JP7473200B2 - 動的光散乱測定装置、動的光散乱測定・解析方法、および、測定・解析プログラム - Google Patents

Description

本発明は、動的光散乱測定装置、動的光散乱測定・解析方法、および、測定・解析プログラムに関する。

微粒子の粒径およびその分布を測定する手法は数多く存在し、対象である粒子の大きさや性質によって決められる。そして、その多くが光を用いた測定手法である。直接観測である光学顕微鏡法や粒子からの散乱光の干渉現象を利用した静的光散乱法は、原理的に光の波長よりも小さい物質を観測することが困難であり、粒径２００ｎｍ以下の微粒子の観測には適さない。そのような微粒子の観測には、波長の短いプローブを用いた顕微鏡法や散乱法が有効であり、光の場合はＸ線がプローブに対応する。しかし、Ｘ線は可視光と比較して発生させることが困難であり、高価な装置が必要となる。加えて、Ｘ線は１光子あたりのエネルギーが可視光と比較して桁違いに大きいため、高分子などの有機材料で構成された微粒子に照射すると、微粒子に不可逆的なダメージが与えられることも多い。その他の波長の短いプローブを用いた手法として、電子線を用いた電子顕微鏡法が挙げられるが、Ｘ線散乱装置と同様に高価であり、また試料を真空中に置く必要がある。これらの実験手法と比較して、安価で光の波長よりも小さい粒子の粒径分布を観測できる手法として動的光散乱法がある（例えば、特許文献１および２を参照）。

特許文献１および２によれば、高分子やコロイド溶液に対して光を照射し、生じた散乱光の強度の時間相関関数を測定することによって、溶液中の粒子の粒径分布を測定する手法を採用する。このような手法は、１分以内で様々な粒径の溶質を含んだ溶液の粒径分布を測定できる簡便な手法として広く用いられている。

特許文献１および２によれば、定常発振型レーザ光源、ミラーやレンズなどで構成される光学系、透明なセルに入った液体試料、フォトンカウンティングモジュール、オートコリレータ、パーソナルコンピュータを備える粒径測定装置を開示する。

レーザ光は液体試料に集光され、発生した散乱光は適切な光学系を経てフォトンカウンティングモジュールに集光され、１光子レベルでの検出が行われる。光子の到達時間を逐一オートコリレータで取り込み、ハードウェア上で光子の時間相関関数を計算し、パーソナルコンピュータへとデータが転送される。得られた時間相関関数は、パーソナルコンピュータ上でキュムラント法やＣＯＮＴＩＮ法などの手法によって解析を行い、粒径分布関数へと変換される。

このように動的光散乱法によれば、簡便に粒径分布を測定できるが、白濁系や有色系の液体試料に対しては適用できなかった。この問題に対して、顕微鏡を用いた粒径測定装置が開発された（例えば、非特許文献１を参照）。

非特許文献１によれば、レーザ光を顕微鏡下の対物レンズで液体試料に照射、そこから出てきた後方散乱光を同一の対物レンズで集光し、検出する。このようにすることで白濁系や有色系の液体試料も測定可能となった。

一方、高価なオートコリレータを用いず、ソフトウェア上で動的光散乱を実施する技術が開発された（例えば、特許文献３および４、非特許文献２および３を参照）。特許文献３および４ならびに非特許文献２および３によれば、フォトンカウンティングモジュールへの光子の到達時間を、データ収集モジュールを介してパーソナルコンピュータ内で一時的に記録し、ソフトウェア上でオートコリレータと同等の機能を達成して時間相関関数を計算する手法を報告する。この手法を用いることによって、測定可能な相関時間の下限は１桁ほど劣るものの、オートコリレータと比較して数分の１のコストで動的光散乱を実装することが可能になった。

動的光散乱は、上述したように、微粒子からの散乱光の位相のずれを検知する手法である。散乱光は粒径が大きくなるほど強いため、浮遊しているほこりなど、マイクロメートルオーダの汚染物質が存在すると、微粒子からの散乱光と比較して非常に強い散乱光が検出される。そのため、この汚染物質からの光によって、散乱光の揺らぎの情報が隠されてしまうという問題があった。汚染物質をあらかじめ取り除くため、試料は測定前にフィルタを通すことが多い。しかし、フィルタにより微粒子の粒径分布が影響を受ける可能性や、フィルタによる試料のロスを考えると、フィルタを使うことなく、多少の汚染物質があっても測定可能な動的光散乱観測装置が望ましい。

オートコリレータを用いた測定を行う際は、オートコリレータに固有の相関時間でしか測定できない。ソフトウェア上で時間相関関数を計算する場合は時間幅を任意に決められるものの、測定前に相関関数の時間幅を決定する必要がある。しかし、適切な相関時間は測定前には不明であるため、適切な相関時間での測定を行うためには複数回の測定を行わなければならない可能性がある。

例えば、高い粘度を持つ溶液からの動的光散乱は、ミリ秒～秒オーダの長い相関時間での観測が必要になるが、これは前述の汚染物質由来のノイズの影響を受けやすいことと、長い相関時間を取得する検出系が一般的でないことから、正確な測定が難しいと考えられている。

特開昭６３－２６５１３８号公報 特開平２－９６６３６号公報 特開２００６－７１４９７号公報 特開２０１２－１９４１６５号公報

Ｔ． Ｈｉｒｏｉら，Ｏｐｔ．Ｅｘｐｒｅｓｓ，２１，２０２６０，２０１３ Ｄ． Ｍａｇａｔｔｉら，Ａｐｐｌ．Ｏｐｔ．，Ｖｏｌ．４０，４０１１，２００１ Ｊ． Ｄｏｎｇら，Ｊ．Ｂｉｏｍｅｄ．Ｏｐｔ．，１７（９），０９７００４，２０１２

以上から、本発明の課題は、液体試料中の任意の粒子の粒径および／または粒径分布を、動的光散乱法を用いて汚染物質の影響を排除し、１回の計測で正しく測定する動的光散乱測定装置、その測定・解析方法、および、その測定・解析プログラムを提供することである。

本発明の粒子を含有する液体試料中の前記粒子の粒径および／または粒径分布を動的光散乱法により測定する装置は、連続発振レーザ光を発し、前記液体試料に照射する光源と、前記液体試料からの散乱光子の到達時間を検出し、電気パルスを生成する光子検出装置と、前記電気パルスの到達時間を収集し、光子到達時間リストを生成するデータ収集装置と、前記光子到達時間リストを処理する情報処理装置とを備え、前記情報処理装置は、前記光子到達時間リストを用いて時間相関関数を演算する時間相関関数演算処理部と、前記演算された時間相関関数を用いて前記光子到達時間リストが前記粒子からの散乱光子以外のノイズ成分を含むか否かを判定するノイズ判定部と、前記ノイズ判定部が、前記光子到達時間リストが前記ノイズ成分を含まないと判定するまで、前記光子到達時間リストから前記ノイズ成分を除去するノイズ除去部と、前記演算された時間相関関数を用いて前記粒子の粒径および／または粒径分布を演算する粒径演算部とをさらに備え、これにより上記課題を解決する。
前記光子検出装置で生成した前記電気パルスのパルス幅を伸長させ、不感時間を設けるパルス幅伸長・デッドタイム調整器をさらに備えてもよい。
上記動的光散乱装置は、顕微鏡を備え、前記光源は、前記連続発振レーザ光を前記顕微鏡の対物レンズを介して前記液体試料に照射し、前記光子検出装置は、前記液体試料からの散乱光子として後方散乱光子を、前記対物レンズを介して検出してもよい。
前記光子検出装置が検出する前記散乱光子の散乱角度を可変にする角度可変機構を備えてもよい。
前記ノイズ判定部は、前記演算された時間相関関数の収束値が１．０５を超える場合に、前記光子到達時間リストが前記ノイズ成分を含むと判定し、前記演算された時間相関関数の収束値が１．０５以下である場合に、前記光子到達時間リストが前記ノイズ成分を含まないと判定してもよい。
前記粒径演算部は、指数関数によるフィッティング法、キュムラント法、ヒストグラム法およびＣＯＮＴＩＮ法からなる群から少なくとも１つ選択される解析法を用いてもよい。
前記時間相関関数演算部は、前記時間相関関数ｇ^（２）（τ）を、次式に基づいて演算してもよい。

