JP6344119B2 - Method and apparatus for determining thermophoretic conditions - Google Patents
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Description
本発明は、特定物質である溶質を溶媒中に含む混合流体に温度勾配を付与することに伴う、前記溶質の熱泳動を利用して該溶質の濃度分布を形成させる際の、熱泳動の条件を決定する熱泳動条件の決定方法及び決定装置に関する。 The present invention relates to a thermophoretic condition for forming a concentration distribution of a solute using a thermophoresis of the solute accompanying a temperature gradient in a mixed fluid containing a solute as a specific substance in a solvent. The present invention relates to a determination method and a determination apparatus for thermophoretic conditions.
熱泳動とは、混合流体内の特定の物質(溶質)が、温度勾配のもとで高温側もしくは低温側に一方向に泳動する現象である。この熱泳動現象を利用し、混合流体に温度勾配を付与して特定の物質を特定箇所に偏析させることによって、混合流体中の特定箇所に特定の物質を凝集させることができる。応用例としては、DNA/RNAの分離・濃縮、有害物質の除去、機能性分子の特定箇所への偏析(捕捉)等があげられる(例えば、特許文献1参照)。 Thermophoresis is a phenomenon in which a specific substance (solute) in a mixed fluid migrates in one direction to a high temperature side or a low temperature side under a temperature gradient. By utilizing this thermophoresis phenomenon and applying a temperature gradient to the mixed fluid to cause the specific substance to segregate at a specific location, the specific material can be aggregated at a specific location in the mixed fluid. Examples of applications include DNA / RNA separation / concentration, removal of harmful substances, segregation (capture) of functional molecules at specific locations (see, for example, Patent Document 1).
熱泳動させたい分子を溶質、その他の分子を溶媒と称することとすると、溶質が高温もしくは低温側のどちらに泳動されるか(どの位置に偏析するか)は、溶媒及び溶質の種類の他にも、温度範囲、溶媒−溶質相互作用、溶質の濃度に依存する。図4(出典:非特許文献1)は、複数種類の塩の水に対する溶解度を、0℃〜100℃の温度領域で示しており、溶質の種類に応じて、単調増加、単調減少、極大値をもつなど、温度依存性は様々である。そのため、最適な熱泳動条件(偏析が生ずる温度範囲)を求めるには、溶媒種、溶質種、溶質濃度をパラメータとして変化させつつ、試行錯誤しながら実験的に決めなくてはならなかった。 If the molecule to be thermophoresed is called a solute and the other molecules are called a solvent, whether the solute migrates to the high temperature or low temperature side (where it segregates) depends on the type of solvent and solute. Also depends on temperature range, solvent-solute interaction, solute concentration. FIG. 4 (Source: Non-Patent Document 1) shows the solubility of multiple types of salts in water in the temperature range of 0 ° C. to 100 ° C., and monotonically increases, monotonously decreases, and maximums depending on the type of solute. There are various temperature dependencies such as Therefore, in order to obtain the optimum thermophoretic conditions (temperature range in which segregation occurs), it has to be determined experimentally through trial and error while changing the solvent species, solute species, and solute concentration as parameters.
尚、本発明と関連性を有する技術として、特許文献2には、分子集合体と溶質との親和性を求めるためのシミュレーションにおいて、化学ポテンシャルを高速に計算する手法が開示されている。また、特許文献3には、溶媒効果の計算方法において、溶媒和自由エネルギーを効率的に計算する手法が開示されている。
As a technique related to the present invention,
溶質を特定箇所に偏析させるための熱泳動の条件の決定は、拡散平衡状態における化学ポテンシャルを計算することにより可能となる。ところが、化学ポテンシャルは、溶媒−溶質間の相互作用や、溶質の濃度に依存するため、パラメータのうち一つでも変化すると、適切な熱泳動を得るための温度条件も変化するものとなる。従来技術においては、溶媒−溶質間の相互作用及び溶質の濃度を考慮した熱泳動条件を決定する手法は確立されておらず、適切な熱泳動の条件を求めることは、困難性を伴うものとなっていた。 Determination of thermophoretic conditions for segregating solutes at specific locations can be made by calculating the chemical potential in the diffusion equilibrium state. However, since the chemical potential depends on the interaction between the solvent and the solute and the concentration of the solute, if any one of the parameters changes, the temperature condition for obtaining an appropriate thermophoresis also changes. In the prior art, a method for determining thermophoresis conditions in consideration of the solvent-solute interaction and the solute concentration has not been established, and it is difficult to obtain appropriate thermophoresis conditions. It was.
