WO2017104662A1

WO2017104662A1 - 粒子分析装置及び粒子分析方法

Info

Publication number: WO2017104662A1
Application number: PCT/JP2016/087063
Authority: WO
Inventors: 森　哲也; 浩行越川; 智也清水; 山口　哲司; 啓二郎櫻本
Original assignee: 株式会社堀場製作所
Priority date: 2015-12-18
Filing date: 2016-12-13
Publication date: 2017-06-22
Also published as: JP6726687B2; JPWO2017104662A1

Abstract

分散媒中の粒子の挙動をより正確に測定し、それに基づいて、分散媒中の粒子状態を精度よく分析できるようにするとともに、長時間の粒子挙動の観測を可能ならしめるために、分散媒中の粒子の位置に関する３次元情報を、時系列で逐次取得する３次元情報取得デバイスと、前記３次元情報取得デバイスで得られた３次元情報の時系列データに基づいて、粒子の３次元挙動を特定し、該挙動から粒子の分散媒中での状態を分析する粒子状態分析デバイスとを備えるようにした。

Description

粒子分析装置及び粒子分析方法

　本発明は、粒子の挙動に基づいて、分散媒中の粒子状態を分析する粒子分析装置に関するものである。

　分散媒中に分散する各粒子の物理的な動き、つまり挙動から、分散媒中での粒子の状態（例えば、粒子径分布、粒子数濃度、凝集状態等）を分析する粒子分析装置が知られている。
　例えば、特許文献１には、その段落０００４等に、ＮＴＡ（ナノ粒子トラッキング解析法）を用いた粒子の分析方法が記載されている。

　このＮＴＡとは、例えばレーザ光を照射された分散媒中の粒子からの散乱光をカメラによって捕らえることにより、ブラウン運動などの各粒子の挙動を取得し、その挙動から前記粒子状態を算出する手法である。

　この従来手法では、焦点（ピント）の固定された通常の２次元カメラが用いられており、粒子の奥行き方向（ｚ方向）の挙動を検出できないので、それに起因する分析誤差等が生じることを避けられない。
　具体的には、以下のような不具合が生じ得る。
（１）３次元的に動いている粒子を２次元の動画から解析するため、奥行き方向（ｚ方向）の動きが無視されてしまい、挙動解析の精度が悪い。

（２）焦点の合っている観測領域から外れた粒子は測定できなくなる。したがって、観測領域から外れるまでの極めて限られた短時間でしか、１つの粒子を観測できない。かといって、焦点深度程度に薄いセルを用いると、粘度の高い試料などを用いることができないといった不具合が発生する。

（３）部分的にしか粒子が測定できないので、個数計測に大きな誤差が含まれる。また焦点深度×カメラ画角中の照明が当たっている粒子のみが観測可能であり、測定可能な濃度範囲が狭い。

特表２０１４－５２１９６７号公報

　本発明は、かかる不具合に鑑みてなされたものであって、分散媒中の粒子の挙動をより正確に測定し、それに基づいて、分散媒中の粒子状態を精度よく分析できるようにするとともに、長時間の粒子挙動の観測を可能ならしめることをその主たる所期課題としたものである。

　すなわち、本発明に係る粒子分析装置は、分散媒中の粒子の挙動に基づいて、該粒子の分散媒中での状態を分析するものであって、分散媒中の粒子の位置に関する３次元情報を時系列で逐次取得する３次元情報取得デバイスと、前記３次元情報取得デバイスで得られた３次元情報の時系列データに基づいて、粒子の３次元挙動を特定し、該挙動から粒子の分散媒中での状態を分析する粒子状態分析デバイスとを備えることを特徴とするものである。
　なお、前記「粒子の位置に関する３次元情報」とは、粒子の３次元位置情報の他、粒子の３次元速度ベクトルや加速度ベクトルも含むものとする。

　かかる構成によれば、粒子の３次元挙動から粒子状態を分析するようにしているので、従来のように２次元での粒子の挙動に基づいて粒子状態を分析するものに比べ、その精度を飛躍的に向上させることができる。

