JP5805989B2 - 電気泳動移動度測定用セル並びにそれを用いた測定装置及び測定方法 - Google Patents
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Description
この測定装置によれば、透明壁を有するセル型試験容器(以下、単に「試料セル容器」と称する)に、粒子の分散体を懸濁させた液体(試料溶液)を収容し、試料溶液に光を当てて、試料セル容器のある領域から出る散乱光を受光器で検出し、その周波数成分を解析することにより粒子の速度を算定し、粒子速度分布又はそれらの粒子の電気泳動移動度の分布を算定する。
また、主にバイオ関連分野や医薬関連分野におけるサンプルは、ガラスセルへのサンプル吸着や汚れの付着があるため、測定が終われば捨てる、という使い捨て(ディスポーザブル)セルが導入されている。
またセルと電極とは別々の部品として製造されており、組み立てに手間がかかる。しかも電極は取り外し繰返し使用するため、測定終了後もセルを分解し、電極を回収しなければならない。
試料注入部と第一のキャップの間にねじを形成してもよく、この場合、嵌合の力を強くすることができるとともに、サンプル注入時の気泡の発生を抑えることができる。
試料注出部と第二のキャップとの間にねじを形成してもよい。
本発明の電気泳動移動度測定方法は、前記内部空間の壁からの距離を変えながら、ヘテロダインスペクトルの中心周波数の軌跡(プロファイル)を測定し、その軌跡を放物線で近似し、前記内部空間内で電気浸透流の速度が0となる静止面を特定し、その静止面における粒子の、印加された電場に基づく真の移動速度を求める方法である。
図1は、本発明により電気泳動移動度を測定するための電気泳動移動度測定装置の平面図を示す。該測定装置は、透明な試料セル容器Cと、試料セル容器Cに電場を印加する直流電源32と、試料セル容器Cの内部に形成された直方体状の内部空間(チャンバ)11に閉じ込められた、試料粒子が分散された試料溶液に光を照射するための発光源1と、試料溶液の照射点から発せられる散乱光を検出するための受光器6と、発光源1から照射される光のうち分岐された光に基づいてドップラー偏移を与えるための変調器7と、試料セル容器Cをx−y平面(水平面)内の任意の方向及びそれに垂直なz方向に移動させるための可動ステージ9とを備えている。
ミラー7には、ミラー7を振動させることで参照光に変調をかける振動素子が取り付けられている。この振動素子の振動によって、当該ミラー7は、所定の振幅、周波数で正弦振動するものとする。振動素子は例えば圧電振動子(PZT)によって構成することができる。
このヘテロダインスペクトルの波形(ピーク周波数、半値幅など)を観測することにより、試料粒子の電気泳動移動度を算出することができる。
この図3、図4のグラフの横軸の周波数は、試料粒子の見掛けの泳動速度に相当する。見掛けの泳動速度は、電場に基づく試料粒子の真の移動速度と電気浸透流の速度との和であり、電気浸透流の速度は、後述するように測定点のz座標に応じて異なる。そこで、z座標に応じて異なる電気浸透流の速度プロファイルを解析することにより、電気浸透流の速度が0になる静止面を特定し、この静止面上における試料粒子の真の移動速度を求めることができる。
見掛けの泳動速度は、電場に基づく試料粒子の真の移動速度と電気浸透流の速度との和であるので、次の(1)式が成り立つ。
Uobs(z) = Up + Uosm(z)・・・(1)
z : 内部空間中心からの距離
Uobs(z) :位置zにおいて測定される見掛けの泳動速度
Up : 粒子の真の移動速度
Uosm(z) :位置(z)における電気浸透流の速度
直方体型の内部空間において、見掛けの泳動速度Uobs(z)は、次のようにzについての二次式(2)で近似することができる。
ここで係数Aは
A = 1/ [ (2/3) - (0.420166/k) ]・・・(3)
で表され、kは泳動方向に垂直な内部空間の断面の各辺の長さa,bの比k= a/b (a>b)である。U0 は上下壁面での溶液の流速の平均値、ΔU0 はセル上下壁面での溶液の流速の差である。
図3、図4は実際に測定したヘテロダインスペクトル群をプロットしたグラフである。縦軸は、内部空間の上壁のz座標を“1”、下壁のz座標を“−1”とし、内部空間の上壁と下壁の中間位置のz座標を“0”として表している。横軸はヘテロダインスペクトルの周波数であり、試料セル容器Cに電場をかけない状態で測定したヘテロダインスペクトルの中心周波数を0[Hz]としている。
