JP6867678B2 - Zeta potential measuring device - Google Patents

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本発明は、溶液中の微粒子の周りに形成される電気二重層中の、液体流動が起こり始める「すべり面」の電位を表すゼータ電位を超音波により測定するゼータ電位測定装置に関する。 The present invention relates to a zeta potential measuring device that ultrasonically measures a zeta potential representing the potential of a "sliding surface" in which a liquid flow begins to occur in an electric double layer formed around fine particles in a solution.

溶液中に分散するコロイド粒子の表面は正もしくは負に帯電していることが多い。例えば負電荷を帯びたコロイド粒子同士の斥力反発により、コロイド粒子は水中で安定に分散することができると考えられている。このコロイド粒子の表面電位の状態は、図19に示すゼータ電位というパラメータで評価されることが多い。このゼータ電位は、コロイド粒子表面の電位(厳密にはシュテルン電位)と考えてよい。ゼータ電位は、コロイド科学や界面化学はもちろんのこと、食品や生物学においても非常に重要な特性である。コロイド粒子の帯電の度合いとして、コロイド粒子表面のゼータ電位を解析することは、コロイド粒子の分散安定性を把握する上で非常に有効な手法である。 The surface of colloidal particles dispersed in a solution is often positively or negatively charged. For example, it is considered that the colloidal particles can be stably dispersed in water due to the repulsive repulsion between the negatively charged colloidal particles. The state of the surface potential of the colloidal particles is often evaluated by a parameter called the zeta potential shown in FIG. This zeta potential can be considered as the potential on the surface of colloidal particles (strictly speaking, the Stern potential). Zeta potential is a very important property not only in colloid science and surface chemistry, but also in food and biology. Analyzing the zeta potential on the surface of the colloidal particles as the degree of charge of the colloidal particles is a very effective method for grasping the dispersion stability of the colloidal particles.

さて、ゼータ電位を測定する方法としては、顕微鏡法、電気的方法をはじめとして様々な方法が知られている。顕微鏡法では、電界印加に伴う微粒子の移動を微粒子層界面での微粒子の下降を元に考える。しかしながら顕微鏡法は、光学顕微鏡で解像できるほどの大きな粒子がかなり低濃度で存在している場合には粒子をカウントできるが、ナノ粒子になると沈降界面全体が降下する速度を測定することになり、個々の微粒子を個別に解析してゼータ電位を測定している訳ではない。 As a method for measuring the zeta potential, various methods including a microscope method and an electrical method are known. In the microscopy method, the movement of fine particles due to the application of an electric field is considered based on the descent of fine particles at the interface of the fine particle layer. However, microscopy can count particles when they are present at fairly low concentrations that are large enough to be resolved by a light microscope, but nanoparticlees measure the rate at which the entire sedimentation interface descends. , The zeta potential is not measured by analyzing each fine particle individually.

個々の微粒子を個別に解析してゼータ電位を直接的に測定する方法として、今日最も広く用いられている方法は、動的光散乱の原理を組み合わせた電気泳動動的光散乱(ELS、Electrophoretic Light Scattering)法である。このELS法は、レーザ光を照射して、それぞれの微粒子からのレーザ光散乱振幅を時間の変化として捉え、ヘテロダイン検出という技術を駆使して、電界印加に伴うそれぞれの微粒子の移動度を算出し、そこから平均のゼータ電位を求める方法である。 The most widely used method today as a method for directly measuring the zeta potential by individually analyzing individual particles is electrophoretic light scattering (ELS, Electrophoretic Light) that combines the principles of dynamic light scattering. Scattering) method. In this ELS method, laser light is irradiated, the scattering amplitude of laser light from each fine particle is captured as a change in time, and the mobility of each fine particle due to electric field application is calculated by making full use of a technique called heterodyne detection. , It is a method to obtain the average zeta potential from it.

しかしながら、このELS法は、溶液中に分散した微粒子の速度を光学的に読み取る技術であるため、光が透過しない高度に乳濁した溶液の場合、測定が原理的に困難である。このため、高度に乳濁した溶液のゼータ電位を測定しようとする多くの場合、光が十分に透過するように溶液を大幅に希釈することを余儀なくされる。 However, since this ELS method is a technique for optically reading the velocity of fine particles dispersed in a solution, it is difficult in principle to measure a highly emulsified solution that does not transmit light. This often forces the solution to be significantly diluted to allow sufficient light transmission when attempting to measure the zeta potential of a highly emulsified solution.

つまり、希薄系溶液におけるゼータ電位を知るだけであれば、大幅な希釈無しにELS法で測定することも可能である。しかしながら、多くの実用の材料となる溶液は、濃度の高い状態、光学的に高度に乳濁した状態で用いられることが多い。そのため、希釈すると、希釈された溶液は本来の状態を捉えているとは言えず、多くの場合、希釈による分散安定化が誤って観測されてしまう。従って、やはり、希釈無しに濃厚系溶液のそのままの状態でゼータ電位を測定する技術が求められてきた。 That is, if only the zeta potential in the dilute solution is known, it is possible to measure by the ELS method without significant dilution. However, many solutions that are practical materials are often used in a high concentration state and an optically highly emulsified state. Therefore, when diluted, the diluted solution cannot be said to capture the original state, and in many cases, dispersion stabilization due to dilution is erroneously observed. Therefore, there has been a demand for a technique for measuring the zeta potential of a concentrated solution as it is without dilution.

上述したELS法のような光学的方法の代わりに、光の透過性が問題にならない超音波を用いてゼータ電位を測定する技術として、超音波振動電位(CVP(Colloid Vibration Potential))法、及び、動電音響法(ESA(Electrokinetic Sonic Amplitude))が知られている(非特許文献1)。 As a technique for measuring the zeta potential using ultrasonic waves in which light transmission is not a problem, instead of the optical method such as the ELS method described above, the ultrasonic vibration potential (CVP (Colloid Vibration Potential)) method and the ultrasonic vibration potential (CVP) method are used. , Electrokinetic Sonic Amplitude (ESA) is known (Non-Patent Document 1).

CVP法は、溶液中に分散するコロイド粒子に超音波を照射してコロイド粒子を振動させる。例えば負に帯電したコロイド粒子が超音波の照射により水中で振動すると、コロイド粒子は超音波の照射により例えば右方向に移動する。そして、コロイド粒子の周りの正電荷は、反対の左方向に偏る。このため、コロイド粒子の左側には正電荷が多く集まり、相対的に右側には負電荷が多く集まる。この結果、歪んだ電気二重層がコロイド粒子の周りに形成される。従って、超音波によるコロイド粒子の振動により、双極子モーメントが誘起される。超音波は粗密波であるので、コロイド粒子に照射される超音波の発信子から離れた位置では、この双極子モーメントが集まって配向し、巨視的な双極子モーメント、即ち電界が形成される。 In the CVP method, the colloidal particles dispersed in the solution are irradiated with ultrasonic waves to vibrate the colloidal particles. For example, when negatively charged colloidal particles vibrate in water due to ultrasonic irradiation, the colloidal particles move to the right, for example, by ultrasonic wave irradiation. Then, the positive charge around the colloidal particles is biased to the opposite left. Therefore, a large amount of positive charges are collected on the left side of the colloidal particles, and a large amount of negative charges are collected on the relatively right side. As a result, a distorted electric double layer is formed around the colloidal particles. Therefore, the vibration of the colloidal particles by ultrasonic waves induces a dipole moment. Since ultrasonic waves are coarse and dense waves, the dipole moments are gathered and oriented at a position away from the transmitter of the ultrasonic waves applied to the colloidal particles, and a macroscopic dipole moment, that is, an electric field is formed.

この電界の形成により、コロイド粒子の表面に粒子表面伝導電流Iが誘起され、それを補償する補償電流Iが生じる。ゼータ電位測定装置により、この粒子表面伝導電流I、補償電流Iを測定してゼータ電位が算出される。 The formation of the electric field, the particle surface conduction current I S to the surface of the colloidal particles are induced, the compensation current I n occurs to compensate it. The zeta potential measuring apparatus, the particle surface conduction current I S, the zeta potential is calculated by measuring a compensation current I n.

このように、CVP法は、溶液中に分散する微粒子に超音波を照射して微粒子を振動させ、その振動により誘起された粒子表面伝導電流I、補償電流Iを検出してゼータ電位を算出するものである(非特許文献1)。 Thus, the CVP method, the fine particles dispersed in the solution by irradiation with ultrasonic waves by vibrating the fine particles, the induced vibrations particle surface conduction current I S, the zeta potential by detecting the compensation current I n It is calculated (Non-Patent Document 1).

ESA法は、帯電している微粒子に交流電圧を外部から印加することで微粒子を振動させ、振動により生じた音響シグナル(音圧変動)を検出する。そして、検出された音響シグナルの大きさと印加された交流電界の大きさとからゼータ電位を算出する(非特許文献1)。 In the ESA method, an AC voltage is applied to the charged fine particles from the outside to vibrate the fine particles, and an acoustic signal (sound pressure fluctuation) generated by the vibration is detected. Then, the zeta potential is calculated from the magnitude of the detected acoustic signal and the magnitude of the applied AC electric field (Non-Patent Document 1).

また、溶液中に分散する微粒子の粒子径を超音波により測定する従来技術が本発明者らにより発表されている(特許文献1)。この従来技術は、溶液中の沈降する微粒子に照射されて散乱された超音波パルスを受信して、前記超音波パルスの伝搬時間tと前記微粒子の運動に対する観測時間Tに基づく第1散乱振幅Ψ(t、T)を生成する。そして、前記第1散乱振幅Ψ(t、T)を前記伝搬時間tの方向にフーリエ変換した周波数fと観測時間Tの関数である第2散乱振幅Ψ(f、T)を生成し、前記第2散乱振幅Ψ(f、T)の実数部及び虚数部に基づいて振幅r(f、T)及び位相θ(f、T)をそれぞれ算出する。次に、前記振幅r(f、T)及び前記位相θ(f、T)に基づいて前記微粒子の粒子径を算出する。 Further, the present inventors have published a conventional technique for measuring the particle size of fine particles dispersed in a solution by ultrasonic waves (Patent Document 1). In this prior art, the first scattering amplitude Ψ based on the propagation time t of the ultrasonic pulse and the observation time T with respect to the motion of the fine particles by receiving the ultrasonic pulse irradiated and scattered by the settling fine particles in the solution. (T, T) is generated. Then, the first scattering amplitude Ψ (t, T) is Fourier-transformed in the direction of the propagation time t to generate the second scattering amplitude Ψ (f, T) which is a function of the frequency f and the observation time T, and the first scattering amplitude Ψ (f, T) is generated. 2 The amplitude r (f, T) and the phase θ (f, T) are calculated based on the real part and the imaginary part of the scattering amplitude Ψ (f, T), respectively. Next, the particle size of the fine particles is calculated based on the amplitude r (f, T) and the phase θ (f, T).