　また、個々の粒子に対して、長時間かつ３次元すべての情報を得ることができるので、きわめて部分的にしか観測できなかった従来の２次元手法に比べ、種々の粒子挙動がわかるようになり、その結果、観測領域のほぼ全数の個数観測が可能である。また広い範囲を同時に観測しているために、特に薄い濃度に対して有効と期待できる。さらには、２次元の動画からは決して解析できない異方的な動きをしている粒子（らせん運動など）の解析の場合では３次元の観測が有効となる。また、３次元的に観測可能であるため、縦軸方向でブラウン運動観測、横軸方向で電気泳動観測、など同時計測が可能かつ高精度での測定も可能になる。
　具体的な一例としては、粒子の挙動がブラウン運動であり、粒子の状態が粒子径分布を挙げることができる。

　同時並行的に複数の粒子状態を分析することも可能である。その一例としては、電場を形成する電場形成手段をさらに具備し、その電場内に分散媒及び粒子が配置されるように構成したものにおいて、前記粒子状態分析デバイスが、前記電場によって生じる粒子の挙動たる電気泳動に基づいて、該粒子のゼータ電位を測定するとともに、前記電場による電位変化方向と異なる方向成分から特定される粒子の挙動たるブラウン運動に基づいて、粒子径を測定するものを挙げることができる。

　前記３次元情報の取得を高速化し、粒子の挙動を高い時間分解能で観測できるようにして、粒子状態の精度の高い分析を可能ならしめるには、３次元情報取得デバイスが、焦点距離の異なる複数の２次元カメラを具備したものであり、前記分散媒中の粒子を、各２次元カメラで同時に撮影した２次元画像を統合して前記３次元情報を取得するものであることが好ましい。

　このように構成した本発明によれば、粒子の３次元位置情報から粒子状態を分析するようにしているので、従来に比べ、粒子の挙動をより正確に特定することができ、それに基づいて、分散媒中の粒子状態をより精度よく、かつ長時間に亘って分析できるようになる。

本発明の第１実施形態における粒子分析装置を模式的に示す全体図。同実施形態における粒子分析装置の粒子撮影方法を説明するための模式図。同実施形態における粒子径分布を３Ｄグラフィックで表示した一例を示す表示画像図。本発明の第２実施形態における粒子分析装置を模式的に示す全体図。本発明の他の実施形態における粒子分析装置の電場付与構造を示す模式図。同実施形態におけるゼータ電位分布図の表示画面の一例を示す表示画像図。本発明のさらに他の実施形態における粒子分析装置の粒子撮影方法を説明するための模式図。

１００・・・粒子分析装置
３・・・３次元情報取得デバイス
４・・・粒子状態分析デバイス

　以下に本発明の実施形態に係る粒子分析装置について図面を参照して説明する。
＜第１実施形態＞
　本実施形態に係る粒子分析装置１００は、図１に示すように、以下の構成要素を備えたものである。
（１）分散媒中に測定対象となる粒子Ｓを分散させた試料を収容するセル１。
（２）セルを介して前記試料にレーザ光Ｒを照射する光源装置２。
（３）粒子Ｓに前記レーザ光Ｒが照射されて発生する二次光（例えば散乱光、反射光、透過光など）を検出して、分散媒中の各粒子Ｓの３次元での位置を示す３次元情報を時系列で逐次取得する３次元情報取得デバイス３。
（４）前記３次元情報取得デバイス３で得られた３次元情報の時系列データに基づいて、粒子Ｓの挙動を特定し、該挙動に基づいて、粒子Ｓの分散媒中での状態を分析する粒子状態分析デバイス４。

　各構成要素を説明する。
　前記セル１は、図１に示すように、試料に収容されたガラス、石英、又は、樹脂等で形成された透明なものである。図示例におけるセル１は、直方体乃至立方体状のものであるが、例えば円筒状のもの等、他の形状であってよい。

