JP5712946B2

JP5712946B2 - 粒度分布測定装置

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Publication number: JP5712946B2
Application number: JP2012022805A
Authority: JP
Inventors: 治夫島岡
Original assignee: Shimadzu Corp
Current assignee: Shimadzu Corp
Priority date: 2012-02-06
Filing date: 2012-02-06
Publication date: 2015-05-07
Anticipated expiration: 2032-02-06
Also published as: JP2013160633A

Description

本発明は、試料セルを用いた粒度分布測定装置に関し、特に、高濃度で粒子群を含有する少量の試料における粒子群の粒度分布を測定するレーザ回折式粒度分布測定装置に関する。

レーザ回折式粒度分布測定装置においては、媒体中に分散状態の粒子群にレーザ光（測定光）を照射することにより、粒子群で回折・散乱されたレーザ光の空間的な強度分布を光検出素子で検出して、その測定結果からフラウンホーファ回折理論やミーの散乱理論に基づく演算を行うことによって、粒子群の粒度分布を算出する。このようなフラウンホーファの回折理論やミーの散乱理論に基づく演算方法は、レーザ光が粒子で１度だけ散乱されるものとして考えられたものである。よって、媒体中の粒子群の濃度が適正濃度範囲であれば、粒子群の粒度分布を精度よく算出することができる。

しかし、媒体中の粒子群の濃度が高すぎる場合、照射されたレーザ光は、ある粒子によって散乱されて散乱光となり、さらに別の粒子で散乱される多重散乱が発生するので、算出された粒子群の粒度分布と実際の粒子群の粒度分布との誤差が大きくなってしまう。
よって、ペーストやスラリー等の高濃度で粒子群を含有するサンプル（試料）における粒子群の粒度分布を測定する場合、多重散乱光の発生を低減するために、レーザ光の光軸方向のサンプルの厚さを薄くする必要がある。

ここで、レーザ回折式粒度分布測定装置の一例について説明する。図５は、従来の粒度分布測定装置を示す概略構成図である。また、図４は、試料セルの一例を示す概略構成図である。なお、図５では、地面に水平な一方向をＸ方向とし、地面に水平でＸ方向と垂直な方向をＹ方向とし、Ｘ方向とＹ方向とに垂直な上方向をＺ方向とする。
粒度分布測定装置１０９は、サンプル（試料）Ｓが収容される試料セル５と、レーザ光通過孔１３０ａを有する設置台（試料セル配置部）１３０と、レーザ光源１とコリメータ２と透明カバー３とを有する照射光学系１１０と、集光レンズ６とリングディテクタ（前方回折／散乱光センサ）７とを有する測定光学系１２０と、粒度分布測定装置１０９全体を制御する制御部１４０とを備える（例えば、特許文献１参照）。

粒度分布測定装置１０９の下部には、照射光学系１１０として、下から順にレーザ光源１とコリメータ２と透明カバー３とが配置されている。
そして、粒度分布測定装置１０９の上下方向の中央部には、設置台１３０が配置されており、設置台１３０上に試料セル５が載置される。
このような照射光学系１１０の構成において、レーザ光源１で発生されたレーザ光は、コリメータ２を通過して平行光とされ、上方向（Ｚ方向）に向かうように試料セル５に照射される。なお、平行光は、光軸に垂直な断面積が約１ｃｍ^２であり、円形状となる。これにより、レーザ光は、試料セル５内の粒子群で回折・散乱して、空間的に回折・散乱光の強度分布パターンが生ずることになる。

粒度分布測定装置１０９の上部には、測定光学系１２０として、下から順に集光レンズ６とリングディテクタ７とが配置されている。リングディテクタ７は、互いに異なる半径を持つリング状ないしは半リング状の受光面を持つ複数（例えば、６４個）の光検出素子を、集光レンズ６の光軸を中心とするように同心円状に配置してあり、各光検出素子には、それぞれの位置に応じた回折・散乱角度を持つ光が入射するようにしてある。したがって、各光検出素子の出力信号は、各回折・散乱角度ごとの光の強度を表すことになる。
このような測定光学系１２０の構成において、上方向に対して６０°以内の回折・散乱光は、集光レンズ６を介してリングディテクタ７の受光面上に集光されて、リング状の回折・散乱像を結ぶようになる。

