KR20160138143A - 산란광(pta)을 이용한 입자 추적 분석 방법 및 모든 유형의 액체 내에서 나노미터 크기 오더의 입자를 검출 및 식별하기 위한 장치 - Google Patents

산란광(pta)을 이용한 입자 추적 분석 방법 및 모든 유형의 액체 내에서 나노미터 크기 오더의 입자를 검출 및 식별하기 위한 장치 Download PDF

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Abstract

다음의 특징을 가진 입자(23)를 광학적으로 검출하기 위한 방법 및 디바이스: (A) 흑색 유리로 제조된 직사각형 단면의 셀 벽(9)이 종방향 표면, 및 L자 형상의 가열 및 냉각 요소(1)를 구비하는 인접하는 횡방향 표면 상에 부착되고; (b) 상기 셀 벽(9)의 지지체를 형성하는 횡방향 표면의 반대측의 셀 벽(9)의 횡방향 표면의 중심은 조사 디바이스에 의해 조사되고, 관찰 디바이스에 의해 조사 디바이스의 광축에 대해 직각으로 관찰되고; (c) 상기 조사 디바이스의 초점과 상기 관찰 디바이스의 초점은 제어 디바이스에 의해 셀 벽(9)에 의해 규정되는 3 차원 내부 영역 내에서 임의의 점까지 모터에 의해 이동될 수 있고; (d) 상기 조사 디바이스로부터의 조사광이 관통하는 광학 유리 윈도우(11)의 반대측의 셀 벽(9)의 표면은 그 중앙에 또 하나의 광학 유리 윈도우(11)를 포함하고; (e) 셀 벽(9)의 표면의 온도는 2 개의 서미스터(8)에 의해 모니터링된다.

Description

산란광(PTA)을 이용한 입자 추적 분석 방법 및 모든 유형의 액체 내에서 나노미터 크기 오더의 입자를 검출 및 식별하기 위한 장치{PARTICLE TRACKING ANALYSIS METHOD USING SCATTERED LIGHT(PTA) AND DEVICE FOR DETECTING AND IDENTIFYING PARTICLES OF A NANOMETRIC ORDER OF MAGNITUDE IN LIQUIDS OF ALL TYPES}
본 발명은 산란광을 이용한 입자 추적 분석 방법, 및 나노미터 크기 오더(order)의 모든 유형의 액체 내 입자를 검출하여 특정하는 장치에 관한 것이다.
분산 물질 시스템으로서의 현탁액 및 에멀션은 대부분 액체 내 입자의 형태를 나타낸다. 이것의 용도는 프린터 잉크로부터 화장품 에멀션을 비롯하여 양자 도트(quantum dot)와 같은 새로운 물질에 이르는 범위를 갖는다. 더욱이, 나노버블(nanobubble), 물 속의 입자, 의약품 투여물 내의 입자 및 엑소좀(exosome)(즉, 체세포에 의해 분비된 메신저 기능을 갖는 나노입자)은 액체 중의 입자로서 포함된다. 이 입자는 원발성(originally occurring) 개별 물체로서, 또는 집괴물(agglomerate)이나 응집물(aggregate)의 형태의 축적물로서 생성된다. 집괴물에서, 개별 성분은 서로 느슨하게 연결되어 있고, 한편 응집물은 강력한 힘에 의해서만, 예를 들어 연삭 공정에 의해서만 서로로부터 분리될 수 있다.
크기와 형상 및 집괴물 또는 응집물로서 입자를 정량화하고, 이것의 혼합물을 정량적으로 검출하는 것에 상당한 관심이 존재한다. 이미징 방법의 분야에서, 광학 현미경으로는 수백 나노미터 크기까지 가능하고, 전자 현미경으로는 수 나노미터의 최소 크기까지 가능하다. 그러나, 아직까지 집괴물과 응집물을 구별할 수 있는 방법은 없다. 전자 현미경 시험은 정교한 샘플 준비 및 분석의 지속시간과 비용의 문제가 있다.
광학 현미경법 및 전자 현미경법과 대조적으로, 광학 산란광 분석은 입자 크기의 특성평가를 위한 간접적인 측정 방법이다. 1 μm(1000 nm) 미만의 입자는 회절 한계로 인해 직접적인 관찰에 부적합하므로 이것이 사용되었다.
산란광 현미경에서, 입자에 의해 산란된 광이 입자의 위치특정 및 비디오 필름에서 입자의 이동을 추적하기 위해 사용된다. 2 가지 형태의 산란광 현미경, 즉 백색광 조명식 암시야 산란광 현미경 및 레이저 조명식 암시야 레이저 산란광 현미경(이하에서 설명됨)이 있다.
각각의 개별 입자의 병진적 브라운 확산 이동의 분석 및 후속되는 각각의 개별 입자의 측정된 확산 상수의 스톡스-아인슈타인(Stokes-Einstein) 식에 의한 입자 크기로의 전환에 의해, 입자 크기 분포가 유도된다.
분산 물질 시스템에 전기장이 인가되는 경우, 전기영동 이동이 추가로 얻어지고, 이것으로부터 주위 액체와 입자의 계면에 전하가 얻어진다. 예를 들면, 스몰루코프스키(Smoluchowski) 식을 이용하여, 측정된 전기영동 이동도는 소위 제타 전위로 전환된다. 이것과 관련하여, 다음과 같은 검토사항이 있다.