ここで、Δｔは任意に決められる相関時間の最小の時間幅であり、ｎ（ｔ）は、前記光子到達時間リスト中のある時間ｔ～ｔ＋Δｔの間に検出された散乱光子数であり、Ｎは測定時間をΔｔで除した値であり、＜・・・＞_Δｔは時間平均を表す。
前記時間相関関数演算部は、前記時間相関関数ｇ^（２）（τ）を、前記光子到達時間リストのフーリエ変換を二乗したパワースペクトルを求め、前記パワースペクトルを逆フーリエ変換して算出してもよい。
本発明の粒子を含有する液体試料中の前記粒子の粒径および／または粒径分布を動的光散乱法により測定・解析する方法は、連続発振レーザ光を前記液体試料に照射することと、前記液体試料からの散乱光子の到達時間を検出し、電気パルスを生成することと、前記電気パルスの到達時間を収集し、光子到達時間リストを生成することと、前記光子到達時間リストを用いて時間相関関数を演算することと、前記演算された時間相関関数を用いて前記光子到達時間リストが前記粒子からの散乱光子以外のノイズ成分を含むか否かを判定することと、前記判定することにおいて、前記光子到達時間リストが前記ノイズ成分を含まないと判定するまで、前記光子到達時間リストからノイズ成分を除去することと、前記判定することにおいて、前記光子到達時間リストが前記ノイズ成分を含まないと判定した場合、前記演算された時間相関関数を用いて前記粒子の粒径および／または粒径分布を演算することとを包含し、これにより上記課題を解決する。
前記電気パルスのパルス幅を伸長させ、不感時間を設けることをさらに包含してもよい。
前記照射することは、前記連続発振レーザ光を顕微鏡の対物レンズを介して前記液体試料に照射し、前記検出し、生成することは、前記液体試料からの散乱光子として後方散乱光子を、前記対物レンズを介して検出してもよい。
前記検出し、生成することは、前記散乱光子の散乱角度を可変にして検出してもよい。
前記判定することは、前記演算された時間相関関数の収束値が１．０５を超える場合に、前記光子到達時間リストが前記ノイズ成分を含むと判定し、前記演算された時間相関関数の収束値が１．０５以下である場合に、前記光子到達時間リストが前記ノイズ成分を含まないと判定してもよい。
本発明の粒子を含有する液体試料中の前記粒子の粒径および／または粒径分布を動的光散乱法により測定する動的光散乱測定装置に用いられる測定・解析プログラムは、前記動的光散乱測定装置が、連続発振レーザ光を発し、前記液体試料に照射する光源と、前記液体試料からの散乱光子の到達時間を検出し、電気パルスを生成する光子検出装置と、前記電気パルスの到達時間を収集し、光子到達時間リストを生成するデータ収集装置と、前記光子到達時間リストを処理する情報処理装置とを備え、前記光子到達時間リストを用いて時間相関関数を演算する機能と、前記演算された時間相関関数を用いて前記光子到達時間リストが前記粒子からの散乱光子以外のノイズ成分を含むか否かを判定する機能と、前記判定する機能が、前記光子到達時間リストが前記ノイズ成分を含まないと判定するまで、前記光子到達時間リストから前記ノイズ成分を除去する機能と、前記演算された時間相関関数を用いて前記粒子の粒径および／または粒径分布を演算する機能とをコンピュータに実現させ、これにより上記課題を解決する。

本発明の動的光散乱測定装置は、連続発振レーザ光を発し、粒子を含有する液体試料に照射する光源と、液体試料からの散乱光子の到達時間を検出し、電気パルスを生成する光子検出装置と、電気パルスの到達時間を収集し、光子到達時間リストを生成するデータ収集装置と、光子到達時間リストを処理する情報処理装置とを備える。さらに、情報処理装置は、光子到達時間リストを用いて時間相関関数を演算する時間相関関数演算処理部と、演算された時間相関関数を用いて光子到達時間リストが粒子からの散乱光子以外のノイズ成分を含むか否かを判定するノイズ判定部と、ノイズ判定部が、光子到達時間リストがノイズ成分を含まないと判定するまで、光子到達時間リストからノイズ成分を除去するノイズ除去部と、演算された時間相関関数を用いて粒子の粒径および／または粒径分布を演算する粒径演算部とを備える。

このように、情報処理装置は、すべての散乱光子の情報である光子到達時間リストを作成後に処理を行うため、測定後の処理時に相関関数の適切な時間幅に基づいた正確な粒径および／または粒径分布の測定を可能とする。さらに、ノイズ判定部が、光子到達時間リスト中の粒子以外の成分によるノイズ成分の有無を判定するので、ノイズ成分を有する場合には、ノイズ成分が除去された光子到達時間リストが作成される。この結果、ノイズ成分を有しない正確な光子到達時間リストを用いて時間相関関数が演算され、正確な粒径および／または粒径分布を測定できる。

本発明における動的光散乱測定・解析方法は、すべての散乱光子の情報である光子到達時間リストを作成後にデータ処理を行うため、測定後の処理時に相関関数の適切な時間幅に基づいた正確な粒径および／または粒径分布の測定を可能とする。さらに、光子到達時間リスト中の粒子以外の成分によるノイズ成分の有無を判定し、ノイズ成分が除去された光子到達時間リストを作成するので、ノイズ成分を有しない正確な光子到達時間リストを用いて時間相関関数を演算し、正確な粒径および／または粒径分布を測定できる。また、本発明は、このような機能をコンピュータが実行する測定・解析プログラムを提供する。

本発明の動的光散乱測定装置を示す模式図 例示的なグラフィカルユーザインターフェース（ＧＵＩ）画面を示す図 例示的な時間相関関数演算設定画面を示す図 例示的なノイズ除去設定画面を示す図 例示的な解析項目設定画面を示す図 例示的な結果表示画面を示す図 例示的な別の結果表示画面を示す図 本発明の別の動的光散乱測定装置を示す模式図 例示的なパルス幅伸長・デッドタイム調整器による電気パルスの変化を示す模式図 本発明の別の動的光散乱測定装置を示す模式図 本発明の別の動的光散乱測定装置を示す模式図 本発明の動的光散乱測定・解析の工程を示すフローチャート ノイズ成分を除去前の光子到達時間リストによる散乱光子数の時間変化を示す図 ノイズ成分を除去前の光子到達時間リストによる時間相関関数を示す図 ノイズ成分を除去後の光子到達時間リストによる散乱光子数の時間変化を示す図 ノイズ成分を除去後の光子到達時間リストによる時間相関関数を示す図

以下、図面を参照しながら本発明の実施の形態を説明する。なお、同様の要素には同様の番号を付し、その説明を省略する。

本発明の動的光散乱測定装置、その測定・解析方法およびその測定・解析プログラムについて説明する。
図１は、本発明の動的光散乱測定装置を示す模式図である。

本発明の動的光散乱測定装置１００は、粒子１１０を含有する液体試料１２０中の粒子の粒径および／または粒径分布を、動的光散乱法を用いて測定する。ここで、測定対象である粒子１１０としては、金属、無機物、有機物、高分子を問わない。また、これら粒子１１０が分散した液体試料１２０としては、濃度や粘度に制限はない。また、白濁あるいは有色の液体試料であってもよい。

