ゼータ電位測定装置及びゼータ電位測定方法
【課題】小型且つ安価で、個々の測定対象物のゼータ電位を測定できるゼータ電位測定装置及びゼータ電位測定方法を提供する。
【解決手段】測定対象物が分散しているサンプル溶液２００を収容し、第１のリザーバ１１、第２のリザーバ１２、及び第１のリザーバ１１と第２のリザーバ１２間を移動するサンプル溶液２００中の測定対象物が通過し、測定対象物が移動する方向と垂直な断面積が第１のリザーバ１１及び第２のリザーバ１２より小さいアパーチャー１３を有するマイクロチャネル１０と、第１のリザーバ１１と第２のリザーバ１２間を流れる電流の電流値を測定する電流測定装置２０と、電流値が一時的に減少する電流減少時間で測定対象物が通過するアパーチャー１３の経路長を除算して測定対象物の電気泳動速度を算出し、電気泳動速度を用いて測定対象物のゼータ電位を算出する算出装置３０とを備える。
【解決手段】測定対象物が分散しているサンプル溶液２００を収容し、第１のリザーバ１１、第２のリザーバ１２、及び第１のリザーバ１１と第２のリザーバ１２間を移動するサンプル溶液２００中の測定対象物が通過し、測定対象物が移動する方向と垂直な断面積が第１のリザーバ１１及び第２のリザーバ１２より小さいアパーチャー１３を有するマイクロチャネル１０と、第１のリザーバ１１と第２のリザーバ１２間を流れる電流の電流値を測定する電流測定装置２０と、電流値が一時的に減少する電流減少時間で測定対象物が通過するアパーチャー１３の経路長を除算して測定対象物の電気泳動速度を算出し、電気泳動速度を用いて測定対象物のゼータ電位を算出する算出装置３０とを備える。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、溶液に分散された測定対象物のゼータ電位を測定するゼータ電位測定装置及びゼータ電位測定方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
溶液に分散した微粒子や細胞等の微小物体の表面が電荷を帯びている場合、これらの微小物体の帯電の度合いを示すのがゼータ電位である。微小物体のゼータ電位を測定するために、超音波や高周波電圧を利用した方法等、様々な測定方法が用いられてきた。代表的な方法として、レーザを用いたレーザドップラー法が挙げられる（例えば、特許文献１参照。）。
【０００３】
レーザドップラー法は、散乱光の周波数解析によってゼータ電位を測定する方法である。測定対象物が分散している溶液を測定セルに入れ、測定セル内部に電圧を印加し、微小物体を電気泳動させる。そして、測定セルの横からレーザを照射し、電気泳動している微小物体によって散乱された光を検出し、その周波数を解析することでゼータ電位を算出する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特許第２９２４８１５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、従来のゼータ電位測定装置は大規模で高価なものが多い。例えば、上記のレーザドップラー法によるゼータ電位測定では、レーザ光源や光電子増倍管等の光学機器が必要であり、ゼータ電位測定装置の小型化や低価格化を困難にしている。また、上記の方法では、レーザを測定セルに照射し、照射された範囲に存在する測定対象物の散乱光を検知し解析することにより、ゼータ電位を算出する。このため、個々の微粒子や細胞のゼータ電位を測定することができないという問題があった。
【０００６】
上記問題点に鑑み、本発明は、小型且つ安価で、個々の測定対象物のゼータ電位を測定できるゼータ電位測定装置及びゼータ電位測定方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の一態様によれば、（イ）測定対象物が分散しているサンプル溶液を収容し、第１のリザーバ、第２のリザーバ、及び第１のリザーバと第２のリザーバ間を移動するサンプル溶液中の測定対象物が通過し、測定対象物が移動する方向と垂直な断面積が第１及び第２のリザーバより小さいアパーチャーを有するマイクロチャネルと、（ロ）第１及び第２のリザーバ間に電圧を印加して、第１及び第２のリザーバ間を流れる電流の電流値を一定時間測定する電流測定装置と、（ハ）一定時間のうちで電流値が一時的に減少する電流減少時間で測定対象物が通過するアパーチャーの経路長を除算して測定対象物の電気泳動速度を算出し、その電気泳動速度を用いて測定対象物のゼータ電位を算出する算出装置とを備えるゼータ電位測定装置が提供される。
【０００８】