분산 시스템은, 공지된 바와 같이, 열역학적으로 불안정한 시스템으로 분류되는 것이다. 이러한 분산물이 안정한 상태로 유지되는 기간은 유용성을 위해 본질적으로 중요하다. 매우 빈번하게 관찰되는 하나의 불안정성은 비가역적 입자 크기 성장, 또는 액체상과 입자상 사이의 완전한 분리를 초래할 수 있는 입자의 응고(coagulation)에 기인한다. 응고를 감소시키기 위해 여러 가지 예방조치가 사용된다. 이들 중 하나는 정전기적 안정화이다. 이 경우에, 동일한 방식으로 하전된 입자는 그 정전기적 척력에 의해 접근하기 어려워진다는 사실이 사용된다. 이러한 척력은 입자와 매체의 계면에서 입자의 이온 전하가 보다 큰 경우 비례적으로 보다 효율적이다. 이 경우에 정전기적 입계 전위 "PIP", 특히 전기영동 이동으로부터 종종 유도되는 제타 전위(상기 참조)가 매우 중요하다. 이러한 전위는 이웃하는 분산된 입자들 사이의 척력의 정도를 결정하는 측정치로 간주된다. 그러므로 이것은 분리 시스템의 안정성의 면에서 중요성을 갖는다.
위에서 설명한 산란광 배열체에서, 샘플은 외면적으로는 정지되어 있고, 전형적으로 그 샘플의 내부의 입자들만이 그 크기 및 형상에 따라 이동된다.
1) 입자의 효과는 특히 그 크기의 오더에 있다. 예를 들면, 색의 휘도는 특히 크기 분포, 및 운반체 입자(예를 들면, 리포좀 소적(liposome droplet) 또는 단백질로 코팅된 금 입자)의 크기에 미치는 의약품 투여의 효과 부위에 의존할 수 있다.
2) 더욱이, 입자의 크기는 입자의 품질, 균일성 및 유용성에 대한 정보를 준다. 지나치게 많은 입자 유형의 집괴물이 존재하거나, 기타 유형의 물질이 혼합되어 있는 경우에는 그 유용성이 의문시된다.
3) 입자 형상은 중요한 판별 특징을 나타낸다. 균질화된 우유에서, 예를 들면, 지방 소적(fat droplet)은 300 nm의 카세인 입자의 크기로 분쇄된다. 2 개의 성분들 사이의 차이는 단지 형상이다. DLS, 동적 광산란, 디스크 원심분리 및 초음파 분광법의 종래의 크기 측정 방법에서는, 지방 소적과 카세인이 상호 구별될 수 없다. 현재까지 약 1 μm 미만의 크기의 입자의 입자 형상은 전자 현미경법을 이용해야만 측정될 수 있었다. 단지 통계적으로 그리고 막대한 샘플 준비에도 불구하고, 운반체 액체 내의 입자의 현장(in-situ) 동적 관찰은 가능하지 않다.
4) 그러므로 크기 분포의 결과의 정확성에 대한 불확실성은 종래의 DLS 산란광 방법에서 산란광 체적으로부터 입사되는 산란광이 단일 검출기 요소 상에 총괄적으로 수집된다는 사실과 관련된다. 산란광의 변동은 크기 분포를 위해 사용된다. 이 경우에, 이 변동이 스톡스-아인슈타인 식을 이용한 전환에 의한 입자 크기의 계산의 기초가 되는 입자의 병진 이동에 의해 유발되는지, 또는 모양이 완성되지 않은 입자의 회전에 의해 유발되는지의 여부를 구별하는 것이 불가능하다. 이것은 회전하는 입자인 응집물의 질량중심의 변화가, 예를 들면, 집합적 산란광 신호에 기여하고, 그 자체로 식별될 수 없는 "기생성(parasitic)" 미세 성분을 유발하기 때문이다. 물질의 혼합물의 경우에 추가의 불확실성이 발생되고, 이 물질의 혼합물의 산란광 거동은 상이하다. 따라서, 물질의 혼합물의 경우, 다양한 성분들의 평가오류가 발생된다. 상이한 물질의 입자가 동등한 크기인 경우, 우선, 2 개 이상의 물질 유형이 샘플 내에 존재하고, 그것의 훨씬더 적은 성분이 존재한다는 의심조차 되지 않을 수 있다.
5) 이미징 방법과 같은 전자 현미경법에서, 형상이 측정될 수 있다. 그러나, 집괴물은 응집물과 구별될 수 없다.
6) 그러므로 전자 현미경과 유사한 방식으로 패턴 인식을 제공하고, 매우 신속하고, 더 경제적이고, 측정용 샘플의 준비에 의한 샘플 변형의 위험이 적은 방법을 개발하는 것이 요망된다.
7) 더욱이, 비디오 필름에 의해 추적되는 개별 입자의 개별 분석으로부터 가능한 한 많은 특징을 구별할 수 있는 것이 요망된다. 특히, 심지어 때때로 현미경 초점으로부터의 입자의 위치 변화 중에, 입자는 관찰하는 현미경에 대해 끊임없이 변화되는 배향을 채택한다. 그러면 개별 입자의 고강도 진동이 발견된다. 전통적으로 이러한 모든 현상은 일반적으로 입자 추적 측정 방법의 장애로서 간주된다. 그러나, 긍정적인 관점에서 이들 장애는, a) 회전으로부터 입자의 병진을 구별함으로써 기생성 미세 성분을 제거할 수 있고, b) 비디오 필름에서 입자의 통과 중에 입자의 동적 거동으로부터 일련의 추가 정보를 유도할 수 있는 매우 엄청난 기회를 제공한다. 이것은 DLS, 전자 현미경법 및 디스크 원심분리와 같은 기타 방법과 상이하다.