　前記光源装置２は、前述したようにレーザ光Ｒを射出するレーザ発振器（図示しない）と、該レーザ発振器から射出されたレーザ光Ｒを、所定径の平行光にして出力するレンズ光学系（図示しない）とを具備したものである。この光源装置Ｒから出力されたレーザ光Ｒは、前記セル１の一面に照射される。なお、試料に照射する光は、必ずしもレーザ光Ｒでなくともよい。ＬＥＤ光やハロゲンランプからの光などでもよいし、完全に平行でなくともよい。

　３次元情報取得デバイス３は、例えば２次元カメラ（図示しない）と画像処理装置（図示しない）とを具備したものである。２次元カメラは、ＣＣＤやＣＭＯＳ等で構成された２次元エリアセンサ（図示しない）と、該２次元エリアセンサ上に画像を結像させるカメラ光学系（図示しない）と、２次元エリアセンサやカメラ光学系を制御して撮影動作をさせる撮影制御機構（図示しない）とを具備したものである。

　この２次元カメラは、レーザ光Ｒの光軸方向（以下、ｘ方向ともいう。）とは異なる方向、具体的には例えばレーザ光Ｒの光軸とは垂直な方向（以下、ｚ方向ともいう）からセル１内の試料を撮影するように配置されている。この２次元カメラは、前記撮影制御機構の指令によって、所定の１撮影サイクルで複数毎の２次元画像データを短時間間隔で、連続的に一挙に撮影する。各２次元画像データは、焦点位置（ピント）を一定距離ずらしながら撮影することによって生成したものである。

　この実施形態では、図２に示すように、前記各焦点位置がセル１内に設定してあり、各２次元画像データが、セル１内の試料におけるｚ方向だけがそれぞれ異なるｘｙ面Ｐの撮影画像を示すものとなるように構成してある。この１撮影サイクルで得られる複数の２次元画像データを統合することによって、セル１内の３次元画像データを生成することができる。

　画像処理装置は、ＣＰＵやメモリ、通信ポートなどのデジタル電気回路の他、アナログ増幅器やバッファなどのアナログ電気回路、及びそれらを繋ぐＡＤＣ、ＤＡＣなどを具備した情報処理装置であり、前記メモリに記憶させた所定のプログラムにしたがってＣＰＵやその周辺機器が協動することによって、各２次元画像データに所定の処理を施すものである。

　具体的にその機能を説明する。
　前記各２次元画像データには、レーザ光Ｒが各粒子Ｓに当たって散乱した光がそれぞれ撮影されている。１つの画像データに着目すれば、その画像データには、その焦点距離でのｘｙ面Ｐに存在する各粒子Ｓからの二次光が撮影されて、それらが光強度密度の高い輝点として表されている。一方、この画像データには、当該ｘｙ面Ｐ以外の別の各ｘｙ面Ｐに存在する粒子Ｓからの散乱光も、ピンボケした状態、すなわち光強度密度の低いぼんやりしたバックグラウンドノイズとして撮影されている。

　前記画像処理装置は、各２次元画像データから、前記バックグラウンドノイズを除去し、対応するｘｙ面Ｐに存在する粒子Ｓからの散乱光だけを抽出して輝点として表し、各粒子Ｓの当該ｘｙ面Ｐでの位置を特定可能な２次元画像データに変換する。

　なお、ｘｙ面Ｐに存在する粒子Ｓとは、厳密にそのｘｙ面だけに存在する粒子Ｓだけではなく、図２に示すようにその前又は後の微小一定幅、すなわちｚ方向に微小一定幅の領域にある粒子Ｓのことである。前記カメラ光学系には、ある程度の焦点深度があるため、ピントの合う領域は、ｚ方向にもある程度の厚みを有するからである。

　前記１撮影サイクルで得られた複数の２次元画像データは、前述したように、前記画像処理装置によってノイズ除去され、このノイズ除去された各２次元画像データが、ｚ方向に並べて統合されることによって、その１撮影サイクル時での３次元画像データとされる。この３次元画像データにおける輝点、すなわち粒子Ｓの位置は、２次元データにおけるｘｙ座標とその２次元画像データのｚ座標から把握できるから、該３次元画像データが、セル１内の各粒子Ｓの３次元での位置を示す３次元情報となる。