本発明の他の態様によれば、（イ）測定対象物が分散しているサンプル溶液を収容し、第１のリザーバ、第２のリザーバ、及び第１のリザーバと第２のリザーバ間を移動するサンプル溶液中の測定対象物が通過し、測定対象物が移動する方向と垂直な断面積が第１及び第２のリザーバより小さいアパーチャーを備えたマイクロチャネルを用意するステップと、（ロ）第１及び第２のリザーバ間に電圧を印加して、第１及び第２のリザーバ間を流れる電流の電流値を一定時間測定するステップと、（ハ）一定時間のうちで電流値が一時的に減少する電流減少時間で測定対象物が通過するアパーチャーの経路長を除算して測定対象物の電気泳動速度を算出するステップと、（ニ）電気泳動速度を用いて測定対象物のゼータ電位を算出するステップとを含むゼータ電位測定方法が提供される。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、小型且つ安価で、個々の測定対象物のゼータ電位を測定できるゼータ電位測定装置及びゼータ電位測定方法を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明の実施形態に係るゼータ電位測定装置の構成を示す模式図である。
【図２】図１のＩＩ−ＩＩ方向に沿った断面図である。
【図３】本発明の実施形態に係るゼータ電位測定装置のアパーチャーの構造を示す模式図である。
【図４】ゼータ電位を説明するための模式図である。
【図５】微粒子が電場に沿って移動することを説明する模式図である。
【図６】本発明の実施形態に係るゼータ電位測定装置のマイクロチャネルを流れる電流を示す模式図である。
【図７】本発明の実施形態に係るゼータ電位測定装置のアパーチャーを微粒子が通過する例を示す模式図である。
【図８】本発明の実施形態に係るゼータ電位測定装置によって測定される電流値の例を示す模式図である。
【図９】本発明の実施形態に係るゼータ電位測定方法を説明するためのフローチャートである。
【図１０】本発明の実施形態に係るゼータ電位測定方法によって測定される電流値と時刻との関係を示すグラフである。
【図１１】図１０に示したグラフの一部を拡大したグラフである。
【図１２】本発明の実施形態に係るゼータ電位測定装置のマイクロチャネルをパーツ分けした状態を示す模式図である。
【図１３】本発明の実施形態に係るゼータ電位測定装置によって得られる測定対象物の直径と電流減少値の関係を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
次に、図面を参照して、本発明の実施形態を説明する。以下の図面の記載において、同一又は類似の部分には同一又は類似の符号を付している。ただし、図面は模式的なものであり、厚みと平面寸法との関係、各層の厚みの比率等は現実のものとは異なることに留意すべきである。したがって、具体的な厚みや寸法は以下の説明を参酌して判断すべきものである。又、図面相互間においても互いの寸法の関係や比率が異なる部分が含まれていることはもちろんである。
【００１２】
又、以下に示す実施形態は、この発明の技術的思想を具体化するための装置や方法を例示するものであって、この発明の実施形態は、構成部品の材質、形状、構造、配置等を下記のものに特定するものでない。この発明の実施形態は、特許請求の範囲において、種々の変更を加えることができる。
【００１３】
（実施形態）
本発明の実施形態に係るゼータ電位測定装置１は、図１に示すように、微粒子や細胞等の測定対象物が分散しているサンプル溶液２００を収容し、第１のリザーバ１１、第２のリザーバ１２、及び第１のリザーバ１１と第２のリザーバ１２間を移動するサンプル溶液２００中の測定対象物が通過し、測定対象物が移動する方向と垂直な断面積が第１のリザーバ１１及び第２のリザーバ１２より小さいアパーチャー１３を有するマイクロチャネル１０と、第１のリザーバ１１及び第２のリザーバ１２間に電圧を印加して、第１のリザーバ１１と第２のリザーバ１２間を流れる電流の電流値を一定時間測定する電流測定装置２０と、一定時間のうちで電流値が一時的に減少する電流減少時間で測定対象物が通過するアパーチャー１３の経路長を除算して測定対象物の電気泳動速度を算出し、その電気泳動速度を用いて測定対象物のゼータ電位を算出する算出装置３０とを備える。図１では、マイクロチャネル１０の平面図を示している。
【００１４】
マイクロチャネル１０は、負電極２０１が配置された第１のリザーバ１１と正電極２０２が配置された第２のリザーバ１２、及び第１のリザーバ１１と第２のリザーバ１２間に配置されたアパーチャー１３を構成する狭隘部からなる。後述するように、電流測定装置２０によって負電極２０１と正電極２０２間に電圧が印加され、電流測定装置２０は負電極２０１と正電極２０２間に流れる電流、即ちアパーチャー１３を経由して第１のリザーバ１１と第２のリザーバ１２間を流れる電流の電流値を測定する。
【００１５】
マイクロチャネル１０は、例えば図２に示すように、表面にマイクロパターンが形成されたシリコンゴム１０１をガラス基板１０２に貼り付けた構造である。このシリコンゴム１０１の製造には、半導体装置の製造に用いられるフォトリソグラフィ技術等が採用可能である。第１のリザーバ１１に設けられた開口部１１１において負電極２０１が第１のリザーバ１１中のサンプル溶液２００に接し、第２のリザーバ１２に設けられた開口部１２１において正電極２０２が第２のリザーバ１２中のサンプル溶液２００に接する。
【００１６】