国際公開公報2016/129399号(2016年8月18日公開)International Publication No. 2016/129399 (published on August 18, 2016)

武田真一,「濃厚系スラリーにおける粒度分布およびゼータ電位測定」,粉体工学会誌 Vol.41 No.3 Page 190-196(2004.03.10)Shinichi Taketa, "Particle Size Distribution and Zeta Potential Measurement in Concentrated Slurry", Journal of Powder Engineering Vol.41 No.3 Page 190-196 (2004.03.10)

しかしながら、上述のようなCVP法は、超音波からゼータ電位を算出する際に微小電流を検出し、この微小電流から様々なパラメータを使用し、複雑な計算処理を経てゼータ電位を算出するものである。従って、測定に時間がかかる、さまざまなパラメータを準備する必要がある、測定精度が悪いなどの多くの問題がある。このため、一般的に受け入れ易い方法とは言い難く、実用化されていない。 However, the CVP method as described above detects a minute current when calculating the zeta potential from ultrasonic waves, uses various parameters from this minute current, and calculates the zeta potential through a complicated calculation process. is there. Therefore, there are many problems such as time-consuming measurement, need to prepare various parameters, and poor measurement accuracy. For this reason, it is difficult to say that it is a method that is generally easy to accept, and it has not been put into practical use.

また、ESA法は、微粒子に印加される交流電圧と、上記微粒子の振動による音響シグナルの音圧との間の関係から複雑な校正を行ってゼータ電位を算出する。このため、複雑な校正を必要とするために使い難く、やはり実用化されていない。 Further, in the ESA method, the zeta potential is calculated by performing complicated calibration from the relationship between the AC voltage applied to the fine particles and the sound pressure of the acoustic signal due to the vibration of the fine particles. Therefore, it is difficult to use because it requires complicated calibration, and it has not been put into practical use.

この結果としてユーザーは、やはりゼータ電位の測定対象を希薄系溶液に限定しながらELS法を使うケースが多いように見受けられる。何より前述した顕微鏡法は、個々の微粒子を個別に解析している訳ではないので、様々な種類の微粒子が混合されている場合など、現実的な溶液系においてゼータ電位測定の精度が低く、有効な技術とは言い難い。ELS法の基本的な問題は、ELS法が溶液中に分散した微粒子の速度を光学的に読み取る技術であるため、光が透過しない高度に乳濁した溶液の場合、ELS法では測定が原理的に困難であることである。 As a result, it seems that users often use the ELS method while limiting the measurement target of the zeta potential to dilute solutions. Above all, the above-mentioned microscopy method does not analyze individual fine particles individually, so that the accuracy of zeta potential measurement is low and effective in a realistic solution system such as when various types of fine particles are mixed. It is hard to say that it is a technology. The basic problem of the ELS method is that the ELS method is a technology that optically reads the velocity of fine particles dispersed in the solution, so in the case of a highly emulsified solution that does not transmit light, the ELS method is basically a measurement method. It is difficult to do.

特許文献1に記載の従来技術は、溶液中の微粒子の粒子径を算出する構成を開示するものであり、溶液中に分散する微粒子の表面のゼータ電位を測定する本願発明を示唆するものではない。 The prior art described in Patent Document 1 discloses a configuration for calculating the particle size of fine particles in a solution, and does not suggest the present invention for measuring the zeta potential on the surface of fine particles dispersed in a solution. ..

本発明の一態様は、濃度の高い状態、光学的に高度に乳濁した状態で溶液中に分散する微粒子のゼータ電位を、簡素な構成で簡易に精度よく測定することができるゼータ電位測定装置を実現することを目的とする。 One aspect of the present invention is a zeta potential measuring device capable of easily and accurately measuring the zeta potential of fine particles dispersed in a solution in a high concentration state or an optically highly emulsified state with a simple configuration. The purpose is to realize.

上記の課題を解決するために、本発明の一態様に係るゼータ電位測定装置は、液体中の帯電した微粒子を泳動させるために電界印加方向に沿って前記帯電した微粒子に電界を印加する電界印加器と、前記電界が印加された微粒子に照射されて散乱された超音波パルスを受信する超音波受信器と、前記超音波受信器により受信された超音波パルスに基づいて、前記電界印加方向に沿った前記微粒子の泳動速度を動的超音波散乱法により算出する泳動速度算出器と、前記泳動速度算出器により算出された前記微粒子の泳動速度に基づいて、前記微粒子のゼータ電位を算出するゼータ電位算出器とを備えることを特徴とする。 In order to solve the above problems, the zeta potential measuring device according to one aspect of the present invention applies an electric field to the charged fine particles along the electric field application direction in order to run the charged fine particles in the liquid. Based on the device, the ultrasonic receiver that receives the scattered ultrasonic pulses that are applied to the fine particles to which the electric field is applied, and the ultrasonic pulse received by the ultrasonic receiver, in the electric field application direction. A zeta that calculates the zeta potential of the fine particles based on the migration rate calculator that calculates the migration rate of the fine particles along the line by the dynamic ultrasonic scattering method and the migration rate of the fine particles calculated by the migration rate calculator. It is characterized by being provided with a potential calculator.

この特徴によれば、電界印加方向に沿った微粒子の移動速度が、動的超音波散乱法により算出される。このため、CVP法のように超音波から電界に変換する際の様々なパラメータが不要であり、ESA法のように交流電圧と音圧との間の関係を校正する必要もない。この結果、溶液中に分散する微粒子のゼータ電位を簡素な構成で簡易に測定することができる。 According to this feature, the moving speed of the fine particles along the electric field application direction is calculated by the dynamic ultrasonic scattering method. Therefore, unlike the CVP method, various parameters for converting ultrasonic waves to an electric field are unnecessary, and unlike the ESA method, it is not necessary to calibrate the relationship between AC voltage and sound pressure. As a result, the zeta potential of the fine particles dispersed in the solution can be easily measured with a simple configuration.

本発明の一態様に係るゼータ電位測定装置は、前記超音波パルスが、前記電界印加方向に交差する方向に沿って前記微粒子に照射されることが好ましい。 In the zeta potential measuring device according to one aspect of the present invention, it is preferable that the ultrasonic pulse irradiates the fine particles along a direction intersecting the electric field application direction.

上記構成によれば、電界印加器と超音波照射器との配置をコンパクトに構成することができる。 According to the above configuration, the arrangement of the electric field applyer and the ultrasonic irradiator can be compactly configured.

本発明の一態様に係るゼータ電位測定装置は、前記電界印加器が前記微粒子に正弦波交流電界を印加し、前記動的超音波散乱法が位相モード法を含み、前記微粒子がマイクロ粒子又はサブミクロン粒子を含むことが好ましい。 In the zeta potential measuring device according to one aspect of the present invention, the electric field applyer applies a sinusoidal AC electric field to the fine particles, the dynamic ultrasonic scattering method includes a phase mode method, and the fine particles are microparticles or sub particles. It preferably contains micron particles.

上記構成によれば、マイクロ粒子又はサブミクロン粒子のゼータ電位の測定に好適である。 According to the above configuration, it is suitable for measuring the zeta potential of microparticles or submicron particles.

本発明の一態様に係るゼータ電位測定装置は、前記正弦波交流電界の電界強度が2.0(V/cm(ボルト/センチメートル))以上であり、前記正弦波交流電界に対応する正弦波信号の周期が1秒以上30秒以下であることが好ましい。 In the zeta potential measuring device according to one aspect of the present invention, the electric field strength of the sinusoidal AC electric field is 2.0 (V / cm (volt / centimeter)) or more, and the sinusoidal wave corresponding to the sinusoidal AC electric field. The signal period is preferably 1 second or more and 30 seconds or less.

正弦波信号の電界強度が2.0(V/cm)未満であると、微粒子の泳動速度が小さく、微粒子の泳動が観察しにくく測定精度が低下する。微粒子に印加される正弦波信号の周期が30秒を超えると、微粒子が沈降しきってしまうか、又は、測定に時間がかかりすぎるため好ましくない。正弦波信号の周期Tが1秒よりも小さくなると、高い周波数に追従するためにパルス繰り返し時間(PRT、Pulse Repetition Time)が1ms以下であることが必要になるため好ましくない。 When the electric field strength of the sinusoidal signal is less than 2.0 (V / cm), the migration speed of the fine particles is low, the migration of the fine particles is difficult to observe, and the measurement accuracy is lowered. If the period of the sinusoidal signal applied to the fine particles exceeds 30 seconds, the fine particles will either settle completely or the measurement will take too long, which is not preferable. When the period T of the sinusoidal signal is smaller than 1 second, the pulse repetition time (PRT, Pulse Repetition Time) needs to be 1 ms or less in order to follow a high frequency, which is not preferable.

本発明の一態様に係るゼータ電位測定装置は、前記電界印加器が前記微粒子に矩形波交流電界を印加し、前記動的超音波散乱法が複素相関関数法を含むことが好ましい。 In the zeta potential measuring device according to one aspect of the present invention, it is preferable that the electric field applyer applies a square wave AC electric field to the fine particles, and the dynamic ultrasonic scattering method includes a complex correlation function method.

上記構成によれば、ナノ粒子のゼータ電位の測定に好適である。 According to the above configuration, it is suitable for measuring the zeta potential of nanoparticles.

本発明の一態様に係るゼータ電位測定装置は、前記矩形波交流電界の電界強度が1(V/cm)以上10(V/cm)以下であり、前記矩形波交流電界に対応する矩形波信号の周期が1秒以上30秒以下であることが好ましい。 In the zeta potential measuring device according to one aspect of the present invention, the electric field strength of the square wave AC electric field is 1 (V / cm) or more and 10 (V / cm) or less, and the square wave signal corresponding to the square wave AC electric field. The period of is preferably 1 second or more and 30 seconds or less.

矩形波信号の電界強度が1(V/cm)未満である領域で複素相関関数法を適用した場合、微粒子の泳動速度が遅いため、微粒子の泳動による複素相関関数の振動の振動点が長時間側にシフトする。このため、微粒子の緩和時間によっては泳動速度の実測が困難になるので好ましくない。矩形波信号の電界強度が10(V/cm)を超えると、電界印加器の正極又は負極付近に集まった微粒子が凝集するため好ましくない。 When the complex correlation function method is applied in the region where the electric field strength of the square wave signal is less than 1 (V / cm), the migration speed of the fine particles is slow, so the vibration point of the vibration of the complex correlation function due to the migration of the fine particles is long. Shift to the side. Therefore, it is difficult to actually measure the migration rate depending on the relaxation time of the fine particles, which is not preferable. If the electric field strength of the square wave signal exceeds 10 (V / cm), fine particles collected near the positive electrode or the negative electrode of the electric field applyer are aggregated, which is not preferable.

矩形波信号の周期が30秒を超えると、微粒子の動きが一方通行となり、電界印加器の正極又は負極に微粒子8が溜まり、その結果、微粒子の凝集が生じやすいため好ましくない。矩形波信号の周期が1秒を下回ると、複素相関関数が構築できないため好ましくない。 If the period of the square wave signal exceeds 30 seconds, the movement of the fine particles becomes one-way, and the fine particles 8 accumulate on the positive electrode or the negative electrode of the electric field applyer, and as a result, the fine particles tend to aggregate, which is not preferable. If the period of the square wave signal is less than 1 second, the complex correlation function cannot be constructed, which is not preferable.

本発明の一態様に係るゼータ電位測定装置は、前記液体が懸濁液であることが好ましい。 In the zeta potential measuring device according to one aspect of the present invention, it is preferable that the liquid is a suspension.