　しかして、この２次元カメラは、前記撮影サイクルを一定時間間隔で所定回数繰り返すように設定されており、各撮影サイクルで逐次得られた３次元画像データは、その撮影時刻と紐付けられて、画像処理装置から、逐次、あるいは撮影終了後、一斉に出力される。なお、撮影時刻は、３次元画像データごとに付帯されていてもよいし、より厳密に、各２次元画像データごとに付帯されていてもよい。

　前記粒子状態分析デバイス４は、ＣＰＵ、メモリ、通信ポートなどを備えた情報処理装置であり、そのメモリにしたがって前記ＣＰＵやその周辺機器が協動することによって、セル１内の粒子Ｓの挙動を特定し、該挙動から粒子Ｓの分散媒中での状態を分析する機能を発揮する。
　具体的に説明する。

　この粒子状態分析デバイス４は、前記画像処理装置から撮影時刻が付帯されて送信されてくる一連の３次元画像データを受信する。これら一連の３次元画像データが、セル１内粒子Ｓの３次元位置を示す３次元情報の時系列データであり、いわば３次元動画データである。

　そして、この一連の３次元画像データから、各粒子Ｓの挙動、すなわち、各粒子Ｓの移動方向、移動速度及び移動向きを特定する。具体的には、ある時刻での３次元画像データと、次の時刻での３次元画像データとを比較し、各粒子Ｓを示す輝点の位置の変化から、前述した、各粒子Ｓの挙動を特定する。

　このとき、初めの３次元画像データでの粒子Ｓが、次の時刻での３次元画像データのどの粒子Ｓに該当するかを特定する必要がある。そのために、この粒子状態分析デバイス４は、例えば以下のようにして画像データ間での同一の粒子Ｓを特定する。

　説明のため、１つの粒子Ｓに着目する。初めの３次元画像データに現れた粒子Ｓは、その移動速度に限界があるため、次の３次元画像データにおいて、初めの位置から前記限界移動速度で規定される所定半径（の球）内に存在する。

　したがって、この粒子状態分析デバイス４は、次の３次元画像データにおいて、前記所定半径内に存在する粒子Ｓを、まず検索する。これが１つしかなければ、その粒子Ｓが、初めの３次元画像データに現れた粒子Ｓと同一のものであると特定する。

　一方、次の３次元画像データにおいて、前記所定半径内に複数の粒子Ｓが存在した場合は、その他の条件を満たす粒子Ｓ、例えば、初めの３次元画像データに現れた粒子Ｓの輝度に最も近い輝度を有する粒子Ｓを、初めの３次元画像データに現れた粒子Ｓと同一の粒子Ｓであると特定する。

　このようにして、粒子状態分析デバイス４は、各３次元画像データに現れる各粒子Ｓの対応関係を明らかにしたうえで、同一の粒子Ｓの位置の差分から各粒子Ｓの挙動を特定する。
　次に、粒子状態分析デバイス４は、前記各粒子Ｓの挙動から、粒子Ｓの分散媒中での状態を分析する。

　ここでの粒子Ｓの状態とは、例えば、ここでは粒子径分布である。前記挙動は、例えばブラウン運動を示すものであるため、このブラウン運動から各粒子Ｓの粒子径を算出して試料の粒子径分布を算出するようにしている。

　さらにこの実施形態での粒子状態分析デバイス４は、このようにして算出した粒子径分布を、従来のような横軸が粒子径、縦軸が粒子数といった分布グラフで表示する他、図３に示すような３次元マップでディスプレイ４１（図１に示す。）に表示する。この３次元マップは、ビュー方向を変えることが可能に構成してある。