マイクロチャネル１０は、例えば以下のような方法によって形成可能である。即ち、先ずシリコン基板上にフォトレジスト膜を塗布する。このフォトレジスト膜を、フォトリソグラフィ技術によって、第１のリザーバ１１、第２のリザーバ１２及びアパーチャー１３を有するマイクロチャネル１０の空洞形状に対応したパターンに形成する。そして、このフォトレジスト膜を金型としてシリコンゴムを流し込み、その後に硬化したシリコンゴムをシリコン基板から剥がす。これにより、第１のリザーバ１１と第２のリザーバ１２がアパーチャー１３を介して接続されたパターンがシリコンゴム１０１の表面に形成される。第１のリザーバ１１と第２のリザーバ１２には、負電極２０１と正電極２０２を配置する開口部１１１、１２１がそれぞれ形成される。このシリコンゴム１０１をガラス基板１０２に貼り付けて、図１に示したマイクロチャネル１０が形成される。
【００１７】
図３に示すように、アパーチャー１３の幅ｗa、高さｈ、経路長ｌaとする。なお、図１、図３に示したように、第１のリザーバ１１及び第２のリザーバ１２のアパーチャー１３との接続部は、アパーチャー１３に向かってなだらかに幅が狭くなって断面積が徐々に小さくなるように形成されている。これにより、測定対象物１００や気泡が第１のリザーバ１１及び第２のリザーバ１２のアパーチャー１３との接続部分に詰まることが防止され、測定精度を向上させることができる。
【００１８】
ゼータ電位は、溶液中の微粒子等の表面の帯電の度合いを示す。通常、溶液中に分散している微粒子等の表面は、正電位又は負電位に帯電している。例えば、図４はサンプル溶液２００中の測定対象物１００の表面が負電位に帯電している場合を示す。このため、測定対象物１００の周囲には陽イオンが集まる。測定対象物１００が帯電しているため、図５に示すように、正電極２０２と負電極２０１間に電圧を印加すると、測定対象物１００は電場に沿ってサンプル溶液２００中を移動する。このときの移動速度は、帯電の度合い、即ちゼータ電位に依存する。したがって、測定対象物１００の移動速度を測定することによって、ゼータ電位を測定することができる。
【００１９】
測定対象物１００が分散されるサンプル溶液２００には、電解質の溶液が使用される。このため、サンプル溶液２００をマイクロチャネル１０に収容し、第１のリザーバ１１と第２のリザーバ１２間に直流電圧を印加すると、図６に矢印で示したように、電流が正電極２０２からアパーチャー１３を通過して負電極２０１に達し、一定の電流値を示す。図６は、サンプル溶液２００に測定対象物１００が分散されていない場合を示している。
【００２０】
一方、サンプル溶液２００に測定対象物１００が分散されている場合には、既に説明したように、第１のリザーバ１１と第２のリザーバ１２間に電圧を印加すると測定対象物１００は電場に沿って移動する。図７は、サンプル溶液２００中の測定対象物１００の表面が負電位に帯電している場合を示している。アパーチャー１３内に測定対象物１００が存在していない場合には、電流は図６に示した場合と同様に流れる。しかし、測定対象物１００がアパーチャー１３を通過する場合には、アパーチャー１３を流れる電流の流れが妨げられる。このため、図８に示すように、アパーチャー１３内に測定対象物１００が存在する時間だけ、電流値が減少する。以下において、測定対象物１００がアパーチャー１３を通過することに起因する電流値の減少値を「電流減少値ΔＩ」、電流値が減少している時間を「電流減少時間Δｔ」という。アパーチャー１３の経路長ｌaを電流減少時間Δｔで除算することによって、測定対象物１００の電気泳動速度を算出できる。
【００２１】
以下に、図１に示したゼータ電位測定装置１によって、サンプル溶液２００中に分散している測定対象物１００のゼータ電位を測定する方法の例を、図９を参照して説明する。以下では、測定対象物１００が直径３μｍの微粒子であり、サンプル溶液２００中の測定対象物１００の表面は負電位に帯電しているとする。
【００２２】
（イ）ステップＳ１において、マイクロチャネル１０を用意する。ここで、アパーチャー１３の幅ｗa、高さｈ、経路長ｌaは、それぞれ５μｍ、１０μｍ、４０μｍである。
【００２３】
（ロ）ステップＳ２において、マイクロチャネル１０内に、例えば２−メタクリロイルオキシエチルホスホリルコリン（2-methacryloyloxyethyl phosphorylcholine）をコーティング液として注入し、マイクロチャネル１０のサンプル溶液２００に接する表面にポリマーコーティングを施す。これにより、ガラス基板１０２に測定対象物１００が付着することを防止でき、更に、マイクロチャネル１０表面のサンプル溶液２００によるゼータ電位を抑え、測定対象物１００のゼータ電位測定の妨げとなる電気浸透流の影響を最小限にできる。ポリマーコーティングを施すために、例えば２４時間程度、マイクロチャネル１０内にコーティング液を収容する。
【００２４】
（ハ）マイクロチャネル１０内のコーティング液をリン酸塩緩衝液等の緩衝液で置換し、マイクロチャネル１０内部からコーティング液を排出する。マイクロチャネル１０内部から緩衝液を排出後、ステップＳ３において、測定対象物１００が分散しているサンプル溶液２００をマイクロチャネル１０内に収容する。