8) 본 발명에서, 따라서 동적 다중파라미터 분석이 설명된 역학으로부터 종래에 가능한 것보다 더 많은 귀중한 정보를 얻기 위해 유리하게 사용된다.
9) PTA 방법에서 하나의 큰 장애는 나노입자의 분석을 위해 막대하게 높은 광 대비(비디오 검출기에서 신호/노이즈 비)가 생성되는 것이 필요하다는 사실이다. 이것은 나노입자의 광산란이 더 작은 직경을 향해 6 거듭제곱 초과만큼 감소되기 때문이다. 무엇보다도, 약하게 발광하는 입자의 광 대비가 배경에 대해 최대이고, 산란광에 의해 감쇠되지 않도록 보장되어야 한다. 이것은 하나의 고감도 카메라만으로 달성되지 않는다. 산란광 배열체에서는, 에지 및 셀 벽에서 여기되는 레이저 광의 반사로 인해 언제나 기생성 광이 존재하고, 이 광은 또한 어쨌든 비디오 카메라에 도달된다. 별 관찰 중에 최적인 캄캄한 밤 하늘과의 비교가 이해하기 쉽다. 가능한 한 넓은 크기 범위의 나노입자에 관한 동적 패턴 인식을 실시할 수 있도록 대비 개선을 위한 본 발명의 조치가 사용된다.
10) PTA 측정 기법에서의 또 다른 장애는 최대 8:1의 작은 크기 측정 범위만이 1 개의 카메라 세팅으로 동시에 녹화될 수 있다는 사실에 기인된다. 더 넓은 입자 크기 분포를 구비하는 샘플의 경우에, 최대 3 회의 샘플 희석 단계까지 최대 3 개의 상이한 카메라 세팅을 구비하는 1:3 내지 1:4가 필요하다. 직관적 카메라 세팅과 조합되는 희석 자동화는 측정을 상당히 단순화하고, 작동의 면에서 에러가 거의 없다. 소형 pH 프로브의 추가의 장착은 자동화의 방향으로의 추가 단계이다. PTA의 사용자의 대부분은 생화학적 의료 진단에 관련된다. 이것은 샘플 양 및 새로운 형태의 분석 방법에 곤란을 가지는 작업자가 매우 적음을 의미한다. 제타 전위를 측정할 필요가 있는 샘플의 경우에, 주위 액체의 이온 특성을 측정하고 등록하는 것이 중요하다. 입계의 부근에서 이온 상태를 특징짓는 2 개의 중요한 파라미터는 전도율 및 pH이다. 이들은 공동으로 작업자의 개입 없이 자동적으로 등록되어야 한다.
동 출원인의 명의의 DE 10 2008 007 743 B3은 액체 내의 입자의 검출에 관련되는 방법 및 장치를 기술하고 있다.
여기서는 PIP를 측정하기 위한 다양한 물리적 방법이 있음을 지적하고 있다.
종래 기술에서, 큐벳(cuvette)(14) 내의 현탁액의 입자의 광학 검출용 장치를 개시하는 특히 US 3,764,512 A가 참조되고, 이것은 다음의 특징을 갖는다:
a) 큐벳(14)은 마운트(mount)(32)에 의해 규정된 방식으로 위치되고,
b) 큐벳(14)은 광학 조사 디바이스(optical irradiation device)(10-12-16-18)에 의해 조사되고, 관찰 디바이스(30)에 의해 조사 디바이스의 광축에 대해 직각으로 관찰되고,
c) 조사 디바이스의 초점의 위치와 관찰 디바이스의 초점의 위치는 각각 큐벳의 내부 공간 영역에 걸쳐 전동 방식으로, 또는 초점 조절(27)에 의해 변위될 수 있다.
이러한 장치는, 이미지가 선명하게 보일 때까지, 2 개의 초점 위치를 상호 수조작으로 적응시킴으로써 수조작으로 광학 배열체의 초점을 조절해야 한다는 단점을 갖는다.
이러한 단점을 방지하기 위해, DE 10 2008 007 743 B3에서는 청구항 1에 따라, 다음의 특징을 가지는 큐벳(1) 내에서 현탁액의 입자(13)를 광학 검출하기 위한 장치가 보호된다.
a) 큐벳(1)은 마운트(5)에 의해 규정된 방식으로 위치되고,
b) 큐벳(1)은 광학 조사 디바이스에 의해 조사되고, 관찰 디바이스에 의해 조사 디바이스의 광축에 대해 직각으로 관찰되고,
c) 조사 디바이스의 초점 및 관찰 디바이스의 초점은 제어 장치에 의해 큐벳(1)의 내부 공간 영역에 걸쳐 전동 방식으로 임의의 지점으로 변위될 수 있고,
d) 일 지점에서 초점을 맞추기 위한 목적을 위해 관찰 디바이스의 초점의 위치에 대한 조사 디바이스의 초점의 위치의 접근 또는 조사 디바이스의 초점의 위치에 대한 관찰 디바이스의 초점의 위치의 접근은 검출 장치에서 모니터링되고, 및/또는 디스플레이 스크린 상에 표시된다.
비록 이러한 방법이 보편적으로 사용될 수 있으나, 산란광이나 형광에 의한 나노입자의 측정 중에 이것은 미광(stray light)의 배경에 의해 제한된다.