上記構成によれば、動的光散乱(DLS)法と比較して液体が高度に乳濁していても、液体中に分散する微粒子のゼータ電位を測定することができる。 According to the above configuration, the zeta potential of the fine particles dispersed in the liquid can be measured even if the liquid is highly emulsified as compared with the dynamic light scattering (DLS) method.

本発明の一態様によれば、溶液中に分散する微粒子のゼータ電位を簡素な構成で簡易に測定することができるという効果を奏する。 According to one aspect of the present invention, there is an effect that the zeta potential of the fine particles dispersed in the solution can be easily measured with a simple structure.

実施形態に係るゼータ電位測定装置の概略構成を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows the schematic structure of the zeta potential measuring apparatus which concerns on embodiment. 上記ゼータ電位測定装置の具体構成を示し、(a)は正面断面図であり、(b)は平面図であり、(c)は要部側面図である。The specific configuration of the zeta potential measuring device is shown, (a) is a front sectional view, (b) is a plan view, and (c) is a side view of a main part. 上記ゼータ電位測定装置に設けられた電気泳動セルを説明するための図であり、(a)は組立構成を示す図であり、(b)は平面図であり、(c)は上記ゼータ電位測定装置に設けられたトランスデューサとの関係を示す図である。It is a figure for demonstrating the electrophoresis cell provided in the zeta potential measuring apparatus, (a) is a figure which shows assembly structure, (b) is a plan view, (c) is the said zeta potential measurement. It is a figure which shows the relationship with the transducer provided in the apparatus. 電界が印加された微粒子に照射されて散乱された超音波パルスに基づいて算出された微粒子の泳動速度により、前記微粒子のゼータ電位を算出する手順を説明するための図である。It is a figure for demonstrating the procedure for calculating the zeta potential of the fine particle by the migration rate of the fine particle calculated based on the ultrasonic pulse which was scattered by irradiating the fine particle to which an electric field was applied. (a)(b)は上記電界印加器により印加された電圧の極性と微粒子の泳動方向との間の関係を示す図である。(A) and (b) are diagrams showing the relationship between the polarity of the voltage applied by the electric field applyer and the migration direction of the fine particles. (a)(b)は上記電界印加器により印加された電圧の極性と微粒子の泳動方向との間の関係を示す図である。(A) and (b) are diagrams showing the relationship between the polarity of the voltage applied by the electric field applyer and the migration direction of the fine particles. 上記ゼータ電位測定装置による正弦波交流法を用いた測定方法を示す図であり、(a)は上記ゼータ電位測定装置に設けられた電界印加器により液体中の微粒子に印加された電界に対応する交流電圧を示すグラフであり、(b)は微粒子の泳動速度を示すグラフであり、(c)は位相法を用いて解析された上記微粒子の速度場を示す解析結果を示す図である。It is a figure which shows the measurement method using the sinusoidal alternating current method by the zeta potential measuring apparatus, (a) corresponds to the electric field applied to the fine particle in a liquid by the electric field applyer provided in the zeta potential measuring apparatus. It is a graph which shows the AC voltage, (b) is a graph which shows the migration rate of a fine particle, and (c) is a figure which shows the analysis result which shows the velocity field of the said fine particle analyzed by the phase method. (a)〜(f)は正弦波交流法による印加電圧に対する微粒子の泳動運動の依存性を示すグラフである。(A) to (f) are graphs showing the dependence of the migration motion of fine particles on the applied voltage by the sinusoidal AC method. (a)〜(f)は正弦波交流法による電界周期に対する微粒子の泳動運動の依存性を示すグラフである。(A) to (f) are graphs showing the dependence of the migration motion of fine particles on the electric field period by the sinusoidal AC method. 上記ゼータ電位測定装置による矩形波交流法を用いた測定方法を示す図であり、(a)は上記ゼータ電位測定装置に設けられた電界印加器により液体中の微粒子に印加された電界に対応する矩形波電圧を示すグラフであり、(b)は微粒子の泳動速度を示すグラフであり、(c)はFD−DSSを用いて解析された上記微粒子の速度を示す解析結果を示す図である。It is a figure which shows the measurement method using the rectangular wave AC method by the zeta potential measuring apparatus, (a) corresponds to the electric field applied to the fine particle in a liquid by the electric field applyer provided in the zeta potential measuring apparatus. It is a graph which shows the rectangular wave voltage, (b) is a graph which shows the migration rate of a fine particle, and (c) is a figure which shows the analysis result which shows the rate of the said fine particle analyzed using FD-DSS. (a)〜(f)は矩形波交流法による印加電圧に対する微粒子の泳動運動の依存性を示すグラフである。(A) to (f) are graphs showing the dependence of the migration motion of fine particles on the applied voltage by the square wave AC method. (a)〜(f)は矩形波交流法による電界周期に対する微粒子の泳動運動の依存性を示すグラフである。(A) to (f) are graphs showing the dependence of the migration motion of fine particles on the electric field period by the square wave AC method. 上記微粒子のゼータ電位のpH依存性を示すグラフである。It is a graph which shows the pH dependence of the zeta potential of the said fine particles. 上記微粒子のゼータ電位の粒子径依存性を示すグラフである。It is a graph which shows the particle size dependence of the zeta potential of the said fine particles. 上記微粒子のゼータ電位の試料濃度依存性を説明するためのグラフである。It is a graph for demonstrating the sample concentration dependence of the zeta potential of the said fine particles. ムライト粒子のゼータ電位を示すグラフである。It is a graph which shows the zeta potential of a mullite particle. ポリジビニルベンゼン架橋体のゼータ電位の界面活性剤濃度依存性を示すグラフである。It is a graph which shows the surfactant concentration dependence of the zeta potential of the polydivinylbenzene crosslinked body. ポリジビニルベンゼン架橋体のゼータ電位の粒子濃度依存性を示すグラフである。It is a graph which shows the particle concentration dependence of the zeta potential of the polydivinylbenzene crosslinked body. コロイド粒子の表面電位の状態を示す図である。It is a figure which shows the state of the surface potential of a colloidal particle.

(概要)
今日、固体微粒子分散系やエマルジョン、マイクロバブルなど、固体、液体、気体を問わず様々な分散系が活用されている。このような分散系の特性評価を行う上で、分散系が分散する溶液(試料)の希釈や乾燥なしに溶液中そのままの状態で分散系の特性を評価する技術の開発は重要な課題である。
(Overview)
Today, various dispersion systems such as solid fine particle dispersion systems, emulsions, and microbubbles are used regardless of whether they are solids, liquids, or gases. In evaluating the characteristics of such a dispersion system, it is an important issue to develop a technique for evaluating the characteristics of the dispersion system as it is in the solution without diluting or drying the solution (sample) in which the dispersion system is dispersed. ..

そのようなニーズの中で、本発明者らはこれまで高周波動的超音波散乱(DSS、Dynamic UltraSound Scattering)法を開発してきた。このDSS法は、光を使って溶液中に浮遊する微粒子の運動をそのままの状態で解析するELS法の超音波版と言えるものである。DSS法は、光を使ったELS法と比較して、超音波を使っているので溶液が高度に乳濁していて光を通さない場合でも活用できるメリットを有する。当初は、20メガヘルツという高周波の超音波縦波トランスデューサを用いた場合においても、数〜数十マイクロメートル程度の比較的大きな微粒子解析に適用が限定されていたが、最近開発した周波数ドメイン動的超音波散乱(FD−DSS)法(複素関数法)の誕生により、その適用下限は30ナノメートル程度の微粒子解析にまで飛躍的に向上した。 In response to such needs, the present inventors have developed a high-frequency dynamic ultrasonic scattering (DSS) method. This DSS method can be said to be an ultrasonic version of the ELS method that analyzes the motion of fine particles suspended in a solution as it is by using light. Compared with the ELS method using light, the DSS method has the advantage that it can be used even when the solution is highly emulsion and does not allow light to pass through because it uses ultrasonic waves. Initially, even when using a high-frequency ultrasonic longitudinal wave transducer of 20 megahertz, the application was limited to relatively large particle analysis of several to several tens of micrometer, but the recently developed frequency domain dynamic super With the advent of the ultrasonic scattering (FD-DSS) method (complex function method), the lower limit of its application has dramatically improved to fine particle analysis of about 30 nanometers.

本発明者らは、時間ドメインDSS法、位相モードDSS(Phase-mode DSS)法(位相モード法)、FD−DSS法、アクティブモード法など、超音波パルスを用いた様々な新しい技術を開発してきた。例えば、超音波パルスの振幅のみならず位相を解析することで、スペクトル解析的な手法でありながら空間的なイメージ解析をも可能にし、特に浮上・沈降する粒子の識別や、運動速度という動的特性の位置依存解析(イメージング)をも実現している。 The present inventors have developed various new technologies using ultrasonic pulses such as the time domain DSS method, the phase-mode DSS method (phase mode method), the FD-DSS method, and the active mode method. It was. For example, by analyzing not only the amplitude of the ultrasonic pulse but also the phase, it is possible to analyze the spatial image even though it is a spectral analysis method. It also realizes position-dependent analysis (imaging) of characteristics.

これらの方法は、同じく超音波パルスを用いる超音波スペクトロスコピー法(吸収法)と異なり、個々の微粒子の運動状態をリアルタイムで個別に評価できる点が大きな特長である。すなわち、溶液中に浮遊するナノ粒子のブラウン運動やそのマイクロ凝集体の沈降速度の運動モード識別と定量化が行え、これから微粒子の分散安定性解析が実現されている。 Unlike the ultrasonic spectroscopy method (absorption method), which also uses ultrasonic pulses, these methods have a major feature in that the motion state of individual fine particles can be individually evaluated in real time. That is, the Brownian motion of nanoparticles suspended in a solution and the motion mode identification and quantification of the sedimentation velocity of the microaggregates can be performed, and the dispersion stability analysis of fine particles has been realized from this.

(ゼータ電位測定装置1の概略構成)
このような背景の中、本発明の実施形態では、濃度の高い状態等の光学的に高度に乳濁した状態で溶液中に分散する微粒子のゼータ電位を、簡素な構成で簡易に、しかも精度よく測定することができるゼータ電位測定装置を実現することを目的として、動的超音波散乱法の原理を採用した電気泳動動的超音波散乱(ESS、Electrophoretic UltraSound Scattering)法であるゼータ電位測定装置を提案する。その概念は簡単に説明すると、図1に示すとおりである。
(Rough configuration of zeta potential measuring device 1)
Against this background, in the embodiment of the present invention, the zeta potential of fine particles dispersed in a solution in an optically highly emulsified state such as a high concentration state can be easily and accurately obtained with a simple configuration. A zeta potential measuring device that is an electrophoretic ultrasound scattering (ESS) method that employs the principle of the dynamic ultrasonic scattering method for the purpose of realizing a zeta potential measuring device that can measure well. To propose. The concept is briefly described as shown in FIG.