【００２５】
（ニ）ステップＳ４において、電流測定装置２０が、第１のリザーバ１１と第２のリザーバ１２間に、例えば３０Ｖの直流電圧を印加する。電流測定装置２０は、サンプル溶液２００中を負電極２０１と正電極２０２間を流れる電流の電流値Ｉを、一定時間にわたって測定する。サンプル溶液２００中に分散している測定対象物１００の表面は負電位に帯電しているため、測定対象物１００は電気泳動によって、アパーチャー１３を通過して、第１のリザーバ１１から第２のリザーバ１２に移動する。測定された電流値Ｉの例を、図１０に示す。既に説明したように、アパーチャー１３内に存在する測定対象物１００によってアパーチャー１３を流れる電流の流れが妨げられるため、測定対象物１００がアパーチャー１３を通過するたびに、図１０に符号Ｄで示すように、測定される電流値Ｉは減少する。図１１に、図１０の時刻８．１８秒前後における電流減少値ΔＩを示す。既に説明したように、電流値Ｉの電流減少時間Δｔは、測定対象物１００がアパーチャー１３内に滞在する時間である。観測された電流減少値ΔＩは、算出装置３０に送信される。
【００２６】
（ホ）ステップＳ５において、算出装置３０が、電流減少時間Δｔでアパーチャー１３の経路長ｌaを除算して、測定対象物１００の電気泳動速度Ｓを算出する。即ち、Ｓ＝ｌa／Δｔである。
【００２７】
（ヘ）ステップＳ６において、算出装置３０が電気泳動速度Ｓを用いて、測定対象物１００の電気泳動移動度及びゼータ電位を算出する。
【００２８】
電気泳動移動度Ｕは、電気泳動速度Ｓをアパーチャー１３内の電場の強さで除算して算出される。また、ゼータ電位ζは、例えば以下の式（１）に示すスモルコフスキーの式を利用した既知の関係式によって、算出される：
Ｕ＝（ε／η）ζ ・・・（１）
式（１）で、Ｕは測定対象物１００の電気泳動移動度、ε、ηはそれぞれサンプル溶液２００の誘電率、粘性係数である。
【００２９】
上記に説明したゼータ電位測定装置１を使用した実験によって測定されたゼータ電位が−３１．０９（±３．１２）ｍＶであったのに対し、既知のレーザドップラー法で測定したゼータ電位は、−３３．３５（±２．４２）ｍＶであった。このように、本発明の実施形態に係るゼータ電位測定装置１によって得られるゼータ電位は、既知の測定方法による測定結果とよく一致することが確認された。
【００３０】
なお、測定対象物１００が移動する方向と垂直なアパーチャー１３の断面積が測定対象物１００の粒径Ｍより大きくなければならないのはもちろんであるが、ゼータ電位を正確に測定するためには、一度にアパーチャー１３を通過する測定対象物１００は１個である必要がある。このため、例えばアパーチャー１３の幅ｗaは、Ｍ＜ｗa＜２×Ｍ程度であることが好ましい。つまり、アパーチャー１３の断面積は、測定対象物１００の直径より大きいが、２つの測定対象物１００が横に並んで通過できない程度であることが好ましい。
【００３１】
また、アパーチャー１３の経路長ｌaが長すぎると、複数の測定対象物１００が同時にアパーチャー１３内に滞在する確率が高くなる。一方、経路長ｌaが短すぎると、アパーチャー１３に測定対象物１００が滞在する時間が短くなりすぎて、測定の精度が低下する。例えば測定対象物１００の直径が数μｍである場合には、経路長ｌaが２０μｍ〜４０μｍ程度であることが好ましいことが実験的に得られている。
【００３２】
したがって、測定対象物１００の粒径やサンプル溶液２００の電気伝導率、サンプル溶液２００中の測定対象物１００の濃度等を考慮して、アパーチャー１３の幅ｗa、高さｈ、経路長ｌaを適宜設定すればよい。
【００３３】
また、以下に説明するように、図１に示したゼータ電位測定装置１によって、測定対象物１００の粒径を測定することができる。
【００３４】
マイクロチャネル１０を、図１２に示すようにパーツ分けし、サンプル溶液２００が収容されたマイクロチャネル１０の各パーツにおける電気抵抗を考える。ここで、アパーチャー部分Ｐ13における電気抵抗を抵抗Ｒａとする。そして、第１のリザーバ１１と第２のリザーバ１２の直方体部分Ｐ111、Ｐ121における電気抵抗を抵抗Ｒｃとし、アパーチャー１３との接続部分Ｐ112、Ｐ122における電気抵抗を抵抗Ｒｂとする。
【００３５】
アパーチャー１３内に測定対象物１００が存在していない場合の、抵抗Ｒａ、Ｒｂ、Ｒｃは、以下の式（２）〜式（４）で表される：
Ｒａ＝ｌa／（σｈｗa） ・・・（２）
Ｒｂ＝ｌb／｛σｈ（ｗc−ｗa）｝×ｌｎ（ｗc／ｗa） ・・・（３）
Ｒｃ＝ｌc／（σｈｗc） ・・・（４）
ここで、σはサンプル溶液２００の電気伝導率、ｌa、ｗaはアパーチャー部分Ｐ13の経路長と幅、ｌbは接続部分Ｐ112、Ｐ122の経路長、ｌc、ｗcは直方体部分Ｐ111、Ｐ121の経路長と幅、ｈはマイクロチャネル１０の高さである。
【００３６】
一方、アパーチャー１３に測定対象物１００が存在する場合におけるアパーチャー１３の電気抵抗を抵抗Ｒａａとすると、抵抗Ｒａａは以下の式（５）で表される：