試料セル５は、平板形状（厚さｔ、横Ｙ、縦Ｘ）の透明なガラスプレート（第一基板）１１と、平板形状（厚さｔ、横Ｙ、縦Ｘ）の透明なガラスプレート（第二基板）１３とを備える。ガラスプレート１１の上面の中央部には、サンプルＳが収容されるための凹部（測定用凹部）１２が形成されている。凹部１２は平面視で断面積が約１ｃｍ^２である円形状であり、凹部１２の深さは設定距離Δｔ（例えば、０．１ｍｍ以上０．５ｍｍ以下）となっている。

ガラスプレート１３の下面は、ガラスプレート１１の上面と当接するように配置されることにより、ガラスプレート１３の下面と凹部１２の底面との間の距離が設定距離Δｔとなる。よって、このような試料セル５によれば、凹部１２にサンプルＳを収容すれば、レーザ光の光軸に対し、サンプルＳの厚さを所定の薄さΔｔとすることができ、その結果、多重散乱光の発生を抑制することができる。

特開平９−７２８４１号公報

上述したような粒度分布測定装置１０９では、高濃度で粒子群を含有する少量のサンプルＳにおける粒子群の粒度分布を測定することができるので、バイオ医薬品等のタンパク質等は少量かつ高濃度なサンプルＳであることが多いため、粒度分布測定装置１０９を用いてタンパク質の分散・凝集特性を測定することが考えられる。ところが、タンパク質の分散・凝集特性は温度によって異なり、種々の設定温度（例えば４℃やヒトの体温等）で評価される必要がある。しかしながら、粒度分布測定装置１０９では、設置台１３０に温度調整部材（ペルチェ素子を有する金属板）を取り付けても、レーザ光や回折・散乱光が通過する光路（凹部１２）の断面積が大きく凹部１２からの熱の放射が大きくなるため、タンパク質等のサンプルＳが設定温度を維持できず、タンパク質の分散・凝集特性を正確に評価することができないという問題点が生じた。

また、上述したような粒度分布測定装置１０９では、高濃度で粒子群を含有する少量のサンプルＳを測定するため、試料セル５の凹部１２内に攪拌機構を取り付けることは不可能である。よって、タンパク質等のサンプルＳは粘性を有するため、対流もほとんど生じないので、サンプルＳ全体の温度が均一でなくサンプルＳの位置によって温度が異なるという問題点も生じた。
そこで、本発明は、所望の温度で試料に含まれる被測定粒子群の粒度分布を算出することができる粒度分布測定装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決するためになされた本発明の粒度分布測定装置は、測定光を出射する光源と、光強度分布を検出する検出器と、被測定粒子群を含む試料が収容された試料セルを光源と検出器との間の光路上に配置する試料セル配置部と、前記光源からの測定光を試料に照射することにより発生する光強度分布を検出器で検出して取得する光強度分布取得部と、前記光強度分布取得部で取得された光強度分布を用いて、前記試料に含まれる被測定粒子群の粒度分布を算出する粒度分布算出部とを備える粒度分布測定装置であって、前記試料セルの温度を調整する温度調整部材を備え、前記温度調整部材は、前記試料セルの周囲で光路上となる第一位置と、当該光路上でない第二位置とに移動可能となっており、前記光源からの測定光を試料に照射する際には、前記温度調整部材を第二位置に移動させるようにしている。

本発明の粒度分布測定装置によれば、光源からの測定光を試料に照射しないときには、所望の設定温度の温度調整部材が第一位置に配置されているため、所望の設定温度に試料を維持することができる。そして、光源からの測定光を試料に照射する際には、ヒトが手動で若しくは制御部が自動で温度調整部材を、光路上でない第二位置に移動させる。これにより、所望の設定温度で試料に含まれる被測定粒子群の粒度分布を算出することができる。なお、光源からの測定光を試料に照射する際には、温度調整部材を第二位置に移動させるが、測定時間（例えば数秒間）は短いため問題とならない。