図1は実施形態に係るゼータ電位測定装置1の概略構成を示す模式図である。超音波パルスを用いて懸濁液7中の微粒子8の泳動状態を直接定量的に読み取る。その結果、電界印加に伴う微粒子8の泳動速度からゼータ電位を求めることができる。図1では微粒子8は動作原理が説明しやすいように一つだけ記載されているが、実際は懸濁液7中に多数分散されている。 FIG. 1 is a schematic view showing a schematic configuration of the zeta potential measuring device 1 according to the embodiment. The running state of the fine particles 8 in the suspension 7 is directly and quantitatively read using an ultrasonic pulse. As a result, the zeta potential can be obtained from the migration speed of the fine particles 8 accompanying the application of an electric field. In FIG. 1, only one fine particle 8 is described for easy explanation of the operating principle, but in reality, a large number of fine particles 8 are dispersed in the suspension 7.

ゼータ電位測定装置1は、微粒子8が多数分散された懸濁液7を収容する電気泳動セル9と、懸濁液7中の微粒子8を泳動させるためにZ方向(電界印加方向)に沿って微粒子8に電界を印加する電界印加器2とを備える。電界印加器2は正極12及び負極11を有する。 The zeta potential measuring device 1 includes an electrophoresis cell 9 containing a suspension 7 in which a large number of fine particles 8 are dispersed, and a zeta potential measuring device 1 along the Z direction (electric field application direction) for running the fine particles 8 in the suspension 7. It is provided with an electric field applyer 2 that applies an electric field to the fine particles 8. The electric field applyer 2 has a positive electrode 12 and a negative electrode 11.

ゼータ電位測定装置1には、電界印加器2により電界が印加されて泳動する微粒子8にZ方向に交差する斜め方向に沿って超音波パルスを照射し、微粒子8により散乱された超音波パルスを受信するトランスデューサ3(超音波送受信器)が設けられる。図1では超音波の送信と受信を一つのトランスデューサ3で行っているが、送信と受信を別々のトランスデューサ(超音波送信器と超音波受信器)で行ってもよい。 The zeta potential measuring device 1 is irradiated with ultrasonic pulses along an oblique direction intersecting the Z direction to the fine particles 8 which are migrating by applying an electric field by the electric field applyer 2, and the ultrasonic pulses scattered by the fine particles 8 are applied. A transducer 3 (ultrasonic transmitter / receiver) for receiving is provided. In FIG. 1, the transmission and reception of ultrasonic waves are performed by one transducer 3, but the transmission and reception may be performed by separate transducers (ultrasonic transmitter and ultrasonic receiver).

ゼータ電位測定装置1は解析器6を備える。解析器6は泳動速度算出器4とゼータ電位算出器5とを有する。泳動速度算出器4は、トランスデューサ3により受信された超音波パルスに基づいて、電界印加方向であるZ方向に沿った微粒子8の泳動速度を動的超音波散乱法により算出する。ゼータ電位算出器5は、泳動速度算出器4により算出された微粒子8の泳動速度に基づいて、微粒子8のゼータ電位を算出する。 The zeta potential measuring device 1 includes an analyzer 6. The analyzer 6 has a migration speed calculator 4 and a zeta potential calculator 5. The migration speed calculator 4 calculates the migration speed of the fine particles 8 along the Z direction, which is the electric field application direction, by the dynamic ultrasonic scattering method based on the ultrasonic pulse received by the transducer 3. The zeta potential calculator 5 calculates the zeta potential of the fine particles 8 based on the migration speed of the fine particles 8 calculated by the migration speed calculator 4.

この方法は、本発明者らがこれまで発展させてきた、超音波パルスの周波数ドメイン解析(周波数ドメイン動的超音波散乱(FD−DSS)法(複素関数法))を用いて、ナノ粒子からマイクロ凝集体もしくはマイクロ粒子まで、一つの技術で全ての粒径範囲の微粒子の情報を同時に得ることが可能である。 This method uses the frequency domain analysis of ultrasonic pulses (frequency domain dynamic ultrasonic scattering (FD-DSS) method (complex function method)), which has been developed by the present inventors, from nanoparticles. It is possible to obtain information on fine particles in all particle size ranges at the same time with one technique, including microaggregates or nanoparticles.

ここで周波数ドメイン解析とは、フーリエ振幅の大きさを評価する周波数ドメインのスペクトル解析ではなく、周波数成分に分解された複素時間相関関数に基づく手法であり、これまでサイズのみならず運動モードの識別等で大きな成果をあげている。 Here, the frequency domain analysis is not a spectrum analysis of the frequency domain that evaluates the magnitude of the Fourier amplitude, but a method based on a complex time correlation function decomposed into frequency components. We have achieved great results.

また、位相モードDSS法(位相モード法)を新たに発展させ、これより電界印加に伴う微粒子泳動の(時間のみならず空間情報を有した)場をリアルタイムで解析することが可能である。 In addition, the phase mode DSS method (phase mode method) has been newly developed, and it is possible to analyze the field of fine particle electrophoresis (having spatial information as well as time) due to electric field application in real time.

さらに、懸濁液7中のそのままの状態で微粒子8の解析が可能であり、もちろん白濁系溶液であっても濃厚系溶液であっても超音波が伝搬できる限りは試料の希釈は不要である。微粒子8の泳動状態をリアルタイムで直接プローブできるため、様々な微粒子8が混合された系でも有効である。以下にその原理と実践例について述べる。 Further, the fine particles 8 can be analyzed as they are in the suspension 7, and of course, it is not necessary to dilute the sample as long as the ultrasonic waves can propagate regardless of whether it is a cloudy solution or a concentrated solution. .. Since the migration state of the fine particles 8 can be directly probed in real time, it is also effective in a system in which various fine particles 8 are mixed. The principle and practical examples are described below.

図2はゼータ電位測定装置1の具体構成を示し、(a)は正面断面図であり、(b)は平面図であり、(c)は要部側面図である。図3はゼータ電位測定装置1に設けられた電気泳動セル9を説明するための図であり、(a)は組立構成を示す図であり、(b)は平面図であり、(c)は上記ゼータ電位測定装置1に設けられたトランスデューサ3との関係を示す図である。 2A and 2B show a specific configuration of the zeta potential measuring device 1, FIG. 2A is a front sectional view, FIG. 2B is a plan view, and FIG. 2C is a side view of a main part. 3A and 3B are views for explaining an electrophoresis cell 9 provided in the zeta potential measuring device 1, FIG. 3A is a diagram showing an assembly configuration, FIG. 3B is a plan view, and FIG. 3C is a plan view. It is a figure which shows the relationship with the transducer 3 provided in the zeta potential measuring apparatus 1.

ゼータ電位測定装置1には、図2及び図3に示すような、電気泳動セル9と、電気泳動セル9を保持するためのセルホルダ10と、超音波パルスのトランスデューサ3とを用いる。これらの電気泳動セル9、セルホルダ10、及びトランスデューサ3は、超音波減衰が小さく、またトランスデューサ3と電気泳動セル9の位置を自在に変更可能にするために、水中など音響整合の役目を果たす液体中に配置される。 The zeta potential measuring device 1 uses an electrophoresis cell 9, a cell holder 10 for holding the electrophoresis cell 9, and an ultrasonic pulse transducer 3, as shown in FIGS. 2 and 3. These electrophoresis cell 9, cell holder 10, and transducer 3 are liquids that have a small ultrasonic attenuation and play a role of acoustic matching such as in water so that the positions of the transducer 3 and the electrophoresis cell 9 can be freely changed. Placed inside.

トランスデューサ3と電気泳動セル9内の微粒子(試料)8との間にガラスやプラスチック製の超音波整合材を設けて、トランスデューサ3を超音波整合材に接触させる方法もある。ただし、この場合には超音波整合材に接触させたトランスデューサ3に対して空気層を形成しないためのカップリング媒質が必要になり、接触の程度によっては誤差を引き起こす可能性がある。従って、電気泳動セル9、セルホルダ10、及びトランスデューサ3は超音波が安定して伝搬するような状況を作るため、水中などの液体中に配置することが好ましい。 There is also a method in which an ultrasonic matching material made of glass or plastic is provided between the transducer 3 and the fine particles (sample) 8 in the electrophoresis cell 9 to bring the transducer 3 into contact with the ultrasonic matching material. However, in this case, a coupling medium for not forming an air layer with respect to the transducer 3 in contact with the ultrasonic matching material is required, which may cause an error depending on the degree of contact. Therefore, the electrophoresis cell 9, the cell holder 10, and the transducer 3 are preferably arranged in a liquid such as water in order to create a situation in which ultrasonic waves propagate stably.

トランスデューサ3から照射される超音波パルスは、図2(c)に示すように電界印加に伴う微粒子8の泳動方向に対して斜め方向に入射し、得られた斜め方向の泳動速度に基づいて後で泳動方向成分を算出して解析を行う。 As shown in FIG. 2C, the ultrasonic pulse emitted from the transducer 3 is incident diagonally with respect to the migration direction of the fine particles 8 accompanying the application of the electric field, and is post-based on the obtained oblique migration speed. Calculate the migration direction component with and analyze it.

電気泳動セル9は、金属セル13にテフロン(登録商標)のテープ15を巻き、ラバーリング17、ポリスチレンフィルム18、及び金属セル14と、金属セル13との間に挟み込まれる白金材16を、ネジ孔20に挿入されるネジ19により固定して組み立てられる。白金材16は電界印加器2の正極12及び負極11を構成する。 In the electrophoresis cell 9, a Teflon (registered trademark) tape 15 is wound around the metal cell 13, and a rubber ring 17, a polystyrene film 18, and a platinum material 16 sandwiched between the metal cell 14 and the metal cell 13 are screwed together. It is fixed and assembled by a screw 19 inserted into the hole 20. The platinum material 16 constitutes the positive electrode 12 and the negative electrode 11 of the electric field applyer 2.

(泳動速度の解析の流れ)
微粒子8が分散した懸濁液7を収容する電気泳動セル9の両端に電界印加器2により電界を印加する。そして、微粒子8の表面の電位に依存して、正極12又は負極11に向かって泳動する微粒子8の泳動速度を、動的超音波散乱法により検出する。微粒子8の泳動速度を測定するための一連の解析の流れを図4 に示す。
(Flow of analysis of migration speed)
An electric field is applied to both ends of the electrophoresis cell 9 containing the suspension 7 in which the fine particles 8 are dispersed by the electric field applyer 2. Then, the migration speed of the fine particles 8 traveling toward the positive electrode 12 or the negative electrode 11 is detected by the dynamic ultrasonic scattering method, depending on the potential of the surface of the fine particles 8. FIG. 4 shows the flow of a series of analyzes for measuring the migration rate of the fine particles 8.

図4は、電界が印加された微粒子8に照射されて散乱された超音波パルスに基づいて算出された微粒子8の泳動速度により、微粒子8のゼータ電位を算出する手順を説明するための図である。 FIG. 4 is a diagram for explaining a procedure for calculating the zeta potential of the fine particles 8 based on the migration speed of the fine particles 8 calculated based on the ultrasonic pulses scattered by irradiating the fine particles 8 to which an electric field is applied. is there.

電界印加方向に対して斜めに入射した超音波パルスに基づいて算出された微粒子8の泳動速度をvDSSとする。この泳動速度vDSSを斜めに入射した角度θ1に対応する方向余弦で除算することにより、泳動速度算出器4が泳動速度vDSSを電界印加方向成分(X方向)の泳動速度vobsに変換する。 The migration speed of the fine particles 8 calculated based on the ultrasonic pulse incident obliquely with respect to the electric field application direction is defined as vDSS . By dividing this migration speed v DSS by the direction cosine corresponding to the obliquely incident angle θ1, the migration speed calculator 4 converts the migration speed v DSS into the migration speed v obs of the electric field application direction component (X direction). ..