本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、溶媒−溶質間の相互作用及び溶質の濃度を考慮した、溶質が特定箇所に偏析する適切な熱泳動の条件を簡易に求めることを可能とした熱泳動条件の決定方法及び決定装置を提供するにある。 The present invention has been made in view of the above circumstances, and its purpose is to easily obtain appropriate thermophoretic conditions for the solute to segregate at a specific location in consideration of the solvent-solute interaction and the solute concentration. It is an object of the present invention to provide a determination method and determination apparatus for thermophoresis conditions that make it possible.
上記目的を達成するために、本発明の熱泳動条件の決定方法は、特定物質である溶質を溶媒中に含む混合流体に温度勾配を付与することに伴う、前記溶質の熱泳動を利用して該溶質の濃度分布を形成させる際の、熱泳動の条件を、コンピュータが実行する処理により決定する方法において、前記混合流体を構成する溶媒の種類、溶質の種類、溶質の濃度、温度勾配を付与するための温度条件をパラメータとした、分子シミュレーションを用いて、前記溶質の化学ポテンシャルを計算することに基づき、溶質が特定箇所に偏析する熱泳動の条件を求めるものであって、
密閉容器内に前記混合流体が封入された状態で、該密閉容器内で単調変化する一次元の温度勾配(T L 〜T H )を実現したと仮定し、拡散平衡に達した場合の各温度(T)での前記溶質の化学ポテンシャル(μ(T))を一定(μ(T)≡μ 0 )とし、
前記化学ポテンシャル(μ 0 )は、溶媒−溶質間の相互作用を無視した理想気体的な寄与部分と、前記溶質の過剰化学ポテンシャル(Δμ(T))とに分けて、次の(1)式で表現されて計算され、
μ 0 =k B Tln[{λ(T)} 3 ρ(T)]+Δμ(T) …(1)
但し、k B はボルツマン定数、λ(T)は温度(T)における溶質の熱的ドブロイ波長、ρ(T)は温度(T)における溶質の物質量濃度である。
更に、前記熱泳動の条件の算出は、
前記溶媒の種類、前記溶質の種類、該溶質の濃度、温度勾配(T L 、T H )のパラメータを設定する第1ステップと、
分子シミュレーションにより、前記溶質の過剰化学ポテンシャル(Δμ(T))を計算する第2ステップと、
前記過剰化学ポテンシャル(Δμ(T))を考慮して、前記化学ポテンシャル(μ(T))を計算する第3ステップと、
それらから温度(T)における溶質の物質量濃度(ρ(T))を計算する第4ステップとを含み、
適切な熱泳動の条件が得られるまで、前記第1ステップ〜第4ステップの処理が繰返されるところに特徴を有する。
In order to achieve the above object, the method for determining thermophoretic conditions of the present invention utilizes the thermophoresis of the solute accompanying the application of a temperature gradient to a mixed fluid containing a solute as a specific substance in a solvent. In the method of determining the thermophoretic conditions for forming the concentration distribution of the solute by a process executed by a computer , the type of solvent constituting the mixed fluid, the type of solute, the concentration of solute, and the temperature gradient are given. Based on calculating the chemical potential of the solute, using molecular simulation, with the temperature condition as a parameter, to determine the conditions of thermophoresis where the solute segregates at a specific location ,
In a state in which the fluid mixture is sealed in a sealed container, assuming that achieves a one-dimensional temperature gradient varies monotonically in the sealed container (T L ~T H), each temperature when it reaches the diffusive equilibrium The chemical potential (μ (T)) of the solute at (T) is constant (μ (T) ≡μ 0 ),
The chemical potential (μ 0 ) is divided into the ideal gas contribution portion ignoring the interaction between the solvent and the solute, and the excess chemical potential (Δμ (T)) of the solute. Expressed and calculated by
μ 0 = k B Tln [{λ (T)} 3 ρ (T)] + Δμ (T) (1)
Where k B is the Boltzmann constant, λ (T) is the thermal de Broglie wavelength of the solute at temperature (T), and ρ (T) is the substance quantity concentration of the solute at temperature (T).
Furthermore, the calculation of the thermophoretic conditions is as follows:
A first step of setting parameters for the solvent type, the solute type, the solute concentration, and the temperature gradient ( TL , TH );
A second step of calculating an excess chemical potential (Δμ (T)) of the solute by molecular simulation;
A third step of calculating the chemical potential (μ (T)) in consideration of the excess chemical potential (Δμ (T));
A fourth step of calculating a substance concentration (ρ (T)) of the solute at temperature (T) therefrom,
It is characterized in that the processes of the first to fourth steps are repeated until appropriate thermophoresis conditions are obtained .