Ｒａａ＝２arctan｛（φ／２）／（ｈｗa／π−（φ／２）2）1/2｝／［ σ｛π（ｈｗa−π（φ／２）2）｝1/2］＋（ｌa−φ）／（σｈｗa） ・・・（５）
式（５）で、φは測定対象物１００の直径である。
【００３７】
アパーチャー１３に測定対象物１００が存在しない場合のマイクロチャネル１０全体の抵抗Ｒ１は以下の式（６）で表され、アパーチャー１３に測定対象物１００が存在する場合のマイクロチャネル１０全体の抵抗Ｒ２は以下の式（７）で表される：
Ｒ１＝Ｒａ＋２×（Ｒｂ＋Ｒｃ） ・・・（６）
Ｒ２＝Ｒａａ＋２×（Ｒｂ＋Ｒｃ） ・・・（７）
【００３８】
第１のリザーバ１１と第２のリザーバ１２間に印加される印加電圧Ｖ、電流減少値ΔＩを用いて、以下の式（８）の関係が成立する：
Ｖ／Ｒ１−Ｖ／Ｒ２＝ΔＩ ・・・（８）
【００３９】
式（２）〜式（８）を用いて、測定対象物１００の直径φを算出することができる。測定対象物１００の直径φを算出した例を図１３に示す。図１３は、測定対象物１００の直径φと電流減少値ΔＩの関係を示すグラフであり、計算により算出された値を実線で示している。
【００４０】
また、図１３において点で示した値は、直径が２μｍ及び３μｍの微粒子を測定対象物１００として使用し、ゼータ電位測定装置１による電流減少値ΔＩの測定を行なって得られた測定結果である。図１３に示すように、測定結果と計算結果はよく一致する。したがって、図１に示したゼータ電位測定装置１によって、粒径を測定することができることが確認された。
【００４１】
上記では、測定対象物１００が微粒子である場合を説明したが、本発明の実施形態に係るゼータ電位測定装置１は、単一細胞のゼータ電位の測定も行なうことができる。細胞のゼータ電位は、細胞表面の生化学反応と密接に関係している。例えば、羊由来の赤血球をウサギ由来の抗羊赤血球ＩｇＧと反応させ、ゼータ電位測定装置１によって電気泳動移動度を測定した。その結果、フローサイトメータにより測定した細胞表面に付着した抗体の数量と電気泳動移動度に相関があることが明らかになった。ここで、電気泳動移動度Ｕは、上記の式（１）で表される。したがって、図１に示したゼータ電位測定装置１を用いたゼータ電位測定方法により、細胞表面で起こる抗原抗体反応等の生化学反応を評価できることがわかった。
【００４２】
測定対象物１００として赤血球をリン酸緩衝液に分散したサンプル溶液２００を使用して、ゼータ電位を測定する実験を行なった。図１に示したゼータ電位測定装置１を用いた測定では、ゼータ電位が−１２．８３（±１．０１）ｍＶであったのに対し、既知のレーザドップラー法で測定したゼータ電位は、−１５．３９（±０．４５）ｍＶであった。このように、ゼータ電位測定装置１によって得られる赤血球のゼータ電位は、既知の測定方法による測定結果とよく一致することが確認された。
【００４３】
既に説明したゼータ電位測定装置１を用いた測定例では、測定対象物１００が直径３μｍ程度である。このため、アパーチャー１３の幅ｗaや高さｈは、例えばｗa＝５μｍ、ｈ＝１０μｍ程度に設定された。しかし、電子線描画法等によって更に微細な加工をガラス基板１０２に施すことにより、アパーチャー１３の幅ｗaや高さｈがナノメートルオーダーであるナノチャネルを作成することが可能である。例えば、アパーチャー１３の幅ｗaや高さｈを１００ｎｍ以下にすることができる。このナノチャネルにＤＮＡやたんぱく質等の生体分子やナノ粒子を分散したサンプル溶液２００を収容し、ゼータ電位測定装置１を用いて、これらのナノ物質の個々の数量、サイズ、ゼータ電位を測定することができる。
【００４４】
以上に説明したように、本発明の実施形態に係るゼータ電位測定装置１によれば、溶液中に分散している個々の微粒子や細胞等のゼータ電位を測定することができる。また、アパーチャー１３を流れる電流の減少値の大きさを用いて、ゼータ電位測定と同時に測定対象の微粒子等の直径を測定することができる。
【００４５】
更に、図１に示したゼータ電位測定装置１に使用されるマイクロチャネル１０は構造が単純で材料費も安いため、小型のゼータ電位測定装置を安価に提供することができる。したがって、本発明の実施形態に係るゼータ電位測定装置１によれば、小型且つ安価で、個々の測定対象物１００のゼータ電位を測定できるゼータ電位測定装置及びゼータ電位測定方法を提供することができる。
【００４６】
上記のように、本発明は実施形態によって記載したが、この開示の一部をなす論述及び図面はこの発明を限定するものであると理解すべきではない。この開示から当業者には様々な代替実施形態、実施例及び運用技術が明らかとなろう。つまり、本発明はここでは記載していない様々な実施形態等を含むことは勿論である。したがって、本発明の技術的範囲は上記の説明から妥当な特許請求の範囲に係る発明特定事項によってのみ定められるものである。
【産業上の利用可能性】
【００４７】
本発明のゼータ電位測定装置及びゼータ電位測定方法は、溶液中に分散した微粒子や細胞等の微少物体表面の電気的特性を利用する用途に利用可能である。例えば、コロイド溶液の分散性の評価、細胞膜の構造解析、廃水処理法の開発や製紙用添加剤の検証等への応用が可能である。