本方法では、超音波パルスの特徴を生かして、一度の測定で試料深さ(Y方向)の情報を有した複数の泳動速度を評価可能である。そこで、パルス伝搬時間毎の泳動速度vobsを、試料中の深さYの関数形である泳動速度vobsへと泳動速度算出器4が変換する。以上で、電界印加に伴う見かけの泳動速度vobsを算出するための解析が完了する。 In this method, it is possible to evaluate a plurality of migration velocities having information on the sample depth (Y direction) by one measurement by making the best use of the characteristics of the ultrasonic pulse. Therefore, the migration velocity v obs per pulse propagation time, the migration speed calculator 4 is converted to the migration speed v obs is the functional form of the depth Y in the sample. Thus, the analysis to calculate the migration speed v obs apparent due to the electric field application is completed.

微粒子8の泳動には、微粒子8の表面電荷に由来する成分に加えて、電気泳動セル9に特有の電気浸透流成分が関与する。そこで、電気浸透流成分を見かけの泳動速度vobsから分離するための解析を行う。電気浸透流成分の解析には、様々な式が提案されているが、広く受け入れられている理論として、森・岡本の理論(森祐行, 1980, 顕微鏡電気泳動法における長方形 セル内の流れの解析, 浮選, 27(4), 171)が知られている。この理論による泳動速度vobsを求める式の例を以下に示す。 In addition to the components derived from the surface charge of the fine particles 8, the electroosmotic flow component peculiar to the electrophoresis cell 9 is involved in the migration of the fine particles 8. Therefore, an analysis is performed to separate the electroosmotic flow component from the apparent migration rate volts. Various equations have been proposed for the analysis of electroosmotic flow components, but as a widely accepted theory, Mori and Okamoto's theory (Yuyuki Mori, 1980, microscopic electrophoresis of the flow in a rectangular cell) Analysis, flotation, 27 (4), 171) are known. An example of the formula for obtaining the migration rate vobs based on this theory is shown below.

Figure 0006867678
Figure 0006867678

ここで、xはセル幅方向、yは深さ方向を表しており(zは電極間の方向)、試料の中心を原点とする。セル幅2a、セルの深さ2bである。 Here, x represents the cell width direction, y represents the depth direction (z is the direction between the electrodes), and the center of the sample is the origin. The cell width is 2a and the cell depth is 2b.

また、 Also,

Figure 0006867678
Figure 0006867678

である。 Is.

上記(式1)により、電気泳動セル9の幅、奥行き、高さを考慮した電気浸透流成分の解析が行える。上記(式1)は一例であり、状況に応じて他の式を用いて計算することも可能である。 According to the above (Equation 1), the electroosmotic flow component can be analyzed in consideration of the width, depth, and height of the electrophoresis cell 9. The above (Equation 1) is an example, and it is possible to calculate using another equation depending on the situation.

電気浸透流成分を見かけの泳動速度vobsから分離することにより得られた微粒子8の泳動速度vは、あらかじめ準備しておいた電界の大きさE(V/m)で規格化することで電気泳動移動度μとなる。一般的に、ゼータ電位ζは、この電気泳動移動度μと、誘電率εと、粘度ηとから算出できる。なお、微粒子8の粒子径と電気二重層の厚みとによって用いる式が異なる。(Henry, D. C., 1931, The Cataphoresis of Suspended Particles. Part 1 - The Equation of Cataphoresis, Proc. R. Soc. Lond, A 133)。以下に、式の一例を示す。 Migration velocity v p of the particles 8 was obtained by separating from the migration speed v obs apparent electroosmotic flow components, by normalizing the magnitude of the electric field previously prepared E (V / m) Electrophoretic mobility μ. Generally, the zeta potential ζ can be calculated from the electrophoretic mobility μ, the permittivity ε, and the viscosity η. The formula used differs depending on the particle size of the fine particles 8 and the thickness of the electric double layer. (Henry, DC, 1931, The Cataphoresis of Suspended Particles. Part 1 --The Equation of Cataphoresis, Proc. R. Soc. Lond, A 133). An example of the equation is shown below.

Figure 0006867678
Figure 0006867678

ここで、μは印加電場で規格化した粒子速度、f (κa) はヘンリー係数、εrは溶媒の比誘電率、ε0は真空の誘電率、ηは溶媒の粘度、ζは求めるゼータ電位である。 Here, μ is the particle velocity standardized by the applied electric field, f (κa) is the Henry coefficient, ε r is the relative permittivity of the solvent, ε 0 is the dielectric constant of the vacuum, η is the viscosity of the solvent, and ζ is the zeta potential to be obtained. Is.

電気二重層が粒子径よりも非常に小さいときは(式2)が使用される。電気二重層が粒子径よりも非常に大きいときは(式3)が使用される。(式3)は両極源を結ぶ理論を表す。 (Equation 2) is used when the electric double layer is much smaller than the particle size. (Equation 3) is used when the electric double layer is much larger than the particle size. (Equation 3) represents the theory connecting the two polar sources.

(電界の印加による微粒子8の泳動)
電界印加器2による電界の印加に対して微粒子8の泳動が正しく追従し、微粒子8の表面電荷の符号に応じてしかるべき電極に向かって微粒子8が泳動している態様を図5及び図6 に示す。図5(a)(b)は電界印加器2により印加された電圧の極性と微粒子8の泳動方向との間の関係を示す図である。図6(a)(b)は電界印加器2により印加された電圧の極性と微粒子8の泳動方向との間の他の関係を示す図である。
(Etrophoresis of fine particles 8 by applying an electric field)
5 and 6 show an embodiment in which the migration of the fine particles 8 correctly follows the application of the electric field by the electric field applyer 2, and the fine particles 8 are running toward the appropriate electrodes according to the sign of the surface charge of the fine particles 8. Shown in. 5 (a) and 5 (b) are diagrams showing the relationship between the polarity of the voltage applied by the electric field applyer 2 and the migration direction of the fine particles 8. 6 (a) and 6 (b) are diagrams showing other relationships between the polarity of the voltage applied by the electric field applyer 2 and the migration direction of the fine particles 8.

ここでは、微粒子8としての粒子直径3マイクロメートルのシリカ粒子を1mM(モル)のKCl水溶液に分散した試料を用いる。このシリカ粒子は、等電点を境として、酸性側では正に、塩基性側では負に帯電することが知られている。塩基性側のペーハーpH=9の測定例を図6に示し、酸性側のpH=3の測定例を図5に示す。pH=9では、微粒子8の表面は負に帯電し、正極12側に泳動する様子が確認できる。そして、逆にpH=3では正に帯電した微粒子8が負極11側に泳動する様子が確認できる。 Here, a sample in which silica particles having a particle diameter of 3 micrometers as fine particles 8 are dispersed in a 1 mM (mol) KCl aqueous solution is used. It is known that these silica particles are positively charged on the acidic side and negatively charged on the basic side with the isoelectric point as a boundary. A measurement example of pH = 9 on the basic side is shown in FIG. 6, and a measurement example of pH = 3 on the acidic side is shown in FIG. At pH = 9, the surface of the fine particles 8 is negatively charged, and it can be confirmed that the particles migrate to the positive electrode 12 side. On the contrary, at pH = 3, it can be confirmed that the positively charged fine particles 8 migrate to the negative electrode 11 side.

(正弦波交流法)
図7は、ゼータ電位測定装置1による正弦波交流法を用いた測定方法を示す図であり、(a)はゼータ電位測定装置1に設けられた電界印加器2により懸濁液7中の微粒子8に印加された電界に対応する交流電圧を示すグラフであり、(b)は微粒子8の泳動速度を示すグラフであり、(c)は位相モードDSS法を用いて解析された微粒子8の速度場を示す解析結果を示す図である。
(Sine wave AC method)
FIG. 7 is a diagram showing a measurement method using the sinusoidal AC method by the zeta potential measuring device 1, and FIG. 7A shows fine particles in the suspension 7 by the electric field applyer 2 provided in the zeta potential measuring device 1. It is a graph which shows the AC voltage corresponding to the electric field applied to 8, (b) is the graph which shows the migration rate of the fine particle 8, and (c) is the rate of the fine particle 8 analyzed by using the phase mode DSS method. It is a figure which shows the analysis result which shows the field.

電界印加器2は、電気泳動セル9中の帯電した微粒子8に正弦波交流電圧を印加する。実験では電極間を3cmに設定している。そして、トランスデューサ3は交流電圧を印加されて泳動する微粒子8に超音波パルスを照射し、泳動する微粒子8により散乱された超音波パルスを受信する。 The electric field applyer 2 applies a sinusoidal AC voltage to the charged fine particles 8 in the electrophoresis cell 9. In the experiment, the distance between the electrodes is set to 3 cm. Then, the transducer 3 irradiates the migrating fine particles 8 with an AC voltage with an ultrasonic pulse, and receives the ultrasonic pulses scattered by the migrating fine particles 8.

次に、泳動速度算出器4は、位相モードDSS法(位相モード法)に基づいて、泳動する微粒子8により散乱されてトランスデューサ3により受信された超音波パルスから、泳動する微粒子8の速度場(速度の時空間イメージ)を解析し、微粒子8の泳動速度を算出する。 Next, the migration rate calculator 4 is based on the phase mode DSS method (phase mode method), and is scattered by the traveling fine particles 8 and received by the transducer 3 from the ultrasonic pulse, and the velocity field of the moving fine particles 8 ( The spatiotemporal image of the velocity) is analyzed, and the migration velocity of the fine particles 8 is calculated.

位相モードDSS法とは、DSS法のセットアップにおいて特に信号の振幅部ではなく、位相部を活用した解析方法であり、瞬間で(パルス繰り返し時間で許される限り短い時間で、例えば0.01秒で)微粒子の運動速度を解析する手段である。位置情報を保有した粒子運動速度データが、短時間で時間ごとに得られる。 The phase mode DSS method is an analysis method that utilizes the phase part rather than the amplitude part of the signal in the setup of the DSS method, and is instantaneous (in the shortest possible time allowed by the pulse repetition time, for example, 0.01 seconds). ) It is a means to analyze the motion velocity of fine particles. Particle motion velocity data holding position information can be obtained hourly in a short time.

具体的には、ブロードバンド超音波パルスの主たる周波数(例えばピーク振幅を与える周波数)にロックインして、その信号成分の位相差により微粒子運動速度データが算出できる(Ayumi Nagao, Mariko Kohyama, Tomohisa Norisuye, and Qui Tran-Cong-Miyata, Journal Of Applied Physics 105, 023526, 2009)。 Specifically, it is possible to lock in to the main frequency of the broadband ultrasonic pulse (for example, the frequency that gives the peak amplitude) and calculate the fine particle motion velocity data from the phase difference of the signal component (Ayumi Nagao, Mariko Kohyama, Tomohisa Norisuye, and Qui Tran-Cong-Miyata, Journal Of Applied Physics 105, 023526, 2009).