また、本発明の熱泳動条件の決定装置は、特定物質である溶質を溶媒中に含む混合流体に温度勾配を付与することに伴う、前記溶質の熱泳動を利用して該溶質の濃度分布を形成させる際の、熱泳動の条件を決定する装置(1)において、前記混合流体を構成する溶媒の種類、溶質の種類、溶質の濃度、温度勾配を付与するための温度条件を入力する入力手段(3)と、前記溶媒の種類、前記溶質の種類、溶質の濃度、並びに温度をパラメータとした分子シミュレーションを実行する分子シミュレーション実行手段(5)と、前記分子シミュレーションにより計算された前記溶質の化学ポテンシャルに基づき、溶質が特定箇所に偏析する熱泳動の条件を算出する算出手段(6,7)とを備え、
密閉容器内に前記混合流体が封入された状態で、該密閉容器内で単調変化する一次元の温度勾配(T L 〜T H )を実現したと仮定し、拡散平衡に達した場合の各温度(T)での前記溶質の化学ポテンシャル(μ(T))を一定(μ(T)≡μ 0 )とし、
前記算出手段(6,7)は、前記化学ポテンシャル(μ 0 )を、溶媒−溶質間の相互作用を無視した理想気体的な寄与部分と、前記分子シミュレーション実行手段(5)により計算された溶質の過剰化学ポテンシャル(Δμ(T))とに分けて、次の(1)式により計算し、
μ 0 =k B Tln[{λ(T)} 3 ρ(T)]+Δμ(T) …(1)
但し、k B はボルツマン定数、λ(T)は温度(T)における溶質の熱的ドブロイ波長、ρ(T)は温度(T)における溶質の物質量濃度である。
更に、前記熱泳動の条件の算出は、
前記入力手段(3)により前記溶媒の種類、前記溶質の種類、該溶質の濃度、温度勾配(T L 、T H )のパラメータを設定する第1ステップと、
前記分子シミュレーション実行手段(5)により、前記溶質の過剰化学ポテンシャル(Δμ(T))を計算する第2ステップと、
前記算出手段(6,7)により前記過剰化学ポテンシャル(Δμ(T))を考慮して、前記化学ポテンシャル(μ(T))を計算する第3ステップと、
前記算出手段(6,7)によりそれらから温度(T)における溶質の物質量濃度(ρ(T))を計算する第4ステップとを含み、
適切な熱泳動の条件が得られるまで、前記第1ステップ〜第4ステップの処理が繰返されるところに特徴を有する。
In addition, the thermophoretic condition determining apparatus of the present invention uses a thermophoresis of the solute accompanying a temperature gradient to a mixed fluid containing a solute as a specific substance in a solvent to determine the concentration distribution of the solute. In the apparatus (1) for determining the conditions of thermophoresis at the time of formation, input means for inputting the type of solvent constituting the mixed fluid, the type of solute, the concentration of solute, and the temperature condition for imparting a temperature gradient (3), molecular simulation execution means (5) for executing molecular simulation using the solvent type, the solute type, the solute concentration, and the temperature as parameters, and the chemistry of the solute calculated by the molecular simulation. Calculation means (6, 7) for calculating a thermophoretic condition in which a solute segregates at a specific location based on a potential ;
In a state in which the fluid mixture is sealed in a sealed container, assuming that achieves a one-dimensional temperature gradient varies monotonically in the sealed container (T L ~T H), each temperature when it reaches the diffusive equilibrium The chemical potential (μ (T)) of the solute at (T) is constant (μ (T) ≡μ 0 ),
The calculation means (6, 7) includes the chemical potential (μ 0 ), the ideal gas contribution portion ignoring the interaction between the solvent and the solute, and the solute calculated by the molecular simulation execution means (5). Divided by the excess chemical potential (Δμ (T)) and calculated by the following equation (1):
μ 0 = k B Tln [{λ (T)} 3 ρ (T)] + Δμ (T) (1)
Where k B is the Boltzmann constant, λ (T) is the thermal de Broglie wavelength of the solute at temperature (T), and ρ (T) is the substance quantity concentration of the solute at temperature (T).
Furthermore, the calculation of the thermophoretic conditions is as follows:
A first step of setting parameters of the solvent type, the solute type, the solute concentration, and the temperature gradient (T L , T H ) by the input means (3) ;
A second step of calculating an excess chemical potential (Δμ (T)) of the solute by the molecular simulation execution means (5);
A third step of calculating the chemical potential (μ (T)) in consideration of the excess chemical potential (Δμ (T)) by the calculating means (6, 7);
A fourth step of calculating the substance concentration (ρ (T)) of the solute at the temperature (T) therefrom by the calculating means (6, 7),
It is characterized in that the processes of the first to fourth steps are repeated until appropriate thermophoresis conditions are obtained .