（その他の課題を解決するための手段及び効果）
また、本発明の粒度分布測定装置は、前記光強度分布取得部が、前記温度調整部材を第二位置に移動させることを実行するようにしてもよい。
本発明の粒度分布測定装置によれば、測定光を試料に照射する際には、自動的に光強度分布取得部が温度調整部材を第二位置に移動させることになる。

そして、本発明の粒度分布測定装置は、前記試料セルは、平板形状の透明な第一基板と、平板形状の透明な第二基板とを備え、前記第一基板の上面には、前記試料が収容されるための測定用凹部が形成されており、前記第二基板の下面は、前記第一基板の上面と当接するように配置されることにより、前記第二基板の下面と測定用凹部の底面との間の距離が設定距離となるようにしてもよい。
ここで、「設定距離」とは、試料セルの設計者等によって測定する試料を考慮して予め決められた任意の距離であり、例えば、０．１ｍｍ以上０．５ｍｍ以下等となる。なお、設定距離は、試料に含まれる粒子の最大粒子直径と略同一であるか、あるいは、最大粒子直径の数倍（２倍〜３倍）程度であることが好ましい。

さらに、本発明の粒度分布測定装置は、前記温度調整部材は、温度が調整可能な平板形状基板を備え、前記平板形状基板は、前記第一基板又は前記第二基板と当接するように配置される第一位置と、前記第一基板又は前記第二基板と当接しないように配置される第二位置とに移動可能となっているようにしてもよい。

本発明に係る粒度分布測定装置の一例を示す概略構成図。図１に示す試料セル配置部の正面図。図１に示す試料セル配置部の斜視図。試料セルの一例を示す概略構成図。従来の粒度分布測定装置を示す概略構成図。

以下、本発明の実施形態について図面を用いて説明する。なお、本発明は、以下に説明するような実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々の態様が含まれる。

図１は、本発明に係る粒度分布測定装置の一例を示す概略構成図である。また、図２は、図１に示す試料セル配置部の正面図であり、図３は、図１に示す試料セル配置部の一部の斜視図である。なお、図１では、地面に水平な一方向である右方向をＺ方向とし、地面に水平でＺ方向と垂直な方向をＹ方向とし、Ｚ方向とＹ方向とに垂直な上方向をＸ方向とする。また、上述した粒度分布測定装置１０９と同様のものについては、同じ符号を付している。
粒度分布測定装置９は、サンプル（試料）Ｓが収容される試料セル５と、試料セル５を配置するための試料セル配置部３０と、レーザ光源１とコリメータ２と透明カバー３とを有する照射光学系１０と、集光レンズ６とリングディテクタ（前方回折／散乱光センサ）７とを有する測定光学系２０と、粒度分布測定装置９全体を制御する制御部４０とを備える。

粒度分布測定装置９の左部には、照射光学系１０として、左から順にレーザ光源１とコリメータ２と透明カバー３とが配置されている。このような照射光学系１０の構成において、レーザ光源１で発生されたレーザ光は、コリメータ２を通過して平行光とされ、右方向（Ｚ方向）へ向かうように試料セル５に照射される。なお、平行光は、光軸に垂直な断面積が約１ｃｍ^２であり、円形状となる。

粒度分布測定装置９の右部には、測定光学系２０として、左から順に集光レンズ６とリングディテクタ７とが配置されている。リングディテクタ７は、互いに異なる半径を持つリング状ないしは半リング状の受光面を持つ複数（例えば、６４個）の光検出素子を、光軸を中心とするように同心円状に配置してあり、各光検出素子には、それぞれの位置に応じた回折・散乱角度を持つ光が入射するようにしてある。したがって、各光検出素子の出力信号は、各回折・散乱角度ごとの光の強度を表すことになる。このような測定光学系２０の構成において、光軸から６０°以内の回折・散乱光は、集光レンズ６を介してリングディテクタ７の受光面上に集光されて、リング状の回折・散乱像を結ぶようになる。