これに対して、従来の相関関数法では、一定時間(例えば10分程度)の安定な振幅を記録し、その相関関数を構築することで精度の高い運動速度評価を行った。しかしながら、微粒子の沈降のように時々刻々と状態が変化する場合には積算している間に状態が変化するため従来の相関関数法は不向きである。位相モードDSS法は、リアルタイムで瞬間の微粒子速度を求めることを可能にする。すなわち、正弦波交流電界を印加した場合には位相モードDSS法を用いることが極めて有効である。 On the other hand, in the conventional correlation function method, a stable amplitude for a certain period of time (for example, about 10 minutes) is recorded, and a highly accurate motion velocity evaluation is performed by constructing the correlation function. However, when the state changes from moment to moment, such as the sedimentation of fine particles, the state changes during the integration, so the conventional correlation function method is not suitable. The phase mode DSS method makes it possible to obtain the instantaneous particle velocity in real time. That is, when a sinusoidal AC electric field is applied, it is extremely effective to use the phase mode DSS method.

その後、ゼータ電位算出器5は、泳動速度算出器4により算出された微粒子8の泳動速度vobsに基づいて、微粒子8のゼータ電位を算出する。具体的には、ゼータ電位算出器5は、図4を参照して前述したように、泳動速度vobsから電気浸透流成分を分離することにより微粒子8の泳動速度vを算出する。そして、ゼータ電位算出器5は泳動速度vを電界の大きさE(V/m)で規格化することにより電気泳動移動度μを算出する。次に、この電気泳動移動度μと、誘電率εと、粘度ηとに基づいてゼータ電位算出器5はゼータ電位ζを算出する。 After that, the zeta potential calculator 5 calculates the zeta potential of the fine particles 8 based on the migration speed vobs of the fine particles 8 calculated by the migration speed calculator 4. Specifically, the zeta potential calculator 5, as described above with reference to FIG. 4, to calculate the migration speed v p of the particles 8 by separating the electro-osmotic flow component from the migration speed v obs. Then, the zeta potential calculator 5 calculates the electrophoretic mobility μ by normalizing the migration velocity v p in the electric field of magnitude E (V / m). Next, the zeta potential calculator 5 calculates the zeta potential ζ based on the electrophoresis mobility μ, the dielectric constant ε, and the viscosity η.

図8(a)〜(f)は正弦波交流法による印加電界に相当する微粒子8の泳動運動の依存性を示すグラフである。 8 (a) to 8 (f) are graphs showing the dependence of the migration motion of the fine particles 8 corresponding to the applied electric field by the sinusoidal AC method.

図8(a)は微粒子8に印加される電界強度Epp(ppはピーク・ツウ・ピークを表す)が3.3(V/cm(ボルト/センチメートル))である例を示し、図8(d)は電界強度Eppが3.3(V/cm)で測定された微粒子8の泳動速度を示す。図8(b)は電界強度Eppが16.7(V/cm)である例を示し、図8(e)は電界強度Eppが16.7(V/cm)で測定された微粒子8の泳動速度を示す。図8(c)は電界強度Eppが33.4(V/cm)である例を示し、図8(f)は電界強度Eppが33.4(V/cm)で測定された微粒子8の泳動速度を示す。 FIG. 8A shows an example in which the electric field strength Epp (pp represents peak to peak) applied to the fine particles 8 is 3.3 (V / cm (volts / centimeters)). d) indicates the migration speed of the fine particles 8 measured at an electric field strength Epp of 3.3 (V / cm). FIG. 8 (b) shows an example in which the electric field strength Epp is 16.7 (V / cm), and FIG. 8 (e) shows the migration of the fine particles 8 measured at the electric field strength Epp of 16.7 (V / cm). Indicates speed. FIG. 8 (c) shows an example in which the electric field strength Epp is 33.4 (V / cm), and FIG. 8 (f) shows the migration of the fine particles 8 measured at the electric field strength Epp of 33.4 (V / cm). Indicates speed.

図8(d)からもわかるように電界強度Eppが3.3(V/cm)の時は泳動速度に対する揺らぎの寄与が平均泳動成分と比べて大きくなっている。微粒子8に印加される電界強度Eppが2.0(V/cm)未満であると、微粒子8の泳動速度がさらに小さく、微粒子8の泳動が観察しにくくなる。つまり、電界強度Eppが2.0(V/cm)未満であると、泳動速度に対する揺らぎの寄与が平均泳動成分と比べて大きくなってしまう。微粒子8に印加される電界強度Eppは溶液の粘度や電極間距離などによっても変わるが、一般的な溶液の場合には、微粒子8に印加される電界強度Eppは2.0(V/cm)以上であることが好ましく、さらに、3.0(V/cm)以上であると精度良く計測できるのでより好ましい。 As can be seen from FIG. 8D, when the electric field strength Epp is 3.3 (V / cm), the contribution of fluctuation to the migration rate is larger than that of the average migration component. When the electric field strength Epp applied to the fine particles 8 is less than 2.0 (V / cm), the migration speed of the fine particles 8 is further reduced, and the migration of the fine particles 8 becomes difficult to observe. That is, when the electric field strength Epp is less than 2.0 (V / cm), the contribution of fluctuation to the migration rate becomes larger than that of the average migration component. The electric field strength Epp applied to the fine particles 8 varies depending on the viscosity of the solution and the distance between the electrodes, but in the case of a general solution, the electric field strength Epp applied to the fine particles 8 is 2.0 (V / cm). The above is preferable, and more preferably 3.0 (V / cm) or more because accurate measurement can be performed.

電界強度の試料への影響を考慮すると、電界強度が大きいときは印加時間を短くすることが好ましい。電界強度Epp=3.3(V/cm)で30秒、Epp=16.7(V/cm)で10秒、Epp=33.4(V/cm)で10秒の条件で3分測定しても微粒子8(試料)のダメージ等の問題は無かった。また、Epp=6.7(V/cm)で3時間電界を印加し続けても試料のダメージ等の問題は無かった。 Considering the influence of the electric field strength on the sample, it is preferable to shorten the application time when the electric field strength is large. Measured for 3 minutes under the conditions of electric field strength Epp = 3.3 (V / cm) for 30 seconds, Epp = 16.7 (V / cm) for 10 seconds, and Epp = 33.4 (V / cm) for 10 seconds. However, there were no problems such as damage to the fine particles 8 (sample). Further, even if the electric field was continuously applied for 3 hours at Epp = 6.7 (V / cm), there was no problem such as damage to the sample.

図9(a)〜(f)は正弦波交流法による電界周期に対する微粒子8の泳動運動の依存性を示すグラフである。 9 (a) to 9 (f) are graphs showing the dependence of the migration motion of the fine particles 8 on the electric field period by the sinusoidal AC method.

図9(a)は微粒子8に印加される電界の周期Tが1秒である例を示し、図9(d)は電界の周期Tが1秒で測定された微粒子8の泳動速度を示す。図9(b)は電界の周期Tが2秒である例を示し、図9(e)は電界の周期Tが2秒で測定された微粒子8の泳動速度を示す。図9(c)は電界の周期Tが5秒である例を示し、図9(f)は電界の周期Tが5秒で測定された微粒子8の泳動速度を示す。 FIG. 9A shows an example in which the period T of the electric field applied to the fine particles 8 is 1 second, and FIG. 9D shows the migration speed of the fine particles 8 measured in the period T of the electric field in 1 second. FIG. 9B shows an example in which the electric field period T is 2 seconds, and FIG. 9E shows the migration speed of the fine particles 8 measured in the electric field period T of 2 seconds. FIG. 9 (c) shows an example in which the electric field cycle T is 5 seconds, and FIG. 9 (f) shows the migration speed of the fine particles 8 measured in the electric field cycle T of 5 seconds.

微粒子8に印加される電界の周期Tが30秒を超えると、微粒子8が沈降しきってしまうか、又は、測定に時間がかかりすぎるため好ましくない。また、100V以上の高電圧を微粒子8に印加しながら、電界の周期Tが30秒を超える程遅い場合は、電気泳動セル9内の懸濁液7に生じる乱流の影響等で微粒子8の泳動速度のプロファイルが正しく測定されない場合もあるため好ましくない。 If the period T of the electric field applied to the fine particles 8 exceeds 30 seconds, the fine particles 8 either settle completely or the measurement takes too long, which is not preferable. Further, when the period T of the electric field is slow enough to exceed 30 seconds while applying a high voltage of 100 V or more to the fine particles 8, the fine particles 8 are affected by the turbulent flow generated in the suspension 7 in the electrophoresis cell 9. It is not preferable because the migration rate profile may not be measured correctly.

印加電界の周期Tの中で微粒子8の泳動速度を精度良く求めるためには複数(例えば1000パルス以上)の測定パルスが必要になり、電界の周期Tが短くなるとパルス繰り返し時間(PRT)が短くなる。実験的には、印加電界の周期Tが1秒よりも小さくなると、パルス繰り返し時間(PRT)が1ms以下であることが必要になるため、処理時間および超音波の残響などの点で好ましくない。すなわち、印加電界の周期Tは1〜30秒に設定することが好ましい。 In order to accurately determine the migration speed of the fine particles 8 in the period T of the applied electric field, a plurality of measurement pulses (for example, 1000 pulses or more) are required, and the shorter the period T of the electric field, the shorter the pulse repetition time (PRT). Become. Experimentally, when the period T of the applied electric field is smaller than 1 second, the pulse repetition time (PRT) needs to be 1 ms or less, which is not preferable in terms of processing time and ultrasonic reverberation. That is, the period T of the applied electric field is preferably set to 1 to 30 seconds.

(矩形波交流法)
図10はゼータ電位測定装置1による矩形波交流法を用いた測定方法を示す図であり、(a)はゼータ電位測定装置1に設けられた電界印加器2により懸濁液7中の微粒子8に印加された電界に対応する矩形波電圧を示すグラフであり、(b)は微粒子8の泳動速度を示すグラフであり、(c)はFD−DSS法を用いて解析された微粒子8の速度場を示す解析結果を示す図である。
(Square wave AC method)
FIG. 10 is a diagram showing a measurement method using the rectangular wave AC method by the zeta potential measuring device 1, and FIG. 10A shows the fine particles 8 in the suspension 7 by the electric field applyer 2 provided in the zeta potential measuring device 1. It is a graph which shows the rectangular wave voltage corresponding to the electric field applied to, (b) is a graph which shows the migration rate of the fine particle 8, and (c) is the rate of the fine particle 8 analyzed by using the FD-DSS method. It is a figure which shows the analysis result which shows the field.

前述した正弦波交流法の例は、正弦波交流電界を印加して、正弦波交流電界に伴う微粒子8の泳動状態を観測している。しかしながら、本発明はこれに限定されない。正負極性を一定時間おきに切り替える矩形波に基づく矩形波交流電界の印加(矩形波交流法)が有効な場合もある。 In the above-mentioned example of the sinusoidal AC method, a sinusoidal AC electric field is applied and the migration state of the fine particles 8 accompanying the sinusoidal AC electric field is observed. However, the present invention is not limited to this. In some cases, application of a square wave AC electric field based on a square wave that switches the positive and negative properties at regular intervals (square wave AC method) is effective.