本発明の動的光散乱測定装置１００は、少なくとも、連続発振レーザ光を発し、液体試料に照射する光源１３０と、液体試料１２０からの散乱光子の到達時間を検出し、電気パルスを生成する光子検出装置１４０と、光子検出装置１４０が生成した電気パルスの到達時間を収集し、光子到達時間リストを生成するデータ収集装置１５０と、光子到達時間リストを処理する情報処理装置１６０とを備える。

このような構成により、本発明の動的光散乱測定装置１００は、すべての散乱光子の情報である光子到達時間リストを作成後にデータ処理するため、測定後の処理時に相関関数の適切な時間幅に基づいた正確な粒径および／または粒径分布の測定を可能とする。光子到達時間リストが粒子１１０以外のノイズ成分を有する場合には、ノイズ成分が除去された光子到達時間リストを作成できるので、ノイズ成分を有しない正確な光子到達時間リストを用いて時間相関関数が演算され、正確な粒径および／または粒径分布を測定できる。したがって、測定前に予め汚染物質を除去するためにフィルタを通すなどの前処理を不要とする。以降では、各構成要素を詳細に説明する。

光源１３０は、連続発振レーザ光を発するものであれば特に制限はなく、気体レーザ、固体レーザ、半導体レーザなどを使用できる。レーザ光の波長に特に制限はないが、光子検出装置１４０の波長検出感度に応じて選択される。例えば、レーザ光として波長７００ｎｍ以上４μｍ以下の範囲の近赤外～赤外領域の光を用いる場合、生体組織へのダメージが少なく侵入長も長いため、血管中の血液のダイナミクス測定など医学用途に有利である。

光源１３０からのレーザ光が液体試料１２０に照射されるよう、必要に応じて、レンズ、ミラー等の光学系（図示せず）を設けてもよい。

なお、液体試料１２０は、光源１３０からのレーザ光が透過可能な容器（セル）に封入してもよいし、レーザ光が透過可能なプレパラートに封入してもよい。本発明の動的光散乱測定装置１００は、液体試料１２０を充填したセルを収容するセルホルダー（図示せず）を備えてもよい。

光子検出装置１４０は、レーザ光が照射された際の液体試料１２０からの散乱光子の到達時間を検出し、電気パルスを生成する。電気パルスのパルス幅は、例示的には、数十ナノ秒～数百ナノ秒である。このような光子検出装置１４０をフォトンカウンティングモジュールと呼ぶ場合がある。液体試料１２０からの散乱光子は、必要に応じて、レンズ、ピンホール、光ファイバ等の光学系（図示せず）を介して光子検出装置１４０で検出されるようにしてよい。

データ収集装置１５０は、光子検出装置１４０と有線にて接続されており、光子検出装置１４０で生成された電気パルスを収集し、収集した電気パルスに基づいて光子到達時間リストを生成する。データ収集装置１５０には、データを入力し、出力可能な入出力モジュールを用いることができる。ここで、生成される光子到達時間リストは、液体試料１２０からのすべての散乱光子が光子検出装置１４０に到達した時間の情報を含む。例えば、光子到達時間リストは、（Ｎ個目の光子，Ｎ個目の光子の到達時間）で表される。Ｎは自然数である。

情報処理装置１６０は、データ収集装置１５０で収集した光子到達時間リストをデータ処理して、時間相関関数を演算し、粒子の粒径および／または粒径分布を算出する。

詳細には、情報処理装置１６０は、機能ブロックとして、光子到達時間リストを用いて時間相関関数を演算する時間相関関数演算処理部１６１と、演算された時間相関関数を用いて光子到達時間リストが粒子からの散乱光子以外のノイズ成分を含むか否かを判定するノイズ判定部１６２と、光子到達時間リストからノイズ成分を除去するノイズ除去部１６３と、演算された時間相関関数を用いて粒子の粒径および／または粒径分布を演算する粒径演算部１６４とをさらに備える。

ここで、ノイズ除去部１６３は、ノイズ判定部１６２と協働し、ノイズ判定部１６２が光子到達時間リストがノイズ成分を含まないと判定するまで、光子到達時間リストからノイズ成分を除去する。この結果、粒径演算部１６４は、ノイズ判定部１６２においてノイズ成分を含まないと判定された光子到達時間リストによる時間相関関数を用いて粒子の粒径および／または粒径分布を演算するため、汚染物質の影響を排除し１回の計測で正しく動的光散乱測定を行うことができる。

情報処理装置１６０は、粒径演算部１６４による結果（例えば、粒径、粒径分布）を表示する表示装置１７０を備えてもよい。表示装置１７０は、例えば、液晶ディスプレイ、有機ＥＬ（ＯＬＥＤ：Ｏｒｇａｎｉｃ Ｌｉｇｈｔ Ｅｍｉｔｔｉｎｇ Ｄｉｏｄｅ）、プラズマディスプレイ等である。表示装置１７０には、結果に加えて、時間相関関数演算処理部１６１、ノイズ判定部１６２、ノイズ除去部１６３、粒径演算部１６４それぞれの測定・解析条件の設定画面等が表示されてもよい。

情報処理装置１６０は、ユーザからの入力操作を受け付ける入力装置１８０を備えてもよい。入力装置１８０は、例えば、キーボード、マウス、ボタン、タッチパネル、タッチセンサ、タッチペン、音声入力等である。

時間相関関数演算処理部１６１は、光子到達時間リストを用いて時間相関関数を演算する。ここで、演算に用いる光子到達時間リストは、少なくとも、データ収集装置１５０で生成された光子到達時間リストであるが、上述したノイズ除去部１６３が、ノイズ成分が除去された光子到達時間リストを作成した場合には、ノイズ成分が除去された光子到達時間リストである。

時間相関関数演算処理部１６１は、時間相関関数ｇ^（２）（τ）を、次式に基づいて演算してよい。これを定義に基づいた直接計算と呼ぶ。

ここで、Δｔは任意に決められる相関時間の最小の時間幅であり、ｎ（ｔ）は、光子到達時間リスト中のある時間ｔ～ｔ＋Δｔの間に検出された散乱光子数であり、Ｎは測定時間をΔｔで除した値であり、＜・・・＞_Δｔは時間平均を表す。

あるいは、時間相関関数演算処理部１６１は、時間相関関数ｇ^（２）（τ）を、光子到達時間リストのフーリエ変換を二乗したパワースペクトルを求め、そのパワースペクトルを逆フーリエ変換して算出してもよい。これをフーリエ変換に基づいた計算と呼ぶ。このような選択は、後述する動的光散乱測定・解析プログラムにおいてユーザの指示によって行うことができる。

ノイズ判定部１６２は、時間相関関数演算処理部１６１で演算された時間相関関数を用いて、演算に用いた光子到達時間リストが粒子１１０からの散乱光子以外のノイズ成分を含むか否かを判定する。このようなノイズ成分は、液体試料１２０中に浮遊するマイクロメートルオーダのほこりや不純物であり得る。

ノイズ判定部１６２は、好ましくは、演算された時間相関関数の収束値が１．０５を超える場合には光子到達時間リストがノイズ成分を含むと判定し、収束値が１．０５以下である場合には光子到達時間リストがノイズ成分を含まないと判定する。時間相関関数の収束値が１．０５を超えると、ノイズ成分の影響を無視できず、正確な粒径や粒径分布が得られない場合があり得るため、本願明細書では１．０５を閾値とするが、より高精度な結果が必要な場合には１．０５より小さい値を採用してもよい。

ノイズ判定部１６２が、光子到達時間リストがノイズ成分を含むと判定した場合に、ノイズ除去部１６３は、その光子到達時間リストからノイズ成分を除去する。

光子到達時間リストは、散乱光子が光子検出装置１４０に到達した時間の情報を含むが、ノイズ除去部１６３は、好ましくは、一定時間内（例えば１ｓ）に検出された散乱光子の数が、平均散乱光子検出数と比較して所定の範囲（例えば、標準偏差の０．５倍）を超える場合、光子到達時間リストから該当時間領域のデータを削除する。このような所定の範囲の設定は、後述する動的光散乱測定・解析プログラムにおいてユーザの指示によって行うことができる。