【符号の説明】
【００４８】
１…ゼータ電位測定装置
１０…マイクロチャネル
１１…第１のリザーバ
１２…第２のリザーバ
１３…アパーチャー
２０…電流測定装置
３０…算出装置
１００…測定対象物
１０１…シリコンゴム
１０２…ガラス基板
１１１、１２１…開口部
２００…サンプル溶液
２０１…負電極
２０２…正電極
【技術分野】
【０００１】
本発明は、溶液に分散された測定対象物のゼータ電位を測定するゼータ電位測定装置及びゼータ電位測定方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
溶液に分散した微粒子や細胞等の微小物体の表面が電荷を帯びている場合、これらの微小物体の帯電の度合いを示すのがゼータ電位である。微小物体のゼータ電位を測定するために、超音波や高周波電圧を利用した方法等、様々な測定方法が用いられてきた。代表的な方法として、レーザを用いたレーザドップラー法が挙げられる（例えば、特許文献１参照。）。
【０００３】
レーザドップラー法は、散乱光の周波数解析によってゼータ電位を測定する方法である。測定対象物が分散している溶液を測定セルに入れ、測定セル内部に電圧を印加し、微小物体を電気泳動させる。そして、測定セルの横からレーザを照射し、電気泳動している微小物体によって散乱された光を検出し、その周波数を解析することでゼータ電位を算出する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特許第２９２４８１５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、従来のゼータ電位測定装置は大規模で高価なものが多い。例えば、上記のレーザドップラー法によるゼータ電位測定では、レーザ光源や光電子増倍管等の光学機器が必要であり、ゼータ電位測定装置の小型化や低価格化を困難にしている。また、上記の方法では、レーザを測定セルに照射し、照射された範囲に存在する測定対象物の散乱光を検知し解析することにより、ゼータ電位を算出する。このため、個々の微粒子や細胞のゼータ電位を測定することができないという問題があった。
【０００６】
上記問題点に鑑み、本発明は、小型且つ安価で、個々の測定対象物のゼータ電位を測定できるゼータ電位測定装置及びゼータ電位測定方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の一態様によれば、（イ）測定対象物が分散しているサンプル溶液を収容し、第１のリザーバ、第２のリザーバ、及び第１のリザーバと第２のリザーバ間を移動するサンプル溶液中の測定対象物が通過し、測定対象物が移動する方向と垂直な断面積が第１及び第２のリザーバより小さいアパーチャーを有するマイクロチャネルと、（ロ）第１及び第２のリザーバ間に電圧を印加して、第１及び第２のリザーバ間を流れる電流の電流値を一定時間測定する電流測定装置と、（ハ）一定時間のうちで電流値が一時的に減少する電流減少時間で測定対象物が通過するアパーチャーの経路長を除算して測定対象物の電気泳動速度を算出し、その電気泳動速度を用いて測定対象物のゼータ電位を算出する算出装置とを備えるゼータ電位測定装置が提供される。
【０００８】
本発明の他の態様によれば、（イ）測定対象物が分散しているサンプル溶液を収容し、第１のリザーバ、第２のリザーバ、及び第１のリザーバと第２のリザーバ間を移動するサンプル溶液中の測定対象物が通過し、測定対象物が移動する方向と垂直な断面積が第１及び第２のリザーバより小さいアパーチャーを備えたマイクロチャネルを用意するステップと、（ロ）第１及び第２のリザーバ間に電圧を印加して、第１及び第２のリザーバ間を流れる電流の電流値を一定時間測定するステップと、（ハ）一定時間のうちで電流値が一時的に減少する電流減少時間で測定対象物が通過するアパーチャーの経路長を除算して測定対象物の電気泳動速度を算出するステップと、（ニ）電気泳動速度を用いて測定対象物のゼータ電位を算出するステップとを含むゼータ電位測定方法が提供される。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、小型且つ安価で、個々の測定対象物のゼータ電位を測定できるゼータ電位測定装置及びゼータ電位測定方法を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明の実施形態に係るゼータ電位測定装置の構成を示す模式図である。
【図２】図１のＩＩ−ＩＩ方向に沿った断面図である。
【図３】本発明の実施形態に係るゼータ電位測定装置のアパーチャーの構造を示す模式図である。
【図４】ゼータ電位を説明するための模式図である。
【図５】微粒子が電場に沿って移動することを説明する模式図である。
【図６】本発明の実施形態に係るゼータ電位測定装置のマイクロチャネルを流れる電流を示す模式図である。
【図７】本発明の実施形態に係るゼータ電位測定装置のアパーチャーを微粒子が通過する例を示す模式図である。
【図８】本発明の実施形態に係るゼータ電位測定装置によって測定される電流値の例を示す模式図である。
