μｍ程度でもよい。粒子の密度分布による回折格子のピッチ（グレーティング周期）Λも１μｍ〜１００μｍ程度でもよい。

更にまた、以上の実施の形態においては、被測定液に粒子群を分散させたサンプル懸濁液Ｌを容器１に対して導入するためのサンプル液輸送部６を設けたが、装置外で容器１に対してサンプル懸濁液を充填し、その容器１を装置内の規定部位に位置決めするように構成し得ることは言うまでもない。

本発明の実施の形態の構成図であり、光学的構成を表す模式図と電気的構成を表すブロック図とを併記して示す図である。 図１における容器１の模式的断面図と、電極対２１，２２に対する電圧印加のための回路図とを併記して示す図である。 図１における容器１中に設けられている電極対のパターンの例を示す図である。 本発明の実施の形態の電極対２に対して印加される電圧波形と、粒子群の密度分布が作る回折格子による回折光強度の時間的変化の例を示すグラフである。

符号の説明

１ 容器
２ 電極対
２１，２２ 電極
２１ａ，２２ａ 電極片
２１ｂ，２２ｂ 接続部
３ 電極電源
４ 照射光学系
５ 検出光学系
６ サンプル液輸送部
７ 温度計測部
８ 制御・データ収集・解析部
Ｐ 粒子の高密度領域

Claims (2)

1. 被測定液中に粒子径が既知の粒子群を拡散させてなる懸濁液を保持する容器と、直流，周波数変調、電圧変調を含む所定のパターンもしくは任意に設定できるパターンの電圧を発生する電源と、上記容器に設けられ、上記電源からの電圧を印加することにより容器内に規則的に並ぶ電界分布を発生させる電極対と、その電極対への電源からの電圧の印加の制御により、上記容器内の懸濁液中の粒子に作用する泳動力により生じる粒子群の密度分布に起因する回折格子の生成と、その消滅を制御する制御手段と、容器内の上記回折格子の生成部位に向けて光を照射する光源と、その光の上記回折格子による回折光を検出する光検出器と、その光検出器により検出される回折光強度の時間的変化から上記粒子群の拡散の速度に係る情報を求めるとともに、その結果と上記粒子群の粒子径とから、被測定液の粘度を求める解析・演算手段を備えていることを特徴とする粒子を用いた粘度測定装置。
2. 上記粒子群の拡散に係る情報が拡散係数であり、上記解析・演算手段は、その拡散係数と上記粒子群の粒子径を用いてアインシュタイン・ストークスの式から被測定液の粘度を算出することを特徴とする請求項１に記載の粒子を用いた粘度測定装置。

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