ノイズ除去部１６３は、ノイズ成分が除去された光子到達時間リストを作成すると、記憶部（図示せず）に格納してもよい。格納した光子到達時間リストは、後述する動的光散乱測定・解析プログラムにおいてユーザの指示によって読み出すことができる。

時間相関関数演算処理部１６１は、ノイズ除去部１６３が作成したノイズ成分が除去された光子到達時間リストを記憶部から読み出し、あるいは、ノイズ除去部１６３から受け取り、再度、時間相関関数を演算する。ノイズ判定部１６２は、演算された時間相関関数を用いて、再度、ノイズ成分が除去された光子到達時間リストがノイズ成分を含むか否かを判定する。時間相関関数演算処理部１６１、ノイズ判定部１６２およびノイズ除去部１６３が、ノイズ判定部１６２が、ノイズ成分を含まないと判定するまで、上記処理を繰り返し行う。

粒径演算部１６４は、ノイズ判定部１６２がノイズ成分を含まないと判定すると、ノイズ成分を含まないと判定された光子到達時間リストを用いて演算された時間相関関数を用いて、粒子１１０の粒径および／または粒径分布を演算する。

粒径演算部１６４は、好ましくは、指数関数によるフィッティング法、キュムラント法、ヒストグラム法およびＣＯＮＴＩＮ法からなる群から少なくとも１つ選択される解析法を用いる。これらはいずれも時間相関関数を用いて粒径や粒径分布を算出する解析法として知られている。

例えば、指数関数によるフィッティング法として、演算された時間相関関数を次式に代入し、粒径ｄを求めることができる。
ｇ^（２）（τ）＝１＋Ａｅ^－２Γｔ
ここで、Ａは、図１の動的光散乱測定装置１００の光学配置によって決まる干渉性因子であり、０＜Ａ≦１である。Γは並進拡散係数Ｄを用いて、次式のように表される。
Γ＝ｑ^２Ｄ
ｑ＝４πｎ_０／λ_０×ｓｉｎ（θ／２）
ここで、ｑは散乱ベクトルであり、ｎ_０は液体試料１２０中の液体の波長λ_０における屈折率であり、λ_０は連続発振レーザ光の波長である。
粒子１１０の粒径（流体力学的直径）ｄは、アインシュタイン・ストークスの式を用いて、並進拡散係数Ｄから算出される。
ｄ＝ｋＴ／（３πη_０Ｄ）
ここで、ｋはボルツマン定数であり、Ｔは測定温度（絶対温度）であり、η_０は液体の粘度である。

上述のいずれの解析法を採用したとしても、粒径演算部１６４が用いる演算された時間相関関数は、ノイズ成分が除去されているため、正確な粒径、粒径分布を測定できる。

情報処理装置１６０は、ノイズ判定部１６２、ノイズ除去部１６３、粒径演算部１６４等の各機能ブロックは、ハードウェアロジックによって構成してもよいし、ＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ）を用いてソフトウェアによって実現してもよい。

次に、情報処理装置１６０の各機能ブロックを、例示的なグラフィカルユーザインターフェース（ＧＵＩ）画面を参照して詳細に説明する。
図２は、例示的なグラフィカルユーザインターフェース（ＧＵＩ）画面を示す図である。
図２には、ユーザが動的光散乱測定装置１００による測定・解析プログラムを操作するための操作画面として、例示的なＧＵＩ画面が示される。操作画面は、表示装置１７０に表示されてよい。このような画面操作は、入力装置１８０によって行われてよい。

情報処理装置１６０のデータ処理は、光源１１０が連続発振レーザ光を液体試料１２０に照射し、光子測定装置１４０が液体試料１２０からの散乱光子すべての到達時間を検出し、電気パルスを生成し、データ収集装置１５０が電気パルスの到達時間を収集し、光子到達時間リストを生成し、時間相関関数演算部１６１に送られてから行われるが、生成された光子到達時間リストを記憶部（図示せず）に格納するようにしてもよい。

トップページ２００には、時間相関関数演算設定ボタン２１０、ノイズ除去設定ボタン２２０、解析項目設定ボタン２３０、解析実行ボタン２４０、結果表示ボタン２５０および終了ボタン２６０を備える。

図３は、例示的な時間相関関数演算設定画面を示す図である。

ユーザが動的光散乱測定・解析プログラムを起動し、時間相関関数演算設定ボタン２１０を選択すると、時間相関関数演算設定画面３００に移る。時間相関関数設定画面３００では、ユーザは、入力装置１８０によって、時間相関関数を演算する光子到達時間リストを指定し、時間相関関数の最小の時間幅を設定し、時間相関関数の演算法（定義に基づいた直接計算またはフーリエ変換に基づいた計算）を選択し、ノイズ判定のための時間相関関数の収束値を入力する。時間幅は、液体試料１２０に応じて、ユーザが任意に設定できるので、正確な粒径、粒径分布の測定を可能にする。本発明の動的光散乱測定装置１００を用いれば、相関時間が長い（例えば１秒以上）とされる粘性の液体試料の場合であっても、測定後に任意に時間幅を設定できるので、時間相関関数の演算を可能にするとともに、長時間測定に伴う、ノイズ成分の影響も除去できる。

図３では、ファイル名として、Ｓａｍｐｌｅ１＿ｒａｗ．ｔｘｔと表示され、サンプル番号１の液体試料の未処理の光子到達時間リストが選択されている。また、時間幅２×１０^－５秒（図中「ｅ」は１０のべき乗を表す）で時間相関関数を直接計算し、得られた収束値が１．０５以下であるか否かを判定するようになっている。

図４は、例示的なノイズ除去設定画面を示す図である。

ユーザがノイズ除去設定ボタン２２０を選択すると、ノイズ除去設定画面４００に移る。ノイズ除去設定画面４００では、ユーザは、時間幅、および、許容偏差を入力する。ノイズ成分が除去された光子到達時間リストを保存する保存先およびファイル名を指定してもよい。また、２回目以降のノイズ除去時の時間幅および／または許容偏差は、ユーザが適宜入力するようにしてもよいし、自動的に設定されるようにしてもよい。自動的に設定するようにすれば、自動測定を可能とする。

図４では、図３で選択した未処理の光子到達時間リストが、ノイズ判定部１６２がノイズ成分を有すると判定した場合に、時間幅１秒で許容偏差σが０．５未満となるようにノイズ除去するようになっている。また、ノイズ除去後のファイル保存先が指定され、ファイル名がＳａｍｐｌｅ１＿１．ｔｘｔにリネームされるようになっている。

図５は、例示的な解析項目設定画面を示す図である。

ユーザが解析項目設定ボタン２３０を選択すると、解析項目設定画面５００に移る。解析項目設定画面５００では、ユーザは、粒径および／または粒径分布を演算するための解析法（指数関数フィッティング、キュムラント法、ヒストグラム法、ＣＯＮＴＩＮ法）を選択し、共通設定として、測定温度、液体試料１２０中の液体の粘度および屈折率、連続発振レーザ光の波長、散乱角を入力する。

ユーザがすべての設定を入力し、トップページ２００の解析実行ボタン２４０を押すと、ユーザからの指示により、情報処理装置１６０は、光子到達時間リストを用いて処理を開始する。詳細には、時間相関関数演算処理部１６１は、未処理の光子到達時間リスト（図３のＳａｍｐｌｅ１＿ｒａｗ．ｔｘｔ）を用いて時間相関関数を演算する。次いで、ノイズ判定部１６２が、演算された時間相関関数を用いて光子到達時間リストがノイズ成分を含むか否かを判定する。ノイズ除去部１６３は、ノイズ判定部１６２が、ノイズ成分を含まないと判定するまで、光子到達時間リストからノイズ成分を除去する。粒径演算部１６４は、演算された時間相関関数を用いて粒径および／または粒径分布を演算する。