粒度分布測定装置９の左右方向の中央部には、試料セル配置部３０が配置されている。試料セル配置部３０は、上面に凹部３３ａが形成された取付部材３３と、試料セル５の温度を調整する温度調整部材３１、３２とを備える。
取付部材３３の凹部３３ａには、試料セル５の下端部が挿入されるようになっている。これにより、試料セル５の凹部１２が、レーザ光源１とリングディテクタ７との間の光路上に配置される。

温度調整部材３１、３２は、平板形状（横Ｙ＋β、縦Ｘ＋α）の前面プレート３１と、平板形状（横Ｙ＋β、縦Ｘ＋α）の後面プレート３２とを備える。前面プレート３１は、取付部材３３の凹部３３ａに挿入された試料セル５のガラスプレート（第二基板）１３の前面（左）側と接触するように、取付部材３３の上面に立設されるとともに、後面プレート３２は、取付部材３３の凹部３３ａに挿入された試料セル５のガラスプレート（第一基板）１１の後面（右）側と接触するように、取付部材３３の上面に立設されている。

前面プレート３１は、平板形状の上部固定ジャケット部分３１ｂと、第一位置と第二位置とに移動可能になっている平板形状（横Ｙ＋β、縦Ｘ_１）の中部シャッタ部分（平板形状基板）３１ａと、平板形状の下部固定ジャケット部分３１ｃとを有する。第一位置は、レーザ光源１とリングディテクタ７との間の光路上となる位置となり、第二位置は、レーザ光源１とリングディテクタ７との間の光路上でない位置となり、中部シャッタ部分３１ａは第一位置と第二位置とに制御部４０からの制御信号によってＹ方向にスライドするようになっている。
また、中部シャッタ部分３１ａや上部固定ジャケット部分３１ｂや下部固定ジャケット部分３１ｃは、制御部４０からの制御信号によって温度が所望の温度に調整可能となっており、例えば、ペルチェ素子、各種ヒータ、配管接続された循環恒温槽等を有する金属板等である。

後面プレート３２は、平板形状の上部固定ジャケット部分３２ｂと、第一位置と第二位置とに移動可能になっている平板形状（横Ｙ＋β、縦Ｘ_２）の中部シャッタ部分（平板形状基板）３２ａと、平板形状の下部固定ジャケット部分３２ｃとを有する。第一位置は、レーザ光源１とリングディテクタ７との間の光路上となる位置となり、第二位置は、レーザ光源１とリングディテクタ７との間の光路上でない位置となり、中部シャッタ部分３２ａは第一位置と第二位置とに制御部４０からの制御信号によってＹ方向にスライドするようになっている。なお、試料セル５の凹部１２からは回折・散乱光が出射されるため、中部シャッタ部分３２ａの縦Ｘ_２は、中部シャッタ部分３１ａの縦Ｘ_１より大きくなっている。
また、中部シャッタ部分３２ａや上部固定ジャケット部分３２ｂや下部固定ジャケット部分３２ｃは、制御部４０からの制御信号によって温度が所望の温度に調整可能となっており、例えば、ペルチェ素子、各種ヒータ、配管接続された循環恒温槽等を有する金属板等である。

制御部４０は、ＣＰＵ４１を備え、さらにモニタ画面等を有する表示装置４３と、キーボードやマウス等を有する入力装置４２とが連結されている。また、ＣＰＵ４１が処理する機能をブロック化して説明すると、光強度分布をリングディテクタ７で検出して取得する光強度分布取得部４１ａと、被測定粒子群の粒度分布を算出する粒度分布算出部４１ｂとを有する。