본 발명에 따른 장치 또는 이것에 기초한 방법의 목적은 미광 배경을 최소화하는 것이다.
이러한 목적은 특허청구범위의 청구항 1에 청구된 바와 같은 장치에 의해 달성된다.
셀 벽(9) 내의 현탁액의 나노미터 크기 오더의 모든 유형의 액체 내 입자(23)를 검출하고 특징짓기 위한 장치로서, 다음의 특징을 갖는다:
a) 소결 삽입된 광학 윈도우(11)를 구비하는 흑색 유리로 제조되는 직사각형 단면의 셀 벽(9)은 종방향 면 및 인접하는 횡방향 면에 설치된 L자 형상의 가열 및 냉각 요소(1)를 갖고, 상기 셀 벽(9)은 진동 감쇠기(4)에 의해 규정된 방식으로 장착된 스탠드 베이스(2) 상의 횡방향 면 상에 지지되고,
b) 상기 셀 벽(9)은 상기 셀 벽(9)의 중앙에서 지지체를 형성하는 상기 횡방향 면의 반대측에 위치되는 횡방향 면 상에 광학 유리 윈도우(11)를 통해 조사(irradiation) 디바이스에 의해 조사되고, 관찰 디바이스(6, 6a)에 의해 추가의 광학 유리 윈도우(11)를 통해 상기 조사 디바이스의 광축에 직각으로 관찰되고,
c) 상기 조사 디바이스의 공통의 초점 및 상기 관찰 디바이스의 초점은 제어 장치에 의해 상기 셀 벽(9)의 내부 공간 영역에 걸쳐 전동 방식으로 임의의 지점으로 변위될 수 있고,
d) 상기 조사 디바이스에 의해 조사되는 상기 광학 유리 윈도우(11)의 반대측에 위치되는 상기 셀 벽(9)의 면은 중앙에 추가의 광학 유리 윈도우(11)를 갖고, 상기 셀 벽(9)의 상기 면은 동일한 크기의 나노탄소 층(5)이 그 외부를 덮고 있고,
e) 상기 관찰 디바이스의 광축이 관통 연장되는 상기 광학 유리 윈도우(11)가 위치되어 있는 상기 셀 벽(9)의 면은 2 개의 서미스터(8)에 의해 자신의 온도에 대해 모니터링된다.
다음의 내용이 더 청구된다.
전원의 전극(19)은 직육면체의 셀 벽(9)의 2 개의 단부면에 각각 설치되고, 상기 전극(19)의 각각은 외부 전극 및 관련된 내부 전극으로 이루어지고,
상기 관찰 디바이스의 광축에는 다양한 필터를 빔 경로 내로 스위칭시킬 수 있는 배열체(7)가 제공되고,
상기 조사 디바이스는 레이저(10)이고, 상기 관찰 디바이스는 현미경 대물렌즈(6a)를 가진 디지털 비디오 카메라(6)이고,
상기 직육면체 셀 벽(9)의 일 단부면 상에는 정량 펌프(13)가 연결된 세척 용액 또는 희석용 용액의 저장 용기(12)가 제공되고, 타 단부면 상에는 샘플 액체용 보상 용기(14)가 제공되고, 관련된 정량 펌프(16)를 구비하는 추가의 샘플 용기(15)가 제공되고, 액체는 상기 저장 용기(12) 및 상기 샘플 용기(15)로부터 혼합 챔버(17)로 정량주입 방식으로 전달가능하고, 상기 혼합 챔버(17)의 영역에는 소형 pH 측정 프로브가 부착된다.
본 발명의 목적은 특허 청구항 6에 청구된 바와 같은 방법에 의해 달성된다.
셀 벽(9) 내의 현탁액의 나노미터 크기 오더의 입자(23)의 산란광을 이용한 입자 추적 분석 방법으로서, 다음의 특징을 갖는다:
a) 상기 셀 벽(9)은 진동 감쇠기(4)에 의해 규정된 방식으로 위치되고, 상기 셀 벽(9)은 흑색 유리로 이루어지고, 상기 흑색 유리 내에는 검출 프로세스를 위한 광학 유리 윈도우(11)가 형성되어 있고,
b) 상기 셀 벽(9)은 광학 조사 디바이스에 의해 광학 유리 윈도우(11)를 통해 조사되고, 관찰 디바이스에 의해 추가의 광학 유리 윈도우(11)를 통과하는 상기 조사 디바이스의 광축에 대해 직각으로 관찰되고,
c) 상기 조사 디바이스의 초점과 상기 관찰 디바이스의 초점은 상기 셀 벽(9)의 특정의 영역 내에서 상기 영역 내의 하나 이상의 입자(23)에 대한 이미징 특성을 최적화함으로써 동일한 지점으로 전동 방식으로 변위되고, 전기영동 효과는 전기삼투 효과로부터 명확하게 분리되어 유지되고,
d) 이것에 의해 얻어지는 제어 파라미터는 입자(23)의 표시를 위한 기초로서 사용되고, 상기 샘플의 제타 전위, 전도율 및 pH는 계측적으로 동시에 검출된다.
다음의 내용이 더 청구된다.