図4の場合、試料溶液は100mM(ミリモル)の塩化ナトリウム水溶液に直径262nm(濃度0.001%)のポリスチレンラテックスを混合したものである。測定条件は、溶液の屈折率:1.3328、溶液の粘度:0.8878、溶液の誘電率:78.3である。
このような軌跡に対して、最小自乗法で放物線に近似し、前記(2)式の係数と比較した。その結果、図3の場合はz=0.6017の面とz=-0.6936の面が静止面になる。この静止面上の試料粒子の移動速度を求め、その移動速度に基づいて電気移動度を求めると-5.643×10-4[cm2/Vs]が求まり、粒子のζ電位は-72.36mVとなった。
このようにして、内部空間が直方体状であることを前提にして、壁からの距離を変えながら、ヘテロダインスペクトルの中心周波数の軌跡(プロファイル)を測定し、それを放物線で近似し、前記(2)式を用いて電気浸透流の速度が0となる静止面を特定し、その静止面における粒子の、印加された電場に基づく真の移動速度を求めることができる。また、可動ステージ9の自動ステージ移動機能により、電気浸透流測定から静止面を求め正確な電気泳動移動度の測定を実現することができる。
試料セル容器Cは直方体の透明な樹脂で成形されている。透明な樹脂として、例えばポリスチレンが採用できる。この直方体(試料セル容器本体10という)の内部には試料溶液を充填するための密閉空間(内部空間)11が形成されている。内部空間11の形も、試料セル容器本体10の外面形状と同様、直方体である。図5(a)に示した試料セル容器本体10のy方向に垂直な側面12及び内部空間11のy方向に垂直な側面13は、レーザー光線が入出射する面であり、これらの面は特に入念に鏡面仕上げされている。試料セル容器本体10のx方向両端部には、電場を発生するため、試料セル容器本体10に埋め込まれこれと一体になった1対の埋込電極14が、内部空間11の中で露出した状態で配置されている。各埋込電極14は、金でメッキされた銅や真鍮で出来ており、正面断面図である図5(b)から明らかなように、断面がU字状となって、試料セル容器本体10内に埋め込まれている。
そして内部空間11に試料溶液を充填した後、注入部17から試料溶液の漏れを防止するため、蓋をして内部空間を密閉するキャップ21が設けられ、注出部18から試料溶液の漏れを防止するため、蓋をして内部空間を密閉するキャップ22が設けられている。なお、注入部17、注出部18の形状が同一の場合、キャップ21,22の形状も同一となる。同一の形状とした場合、キャップを注入用、注出用に分けて管理する必要がなくなり、便利である。
図6は、注入部17に蓋をするキャップ21の形状を示す斜視図である。キャップ21は、ポリテトラフルオロエチレンなどの樹脂で形成されており、手で持つためのつまみ部21aと、注入部17の円筒管の内側面17a又は注出部18の円筒管の内側面18aに接触する側面部21bと、底面部21cとから構成されている。キャップ21の中心線に垂直に切った側面部21bの仮想断面を“S”で示す。断面Sの面積が、つまみ部21aから底面部21cに向かう挿入方向に沿って、だんだん狭くなるように形成されている。一方、注入部17の内側面17aは、注入口15から離れるに従って断面積が広がるように形成されている。
試料セル容器Cの使用方法を、図7を用いて説明する。キャップ21,22を外した状態で、注入部17から試料溶液を、マイクロピペット23を用いて所定量注入する。所定量はマイクロピペット23に目盛られており、その所定量を注入することにより、内部空間11に試料溶液が充填され、かつ注入部17及び注出部18の円筒管内の一部にも試料溶液が満たされた状態になる。
もし、キャップ21の側面部21bにテーパが付かない場合、すなわちキャップ21の側面部21bの断面Sの面積をつまみ部21aから底面部21cに向かって一様に形成し、注入部17の円筒管の内側面17aも断面積を一様に形成した場合、注入部17にキャップ21を押し込んでいくと、キャップ21の底面部21cと試料溶液の水面との間に空気が溜まる。また、注入部18にキャップ22を押し込んでいく場合も同様である。たまった空気は、内部空間11の試料溶液の圧力上昇とともに、試料溶液の中に取り込まれ、気泡ができやすくなる。いったん気泡ができると、気泡は内部空間11の内壁面に付着して取ることが困難になる。
2,5 ハーフミラー
3,7 ミラー
4 レンズ
6 受光器
8 ミラー(振動)
9 可動ステージ
10 試料セル容器本体
11 内部空間
14,14a 埋込電極
15 注入口
16 注出口
17 注入部
17a,18a 内側面
18 注出部