大きなマイクロ粒子(もしくは凝集体)の場合や、電界印加に伴って時間とともに凝集しやすい微粒子の場合など、測定状況に応じて正弦波交流法と矩形波交流法とを有効に使い分けることが可能である。例えば、比較的大きな粒径であるマイクロ粒子は、沈降も速く、状態が時々刻々と変化するので、リアルタイムで運動情報を取得できる位相モード動的超音波散乱法が有効である。その一方で、ナノ粒子の場合には、安定な信号を長時間に渡って記録できるので、小さい粒子の情報を十分な統計精度で測定したい場合には安定な時間信号の複素相関関数を構築できるFD−DSS方が好ましいことを本発明者らは見出した。 It is possible to effectively use the sine wave AC method and the square wave AC method depending on the measurement situation, such as in the case of large microparticles (or aggregates) or in the case of fine particles that easily aggregate with time when an electric field is applied. is there. For example, microparticles having a relatively large particle size settle quickly and their states change from moment to moment, so a phase mode dynamic ultrasonic scattering method that can acquire motion information in real time is effective. On the other hand, in the case of nanoparticles, a stable signal can be recorded over a long period of time, so if you want to measure information on small particles with sufficient statistical accuracy, you can build a complex correlation function of a stable time signal. The present inventors have found that FD-DSS is preferable.

正弦波交流電界印加に伴う粒子運動の状態変化の観察には、特にリアルタイムで速度場が観察できる位相モードDSS(Phase-mode DSS)法が有効であることを本発明者らは見出した。これは、前述のように位相モードDSS法がサンプルの状態変化に十分に高速に追従して情報を取得できるという解析原理による。 The present inventors have found that the phase-mode DSS method, which enables observation of the velocity field in real time, is particularly effective for observing changes in the state of particle motion due to the application of a sinusoidal AC electric field. This is based on the analysis principle that the phase mode DSS method can acquire information by following the state change of the sample at a sufficiently high speed as described above.

逆に、一定時間一定の電界を矩形波により印加する矩形波交流法の場合には、複素相関関数法(周波数ドメイン動的超音波散乱(FD−DSS)法)が有効であることを本発明者らは見出した。FD−DSS法は、時間に対して比較的安定な信号を解析することに適しており、その中の小さな揺らぎを検出することに適しているためである。矩形信号の安定部分は、定常性が保たれているので、その領域で相関関数を構築すると微細な粒子の情報を十分な統計精度を保って分析することが可能である。 On the contrary, in the case of the square wave AC method in which a constant electric field is applied by a square wave for a certain period of time, the complex correlation function method (frequency domain dynamic ultrasonic scattering (FD-DSS) method) is effective. They found. This is because the FD-DSS method is suitable for analyzing a signal that is relatively stable with respect to time, and is suitable for detecting small fluctuations in the signal. Since the stationary part of the rectangular signal is kept stationary, it is possible to analyze the information of fine particles with sufficient statistical accuracy by constructing a correlation function in that region.

電界印加器2は、電気泳動セル9中の帯電した微粒子8に矩形波電圧(矩形波交流電界)を印加する。そして、トランスデューサ3は矩形波電圧を印加されて泳動する微粒子8に超音波パルスを照射し、泳動する微粒子8により散乱された超音波パルスを受信する。 The electric field applyer 2 applies a square wave voltage (square wave AC electric field) to the charged fine particles 8 in the electrophoresis cell 9. Then, the transducer 3 irradiates the moving fine particles 8 with an ultrasonic pulse by applying a rectangular wave voltage, and receives the ultrasonic pulses scattered by the running fine particles 8.

そして、前記超音波パルスの伝搬時間tと微粒子8の泳動に対する観測時間Tに基づく第1散乱振幅Ψ(t、T)が生成される。 Then, the first scattering amplitude Ψ (t, T) is generated based on the propagation time t of the ultrasonic pulse and the observation time T for the migration of the fine particles 8.

次に、泳動速度算出器4は、第1散乱振幅Ψ(t、T)を伝搬時間tの方向にフーリエ変換した周波数fと観測時間Tの関数である第2散乱振幅Ψ(f、T)を生成する。そして、この第2散乱振幅Ψ(f、T)の実数部及び虚数部に基づいて振幅r(f、T)及び位相θ(f、T)をそれぞれ泳動速度算出器4は算出する。次に、振幅r(f、T)及び前記位相θ(f、T)に基づいて複素相関関数を泳動速度算出器4は求める。その後、泳動速度算出器4はこの複素相関関数に基づいて微粒子8の泳動速度を算出する。 Next, the migration speed calculator 4 Fourier-transforms the first scattering amplitude Ψ (t, T) in the direction of the propagation time t, and the second scattering amplitude Ψ (f, T) is a function of the frequency f and the observation time T. To generate. Then, the migration speed calculator 4 calculates the amplitude r (f, T) and the phase θ (f, T) based on the real part and the imaginary part of the second scattering amplitude Ψ (f, T), respectively. Next, the migration speed calculator 4 obtains a complex correlation function based on the amplitude r (f, T) and the phase θ (f, T). After that, the migration rate calculator 4 calculates the migration rate of the fine particles 8 based on this complex correlation function.

このように、泳動速度算出器4は、複素相関関数法に基づいて、泳動する微粒子8により散乱されてトランスデューサ3により受信された超音波パルスから、泳動する微粒子8の速度場(速度の時空間イメージ)を解析し、微粒子8の泳動速度を算出する。 As described above, the migration speed calculator 4 is based on the complex correlation function method, and the velocity field (time and space of velocity) of the moving fine particles 8 is obtained from the ultrasonic pulse scattered by the moving fine particles 8 and received by the transducer 3. Image) is analyzed, and the migration speed of the fine particles 8 is calculated.

その後、ゼータ電位算出器5は、泳動速度算出器4により算出された微粒子8の泳動速度vobsに基づいて、微粒子8のゼータ電位を算出する。具体的には、ゼータ電位算出器5は、図4を参照して前述したように、泳動速度vobsから電気浸透流成分を分離することにより微粒子8の泳動速度vを算出する。そして、ゼータ電位算出器5は泳動速度vを電界の大きさE(V/m)で規格化することにより電気泳動移動度μを算出する。次に、この電気泳動移動度μと、誘電率εと、粘度ηとに基づいてゼータ電位算出器5はゼータ電位ζを算出する。 After that, the zeta potential calculator 5 calculates the zeta potential of the fine particles 8 based on the migration speed vobs of the fine particles 8 calculated by the migration speed calculator 4. Specifically, the zeta potential calculator 5, as described above with reference to FIG. 4, to calculate the migration speed v p of the particles 8 by separating the electro-osmotic flow component from the migration speed v obs. Then, the zeta potential calculator 5 calculates the electrophoretic mobility μ by normalizing the migration velocity v p in the electric field of magnitude E (V / m). Next, the zeta potential calculator 5 calculates the zeta potential ζ based on the electrophoresis mobility μ, the dielectric constant ε, and the viscosity η.

図11(a)〜(f)は矩形波交流法による印加電圧に対する微粒子の泳動運動の依存性を示すグラフである。ここで、電極間距離は3cmに設定している。 11 (a) to 11 (f) are graphs showing the dependence of the migration motion of fine particles on the applied voltage by the square wave AC method. Here, the distance between the electrodes is set to 3 cm.

図11(a)は微粒子8に印加される電界強度Eppが2.6(V/cm)である例を示し、図11(d)は電界強度Eppが2.6(V/cm)で測定された微粒子8の泳動速度を示す。図11(b)は電界強度Eppが4(V/cm)である例を示し、図11(e)は電界強度Eppが4(V/cm)で測定された微粒子8の泳動速度を示す。図11(c)は電界強度Eppが5.4(V/cm)である例を示し、図11(f)は電界強度Eppが5.4(V/cm)で測定された微粒子8の泳動速度を示す。 FIG. 11 (a) shows an example in which the electric field strength Epp applied to the fine particles 8 is 2.6 (V / cm), and FIG. 11 (d) is measured at an electric field strength Epp of 2.6 (V / cm). The migration speed of the fine particles 8 is shown. FIG. 11B shows an example in which the electric field strength Epp is 4 (V / cm), and FIG. 11 (e) shows the migration speed of the fine particles 8 measured at the electric field strength Epp of 4 (V / cm). FIG. 11 (c) shows an example in which the electric field strength Epp is 5.4 (V / cm), and FIG. 11 (f) shows the migration of the fine particles 8 measured at the electric field strength Epp of 5.4 (V / cm). Indicates speed.

微粒子8に印加される電界強度Eppが1(V/cm)未満である領域で複素相関関数法を適用した場合、微粒子8の泳動速度が遅いため、微粒子8の泳動による複素相関関数の振動の振動点が長時間側にシフトする。このため、微粒子8の緩和時間によっては泳動速度の実測が困難になるので好ましくない。時間遅れは緩和時間で約3秒である。 When the complex correlation function method is applied in a region where the electric field strength Epp applied to the fine particles 8 is less than 1 (V / cm), the migration speed of the fine particles 8 is slow, so that the vibration of the complex correlation function due to the migration of the fine particles 8 The vibration point shifts to the long-time side. Therefore, it is difficult to actually measure the migration rate depending on the relaxation time of the fine particles 8, which is not preferable. The time delay is about 3 seconds in relaxation time.

電界強度Eppが10(V/cm)を超えると、電界印加器2の正極12又は負極11付近に集まった微粒子8が凝集するため好ましくない。微粒子8に印加される電界強度Eppは溶液の粘度や電極間距離などによっても変わるが、一般的な溶液の場合には、微粒子8に印加される電界強度Eppは1(V/cm)〜10(V/cm)が好ましい。 If the electric field strength Epp exceeds 10 (V / cm), the fine particles 8 gathered in the vicinity of the positive electrode 12 or the negative electrode 11 of the electric field applyer 2 are aggregated, which is not preferable. The electric field strength Epp applied to the fine particles 8 varies depending on the viscosity of the solution and the distance between the electrodes, but in the case of a general solution, the electric field strength Epp applied to the fine particles 8 is 1 (V / cm) -10. (V / cm) is preferable.

一般的には、適切な相関時間が確保されるように印加電圧(電界強度Epp)を定めることが好ましい。 In general, it is preferable to determine the applied voltage (electric field strength Epp) so that an appropriate correlation time is secured.

図12(a)〜(f)は矩形波交流法による電界周期に対する微粒子8の泳動運動の依存性を示すグラフである。 12 (a) to 12 (f) are graphs showing the dependence of the migration motion of the fine particles 8 on the electric field period by the square wave AC method.

図12(a)は微粒子8に印加される電界の周期Tが10秒である例を示し、図12(d)は電界の周期Tが10秒で測定された微粒子8の泳動速度を示す。図12(b)は電界の周期Tが20秒である例を示し、図12(e)は電界の周期Tが20秒で測定された微粒子8の泳動速度を示す。図12(c)は電界の周期Tが30秒である例を示し、図12(f)は電界の周期Tが30秒で測定された微粒子8の泳動速度を示す。 FIG. 12A shows an example in which the period T of the electric field applied to the fine particles 8 is 10 seconds, and FIG. 12D shows the migration speed of the fine particles 8 measured when the period T of the electric field is 10 seconds. FIG. 12B shows an example in which the electric field period T is 20 seconds, and FIG. 12E shows the migration speed of the fine particles 8 measured in the electric field period T of 20 seconds. FIG. 12 (c) shows an example in which the electric field cycle T is 30 seconds, and FIG. 12 (f) shows the migration speed of the fine particles 8 measured in the electric field cycle T of 30 seconds.