상기 조사 디바이스는 레이저(10)로 이루어지고, 상기 관찰 디바이스는 현미경 대물렌즈를 가진 디지털 비디오 카메라(6)로 이루어지고,
상기 셀 벽(9) 내로 상기 조사 디바이스의 광의 진입을 허용하는 상기 광학 유리 윈도우(11)의 반대측에 위치되는 추가의 유리 윈도우(11)에 의해 상기 조사 디바이스의 광빔이 상기 셀 벽(9)으로부터 방출될 수 있고, 상기 광빔이 나노탄소 층(5) 내에 상기 광빔의 열을 전달할 수 있는 점에서, 상기 현탁액 상에의 조사 디바이스의 광 조사의 열 효과는 최소화되고,
산란광을 이용하여 나노미터의 크기 범위의 입자(23)의 경우의 패턴 분석이 세계 최초로 실시될 수 있고, 컴퓨터 프로그램은, 이 컴퓨터 프로그램이 컴퓨터 상에서 실행되는 경우에, 청구항 6 내지 9 중 어느 한 항에 기재된 방법 단계를 실시하기 위한 프로그램 코드를 갖고, 기계-판독가능한 매체는, 컴퓨터 프로그램이 컴퓨터 상에서 실행되는 경우에, 컴퓨터 프로그램의 프로그램 코드를 가진다.
이하에서 본 발명에 따른 장치를 더 상세히 설명한다.
도 1은 셀 벽의 단면도 및 3 차원도,
도 2는 주변 배열체를 구비하는 셀의 3 차원도,
도 3은 특수한 실시형태에서 셀의 3 차원도,
도 4는 측정 원리를 설명하기 위한 도면.
도 1은 셀 벽의 단면도 및 3 차원도를 도시한다. 직사각형 단면으로 구성되어, 검토될 현탁액을 수용하는 셀 벽(9)은 그 단면이 본 도면의 좌측 부분의 중간점에 위치된다. 셀 벽(9)의 좌측면은 L자형 단면의 가열 및 냉각 요소(1)에 의해 지지되고, 이 가열 및 냉각 요소(1)의 기능은 이하에서 더 상세히 설명한다. 전체 장치는 표준 베이스(2) 상에 장착되고, 이 표준 베이스(2)는 진동-감쇠 요소(4)에 의해 주변 영역으로부터의 진동을 방지하도록 보호된다. 현탁액을 조명하기 위해, 셀 벽(9)의 상측면 상에 레이저(10)가 제공되고, 이 레이저의 주 빔의 윤곽은 셀 벽(9)을 통해 중심으로 연장되는 점선으로 표시되어 있다. 레이저(10)의 빔은 개구(이것은 투과되는 것으로 도시되어 있음)를 통해 셀 벽(9)을 통과한 후에 셀 벽(9)의 반대측 면에 입사되고, 마찬가지로 투과되는 것으로 도시된 개구의 후방에 위치되는 나노탄소 층(5)에 의해 흡수되어 열적으로 중화된다. 이 층(5)의 기능은 이하에서 더 설명한다. 이 점선에 대해 직각으로 디지털 비디오 카메라(6) 및 현미경 대물렌즈(6a)의 광축(3)이 마찬가지로 점선으로 표시되어 있다. 이 광축(3)도 또한 투과되는 것으로서 도시된 개구를 통과한다. 이들 2 개의 점선의 교차점에서 검토될 입자가 관찰될 수 있다. 디지털 비디오 카메라(6)의 빔 경로 내에는 필터 체인저(filter changer; 7)가 제공되고, 이 필터 체인저(7)는 각각의 요건에 따라 카메라(6)의 대물렌즈의 전방에 다양한 컬러 필터를 설치할 수 있다. 더욱이, 이 디지털 비디오 카메라의 빔 경로 내에는 현미경 대물렌즈(6a)가 배치된다. 이 디지털 비디오 카메라(6)에 의해 관찰되는 부분의 셀 벽(9) 측에는 이 셀 벽의 열의 발생을 검지하는 2 개의 서미스터(8)가 제공된다.
셀 벽(9)의 3 차원도는 도 1의 우측 부분에 도시되어 있고, 도 1의 좌측에서 개구의 배열을 더 잘 볼 수 있다. 위에서 설명된 개구는 셀 벽(9) 내에 소결된 광학 유리 윈도우(11)를 표현한다. 셀 내에서 균일한 온도 분포를 달성하기 위해 가열 및 냉각 요소(1) 및 나노탄소 층(5)이 사용된다. 레이저가 셀 벽(9)으로부터 출현하여 윈도우(11)를 통해 횡방향으로 냉각 요소(1) 내로 진입하는 경우에, 이 층(5)은 레이저(10)에 의해 유발되는 열적 복사를 즉각적으로 방열시킨다. 그러므로 셀 내에서 열적 대류는 실질적으로 방지된다. 열적 대류는 현장에서 측정되도록 된 입자 확산 및 전기영동 이동과 경쟁적이므로 방지되어야 한다.