図６は、例示的な結果表示画面を示す図である。
図７は、例示的な別の結果表示画面を示す図である。

このようにして処理されると、トップページ２００の結果表示ボタン２５０がアクティブとなる。ユーザが結果表示ボタン２５０を選択すると、データのツリー構造とともに、時間相関関数タブ、散乱光子数の時間変化タブ、粒径・粒径分布タブが表示される。

図６では、ツリー構造から未処理の光子到達時間リストとしてＳａｍｐｌｅ１＿ｒａｗ．ｔｘｔが選択され、時間相関関数タブが選択されている様子が示される。時間相関関数タブによれば、演算された時間相関関数が１．０５を超えていた。ツリー構造を参照すると、新たな光子到達時間リストとしてＳａｍｐｌｅ１＿１．ｔｘｔが作成されており、ノイズ判定部１６２が未処理の光子到達時間リストはノイズ成分を有すると判定し、ノイズ除去部１６３がノイズ成分を除去した処理後の光子到達時間リストを作成したことが分かる。

なお、図６のＳａｍｐｌｅ１＿ｒａｗ．ｔｘｔが選択された状態において、散乱光子数の時間変化タブを選択すると、未処理の光子到達時間リストに基づく散乱光子数の時間変化のグラフを確認できる。

図７では、ツリー構造からノイズ成分が除去された処理後の光子到達時間リストとしてＳａｍｐｌｅ１＿１．ｔｘｔが選択され、時間相関関数タブが選択されている様子が示される。時間相関関数タブによれば、演算された時間相関関数が１．０５以下であった。ツリー構造を参照すると、ノイズ判定部１６２が作成した処理後の光子到達時間リストはノイズ成分を有しないと判定したため、さらに新たな光子到達時間リストは作成されていない。

図７のＳａｍｐｌｅ１＿１．ｔｘｔが選択された状態において、散乱光子数の時間変化タブを選択すると、処理後の光子到達時間リストに基づく散乱光子数の時間変化のグラフを確認でき、粒径・粒径分布タブを選択すると、図５で設定した条件で解析された粒径が表示される。

このように、本発明の動的光散乱測定装置１００を用いれば、すべての散乱光子の情報である光子到達時間リストを作成後にデータ処理するため、測定後の処理時に相関関数の適切な時間幅に基づいた正確な粒径および／または粒径分布の測定を可能とする。また、光子到達時間リストが粒子１１０以外のノイズ成分を有する場合には、ノイズ成分が除去された光子到達時間リストを作成できるので、液体試料の損失や粒径分布の変化の可能性などの懸念のある前処理（例えば、フィルタ処理）をする必要はない。また、ノイズ成分を有しない正確な光子到達時間リストを用いて時間相関関数が演算されるので、正確な粒径および／または粒径分布を測定できる。

図８は、本発明の別の動的光散乱測定装置を示す模式図である。

図８の動的光散乱測定装置８００は、光子検出装置１４０とデータ収集装置１６０との間にパルス幅伸長・デッドタイム調整器８１０を備える以外は、図１の動的光散乱測定装置１００と同様である。

光子検出装置１４０は、散乱光子の到達時間を検出し、電気パルスを生成する際に、通常は、散乱光子１個に対して１個の電気パルスを生成するが、誤って２個の電気パルスを生成する場合がある。このような現象をアフターパルスと呼ぶ。そのような場合には、光子到達時間リストが誤った電気パルス（すなわち偽信号）を含むため、測定精度の低下を招く虞がある。

一方で、データ収集装置１６０は、電気パルスのパルス幅が短い（例えば、数ナノ秒など）と検出し損なう場合がある。そのような場合には、光子到達時間リストの一部が欠落するため、測定精度の低下を招く虞がある。

パルス幅伸長・デッドタイム調整器８１０は、光子検出装置１４０が生成した電気パルスのパルス幅を伸長させ、不感時間を設ける。すなわち、パルス幅伸長・デッドタイム調整器８１０は、１個の電気パルスを受信すると、受信した電気パルスの幅を伸長させるよう機能する。これにより、電気パルスのパルス幅が長くなるので、後段のデータ収集装置１５０が電気パルスの検出し損なうことはなく、光子到達時間リストの情報の欠落が抑制される。また、１個の電気パルスを受信したら、一定期間検出不可にするよう機能する。これにより、アフターパルスが発生したとしても、光子到達時間リストが偽信号を含まないよう制御できる。図９を参照して詳述する。

図９は、例示的なパルス幅伸長・デッドタイム調整器による電気パルスの変化を示す模式図である。

図９（Ａ）は、光子検出器１４０が生成した電気パルスを示す。光子検出器１４０は、パルス幅がｄの電気パルスｐ１、ｐ２、ｐ３、ｐ４、ｐ５を生成し、ｐ２、ｐ４はアフターパルス現象による電気パルスであった。ここで、パルス幅伸長・デッドタイム調整器８１０がパルス幅ｄをＤに伸長し、電気パルスを検出してから時間Ｔだけ不感時間を設けるよう設定されているとする。

図９（Ｂ）は、図９（Ａ）の電気パルスが、上記設定のパルス幅伸長・デッドタイム調整器８１０を通った後に得られる電気パルスを示す。図９Ｂによれば、パルスｐ１、ｐ３およびｐ５は、それぞれ、パルス幅がＤに伸長されパルスＰ１、Ｐ３、Ｐ５となり、不感時間Ｔによってｐ２およびｐ４が検出されていないことが分かる。この結果、アフターパルスによる偽信号が除去され、なおかつ、パルス幅が十分に伸長されているため、データ収集装置１５０は、数え落としのない光子到達時間リストを作成することができる。パルス幅の伸長の程度や不感時間の設定は、パルス幅伸長・デッドタイム調整器８１０に直接、あるいは、動的光散乱測定・解析プログラムにおいてユーザの指示によって行うことができる。

データ収集装置１５０以降の動作については図１の動的光散乱測定装置１００と同様であるため、説明を省略する。

図１０は、本発明の別の動的光散乱測定装置を示す模式図である。

図１０の動的光散乱測定装置１０００は、光子検出装置１４０が検出する散乱光子の散乱角度を可変にする角度可変機構１０１０を備える以外は、図１の動的光散乱測定装置１００と同様である。

角度可変機構１０１０は、光子検出装置１４０が散乱光子を検出する角度を変化させることができるので、散乱光強度の散乱ベクトル依存性を測定することができる。すなわち、光子到達時間リストには特定の散乱角における散乱光子の到達時間が記録されている。この測定を様々な散乱角で行うことによって、各散乱角における散乱光子が到達した時間の情報を入手できる。散乱ベクトル依存性を測定できるので、拡散係数の測定精度が向上し得る。このような角度可変機構１０１０は、例えば、特開２０１０－１０１８７７号公報に記載の受光部４１が搭載される機構を採用できる。

データ収集装置１５０以降の動作については、散乱角の情報が加わった以外は図１の動的光散乱測定装置１００と同様であるため、説明を省略する。

図１１は、本発明の別の動的光散乱測定装置を示す模式図である。

図１１の動的光散乱測定装置１１００は、顕微鏡１１１０を備える以外は、図１の動的光散乱測定装置１００と同様である。光源１３０は、連続発振レーザ光を顕微鏡１１１０の対物レンズを介して液体試料１２０に照射する。次いで、光子検出装置１４０は、液体試料１２０からの後方散乱光子を、対物レンズを介して検出する。顕微鏡１１１０を用いれば、液体試料１２０が白濁、有色の液体試料であっても測定できる。この場合、液体試料１２０は、カバーガラスとスライドガラスとで挟持される。