【図９】本発明の実施形態に係るゼータ電位測定方法を説明するためのフローチャートである。
【図１０】本発明の実施形態に係るゼータ電位測定方法によって測定される電流値と時刻との関係を示すグラフである。
【図１１】図１０に示したグラフの一部を拡大したグラフである。
【図１２】本発明の実施形態に係るゼータ電位測定装置のマイクロチャネルをパーツ分けした状態を示す模式図である。
【図１３】本発明の実施形態に係るゼータ電位測定装置によって得られる測定対象物の直径と電流減少値の関係を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
次に、図面を参照して、本発明の実施形態を説明する。以下の図面の記載において、同一又は類似の部分には同一又は類似の符号を付している。ただし、図面は模式的なものであり、厚みと平面寸法との関係、各層の厚みの比率等は現実のものとは異なることに留意すべきである。したがって、具体的な厚みや寸法は以下の説明を参酌して判断すべきものである。又、図面相互間においても互いの寸法の関係や比率が異なる部分が含まれていることはもちろんである。
【００１２】
又、以下に示す実施形態は、この発明の技術的思想を具体化するための装置や方法を例示するものであって、この発明の実施形態は、構成部品の材質、形状、構造、配置等を下記のものに特定するものでない。この発明の実施形態は、特許請求の範囲において、種々の変更を加えることができる。
【００１３】
（実施形態）
本発明の実施形態に係るゼータ電位測定装置１は、図１に示すように、微粒子や細胞等の測定対象物が分散しているサンプル溶液２００を収容し、第１のリザーバ１１、第２のリザーバ１２、及び第１のリザーバ１１と第２のリザーバ１２間を移動するサンプル溶液２００中の測定対象物が通過し、測定対象物が移動する方向と垂直な断面積が第１のリザーバ１１及び第２のリザーバ１２より小さいアパーチャー１３を有するマイクロチャネル１０と、第１のリザーバ１１及び第２のリザーバ１２間に電圧を印加して、第１のリザーバ１１と第２のリザーバ１２間を流れる電流の電流値を一定時間測定する電流測定装置２０と、一定時間のうちで電流値が一時的に減少する電流減少時間で測定対象物が通過するアパーチャー１３の経路長を除算して測定対象物の電気泳動速度を算出し、その電気泳動速度を用いて測定対象物のゼータ電位を算出する算出装置３０とを備える。図１では、マイクロチャネル１０の平面図を示している。
【００１４】
マイクロチャネル１０は、負電極２０１が配置された第１のリザーバ１１と正電極２０２が配置された第２のリザーバ１２、及び第１のリザーバ１１と第２のリザーバ１２間に配置されたアパーチャー１３を構成する狭隘部からなる。後述するように、電流測定装置２０によって負電極２０１と正電極２０２間に電圧が印加され、電流測定装置２０は負電極２０１と正電極２０２間に流れる電流、即ちアパーチャー１３を経由して第１のリザーバ１１と第２のリザーバ１２間を流れる電流の電流値を測定する。
【００１５】
マイクロチャネル１０は、例えば図２に示すように、表面にマイクロパターンが形成されたシリコンゴム１０１をガラス基板１０２に貼り付けた構造である。このシリコンゴム１０１の製造には、半導体装置の製造に用いられるフォトリソグラフィ技術等が採用可能である。第１のリザーバ１１に設けられた開口部１１１において負電極２０１が第１のリザーバ１１中のサンプル溶液２００に接し、第２のリザーバ１２に設けられた開口部１２１において正電極２０２が第２のリザーバ１２中のサンプル溶液２００に接する。
【００１６】
マイクロチャネル１０は、例えば以下のような方法によって形成可能である。即ち、先ずシリコン基板上にフォトレジスト膜を塗布する。このフォトレジスト膜を、フォトリソグラフィ技術によって、第１のリザーバ１１、第２のリザーバ１２及びアパーチャー１３を有するマイクロチャネル１０の空洞形状に対応したパターンに形成する。そして、このフォトレジスト膜を金型としてシリコンゴムを流し込み、その後に硬化したシリコンゴムをシリコン基板から剥がす。これにより、第１のリザーバ１１と第２のリザーバ１２がアパーチャー１３を介して接続されたパターンがシリコンゴム１０１の表面に形成される。第１のリザーバ１１と第２のリザーバ１２には、負電極２０１と正電極２０２を配置する開口部１１１、１２１がそれぞれ形成される。このシリコンゴム１０１をガラス基板１０２に貼り付けて、図１に示したマイクロチャネル１０が形成される。
【００１７】
図３に示すように、アパーチャー１３の幅ｗa、高さｈ、経路長ｌaとする。なお、図１、図３に示したように、第１のリザーバ１１及び第２のリザーバ１２のアパーチャー１３との接続部は、アパーチャー１３に向かってなだらかに幅が狭くなって断面積が徐々に小さくなるように形成されている。これにより、測定対象物１００や気泡が第１のリザーバ１１及び第２のリザーバ１２のアパーチャー１３との接続部分に詰まることが防止され、測定精度を向上させることができる。
【００１８】