　この図３の表示例では、複数の粒子径域を設定しておき、各粒子Ｓがどの粒子径域に属するかを決定した後、各粒子Ｓを、３次元位置グラフの対応する座標に、粒子径域ごとに表示態様を変えて（例えば色や形状の異なる点状シンボルとして）表示するようにしてある。

　しかして、このような構成であれば、粒子Ｓの３次元位置情報から粒子状態を分析するので、従来の２Ｄ手法と比べ、粒子Ｓの挙動をより正確に特定することができ、それに基づいて、例えば分散媒中の粒子径分布をより精度よく測定できるようになる。

　また、前記図３のような表示ができるように構成してあるので、例えば大きい粒子Ｓが沈んでいる傾向にあるとか、ある範囲の粒子径を有する粒子Ｓが集合する傾向にあるとかいった解析が直感的にできるようになり、従来では見出せなかった種々の傾向が明らかになって、粒子径分布の解析に新たな可能性を切り開くものとなり得る。

＜第２実施形態＞
　本発明による３方向成分の粒子挙動測定は、前記第１実施形態のように、１つの粒子状態（例えば粒子径）に着目した場合、従来の２方向成分による粒子挙動測定に比べ、精度が飛躍的に向上できるとか、長時間の連続測定が可能になるとかいった効果を奏し得る。

　一方、見方を変えれば、本発明は、従来の２方向成分での粒子挙動測定に比べ、１方向成分だけ多くの情報を得ることができるものであるともいえる。したがって、増加した１方向成分によって、粒子の別の状態を同時に測定することが可能になる。その一例がこの第２実施形態である。

　この第２実施形態では、ゼータ電位をも測定できるようにしてある。ゼータ電位は、周知のように、試料を電場中に置いたときの粒子Ｓの移動速度（電気泳動速度）から算出されるものである。

　ここでは、前記セル１の外側に挟むようにｙ軸方向に離間させて設けた一対の電極板５を設けて、これら電極板５に交流又は直流電圧を印加し、試料に対してｙ軸方向に電位差が生じる電場を与えるようにしてある。

　なお、３次元情報取得デバイス３のカメラは、電極板５によって撮影が阻害されないように電極板５間からセル１を撮影するように配置してある。具体的には、カメラの光軸方向（撮影光軸）Ｃが電極板５の面方向とは垂直となるようにしてある。
　その他の物理的な構成は、前記第１実施形態と同じである。

　ただし、この実施形態では、前記粒子状態分析デバイス４の機能として、粒子Ｓのゼータ電位測定とブラウン運動の解析に基づく粒子径の測定とを同時並行して行える機能を付加している。

　すなわち、ゼータ電位の測定のために、粒子Ｓのｙ軸方向成分の挙動を抽出して、これからゼータ電位を算出する一方、粒子Ｓのｘ軸方向成分及びｚ軸方向成分の挙動からブラウン運動を解析して、粒子径を算出するようにしている。

　ゼータ電位を２種類同時測定することも可能である。例えば、前記実施形態同様、ｙ軸方向に離間させて設けた一対の第１電極板５に加え、ｚ軸方向に離間させて設けた一対の第２電極板６を具備させ、ｙ軸方向に加え、ｚ軸方向にも電位差が生じる電場を与えるようにする。

　このとき、ｙ軸方向には、低周波乃至直流の電圧を印加し、ｚ軸方向には高周波交流電圧を印加する。そして、粒子Ｓのｙ方向成分の挙動とｚ軸方向成分の挙動とを分離して分析する。このようにすれば、粒子Ｓのｙ方向成分の挙動からゼータ電位の分布を測定することができ、粒子Ｓのｚ方向成分の挙動からは、ゼータ電位の平均値（又は絶対値）を測定することが、並行してできるようになる。その２つの測定結果のディスプレイでの表示例を図６に示す。なお、撮影は、例えば第２電極板６に貫通孔を空けるなどして、その貫通孔を介して行えばよい。