上記構成によれば、分子シミュレーションを用いることにより、溶媒の種類、溶質の種類、溶質の濃度、温度勾配を付与するための温度条件をパラメータとして、溶質の化学ポテンシャルを計算することが可能となる。この分子シミュレーションにより、溶媒−溶質間の相互作用及び溶質の濃度を考慮した、溶質が特定箇所に偏析する適切な熱泳動の条件を求めることが可能となる。尚、分子シミュレーションの手法の代表的なものとして、熱力学積分法、自由エネルギー摂動法、粒子挿入法、エネルギー表示法等が知られており、これらを用いることができる。 According to the above configuration, by using the molecular simulation, it is possible to calculate the chemical potential of the solute using the solvent type, the solute type, the solute concentration, and the temperature condition for imparting the temperature gradient as parameters. . By this molecular simulation, it is possible to obtain an appropriate thermophoretic condition in which the solute segregates at a specific location in consideration of the solvent-solute interaction and the solute concentration. As typical molecular simulation methods, a thermodynamic integration method, a free energy perturbation method, a particle insertion method, an energy display method, and the like are known, and these can be used.
以下、本発明を具体化した一実施例について、図1から図3を参照しながら説明する。図1は、本実施例に係る熱泳動条件の決定装置1の構成を概略的に示している。この決定装置1は、特定物質である溶質を溶媒中に含む混合流体に温度勾配を付与することに伴う、前記溶質の熱泳動を利用して該溶質の濃度分布を形成させる際の、熱泳動の条件を決定するためのものであり、本実施例では、例えば汎用のコンピュータシステムから構成される。 Hereinafter, an embodiment embodying the present invention will be described with reference to FIGS. 1 to 3. FIG. 1 schematically shows the configuration of a thermophoretic condition determining apparatus 1 according to this embodiment. This determination apparatus 1 is a thermophoresis for forming a concentration distribution of a solute by using a thermophoresis of the solute accompanying a temperature gradient to a mixed fluid containing a solute as a specific substance in a solvent. In this embodiment, for example, a general-purpose computer system is used.
この決定装置1は、処理装置2と、この処理装置2に接続された入力装置3及び出力装置4等を備えている。そのうち前記入力装置3は、例えばキーボードやマウス等を含んで構成され、入力手段として機能する。ユーザは、この入力装置3を操作して、前記処理装置2に対し、熱泳動の条件の決定処理の実行を指示したり、後述するような必要なパラメータを入力したりするようになっている。また、前記出力装置4は、例えばディスプレイやプリンタ等からなり、前記処理装置2が実行した演算の結果等を出力するように構成されている。
The determination device 1 includes a
前記処理装置2は、例えばCPUやメモリ等を含んだコンピュータからなり、そのハードウエア構成及びソフトウエア構成によって、分子シミュレーション部5、化学ポテンシャル計算部6、最適条件決定部7としての機能を備える。これにより、処理装置2は、前記入力装置3により入力された、混合流体を構成する溶媒の種類、溶質の種類、溶質の濃度(平均物質量濃度n)、温度勾配を付与するための温度条件(最低の温度TL 、最高の温度TH )をパラメータとし、分子シミュレーション部5により、分子シミュレーションを実行する。
The
そして、処理装置2は、分子シミュレーションの結果を用いて、化学ポテンシャル計算部6により溶質の化学ポテンシャルを計算し、計算された化学ポテンシャルに基づき、最適条件決定部7により、溶質が特定箇所に偏析する熱泳動の条件を決定する。従って、分子シミュレーション部5が分子シミュレーション実行手段として機能し、化学ポテンシャル計算部6及び最適条件決定部7が算出手段として機能する。尚、分子シミュレーションの手法の代表的なものとして、熱力学積分法、自由エネルギー摂動法、粒子挿入法、エネルギー表示法等が知られており、これらを用いることができる。
Then, the
さて、本実施例では、前記処理装置2が熱泳動条件を決定するにあたり、より具体的には、図2に示すように、断面積が一定で一軸方向(Z軸方向つまり図で上下方向)に延びる密閉容器8内に混合流体が封入された状態で、一軸(Z軸)方向に単調変化する一次元(線形)の温度勾配(TL 〜TH )を実現したと仮定する。この場合、XY平面に平行な下面及び上面(正方形で面積がS)を有し、Z軸方向(図で上下方向)に長い直方体の密閉容器8において、下面が温度(TL )、上面がそれよりも高温の温度(TH )とされたと仮定する。
In this embodiment, when the
このとき、密閉容器8内が拡散平衡に達した場合の、温度(TL )から温度(TH )までの各温度(T)での、溶質の化学ポテンシャル(μ(T))を一定(μ(T)≡μ0 )とすると、前記化学ポテンシャル(μ0 )は、溶媒−溶質間の相互作用を無視した理想気体的な寄与部分と、溶質の過剰化学ポテンシャル(Δμ(T))とに分けて、次の(1)式で表現される。
μ0 =kB Tln[{λ(T)}3 ρ(T)]+Δμ(T) …(1)
但し、kB はボルツマン定数、λ(T)は温度(T)における溶質の熱的ドブロイ波長、ρ(T)は温度(T)における溶質の物質量濃度である。
At this time, when the inside of the sealed
μ 0 = k B Tln [{λ (T)} 3 ρ (T)] + Δμ (T) (1)
Where k B is the Boltzmann constant, λ (T) is the thermal de Broglie wavelength of the solute at temperature (T), and ρ (T) is the substance quantity concentration of the solute at temperature (T).