光子検出装置１４０以降の動作については、図１の動的光散乱測定装置１００と同様であるため、説明を省略する。

図示しないが、パルス幅伸長・デッドタイム調整器８１０と、角度可変機構１０１０とを組み合わせて用いてもよいし、パルス幅伸長・デッドタイム調整器８１０と、顕微鏡１１１０とを組み合わせて用いてもよい。

図２では、測定・解析プログラムにおいて解析プログラムのみが実行される様態を示すが、光源１３０、光子検出装置１４０、データ収集装置１５０、パルス幅伸長・デッドタイム調整器８１０、角度可変機構１０１０の動作を、情報処理装置１６０が制御するように、測定プログラムが実行されるようにしてもよい。

次に、本発明の動的光散乱法により粒子を含有する液体試料中の粒子の粒径および／または粒径分布を測定・解析する方法を説明する。本発明の測定・解析方法は、図１等に示す動的光散乱測定装置を用いて実施されるものとして説明するが、本発明の動的光散乱測定装置に限定されない。各ステップを実施可能な任意の装置を採用し、本発明の測定・解析方法を実施してよい。

図１２は、本発明の動的光散乱測定・解析の工程を示すフローチャートである。

ステップＳ１２１０：連続発振レーザ光を液体試料１２０（図１）に照射する。連続発振レーザ光は、上述の光源１３０（図１）を用いて照射されてよい。このとき、顕微鏡１１１０（図１１）の対物レンズを介して液体試料に照射すれば、白色、有色の液体試料であっても測定できる。

ステップＳ１２２０：液体試料１２０（図１）からの散乱光子の到達時間を検出し、電気パルスを生成する。このような電気パルスの生成には、例えば、上述の光子検出装置１４０（図１）を用いてよい。このとき、散乱光子の散乱角度を可変にして検出してもよい。これにより、散乱ベクトル依存性を測定できる。例えば、角度可変機構１０１０（図１０）を搭載した光子検出装置を用いることができる。なお、ステップＳ１２１０において、顕微鏡１１１０を介して液体試料にレーザ光を照射した際には、液体試料からの散乱光子は後方散乱光子であり、顕微鏡１１１０の対物レンズを介して検出される。

ステップＳ１２２０に続いて、電気パルスのパルス幅を伸長させ、不感時間を設けるようにしてもよい。１個の電気パルスを受信すると、受信したパルス幅を伸長させる。これにより、電気パルスのパルス幅が長くなるので、電気パルスを検出し損なうことはなく、光子到達時間リストの情報の欠落が抑制される。また、１個の電気パルスを受信したら、一定期間電気パルスの検出を行わない。これにより、アフターパルスが発生したとしても、光子到達時間リストが偽信号を含まないよう制御できる。このような電気パルスのパルス幅の伸長、不感時間の設定は、例えば、パルス幅伸長・デッドタイム調整器８１０（図８）に直接行ってもよく、動的光散乱測定・解析プログラムにおいてユーザの指示によって行うことができる。

ステップＳ１２３０：生成された電気パルスの到達時間を収集し、光子到達時間リストを生成する。光子到達時間リストは上述したとおりであるため、説明を省略する。このような光子到達時間リストの生成には、例えば、上述のデータ収集装置１５０（図１）を用いてよい。生成された光子到達時間リストは、記憶部（図示せず）に記憶される。

ステップＳ１２４０：光子到達時間リストを用いて時間相関関数を演算する。時間相関関数ｇ^（２）（τ）を、次式に基づいて演算してよい。

ここで、Δｔは任意に決められる相関時間の最小の時間幅であり、ｎ（ｔ）は、光子到達時間リスト中のある時間ｔ～ｔ＋Δｔの間に検出された散乱光子数であり、Ｎは測定時間をΔｔで除した値であり、＜・・・＞_Δｔは時間平均を表す。

あるいは、時間相関関数ｇ^（２）（τ）を、光子到達時間リストのフーリエ変換を二乗したパワースペクトルを求め、そのパワースペクトルを逆フーリエ変換して算出してもよい。

ステップＳ１２５０：ステップＳ１２４０で演算された時間相関関数を用いて、演算に用いた光子到達時間リストが粒子からの散乱光子以外のノイズ成分を含むか否かを判定する。

ノイズ成分を含むか否かは、好ましくは、演算された時間相関関数の収束値が１．０５を超える場合に、光子到達時間リストがノイズ成分を含むと判定し、演算された時間相関関数の収束値が１．０５以下である場合に、光子到達時間リストがノイズ成分を含まないと判定してよい。より高精度な結果が必要な場合には収束値の閾値を１．０５より小さい値を採用してもよい。

ステップＳ１２６０：ステップＳ１２５０において光子到達時間リストがノイズ成分を含まないと判定するまで、演算に用いた光子到達時間リストからノイズ成分を除去する。ノイズ成分が除去された光子到達時間リストは記憶部に記憶されてよい。

詳細には、ステップＳ１２６０に続いて、再度、ステップＳ１２４０へ戻り、ノイズ成分が除去された光子到達時間リストを用いて時間相関関数を演算する。その後ステップＳ１２５０に進み、ノイズ成分を含まないと判定するまで繰り返し行う。

ステップＳ１２７０：ステップＳ１２５０において光子到達時間リストがノイズ成分を含まないと判定すると、演算された時間相関関数を用いて粒子の粒径および／または粒径分布を演算する。

ステップＳ１２７０において粒子の粒径および／または粒径分布の演算は、好ましくは、指数関数によるフィッティング法、キュムラント法、ヒストグラム法およびＣＯＮＴＩＮ法からなる群から少なくとも１つ選択される解析法を用いる。これらはいずれも時間相関関数を用いて粒径や粒径分布を算出する解析法として知られている。

例えば、指数関数によるフィッティング法として、演算された時間相関関数を次式に代入し、粒径ｄを求めることができる。
ｇ^（２）（τ）＝１＋Ａｅ^－２Γｔ
ここで、Ａは、図１の動的光散乱測定装置１００の光学配置によって決まる干渉性因子であり、０＜Ａ≦１である。Γは並進拡散係数Ｄを用いて、次式のように表される。
Γ＝ｑ^２Ｄ
ｑ＝４πｎ_０／λ_０×ｓｉｎ（θ／２）
ここで、ｑは散乱ベクトルであり、ｎ_０は液体試料１２０中の液体の波長λ_０における屈折率であり、λ_０は連続発振レーザ光の波長である。
粒子１１０の粒径（流体力学的直径）ｄは、アインシュタイン・ストークスの式を用いて、並進拡散係数Ｄから算出される。
ｄ＝ｋＴ／（３πη_０Ｄ）
ここで、ｋはボルツマン定数であり、Ｔは測定温度（絶対温度）であり、η_０は液体の粘度である。

上述のいずれの解析法を採用したとしても、ステップＳ１２７０で用いる演算された時間相関関数は、ノイズ成分が除去されているため、正確な粒径、粒径分布を測定できる。

ステップＳ１２４０～Ｓ１２７０は、例えば、情報処理装置１６０（図１）が行ってよい。

本発明の動的光散乱測定装置は、連続発振レーザ光を発し、液体試料に照射する光源と、液体試料からの散乱光子の到達時間を検出し、電気パルスを生成する光子検出装置と、電気パルスの到達時間を収集し、光子到達時間リストを生成するデータ収集装置と、光子到達時間リストを処理する情報処理装置とを備え、上述の各機能を実現するプログラムの命令を実行するＣＰＵ（図示せず）、そのプログラムを格納したＲＯＭ（Ｒｅａｄ Ｏｎｌｙ Ｍｅｍｏｒｙ、図示せず）、プログラムを展開するＲＡＭ（Ｒａｎｄａｍ Ａｃｃｅｓｓ Ｍｅｍｏｒｙ、図示せず）、プログラムおよび各種データを格納するメモリ等の記録媒体を備えてよい。上述した機能を実現するソフトウェアであるプログラムのプログラムコードをコンピュータで読み取り可能に記録した記録媒体を、コンピュータあるいはＣＰＵが記録媒体に記録されているプログラムコードを読み出し実行してもよい。このようにして、動的光散乱測定装置による液体試料中の粒子の粒径および／または粒径分布を動的光散乱法により測定する方法が実現され得る。