＜その他の実施形態＞
　なお、本発明は前記実施形態に限られない。
　粒子Ｓの挙動の３次元動画化による３Ｄ観測ができるので、長時間に亘る粒子Ｓ挙動の追跡が可能になる。したがって、例えば、前述した粒子Ｓのブラウン運動のみならず、セル１内での粒子Ｓの沈降や浮上、あるいは温度による対流移動などの挙動をも観測する機能を付加することが可能である。

　また、２つの粒子Ｓが接近乃至衝突したときの挙動をも３次元計測によって正確に観測可能である。これを粒子分析デバイスに解析させて、粒子間の斥力や引力（これが粒子状態である）を算出するようにしてもよい。これに基づいて粒子の相互作用の解析等が可能になる。これは、ゼータ電位を生じないような粒子にも適用できる。

　また、試料としてゲルを用いてよい。このようなものであれば、ゲル内に分散する粒子Ｓの３次元挙動を観測し、その振動状態から各粒子Ｓの架橋の腕の長さ（これが粒子状態である）を精度よく算出することができる。また、このことにより、ゲルに加わっているせん断力（いわゆる「ずり」）や、その位置などを特定することも可能である。

　また、電場のみならず、他の外場（磁場、重力場、遠心力による場など）による粒子Ｓの挙動を測定するようにしてもよいし、これを種々の形式でマップ化し、視覚的に理解しやすいようにすればより好ましい。

　３次元画像データは、１つの２次元カメラで、焦点距離をずらせながらシーケンシャルに複数毎の２次元画像データを撮影し、それらを統合して生成していたが、図７に示すように、焦点位置の異なる複数台の２次元カメラ３で並列に一挙に撮影して２次元画像データを取得し、これらを統合して生成してもかまわない。各２次元カメラ３は、物理的に完全に独立している必要はなく、例えば１つの筐体に収容されて、制御機構やシャッタなど、その構成や機能の一部を共有するものでも構わない。また、この場合であれば、ｚ方向に焦点位置の異なる複数台の２次元カメラで動画を撮影し、それらを同期統合して３次元動画を生成してもよい。
　その他、本発明は前記実施形態に限られず、その趣旨を逸脱しない範囲で種々の変形が可能であるのは言うまでもない。

　本発明に係る粒子分析装置であれば、粒子の３次元位置情報から粒子状態を分析するようにしているので、従来に比べ、粒子の挙動をより正確に特定することができ、それに基づいて、分散媒中の粒子状態をより精度よく、かつ長時間に亘って分析できるようになる。

Claims

　分散媒中の粒子の位置に関する３次元情報を、時系列で逐次取得する３次元情報取得デバイスと、
　前記３次元情報取得デバイスで得られた３次元情報の時系列データに基づいて、粒子の３次元挙動を特定し、該挙動から粒子の分散媒中での状態を分析する粒子状態分析デバイスとを備えることを特徴とする粒子分析装置。
　粒子の挙動がブラウン運動であり、粒子の状態が粒子径分布である請求項１記載の粒子分析装置。
　電場を形成する電場形成手段をさらに具備し、その電場内に分散媒及び粒子が配置されるように構成したものであって、
　前記粒子状態分析デバイスが、前記電場によって生じる粒子の挙動たる電気泳動に基づいて、該粒子のゼータ電位を測定するとともに、前記電場による電位変化方向と異なる方向成分から特定される粒子の挙動たるブラウン運動に基づいて、粒子径を測定するものであることを特徴とする請求項１記載の粒子分析装置。
　前記３次元情報取得デバイスが、焦点距離の異なる複数の２次元カメラを具備したものであり、前記分散媒中の粒子を、各２次元カメラで同時に撮影した２次元画像を統合して前記３次元情報を取得するものであることを特徴とする請求項１記載の粒子分析装置。
　分散媒中の粒子の位置に関する３次元情報を時系列で逐次取得する３次元情報取得デバイスを利用した粒子分析方法であり、
　前記３次元情報取得デバイスで得られた３次元情報の時系列データに基づいて、粒子の３次元挙動を特定し、該挙動から粒子の分散媒中での状態を分析することを特徴とする粒子分析方法。