そして、次の作用説明(フローチャート説明)でも述べるように、処理装置2が実行する熱泳動の条件の算出は、溶媒の種類、溶質の種類、溶質の濃度(n)、温度勾配を付与するための温度条件(TL 、TH )のパラメータを設定する第1ステップと、分子シミュレーションにより溶質の過剰化学ポテンシャル(Δμ(T))を計算する第2ステップと、過剰化学ポテンシャル(Δμ(T))を考慮して、化学ポテンシャル(μ(T))を計算する第3ステップと、それらから温度(T)における溶質の物質量濃度(ρ(T))を計算する第4ステップとを含み、適切な熱泳動の条件が得られるまで、前記第1ステップ〜第4ステップの処理が繰返されるようになっている。
Then, as will be described in the following explanation of the action (description of the flowchart), the calculation of the thermophoresis conditions performed by the
次に、上記構成の作用について、図3も参照しながら説明する。図3のフローチャートは、決定装置1の処理装置2が実行する、熱泳動の最適な条件の決定の処理手順を示している。即ち、まず、第1ステップとしてのステップS1では、溶媒の種類、溶質の種類、溶質の濃度(n)、温度条件(TL 、TH )のパラメータが設定される。このパラメータの設定は、ユーザの入力装置3の操作入力により行われる、或いは、一部が自動で行われる。
Next, the operation of the above configuration will be described with reference to FIG. The flowchart of FIG. 3 shows a processing procedure for determining the optimum conditions for thermophoresis, which is executed by the
第2ステップとしてのステップS2では、ステップS1で設定されたパラメータに基づき、分子シミュレーション部5により、分子シミュレーションが実行され、過剰化学ポテンシャル(Δμ(T))が計算される。より具体的には、分子シミュレーションによる過剰化学ポテンシャル(Δμ(T))の計算は、次の(2)式に基づいて行われる。
Δμ(T)=−kB Tln<exp(-v/kB T)> …(2)
但し、vは溶媒−溶質間の相互作用、<exp(-v/kB T)>は純溶媒系でのexp(-v/kB T)のアンサンブル平均である。
In step S2 as the second step, molecular simulation is executed by the
Δμ (T) = − k B Tln <exp (−v / k B T)> (2)
Where v is the solvent-solute interaction, and <exp (−v / k B T)> is the ensemble average of exp (−v / k B T) in a pure solvent system.
第3ステップとしてのステップS3では、ステップS2で計算された過剰化学ポテンシャル(Δμ(T))を考慮して、化学ポテンシャル(μ(T))が計算される。具体的には、化学ポテンシャルμ0 の計算は、次の(3)式を満たすμ0 を探索することにより行われる。
この場合、上記(3)式は、次のように求められる。即ち、密閉容器8内の溶質の粒子(分子)数をN(一定値)とし、粒子数Nは、物質量濃度(ρ(T))を体積積分することにより、次の(11)式で求められる。
密閉容器8の断面積をS(一定値)とすると、(11)式から、次の(12)式が得られる。
更に、上記(1)式を、物質量濃度(ρ(T))を求める式に変換し、(12)式に代入すると、次の(13)式が得られる。
溶質の平均物質量濃度nは、粒子数N/(断面積S×長さD)であるから、(13)式は、(3)式に変形される。
上記(3)式において、右辺の積分値が、n*Dに一致するμ0 を探索することにより、μ0 を決定することができる。
Since the average substance amount concentration n of the solute is the number of particles N / (cross-sectional area S × length D), the equation (13) is transformed into the equation (3).