도 2는 주변 배열체를 구비하는 셀의 3 차원도를 도시한다. 여기서는 소결된 광학 유리 윈도우(11)를 구비하는 공지된 셀 벽(9) 이외에도 가열 및 냉각 요소(1) 및 이 셀 벽(9)의 저면 상에 적층된 나노탄소 층(5)을 볼 수 있다. 음극 및 양극(19)은 이 셀 벽(9)의 2 개의 좁은 면 상에 각각 부착되어 있다. 이들 전극(19)은 각각 셀 벽(9)의 외측의 외부 전극 및 셀 벽(9)의 내측에 위치되는 관련된 내부 전극의 2 개의 전극으로 이루어지고, 내부 전극으로부터는 관련된 전기장이 분기된다. 이러한 방식으로, 기포 형성과 같은 교란 효과를 보상하는 것이 가능하다. 그 결과 제어가능한 전기 전압을 인가함으로써 연구되는 입자의 전기영동 이동이 유도될 수 있다. 저장 용기(12 또는 15)로부터 세척용 용액 또는 희석용 용액, 또는 현탁액을 각각 공급하기 위한 2 개의 정량 펌프(13, 16)가 셀 벽(9)의 우측의 좁은 면 상에 제공된다. 보상 용기(14)는 셀 벽(9)의 좌측의 좁은 면 상에 부착되어 있다. 우측의 좁은 면 상에는, 마찬가지로 저장 용기(12) 또는 주사기로부터 샘플 현탁액을 수용하기 위한 소형 혼합 챔버(17)가 있다. 용기(12, 15)로부터 샘플과 희석용 용액을 동시에 정량주입하는 경우에, 샘플의 규정된 희석이 달성된다. 혼합 챔버(17)의 유출구에 소형의 pH 측정 프로브(18)가 부착된다.
도 3은 특수한 실시형태에서 셀의 공간도를 도시한다. 여기서, 회전가능한 체인저 디스크(20)에 의해 특정의 현탁액을 연구하기 위해 요구 사항에 따라 다중으로부터 특정의 레이저(10)가 선택적으로 선택되고, 순차적으로 신속하게 사용되는 방법이 원칙적으로 예로써 도시되어 있다. 이 체인저 디스크(20)는 수평 이동형 변위 캐리지일 수도 있다.
도 4는 본 발명에 따른 측정 원리의 가능성을 설명하기 위한 도면을 도시한다. 100 nm의 직경을 가진 부정형의 집괴(conglomerate)로서 도시된 입자(23)의 예와 관련하여, 여기서 이 입자(23)는 이것이 Δt의 시간 동안 Δx의 거리를 이동한 경우에 본 연구에서는 크기 피크(21)를 나타낼 뿐만 아니라, 더 넓고 더 작은 크기 피크(22)(종래에 이것은 통상적으로 관찰되지 않음)가 마찬가지로 정확하게 표시될 수 있다는 것을 알 수 있다. 이것은, 이미 언급한 바와 같이, 더 작은 피크(22)가 종래에는 통상적으로 간과되거나, 더 작은 입자의 영향인 것으로 간주되었기 때문이고, 본 발명에 따른 방법을 이용하면 이 더 작은 피크(22)는 입자(23)의 회전의 영향인 것으로 간주되어야 한다는 것을 발견할 수 있다.
이것은 최초로 동적 산란광 패턴 분석의 전체의 자동적 평가이다. 이 경우에, 일차적 입자, 집괴물 및 응집물의 수가 결정된다. 산란광 형상 파라미터(이차적 형상 파라미터)의 평가, 입자 산란광의 강도의 평가, 입자 산란광 영역의 평가, 및 이들의 모든 동적 값의 평가가 실시된다. 이들 파라미터의 변동폭은 그것으로부터 얻어진다. 상이한 입자 유형의 구성비의 평가도 가능하다(예, 우유: 우유 소적, 우유 엑소좀, 카세인(예, 입자 및 나노버블의 혼합물)).
전술한 이동 프로세스의 복합적 분석은 특수한 제어 프로그램을 필요로 한다.
도 5는 본 발명에 따른 처리 방법의 흐름도를 도시한다.
도 5에는 본 발명에 따른 장치를 이용한 측정 및 분석 중에 구별될 수 있는 본질적인 방법 단계가 도시되어 있다.
작동 개시 및 실행 후, 본 장치 또는 본 기구는 초기화된다. 이러한 경우에, 모든 센서 및 액추에이터는 어드레스(address)되고, 이들의 기준값이 판독된다. 만일 이러한 방식으로 결정된 개별 기구 컴포넌트의 기준값이 이들을 위해 특정된 범위 내에 있으면, 이 기구는 측정을 위해 준비된 상태이다.
샘플 투입을 위한 준비로서, 최초에 순수한 물의 기준 측정 및 후속하여 정확하게 규정된 공지된 샘플의 기준 측정이 실시된다. 이 목적을 위해, 예를 들면, 규정된 희석 입자 크기 표준이 적합하다. 이 기준 측정은 기구의 성능에 대한 정보 및 기구의 사양이 적합한 것인지의 여부에 대한 정보를 제공한다. 이것은 본 흐름도의 처음의 3 개의 심볼에 관련된다.
도 5의 흐름도의 제 4 의 심볼에 따른 샘플 투입은 손으로 또는 별개의 자동화된 투입 시스템으로 실시된다. 샘플 투입 후, 본 흐름도의 제 5 심볼에 따라 카메라 파라미터가 결정되고, 전자 필터 세팅이 실시된다. 전도율 및 온도와 같은 측정된 파라미터를 이용하여 충전의 품질 및 적응된 농도에 대한 추정이 실시된다. 또한 이미지의 사전-분석으로부터의 파라미터가 고려되는 시간의 함수로서 이러한 물체의 변화를 위해 사용된다. 이미지 밝기, 검출된 물체의 수뿐만 아니라 이 물체의 형상 및 크기와 같은 소위 품질 파라미터는 버블 또는 기타 교란하는 반사물의 존재에 대한 정보를 제공한다. 과도하게 높은 농도의 입자의 경우에, 따라서 높은 이미지 밝기가 얻어진다. 이 경우에, 샘플은 희석되어, 다시 측정 셀 내로 이송되어야 한다.
샘플 충전의 품질 파라미터를 시험한 후, 본 흐름도의 제 6 심볼(획득)에 따라 비디오 시퀀스가 녹화되어 저장된다.