微粒子8に印加される電界の周期Tが30秒を超えると、微粒子8の動きが一方通行となり、電界印加器2の正極12又は負極11に微粒子8が溜まり、その結果、微粒子8の凝集が生じやすいため好ましくない。 When the period T of the electric field applied to the fine particles 8 exceeds 30 seconds, the movement of the fine particles 8 becomes one-way, and the fine particles 8 are accumulated in the positive electrode 12 or the negative electrode 11 of the electric field applyer 2, and as a result, the fine particles 8 are aggregated. It is not preferable because it easily occurs.

電界の周期Tが1秒を下回ると、複素相関関数が構築できないため好ましくない。つまり、印加電界の周期Tは1〜30秒が好ましい。 If the period T of the electric field is less than 1 second, a complex correlation function cannot be constructed, which is not preferable. That is, the period T of the applied electric field is preferably 1 to 30 seconds.

一般的には、印加電圧で決まる相関時間に対して十分な時間を確保しつつ、短い周期Tで矩形波電圧を微粒子8に印加することが好ましい。 In general, it is preferable to apply a rectangular wave voltage to the fine particles 8 with a short period T while ensuring a sufficient time for the correlation time determined by the applied voltage.

(測定結果)
図13は微粒子8のゼータ電位のpH依存性を示すグラフである。微粒子8がシリカ粒子の場合、pHの低い側ではゼータ電位は正になり、pHが大きくなるとゼータ電位は零に近づく。そして、等電点のpH3からpH4付近を超えるとゼータ電位は負になる。さらにpHが大きい塩基性の領域では、ゼータ電位は負の絶対値がさらに大きくなる。この系に塩を添加すると、微粒子8の電気二重層が遮蔽されて薄くなるので、図13に示すように、ゼータ電位の負の絶対値は小さくなり、グラフは全体的に零に近づき平坦となる。
(Measurement result)
FIG. 13 is a graph showing the pH dependence of the zeta potential of the fine particles 8. When the fine particles 8 are silica particles, the zeta potential becomes positive on the low pH side, and the zeta potential approaches zero as the pH increases. Then, when the isoelectric point exceeds pH 3 to around pH 4, the zeta potential becomes negative. In the basic region where the pH is higher, the zeta potential has a larger negative absolute value. When salt is added to this system, the electric double layer of the fine particles 8 is shielded and thinned, so that the negative absolute value of the zeta potential becomes small as shown in FIG. 13, and the graph becomes flat as a whole approaches zero. Become.

なお、電気泳動移動度の計算には、Henry式を用いるのがより一般的ではあるが、この塩基性の領域ではSmoluchowskiの式を用いても大差ない。以上のことから、ゼータ電位が、pHの関数、および、濃度の関数として正しく測定できることが示された。 Although it is more common to use the Henry formula for the calculation of the electrophoretic mobility, there is no big difference even if the Smoluchowski formula is used in this basic region. From the above, it was shown that the zeta potential can be correctly measured as a function of pH and a function of concentration.

図14は微粒子8のゼータ電位の粒子径依存性を示すグラフである。微粒子8が、直径が30ナノメートル、600ナノメートル、3マイクロメートル(3000ナノメートル)のシリカ粒子である場合についてゼータ電位を測定した例が図14に示されている。このように、マイクロ粒子、サブミクロン粒子、ナノ粒子といった様々な大きさの粒子径の微粒子8について、個々の微粒子8の泳動を独立に実測し、ゼータ電位を得ることに成功した。また、ゼータ電位の実測値と文献に記載されたゼータ電位の値との間の合致も良好であることから、本実施形態に係る測定方法の有効性が示された。 FIG. 14 is a graph showing the particle size dependence of the zeta potential of the fine particles 8. An example of measuring the zeta potential when the fine particles 8 are silica particles having diameters of 30 nanometers, 600 nanometers, and 3 micrometers (3000 nanometers) is shown in FIG. In this way, we have succeeded in obtaining the zeta potential by independently measuring the migration of individual fine particles 8 with respect to fine particles 8 having various sizes such as microparticles, submicron particles, and nanoparticles. In addition, the agreement between the measured value of the zeta potential and the value of the zeta potential described in the literature was also good, demonstrating the effectiveness of the measurement method according to the present embodiment.

図15は微粒子8のゼータ電位の試料濃度依存性を説明するためのグラフである。本実施形態の測定方法は、試料の乳濁を問題としないので、光を使った測定方法と比較して、かなり高濃度の試料まで測定が可能である。3マイクロメートルの粒子径を有するシリカ粒子のpH7におけるゼータ電位の体積分率依存性が図15に示されている。ナノ粒子とは異なり、直径が数マイクロメートル程度の粒子は光散乱が著しく、1%以下の希薄な条件ですら、計測が困難である。しかしながら、本実施形態に係る測定方法により数十%の試料濃度であっても電気泳動移動度の実測と、ゼータ電位の解析とが行えることがわかった。 FIG. 15 is a graph for explaining the sample concentration dependence of the zeta potential of the fine particles 8. Since the measuring method of the present embodiment does not have a problem of emulsion turbidity of the sample, it is possible to measure a sample having a considerably high concentration as compared with the measuring method using light. The volume fraction dependence of the zeta potential at pH 7 of silica particles having a particle size of 3 micrometers is shown in FIG. Unlike nanoparticles, particles with a diameter of about several micrometers have significant light scattering and are difficult to measure even under dilute conditions of 1% or less. However, it was found that the measurement method according to the present embodiment can measure the electrophoretic mobility and analyze the zeta potential even at a sample concentration of several tens of percent.

図16はムライト粒子のゼータ電位を示すグラフである。ムライト粒子のゼータ電位のpH依存性が、シリカ粒子のそれと対比されながら示されている。 FIG. 16 is a graph showing the zeta potential of mullite particles. The pH dependence of the zeta potential of mullite particles is shown in contrast to that of silica particles.

図17はポリジビニルベンゼン架橋体のゼータ電位の界面活性剤濃度依存性を示すグラフである。図18はポリジビニルベンゼン架橋体のゼータ電位の粒子濃度依存性を示すグラフである。 FIG. 17 is a graph showing the dependence of the zeta potential of the crosslinked polydivinylbenzene on the surfactant concentration. FIG. 18 is a graph showing the particle concentration dependence of the zeta potential of the crosslinked polydivinylbenzene.

シリカ粒子以外にも、ムライト粒子や、界面活性剤で分散させたポリスチレン系粒子の懸濁液のゼータ電位を測定することができた。 In addition to the silica particles, the zeta potential of the suspension of mullite particles and polystyrene-based particles dispersed with a surfactant could be measured.

本発明は上述した各実施形態に限定されるものではなく、請求項に示した範囲で種々の変更が可能であり、異なる実施形態にそれぞれ開示された技術的手段を適宜組み合わせて得られる実施形態についても本発明の技術的範囲に含まれる。 The present invention is not limited to the above-described embodiments, and various modifications can be made within the scope of the claims, and the embodiments obtained by appropriately combining the technical means disclosed in the different embodiments. Is also included in the technical scope of the present invention.

1 ゼータ電位測定装置
2 電界印加器
3 トランスデューサ(超音波受信器)
4 泳動速度算出器
5 ゼータ電位算出器
6 解析器
7 懸濁液(液体)
8 微粒子
9 電気泳動セル
10 セルホルダ
11 負極
12 正極
1 Zeta potential measuring device 2 Electric field applyer 3 Transducer (ultrasonic receiver)
4 Migration rate calculator 5 Zeta potential calculator 6 Analyzer 7 Suspension (liquid)
8 Fine particles 9 Electrophoresis cell 10 Cell holder 11 Negative electrode 12 Positive electrode

Claims (6)

乳濁液中の帯電した微粒子を泳動させるために電界印加方向に沿って前記帯電した微粒子に電界を印加する電界印加器と、
前記電界が印加された乳濁液中の微粒子に照射されて散乱された超音波パルスを受信する超音波受信器と、
前記超音波受信器により受信された超音波パルスに基づいて、前記電界印加方向に沿った前記乳濁液中の微粒子の泳動速度を動的超音波散乱法により算出する泳動速度算出器と、
前記泳動速度算出器により算出された前記乳濁液中の微粒子の泳動速度に基づいて、前記乳濁液中の微粒子のゼータ電位を算出するゼータ電位算出器とを備えることを特徴とするゼータ電位測定装置。
An electric field applyer that applies an electric field to the charged fine particles along the electric field application direction in order to run the charged fine particles in the emulsion.
An ultrasonic receiver that receives ultrasonic pulses scattered by irradiating fine particles in an emulsion to which an electric field is applied, and
Based on the ultrasonic pulse received by the ultrasonic receiver, the migration speed calculator that calculates the migration speed of the fine particles in the emulsion along the electric field application direction by the dynamic ultrasonic scattering method, and
A zeta potential calculator is provided, which calculates the zeta potential of the fine particles in the emulsion based on the migration rate of the fine particles in the emulsion calculated by the migration rate calculator. measuring device.
前記超音波パルスが、前記電界印加方向に交差する方向に沿って前記乳濁液中の微粒子に照射される請求項1に記載のゼータ電位測定装置。 The zeta potential measuring device according to claim 1 , wherein the ultrasonic pulse is applied to the fine particles in the emulsion along a direction intersecting the electric field application direction. 前記電界印加器が前記乳濁液中の微粒子に正弦波交流電界を印加し、
前記動的超音波散乱法が位相モード法を含む請求項1に記載のゼータ電位測定装置。
The electric field applyer applies a sinusoidal AC electric field to the fine particles in the emulsion,
The zeta potential measuring apparatus according to claim 1, wherein the dynamic ultrasonic scattering method includes a phase mode method.
前記正弦波交流電界の電界強度が2.0(V/cm(ボルト/センチメートル))以上であり、
前記正弦波交流電界に対応する正弦波信号の周期が1秒以上30秒以下である請求項3に記載のゼータ電位測定装置。
The electric field strength of the sinusoidal AC electric field is 2.0 (V / cm (volt / centimeter)) or more.
The zeta potential measuring device according to claim 3, wherein the period of the sinusoidal signal corresponding to the sinusoidal AC electric field is 1 second or more and 30 seconds or less.
前記電界印加器が前記乳濁液中の微粒子に矩形波交流電界を印加し、
前記動的超音波散乱法が複素相関関数法を含む請求項1に記載のゼータ電位測定装置。
The electric field applyer applies a square wave AC electric field to the fine particles in the emulsion,
The zeta potential measuring apparatus according to claim 1, wherein the dynamic ultrasonic scattering method includes a complex correlation function method.
前記矩形波交流電界の電界強度が1(V/cm)以上10(V/cm)以下であり、
前記矩形波交流電界に対応する矩形波信号の周期が1秒以上30秒以下である請求項5に記載のゼータ電位測定装置。
The electric field strength of the square wave AC electric field is 1 (V / cm) or more and 10 (V / cm) or less.
The zeta potential measuring device according to claim 5, wherein the period of the square wave signal corresponding to the square wave AC electric field is 1 second or more and 30 seconds or less.
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