In the above equation (3), μ 0 can be determined by searching for μ 0 whose right side integral value matches n * D.
ここで、dZ/dTは、溶媒の熱伝導率から決まるファクタである。TL <T<TH の範囲内で、熱伝導率の温度依存性を無視できるとすると、dZ/dT=d/(TH −TL )となるので、(3)式を、次の(4)式のように簡略化することができる。
第4ステップとしてのステップS4では、ステップS2、ステップS3で求められたΔμ(T)及びμ0 から、温度(T)における溶質の物質量濃度(ρ(T))が計算される。この計算は、上記(1)式を変形した次の(14)式により求めることができる。
次のステップS5では、上記ステップS1〜ステップS4の処理にて適切な偏析が得られたかどうかが判断される。適切な偏析が得られていない場合には(ステップS5にてNo)、ステップS1に戻り、パラメータを自動或いは手動で変更した上で、ステップS2〜ステップS4の処理(計算)が行われる。このように、適切な熱泳動の条件が得られるまで、ステップS1〜ステップS4の処理が繰返され、適切な熱泳動の条件が得られたところで(ステップS5にてYes)、処理が終了する。 In the next step S5, it is determined whether or not appropriate segregation has been obtained in the processing in steps S1 to S4. If appropriate segregation is not obtained (No in step S5), the process returns to step S1, and the processing (calculation) in steps S2 to S4 is performed after the parameters are changed automatically or manually. Thus, the process of step S1-step S4 is repeated until the suitable thermophoresis conditions are obtained, and a process is complete | finished when the suitable thermophoresis conditions are obtained (it is Yes at step S5).
このように本実施例によれば、混合流体を構成する溶媒の種類、溶質の種類、溶質の濃度、温度勾配を付与するための温度条件をパラメータとした、分子シミュレーションを用いて、溶質の化学ポテンシャル(Δμ(T)及びμ0 )を計算することに基づき、溶質が特定箇所に偏析する熱泳動の条件を求めるようにした。これにより、溶媒−溶質間の相互作用及び溶質の濃度を考慮した、溶質が特定箇所に偏析する適切な熱泳動の条件を簡易に求めることが可能になったのである。 As described above, according to the present example, the chemistry of the solute is determined using molecular simulation using the parameters of the type of solvent constituting the mixed fluid, the type of solute, the concentration of the solute, and the temperature condition for imparting the temperature gradient. Based on the calculation of the potential (Δμ (T) and μ 0 ), the conditions of thermophoresis in which the solute segregates at specific locations were determined. This makes it possible to easily determine appropriate thermophoresis conditions for the solute to segregate at a specific location, taking into account the solvent-solute interaction and the solute concentration.
尚、上記実施例では、密閉容器として、直方体の容器を仮定したが、断面積が一定な円筒状の密閉容器等であっても良い。その他、本発明は上記した実施例に限定されるものではなく、例えば、分子シミュレーションの手法としては様々な方法を適用することができ、また計算式としても上記したものに限らず変形が可能である等、要旨を逸脱しない範囲内で、適宜変更して実施し得るものである。 In the above embodiment, a rectangular parallelepiped container is assumed as the sealed container, but a cylindrical sealed container having a constant cross-sectional area may be used. In addition, the present invention is not limited to the above-described embodiments. For example, various methods can be applied as a molecular simulation method, and the calculation formula is not limited to the above-described one, and can be modified. For example, the present invention can be implemented with appropriate modifications within a range not departing from the gist.
図面中、1は決定装置、2は処理装置、3は入力装置(入力手段)、5は分子シミュレーション部(分子シミュレーション実行手段)、6は化学ポテンシャル計算部(算出手段)、7は最適条件決定部(算出手段)、8は密閉容器を示す。
In the drawings, 1 is a determination device, 2 is a processing device, 3 is an input device (input means), 5 is a molecular simulation unit (molecular simulation execution unit), 6 is a chemical potential calculation unit (calculation unit), and 7 is an optimum condition determination.