비디오 분석인 제 7 심볼에서, 이 비디오 시퀀스는 실시간이나 시간 지연으로 평가된다. 이 목적을 위해, 비디오 시퀀스는 개별 이미지로 분해되고, 각각의 개별 이미지의 물체는 로컬라이징(localizing)되고, 밝기, 크기 또는 형상과 같은 이들 물체의 특성이 결정된다.
제 8 심볼에 따라, 이 개별 물체는 조합되어 이 개별 이미지 상에 소위 트레이스(trace)를 형성하고, 이것은 오프셋의 데이터 이외에 물체 특성의 데이터와 연관된다.
제 9 심볼에 따른 결과 표시에서, 크기 분포(즉, 히스토그램)가 도시된다. 더욱이 이미지로부터의 물체 특성을 포함하는 다변량 통계법에 의해 소위 다차원 평가가 실시된다. 다차원성(오프셋, 물체의 크기, 밝기 및 시간 변화)에 의해, 샘플은 하위 그룹으로 세분될 수 있다. 그러므로 복수의 상이한 샘플 성분의 존재가 추론될 수 있다. 더욱이, 이 평가는 측정 아티팩트(artefact)에 대한 정보를 제공한다. 그러면 결과에서는 이들 아티팩트가 제거된다. 예를 들면, 이것은 특히 더 큰 입자의 병진적 확산 성분을 포함할 수 있다. 평가 및 결과 표시의 종료 후에, 샘플이, 예를 들면, 다른 필터 파라미터로 다시 평가되거나, 새로운 샘플이 주입 및 측정될 수 있다. 더욱이, 이 프로그램은 종료될 수 있고, 이 기구는 어떤 시퀀스(세척, 세정, 살균)를 위해 정지될 수 있다.
1 : 가열 및 냉각 요소(펠티에 소자)
2 : 스탠드 베이스
3 : 광학 기준선
4 : 진동-감쇠 요소
5 : 나노탄소 층
6 : 디지털 비디오 카메라 6a : 현미경 대물렌즈
7 : 필터 체인저
8 : 서미스터
9 : 셀 벽
10 : 레이저
11 : 광학 유리 윈도우
12 : 희석용 용액을 위한 저장 용기
13 : 희석용 용액을 위한 정량 펌프
14 : 보상 용기
15 : 샘플 용기
16 : 샘플을 위한 정량 펌프
17 : 혼합 챔버
18 : 소형 pH 측정 프로브
19 : 전극
20 : 체인저 디스크
21 : 병진의 표시로서의 크기 피크
22 : 회전의 표시로서의 크기 피크
23 : 입자

Claims (12)

  1. 셀 벽(9) 내의 현탁액의 나노미터 크기 오더의 모든 유형의 액체 내 입자(23)를 검출하고 특징짓기 위한 장치에 있어서,
    f) 소결 삽입된 광학 윈도우(11)를 구비하는 흑색 유리로 제조되는 직사각형 단면의 셀 벽(9)은 종방향 면 및 인접하는 횡방향 면에 설치된 L자 형상의 가열 및 냉각 요소(1)를 갖고, 상기 셀 벽(9)은 진동 감쇠기(4)에 의해 규정된 방식으로 장착된 스탠드 베이스(2) 상의 횡방향 면 상에 지지되고,
    g) 상기 셀 벽(9)은 상기 셀 벽(9)의 중앙에서 지지체를 형성하는 상기 횡방향 면의 반대측에 위치되는 횡방향 면 상에 광학 유리 윈도우(11)를 통해 조사(irradiation) 디바이스에 의해 조사되고, 또한 상기 셀 벽(9)은 관찰 디바이스(6, 6a)에 의해 추가의 광학 유리 윈도우(11)를 통해 상기 조사 디바이스의 광축에 직각으로 관찰되고,
    h) 상기 조사 디바이스의 공통의 초점 및 상기 관찰 디바이스의 초점은 제어 장치에 의해 상기 셀 벽(9)의 내부 공간 영역에 걸쳐 전동 방식으로 임의의 지점으로 변위될 수 있고,
    i) 상기 조사 디바이스에 의해 조사되는 상기 광학 유리 윈도우(11)의 반대측에 위치되는 상기 셀 벽(9)의 면은 중앙에 추가의 광학 유리 윈도우(11)를 갖고, 상기 셀 벽(9)의 상기 면은 동일한 크기의 나노탄소 층(5)이 그 외부를 덮고 있고,
    j) 상기 관찰 디바이스의 광축이 관통 연장되는 상기 광학 유리 윈도우(11)가 위치되어 있는 상기 셀 벽(9)의 면은 2 개의 서미스터(8)에 의해 자신의 온도에 대해 모니터링되는 것을 특징으로 하는
    장치.
  2. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    전원의 전극(19)은 직육면체의 셀 벽(9)의 2 개의 단부면에 각각 설치되고, 상기 전극(19)의 각각은 외부 전극 및 관련된 내부 전극으로 이루어지는 것을 특징으로 하는
    장치.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 관찰 디바이스의 광축에는 다양한 필터를 빔 경로 내로 스위칭시킬 수 있는 배열체(7)가 제공되는 것을 특징으로 하는
    장치.
  4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 조사 디바이스는 레이저(10)이고, 상기 관찰 디바이스는 현미경 대물렌즈(6a)를 가진 디지털 비디오 카메라(6)인 것을 특징으로 하는
    장치.