21,22 キャップ
21b,22b 側面部
23 マイクロピペット
31 スペクトルアナライザ
32 直流電源
Claims (13)
- 試料溶液を導入するための直方体状の内部空間を有する容器と、前記容器の内部に形成され前記内部空間に電場をかけるための少なくとも2つの電極と、前記内部空間に連通した管状の試料注入部と、前記内部空間に連通した管状の試料注出部と、前記試料注入部に蓋をして前記内部空間を密閉するための第一のキャップと、前記試料注出部に蓋をして前記内部空間を密閉するための第二のキャップとを有し、
前記少なくとも2つの電極は、断面U字状又は断面S字状をしており、
前記第一のキャップは、前記第一のキャップの装着時に前記管状の試料注入部の内側面に接触する第一側面を有し、
前記管状の試料注入部の内側面は、前記内部空間から離れるに従って管の断面積が広がるように形成され、前記第一側面は、その断面の面積が前記第一のキャップの挿入方向に沿って徐々に狭くなっていることを特徴とする電気泳動移動度測定用セル。 - 前記電極は、前記容器に一体化して形成されている請求項1記載の電気泳動移動度測定用セル。
- 前記管状の試料注入部の内側面は、側断面視して、前記管の中心線に対して一定の傾斜角度を形成し、前記第一のキャップの前記第一側面は、側断面視して、前記第一のキャップの中心線に対して前記傾斜角度を形成している、請求項1又は請求項2記載の電気泳動移動度測定用セル。
- 前記管状の試料注出部の内側面は、前記内部空間から離れるに従って管の断面積が広がるように形成され、
前記第二のキャップは、前記管状の試料注出部の内側面に接触する第二側面を有し、前記第二側面は、その断面の面積が前記第二のキャップの挿入方向に徐々に狭くなっている、請求項1〜請求項3のいずれかに記載の電気泳動移動度測定用セル。 - 前記管状の試料注出部の内側面は、側断面視して、前記管の中心線に対して一定の傾斜角度を形成し、前記第二のキャップの第二側面は、側断面視して、前記第二のキャップの中心線に対して前記傾斜角度を形成している、請求項4記載の電気泳動移動度測定用セル。
- 前記管状の試料注入部の内側面には雌ねじが形成され、前記第一のキャップの第一側面にはこれに嵌合する雄ねじが形成されている、請求項1〜請求項5のいずれか1項に記載の電気泳動移動度測定用セル。
- 前記管状の試料注出部の内側面には雌ねじが形成され、前記第二のキャップの第二側面にはこれに勘合する雄ねじが形成されている、請求項4又は請求項5に記載の電気泳動移動度測定用セル。
- 請求項1〜請求項7のいずれか1項に記載の電気泳動移動度測定用セルを用意し、
前記内部空間の壁からの距離を変えながら、ヘテロダインスペクトルの中心周波数の軌跡(プロファイル)を測定し、
その軌跡を放物線で近似し、
前記内部空間内で電気浸透流の速度が0となる静止面を特定し、
その静止面における粒子の、印加された電場に基づく真の移動速度を求める、電気泳動移動度測定方法。 - 前記電気泳動移動度測定用セルを、可動ステージに載置し、その自動ステージ移動機能により、電気浸透流測定から静止面を求め正確な電気泳動移動度の測定を実現する、請求項8記載の電気泳動移動度測定方法。
- 試料溶液中の粒子の電気泳動移動度を測定する装置であって、
請求項1〜請求項7のいずれか1項に記載の電気泳動移動度測定用セルと、前記電気泳動移動度測定用セルの電極に電場を印加する電場印加手段と、光源と、該光源からの光を分割する光路分割手段と、前記光路分割手段によって分割された一方の光を試料溶液に集光する集光手段と、集光位置を移動するための自動ステージ移動手段と、前記光路分割手段によって分割された他方の光に対して位相を変調する位相変調手段と、位相変調された参照光と、試料溶液から出射された散乱光との干渉光を受光してスペクトルを測定するスペクトル測定手段と、前記スペクトル測定手段によって測定された干渉光スペクトルに基づいて前記粒子の電気泳動移動度を算出する解析手段とを備える、電気泳動移動度測定装置。 - 前記管状の試料注入部と、前記管状の試料注出部とは、それぞれ前記容器の上面から延びている、請求項1記載の電気泳動移動度測定用セル。
- 前記管状の試料注入部と、前記管状の試料注出部とは、前記容器の上面に垂直に延びている、請求項11記載の電気泳動移動度測定用セル。
- 前記容器と、前記管状の試料注入部と、前記管状の試料注出部とは、透明な樹脂で形成されている、請求項1記載の電気泳動移動度測定用セル。
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