光強度分布取得部４１ａは、温度調整部材３１、３２の中部シャッタ部分３１ａ、３２ａを第二位置に移動させた直後に、レーザ光源１からのレーザ光をサンプルＳに照射することにより発生する光強度分布をリングディテクタ７で検出して取得する制御を行う。
例えば、まず、温度調整部材３１の中部シャッタ部分３１ａを第一位置に配置させるとともに温度調整部材３２の中部シャッタ部分３２ａを第一位置に配置させておく。次に、入力装置４２を用いて設定温度が入力されることにより、中部シャッタ部分３１ａと上部固定ジャケット部分３１ｂと下部固定ジャケット部分３１ｃとの温度を設定温度にするとともに、中部シャッタ部分３２ａと上部固定ジャケット部分３２ｂと下部固定ジャケット部分３２ｃとの温度を設定温度にする。次に、試料セル５の下端部が挿入される。そして、サンプルＳが所望の設定温度になれば、温度調整部材３１の中部シャッタ部分３１ａを第二位置にスライドさせるとともに、温度調整部材３２の中部シャッタ部分３２ａを第二位置にスライドさせた直後に、レーザ光源１からのレーザ光をサンプルＳに照射する。これにより、光強度分布をリングディテクタ７で検出して取得する。

粒度分布算出部４１ｂは、光強度分布取得部４１ａで取得された光強度分布を用いて、被測定粒子群の粒度分布を算出する制御を行う。
以上のように、粒度分布測定装置９によれば、所望の設定温度でサンプルＳに含まれる被測定粒子群の粒度分布を算出することができる。

＜他の実施形態＞
（１）上述した粒度分布測定装置９では、試料セル５の前後側に温度調整部材３１、３２が設けられる構成を示したが、試料セル５の片側のみに温度調整部材が設けられるような構成としてもよい。

（２）上述した粒度分布測定装置９では、前面プレート３１や後面プレート３２は、上部固定ジャケット部分と中部シャッタ部分と下部固定ジャケット部分とを有する構成を示したが、上部固定ジャケット部分と中部シャッタ部分と下部固定ジャケット部分とを一体化させて全ての部分を移動させるような構成としてもよい。
（３）上述した粒度分布測定装置９では、光強度分布取得部４１ａは、温度調整部材３１、３２の中部シャッタ部分３１ａ、３２ａを第二位置に移動させる構成を示したが、ヒトが手動で温度調整部材３１、３２の中部シャッタ部分３１ａ、３２ａを第二位置に移動させるような構成としてもよい。

本発明は、試料における粒子群の粒度分布を測定するレーザ回折式粒度分布測定装置等に利用することができる。

１：レーザ光源
５：試料セル
７：リングディテクタ（検出器）
９：レーザ回折式粒度分布測定装置
３０：試料セル配置部
３１、３２：温度調整部材
４１ａ：光強度分布取得部
４１ｂ：粒度分布算出部

Claims

測定光を出射する光源と、
光強度分布を検出する検出器と、
被測定粒子群を含む試料が収容された試料セルを光源と検出器との間の光路上に配置する試料セル配置部と、
前記光源からの測定光を試料に照射することにより発生する光強度分布を検出器で検出して取得する光強度分布取得部と、
前記光強度分布取得部で取得された光強度分布を用いて、前記試料に含まれる被測定粒子群の粒度分布を算出する粒度分布算出部とを備える粒度分布測定装置であって、
前記試料セルの温度を調整する温度調整部材を備え、
前記温度調整部材は、前記試料セルの周囲で光路上となる第一位置と、当該光路上でない第二位置とに移動可能となっており、
前記光源からの測定光を試料に照射する際には、前記温度調整部材を第二位置に移動させることを特徴とする粒度分布測定装置。
前記光強度分布取得部が、前記温度調整部材を第二位置に移動させることを実行することを特徴とする請求項１に記載の粒度分布測定装置。
前記試料セルは、平板形状の透明な第一基板と、平板形状の透明な第二基板とを備え、
前記第一基板の上面には、前記試料が収容されるための測定用凹部が形成されており、
前記第二基板の下面は、前記第一基板の上面と当接するように配置されることにより、前記第二基板の下面と測定用凹部の底面との間の距離が設定距離となることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の粒度分布測定装置。
前記温度調整部材は、温度が調整可能な平板形状基板を備え、
前記平板形状基板は、前記第一基板又は前記第二基板と当接するように配置される第一位置と、前記第一基板又は前記第二基板と当接しないように配置される第二位置とに移動可能となっていることを特徴とする請求項３に記載の粒度分布測定装置。