  5. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 직육면체 셀 벽(9)의 일 단부면 상에는 정량 펌프(13)가 연결된 세척 용액 또는 희석용 용액의 저장 용기(12)가 제공되고, 타 단부면 상에는 샘플 액체용 보상 용기(14)가 제공되고, 관련된 정량 펌프(16)를 구비하는 추가의 샘플 용기(15)가 제공되고, 액체는 상기 저장 용기(12) 및 상기 샘플 용기(15)로부터 혼합 챔버(17)로 정량주입 방식으로 전달가능하고, 상기 혼합 챔버(17)의 영역에는 소형 pH 측정 프로브가 부착되는 것을 특징으로 하는
    장치.
  6. 셀 벽(9) 내의 현탁액의 나노미터 크기 오더의 입자(23)의 산란광을 이용한 입자 추적 분석 방법에 있어서,
    e) 상기 셀 벽(9)은 진동 감쇠기(4)에 의해 규정된 방식으로 위치되고, 상기 셀 벽(9)은 흑색 유리로 이루어지고, 상기 흑색 유리 내에는 검출 프로세스를 위한 광학 유리 윈도우(11)가 형성되어 있고,
    f) 상기 셀 벽(9)은 광학 조사 디바이스에 의해 광학 유리 윈도우(11)를 통해 조사되고, 또한 상기 셀 벽(9)은 관찰 디바이스에 의해 추가의 광학 유리 윈도우(11)를 통과하는 상기 조사 디바이스의 광축에 대해 직각으로 관찰되고,
    g) 상기 조사 디바이스의 초점과 상기 관찰 디바이스의 초점은 상기 셀 벽(9)의 특정의 영역 내에서 상기 영역 내의 하나 이상의 입자(23)에 대한 이미징 특성을 최적화함으로써 동일한 지점으로 전동 방식으로 변위되고, 전기영동 효과는 전기삼투 효과로부터 명확하게 분리되어 유지되고,
    h) 이것에 의해 얻어지는 제어 파라미터는 입자(23)의 표시를 위한 기초로서 사용되고, 상기 샘플의 제타 전위, 전도율 및 pH는 계측적으로 동시에 검출되는 것을 특징으로 하는
    입자 추적 분석 방법.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 조사 디바이스는 레이저(10)로 이루어지고, 상기 관찰 디바이스는 현미경 대물렌즈를 가진 디지털 비디오 카메라(6)로 이루어지는 것을 특징으로 하는
    입자 추적 분석 방법.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 셀 벽(9) 내로 상기 조사 디바이스의 광의 진입을 허용하는 상기 광학 유리 윈도우(11)의 반대측에 위치되는 추가의 유리 윈도우(11)에 의해, 상기 조사 디바이스의 광빔이 상기 셀 벽(9)으로부터 방출될 수 있고, 상기 광빔이 나노탄소 층(5) 내에 상기 광빔의 열을 전달할 수 있는 점에서, 상기 현탁액 상에의 조사 디바이스의 광 조사의 열 효과가 최소화되는 것을 특징으로 하는
    입자 추적 분석 방법.
  9. 제 6 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 있어서,
    산란광을 이용하여 나노미터의 크기 범위의 입자(23)의 경우에 패턴 분석이 세계 최초로 실시될 수 있는 것을 특징으로 하는
    입자 추적 분석 방법.
  10. 제 6 항 내지 제 9 항 중 어느 한 항에 있어서,
    제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 기재된 장치를 이용한 측정 및 분석 중에,
    a) 작동의 개시 및 실행 후, 초기화를 위해 상기 센서 및 액추에이터가 어드레스(address)되고, 이들의 기준값이 판독되고, 샘플 등록을 위해 최초로 순수한 물 및/또는 규정된 샘플의 기준 측정이 실시되는 단계,
    b) 샘플 등록 후, 카메라 파라미터가 결정되고, 전자 필터 조절이 실시되는 단계,
    c) 샘플 충전의 품질 파라미터의 시험 후, 획득의 심볼에 따라 비디오 시퀀스가 녹화되어 저장되는 단계,
    d) 다음의 방법 단계로서, 상기 비디오 시퀀스가 실시간 또는 시간 지연으로 평가되는 단계,
    e) 다음의 방법 단계에 따라, 개별 물체가 결합되어 개별 이미지 상에 트레이스(trace)를 형성하는 단계로서, 상기 트레이스는 오프셋 데이터 이외에 물체 특성의 데이터와 연관되는, 트레이스 형성 단계,
    f) 결과 표시에서, 크기 분포가 표시되고, 다차원 평가가 다변량 통계의 방법에 의해 실시되는 단계,
    g) 결과적으로, 상기 샘플이 상이한 필터 파라미터로 다시 평가되거나 새로운 샘플이 측정되는 단계, 및
    h) 상기 장치가 스위치 오프되는 단계로 구별되는 것을 특징으로 하는
    입자 추적 분석 방법.
  11. 컴퓨터 프로그램이 컴퓨터 상에서 실행되는 경우에, 제 6 항 내지 제 10 항 중 어느 한 항에 기재된 방법 단계를 실시하기 위한 프로그램 코드를 가진
    컴퓨터 프로그램.
  12. 컴퓨터 프로그램이 컴퓨터 상에서 실행되는 경우에, 제 6 항 내지 제 10 항 중 어느 한 항에 기재된 방법을 실시하기 위한 컴퓨터 프로그램의 프로그램 코드를 가진
    기계-판독가능한 매체.
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