このような記録媒体は、例えば、ＣＤ－ＲＯＭ等のディスク、ＩＣカード等のカード、フラッシュＲＯＭ等の半導体メモリなどがある。

本発明の動的光散乱測定装置を通信ネットワークと接続し、通信ネットワークを介してプログラムコードを供給してもよい。このような通信ネットワークは、特に制限はないが、例えば、インターネット、イントラネット、ＬＡＮ、ＩＳＤＮ、ＣＡＴＶ通信網、電話回線網、衛星通信網等であり得る。プログラムコードは、電子的な伝送で具現化され、搬送波に埋め込まれたコンピュータデータ信号の形態であってもよい。

本発明の動的光散乱測定装置、測定・解析方法および測定・解析プログラムは、粒子を含有する液体試料を測定対象とするものとして説明してきたが、本発明の動的光散乱測定装置をゲルやゴムなどの弾性体を測定対象としてもよい。この場合には、粒子の粒径や粒径分布に代えて、弾性体中に存在するネットワーク構造の振動に基づく散乱光により、ネットワーク構造の網目の大きさや分布を測定できる。このような測定対象の変更に伴う改変は当業者であれば、容易に理解する。

次に具体的な実施例を用いて本発明を詳述するが、本発明がこれら実施例に限定されないことに留意されたい。

［例１］
例１では、図１の動的光散乱測定装置を構築し、シリカ粒子と微量のアクリル粒子を含有する液体試料中のシリカ粒子の粒径を測定した。

構築した動的光散乱測定装置は、光源１３０としてＨｅＮｅレーザ（Ｐａｃｉｆｉｃ Ｌａｓｅｒｔｅｃ、０５ＬＨＰ９９１）、光子検出装置１４０としてフォトンカウンティングモジュール（浜松ホトニクス、Ｃ１１２０２－０５０）、データ収集モジュール１５０としてデジタル入出力モジュール（ナショナルインスツルメンツ、ＮＩ－９４０２およびｃＤＡＱ－９１７４、時間分解能：１２．５ｎｓ）、および、情報処理装置１６０としてＣＰＵを備えたパーソナルコンピュータを備えた。

また、動的光散乱測定装置には、光子検出装置１４０の後段にパルス幅伸長・デッドタイム調整器８１０としてノイズ除去回路を設けた。ノイズ除去回路は、パルスの伸長幅を７５ｎｓ、不感時間を３００ｎｓに設定された。液体試料は、シリカ粒子（Ａｌｄｒｉｃｈ、８０３８４７－1ＭＬ、粒子半径は約１００ｎｍ、数濃度は約１００００個／ｎＬ）とアクリル粒子（ＪＸ液晶、ＮＭＢ－２０２０、粒子半径は約１０μｍ、数濃度は約０．１個／ｎＬ）の純水（屈折率１．３３２）分散液を用いた。このときの粘度は８．９４５×１０^－４Ｐａ・ｓである。これをフィルタ処理することなく石英ガラスのセルに入れた。

動的光散乱法による測定は室温（２３℃）にて次のようにして行った。
ＨｅＮｅレーザの波長は６３２．８ｎｍであり、０．６ｍＷに減光して、セルに照射した（図１２のステップＳ１２１０）。次いで、フォトンカウンティングモジュールにて、液体試料からの散乱光子（散乱角９０°）の到達時間を検出し、電気パルスを生成させた（図１２のステップＳ１２２０）。パルス幅伸長・デッドタイム調整器にて電気パルスのパルス幅を７５ｎｓに伸長させ、３００ｎｓ不感時間を設けた。デジタル入出力モジュールにて、ノイズ除去回路を通った電気パルスの到達時間を収集し、光子到達時間リストを生成した（図１２のステップＳ１２３０）。生成した光子到達時間リスト（ファイル名：Ｓａｍｐｌｅ１＿ｒａｗ．ｔｘｔ）をパーソナルコンピュータに保存した。

パーソナルコンピュータにて、光子到達時間リストを用いて時間相関関数を演算した（図１２のＳ１２４０）。時間相関関数の演算は、光子到達時間を２０μｓごとの散乱光子数の時間変化に変換することによって、２０μｓの時間相関で定義に基づいた直接計算を行った。

時間相関関数を用いて、光子到達時間リストがノイズ成分を含むか否かを判定した（図１２のＳ１２５０）。パーソナルコンピュータにて、時間相関関数の収束値が１．０５を超えるか否かを判定した。このような設定は、動的光散乱測定・解析プログラム（例えば図３）にて行った。

ノイズ成分を含むと判定した場合には、光子到達時間リストからノイズ成分を除去する（図１２のステップＳ１２６０）が、このとき、光子到達時間を１ｓごとの散乱光子数の許容偏差σが０．５未満となるように設定した。ノイズ成分が除去された光子到達時間リストは新たにリネーム（ファイル名：Ｓａｍｐｌｅ１＿１．ｔｘｔ）して保存するようにした。このような設定は、動的光散乱測定・解析プログラム（例えば図４）にて行った。

ノイズ成分を含まないと判定すると、ノイズ成分を含まない光子到達時間リストを用いて演算された時間相関関数を用いて、指数関数フィッティングにより粒径等を演算した（図１２のステップＳ１２７０）。このような設定は、動的光散乱測定・解析プログラム（例えば図５）にて行った。

結果を説明する。
図１３は、ノイズ成分を除去前の光子到達時間リストによる散乱光子数の時間変化を示す図である。
図１４は、ノイズ成分を除去前の光子到達時間リストによる時間相関関数を示す図である。
図１５は、ノイズ成分を除去後の光子到達時間リストによる散乱光子数の時間変化を示す図である。
図１６は、ノイズ成分を除去後の光子到達時間リストによる時間相関関数を示す図である。

図１３によれば、測定開始から２１～２３秒、３９～４０秒および４７～５２秒付近において、平均散乱光強度を大きく上回る散乱光強度があった。これは、液体試料中に混入させた微量のアクリル粒子による散乱光が原因と考えられる。図１４によれば、時間相関関数の収束値は１．０５を大きく上回っていた。このことから、本発明の動的光散乱測定装置は、光子到達時間リストがノイズ成分を含むと判定し、ノイズ成分の除去を行った。

上述のノイズ除去の設定に基づいて、光子到達時間リストからノイズ成分が除去された結果、図１５に示すように、平均散乱光強度を許容偏差を超えて上回る散乱光強度を示す時間領域はなかった。図１６によれば、実際に、時間相関関数の収束値は１．０５を下回り、ノイズ成分を除去後の光子到達時間リストは、ノイズ成分が除去されたことが分かった。なお、汚染物質由来の散乱光を単純に除去すると、光子到達時間リスト中の除去された前後のデータが無相関になるが、見ている相関時間が１ｍｓ程度であるのに対し、全測定時間が５０秒程度であることを踏まえると、除去されたデータ付近で無相関になることの影響は無視できる。

このようにしてノイズ成分が除去された光子到達時間リストを用いて演算された時間相関関数から算出された粒径（流体力学的半径とも呼ぶ）は、１２５±５ｎｍであった。この値は、アクリル粒子を含まない液体試料から得られた粒径（１１７±３ｎｍ）と一致した。このことから、液体試料中の粒子の粒径、粒径分布等を、動的光散乱法を用いて汚染物質の影響を排除し、１回の計測で正しく測定することができる動的光散乱測定装置、測定・解析方法および測定・解析プログラムを提供できることが示された。

本発明の動的光散乱測定装置、測定・解析方法および測定・解析プログラムは、液体試料中の任意の粒子の粒径および／または粒径分布を正しく測定できるので、水質管理等の環境分析、化学、材料、医薬等の産業分野で利用される。