Claims (8)
前記混合流体を構成する溶媒の種類、溶質の種類、溶質の濃度、温度勾配を付与するための温度条件をパラメータとした、分子シミュレーションを用いて、前記溶質の化学ポテンシャルを計算することに基づき、溶質が特定箇所に偏析する熱泳動の条件を求めるものであって、
密閉容器内に前記混合流体が封入された状態で、該密閉容器内で単調変化する一次元の温度勾配(T L 〜T H )を実現したと仮定し、拡散平衡に達した場合の各温度(T)での前記溶質の化学ポテンシャル(μ(T))を一定(μ(T)≡μ 0 )とし、
前記化学ポテンシャル(μ 0 )は、溶媒−溶質間の相互作用を無視した理想気体的な寄与部分と、前記溶質の過剰化学ポテンシャル(Δμ(T))とに分けて、次の(1)式で表現されて計算され、
μ 0 =k B Tln[{λ(T)} 3 ρ(T)]+Δμ(T) …(1)
但し、k B はボルツマン定数、λ(T)は温度(T)における溶質の熱的ドブロイ波長、ρ(T)は温度(T)における溶質の物質量濃度である。
更に、前記熱泳動の条件の算出は、
前記溶媒の種類、前記溶質の種類、該溶質の濃度、温度勾配(T L 、T H )のパラメータを設定する第1ステップと、
分子シミュレーションにより、前記溶質の過剰化学ポテンシャル(Δμ(T))を計算する第2ステップと、
前記過剰化学ポテンシャル(Δμ(T))を考慮して、前記化学ポテンシャル(μ(T))を計算する第3ステップと、
それらから温度(T)における溶質の物質量濃度(ρ(T))を計算する第4ステップとを含み、
適切な熱泳動の条件が得られるまで、前記第1ステップ〜第4ステップの処理が繰返されることを特徴とする熱泳動条件の決定方法。 The computer determines the thermophoretic conditions for forming the concentration distribution of the solute using the thermophoresis of the solute accompanying the application of a temperature gradient to the mixed fluid containing the solute that is the specific substance in the solvent. In the method of determining by the processing to be executed ,
Based on calculating the chemical potential of the solute using molecular simulation, with the parameters of the type of solvent constituting the mixed fluid, the type of solute, the concentration of the solute, and the temperature condition for imparting a temperature gradient, solute a shall seek conditions thermophoretic segregated to particular locations,
In a state in which the fluid mixture is sealed in a sealed container, assuming that achieves a one-dimensional temperature gradient varies monotonically in the sealed container (T L ~T H), each temperature when it reaches the diffusive equilibrium The chemical potential (μ (T)) of the solute at (T) is constant (μ (T) ≡μ 0 ),
The chemical potential (μ 0 ) is divided into the ideal gas contribution portion ignoring the interaction between the solvent and the solute, and the excess chemical potential (Δμ (T)) of the solute. Expressed and calculated by
μ 0 = k B Tln [{λ (T)} 3 ρ (T)] + Δμ (T) (1)
Where k B is the Boltzmann constant, λ (T) is the thermal de Broglie wavelength of the solute at temperature (T), and ρ (T) is the substance quantity concentration of the solute at temperature (T).
Furthermore, the calculation of the thermophoretic conditions is as follows:
A first step of setting parameters for the solvent type, the solute type, the solute concentration, and the temperature gradient ( TL , TH );
A second step of calculating an excess chemical potential (Δμ (T)) of the solute by molecular simulation;
A third step of calculating the chemical potential (μ (T)) in consideration of the excess chemical potential (Δμ (T));
A fourth step of calculating a substance concentration (ρ (T)) of the solute at temperature (T) therefrom,
The method for determining thermophoresis conditions , wherein the processes of the first step to the fourth step are repeated until suitable thermophoresis conditions are obtained .
Δμ(T)=−k B Tln<exp(-v/k B T)> …(2)
但し、vは溶媒−溶質間の相互作用、<exp(-v/k B T)>は純溶媒系でのexp(-v/k B T)のアンサンブル平均である。 The method for determining thermophoretic conditions according to claim 1 , wherein the calculation of the excess chemical potential (Δμ (T)) by the molecular simulation is performed based on the following equation (2) .
Δμ (T) = − k B Tln <exp (−v / k B T)> (2)
Where v is the solvent-solute interaction, and <exp (-v / k B T)> is the ensemble average of exp (-v / k B T) in a pure solvent system .
次の(3)式を満たすμ 0 を探索することにより行われることを特徴とする請求項1又は2記載の熱泳動条件の決定方法。
3. The method for determining thermophoretic conditions according to claim 1, wherein the determination is made by searching for μ 0 satisfying the following expression (3) .
前記混合流体を構成する溶媒の種類、溶質の種類、溶質の濃度、温度勾配を付与するための温度条件を入力する入力手段(3)と、An input means (3) for inputting the type of solvent constituting the mixed fluid, the type of solute, the concentration of the solute, and temperature conditions for imparting a temperature gradient;
前記溶媒の種類、前記溶質の種類、該溶質の濃度、並びに温度をパラメータとした分子シミュレーションを実行する分子シミュレーション実行手段(5)と、A molecular simulation execution means (5) for executing a molecular simulation using the type of the solvent, the type of the solute, the concentration of the solute, and the temperature as parameters;
前記分子シミュレーションにより計算された前記溶質の化学ポテンシャルに基づき、溶質が特定箇所に偏析する熱泳動の条件を算出する算出手段(6,7)と、Based on the chemical potential of the solute calculated by the molecular simulation, calculating means (6, 7) for calculating conditions of thermophoresis in which the solute segregates at a specific location;
を備え、With
密閉容器内に前記混合流体が封入された状態で、該密閉容器内で単調変化する一次元の温度勾配(TIn a state where the mixed fluid is sealed in a sealed container, a one-dimensional temperature gradient (T L L 〜T~ T H H )を実現したと仮定し、拡散平衡に達した場合の各温度(T)での前記溶質の化学ポテンシャル(μ(T))を一定(μ(T)≡μ), The chemical potential (μ (T)) of the solute at each temperature (T) when diffusion equilibrium is reached is constant (μ (T) ≡μ 0 0 )とし、)age,
前記算出手段(6,7)は、前記化学ポテンシャル(μThe calculation means (6, 7) is configured such that the chemical potential (μ 0 0 )を、溶媒−溶質間の相互作用を無視した理想気体的な寄与部分と、前記分子シミュレーション実行手段(5)により計算された溶質の過剰化学ポテンシャル(Δμ(T))とに分けて、次の(1)式により計算し、) Is divided into the ideal gas contribution portion ignoring the interaction between the solvent and the solute, and the excess chemical potential (Δμ (T)) of the solute calculated by the molecular simulation execution means (5). (1)
μμ 0 0 =k= K B B Tln[{λ(T)}Tln [{λ (T)} 3 Three ρ(T)]+Δμ(T) …(1)ρ (T)] + Δμ (T) (1)
但し、kWhere k B B はボルツマン定数、λ(T)は温度(T)における溶質の熱的ドブロイ波長、ρ(T)は温度(T)における溶質の物質量濃度である。Is the Boltzmann constant, λ (T) is the thermal de Broglie wavelength of the solute at temperature (T), and ρ (T) is the mass concentration of the solute at temperature (T).
更に、前記熱泳動の条件の算出は、Furthermore, the calculation of the thermophoretic conditions is as follows:
前記入力手段(3)により前記溶媒の種類、前記溶質の種類、該溶質の濃度、温度勾配(TBy the input means (3), the type of the solvent, the type of the solute, the concentration of the solute, the temperature gradient (T L L 、T, T H H )のパラメータを設定する第1ステップと、) The first step of setting the parameters,
前記分子シミュレーション実行手段(5)により、前記溶質の過剰化学ポテンシャル(Δμ(T))を計算する第2ステップと、A second step of calculating an excess chemical potential (Δμ (T)) of the solute by the molecular simulation execution means (5);
前記算出手段(6,7)により前記過剰化学ポテンシャル(Δμ(T))を考慮して、前記化学ポテンシャル(μ(T))を計算する第3ステップと、A third step of calculating the chemical potential (μ (T)) in consideration of the excess chemical potential (Δμ (T)) by the calculating means (6, 7);
前記算出手段(6,7)によりそれらから温度(T)における溶質の物質量濃度(ρ(T))を計算する第4ステップとを含み、A fourth step of calculating the substance concentration (ρ (T)) of the solute at the temperature (T) therefrom by the calculating means (6, 7),
適切な熱泳動の条件が得られるまで、前記第1ステップ〜第4ステップの処理が繰返されることを特徴とする熱泳動条件の決定装置。The apparatus for determining thermophoresis conditions, wherein the processes of the first to fourth steps are repeated until an appropriate thermophoresis condition is obtained.
Δμ(T)=−k B Tln<exp(-v/k B T)> …(2)
但し、vは溶媒−溶質間の相互作用、<exp(-v/kB T)>は純溶媒系でのexp(-v/kB T)のアンサンブル平均である。 6. The thermophoretic condition determining apparatus according to claim 5, wherein the calculation of the excess chemical potential (Δμ (T)) by the molecular simulation executing means (5) is performed based on the following equation (2).
Δμ (T) = − k B Tln <exp (−v / k B T)> (2)
However and, v is the solvent - the interaction between the solute is ensemble average of <exp (-v / kB T) > exp of the pure solvent system (-v / kB T).
次の(3)式を満たすμ 0 を探索することにより行われることを特徴とする請求項5又は6記載の熱泳動条件の決定装置。
7. The thermophoretic condition determining apparatus according to claim 5 , wherein the determination is made by searching for μ 0 satisfying the following expression (3) .
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