１００、８００、１０００、１１００ 動的光散乱測定装置
１１０ 粒子
１２０ 液体試料
１３０ 光源
１４０ 光子検出装置
１５０ データ収集装置
１６０ 情報処理装置
１７０ 表示装置
１８０ 入力装置
８１０ パルス幅伸長・デッドタイム調整器
１０１０ 角度可変機構
１１１０ 顕微鏡

Claims (12)

1. 粒子を含有する液体試料中の前記粒子の粒径および／または粒径分布を動的光散乱法により測定する装置であって、
   連続発振レーザ光を発し、前記液体試料に照射する光源と、
   前記液体試料からの散乱光子の到達時間を検出し、電気パルスを生成する光子検出装置と、
   前記光子検出装置で生成した前記電気パルスのパルス幅を伸長させ、不感時間を設けるパルス幅伸長・デッドタイム調整器と、
   前記電気パルスの到達時間を収集し、光子到達時間リストを生成するデータ収集装置と、
   前記光子到達時間リストを処理する情報処理装置と
   を備え、
   前記情報処理装置は、
   少なくとも前記光子到達時間リストを用いて時間相関関数を演算する時間相関関数演算処理部と、
   前記演算された時間相関関数を用いて前記光子到達時間リストが前記粒子からの散乱光子以外のノイズ成分を含むか否かを判定するノイズ判定部と、
   前記ノイズ判定部が、前記光子到達時間リストが前記ノイズ成分を含まないと判定するまで、前記光子到達時間リストから前記ノイズ成分を除去するノイズ除去部と、
   前記演算された時間相関関数を用いて前記粒子の粒径および／または粒径分布を演算する粒径演算部と
   をさらに備え、
   前記時間相関関数演算処理部は、前記ノイズ除去部が前記光子到達時間リストから前記ノイズ成分を除去した場合、前記ノイズ成分が除去された光子到達時間リストを用いて時間相関関数を演算し、
   前記演算された時間相関関数は、前記ノイズ成分を有しない光子到達時間リストを用いて演算された時間相関関数である、動的光散乱測定装置。
2. 顕微鏡を備え、
   前記光源は、前記連続発振レーザ光を前記顕微鏡の対物レンズを介して前記液体試料に照射し、
   前記光子検出装置は、前記液体試料からの散乱光子として後方散乱光子を、前記対物レンズを介して検出する、請求項１に記載の動的光散乱測定装置。
3. 前記光子検出装置が検出する前記散乱光子の散乱角度を可変にする角度可変機構を備える、請求項１に記載の動的光散乱測定装置。
4. 前記ノイズ判定部は、前記演算された時間相関関数の収束値が１．０５を超える場合に、前記光子到達時間リストが前記ノイズ成分を含むと判定し、前記演算された時間相関関数の収束値が１．０５以下である場合に、前記光子到達時間リストが前記ノイズ成分を含まないと判定する、請求項１～３のいずれかに記載の動的光散乱測定装置。
5. 前記粒径演算部は、指数関数によるフィッティング法、キュムラント法、ヒストグラム法およびＣＯＮＴＩＮ法からなる群から少なくとも１つ選択される解析法を用いる、請求項１～４のいずれかに記載の動的光散乱測定装置。
6. 前記時間相関関数演算処理部は、前記時間相関関数ｇ^（２）（τ）を、次式に基づいて演算する、請求項１～５のいずれかに記載の動的光散乱測定装置。
   
   ここで、Δｔは任意に決められる相関時間の最小の時間幅であり、ｎ（ｔ）は、前記光子到達時間リスト中のある時間ｔ～ｔ＋Δｔの間に検出された散乱光子数であり、Ｎは測定時間をΔｔで除した値であり、＜・・・＞_Δｔは時間平均を表す。
7. 前記時間相関関数演算処理部は、前記時間相関関数ｇ^（２）（τ）を、前記光子到達時間リストのフーリエ変換を二乗したパワースペクトルを求め、前記パワースペクトルを逆フーリエ変換して算出する、請求項１～５のいずれかに記載の動的光散乱測定装置。
8. 粒子を含有する液体試料中の前記粒子の粒径および／または粒径分布を動的光散乱法により測定・解析する方法であって、
   連続発振レーザ光を前記液体試料に照射することと、
   前記液体試料からの散乱光子の到達時間を検出し、電気パルスを生成することと、
   前記電気パルスのパルス幅を伸長させ、不感時間を設けることと、
   前記電気パルスの到達時間を収集し、光子到達時間リストを生成することと、
   少なくとも前記光子到達時間リストを用いて時間相関関数を演算することと、
   前記演算された時間相関関数を用いて前記光子到達時間リストが前記粒子からの散乱光子以外のノイズ成分を含むか否かを判定することと、
   前記判定することにおいて、前記光子到達時間リストが前記ノイズ成分を含まないと判定するまで、前記光子到達時間リストからノイズ成分を除去することと、
   前記判定することにおいて、前記光子到達時間リストが前記ノイズ成分を含まないと判定した場合、前記演算された時間相関関数を用いて前記粒子の粒径および／または粒径分布を演算することと
   を包含し、
   前記時間相関関数を演算することは、前記ノイズ成分が除去された光子到達時間リストを用いて時間相関関数を演算し、
   前記演算された時間相関関数は、前記ノイズ成分を有しない光子到達時間リストを用いて演算された時間相関関数である、方法。
9. 前記照射することは、前記連続発振レーザ光を顕微鏡の対物レンズを介して前記液体試料に照射し、
   前記検出し、生成することは、前記液体試料からの散乱光子として後方散乱光子を、前記対物レンズを介して検出する、請求項８に記載の方法。
10. 前記検出し、生成することは、前記散乱光子の散乱角度を可変にして検出する、請求項８に記載の記載の方法。
11. 前記判定することは、前記演算された時間相関関数の収束値が１．０５を超える場合に、前記光子到達時間リストが前記ノイズ成分を含むと判定し、前記演算された時間相関関数の収束値が１．０５以下である場合に、前記光子到達時間リストが前記ノイズ成分を含まないと判定する、請求項８～１０のいずれかに記載の方法。
12. 粒子を含有する液体試料中の前記粒子の粒径および／または粒径分布を動的光散乱法により測定する動的光散乱測定装置に用いられる測定・解析プログラムであって、
    前記動的光散乱測定装置は、
    連続発振レーザ光を発し、前記液体試料に照射する光源と、
    前記液体試料からの散乱光子の到達時間を検出し、電気パルスを生成する光子検出装置と、
    前記光子検出装置で生成した前記電気パルスのパルス幅を伸長させ、不感時間を設けるパルス幅伸長・デッドタイム調整器と、
    前記電気パルスの到達時間を収集し、光子到達時間リストを生成するデータ収集装置と、
    前記光子到達時間リストを処理する情報処理装置と
    を備え、
    少なくとも前記光子到達時間リストを用いて時間相関関数を演算する機能と、
    前記演算された時間相関関数を用いて前記光子到達時間リストが前記粒子からの散乱光子以外のノイズ成分を含むか否かを判定する機能と、
    前記判定する機能が、前記光子到達時間リストが前記ノイズ成分を含まないと判定するまで、前記光子到達時間リストから前記ノイズ成分を除去する機能と、
    前記演算された時間相関関数を用いて前記粒子の粒径および／または粒径分布を演算する機能と
    をコンピュータに実現させ、
    前記時間相関関数を演算する機能は、前記ノイズ成分を除去する機能が前記光子到達時間リストから前記ノイズ成分を除去した場合、前記ノイズ成分が除去された光子到達時間リストを用いて時間相関関数を演算し、
    前記演算された時間相関関数は、前記ノイズ成分を有しない光子到達時間リストを用いて演算された時間相関関数である、測定・解析プログラム。