ゼータ電位は、溶液中の微粒子等の表面の帯電の度合いを示す。通常、溶液中に分散している微粒子等の表面は、正電位又は負電位に帯電している。例えば、図４はサンプル溶液２００中の測定対象物１００の表面が負電位に帯電している場合を示す。このため、測定対象物１００の周囲には陽イオンが集まる。測定対象物１００が帯電しているため、図５に示すように、正電極２０２と負電極２０１間に電圧を印加すると、測定対象物１００は電場に沿ってサンプル溶液２００中を移動する。このときの移動速度は、帯電の度合い、即ちゼータ電位に依存する。したがって、測定対象物１００の移動速度を測定することによって、ゼータ電位を測定することができる。
【００１９】
測定対象物１００が分散されるサンプル溶液２００には、電解質の溶液が使用される。このため、サンプル溶液２００をマイクロチャネル１０に収容し、第１のリザーバ１１と第２のリザーバ１２間に直流電圧を印加すると、図６に矢印で示したように、電流が正電極２０２からアパーチャー１３を通過して負電極２０１に達し、一定の電流値を示す。図６は、サンプル溶液２００に測定対象物１００が分散されていない場合を示している。
【００２０】
一方、サンプル溶液２００に測定対象物１００が分散されている場合には、既に説明したように、第１のリザーバ１１と第２のリザーバ１２間に電圧を印加すると測定対象物１００は電場に沿って移動する。図７は、サンプル溶液２００中の測定対象物１００の表面が負電位に帯電している場合を示している。アパーチャー１３内に測定対象物１００が存在していない場合には、電流は図６に示した場合と同様に流れる。しかし、測定対象物１００がアパーチャー１３を通過する場合には、アパーチャー１３を流れる電流の流れが妨げられる。このため、図８に示すように、アパーチャー１３内に測定対象物１００が存在する時間だけ、電流値が減少する。以下において、測定対象物１００がアパーチャー１３を通過することに起因する電流値の減少値を「電流減少値ΔＩ」、電流値が減少している時間を「電流減少時間Δｔ」という。アパーチャー１３の経路長ｌaを電流減少時間Δｔで除算することによって、測定対象物１００の電気泳動速度を算出できる。
【００２１】
以下に、図１に示したゼータ電位測定装置１によって、サンプル溶液２００中に分散している測定対象物１００のゼータ電位を測定する方法の例を、図９を参照して説明する。以下では、測定対象物１００が直径３μｍの微粒子であり、サンプル溶液２００中の測定対象物１００の表面は負電位に帯電しているとする。
【００２２】
（イ）ステップＳ１において、マイクロチャネル１０を用意する。ここで、アパーチャー１３の幅ｗa、高さｈ、経路長ｌaは、それぞれ５μｍ、１０μｍ、４０μｍである。
【００２３】
（ロ）ステップＳ２において、マイクロチャネル１０内に、例えば２−メタクリロイルオキシエチルホスホリルコリン（2-methacryloyloxyethyl phosphorylcholine）をコーティング液として注入し、マイクロチャネル１０のサンプル溶液２００に接する表面にポリマーコーティングを施す。これにより、ガラス基板１０２に測定対象物１００が付着することを防止でき、更に、マイクロチャネル１０表面のサンプル溶液２００によるゼータ電位を抑え、測定対象物１００のゼータ電位測定の妨げとなる電気浸透流の影響を最小限にできる。ポリマーコーティングを施すために、例えば２４時間程度、マイクロチャネル１０内にコーティング液を収容する。
【００２４】
（ハ）マイクロチャネル１０内のコーティング液をリン酸塩緩衝液等の緩衝液で置換し、マイクロチャネル１０内部からコーティング液を排出する。マイクロチャネル１０内部から緩衝液を排出後、ステップＳ３において、測定対象物１００が分散しているサンプル溶液２００をマイクロチャネル１０内に収容する。
【００２５】
（ニ）ステップＳ４において、電流測定装置２０が、第１のリザーバ１１と第２のリザーバ１２間に、例えば３０Ｖの直流電圧を印加する。電流測定装置２０は、サンプル溶液２００中を負電極２０１と正電極２０２間を流れる電流の電流値Ｉを、一定時間にわたって測定する。サンプル溶液２００中に分散している測定対象物１００の表面は負電位に帯電しているため、測定対象物１００は電気泳動によって、アパーチャー１３を通過して、第１のリザーバ１１から第２のリザーバ１２に移動する。測定された電流値Ｉの例を、図１０に示す。既に説明したように、アパーチャー１３内に存在する測定対象物１００によってアパーチャー１３を流れる電流の流れが妨げられるため、測定対象物１００がアパーチャー１３を通過するたびに、図１０に符号Ｄで示すように、測定される電流値Ｉは減少する。図１１に、図１０の時刻８．１８秒前後における電流減少値ΔＩを示す。既に説明したように、電流値Ｉの電流減少時間Δｔは、測定対象物１００がアパーチャー１３内に滞在する時間である。観測された電流減少値ΔＩは、算出装置３０に送信される。
【００２６】
（ホ）ステップＳ５において、算出装置３０が、電流減少時間Δｔでアパーチャー１３の経路長ｌaを除算して、測定対象物１００の電気泳動速度Ｓを算出する。即ち、Ｓ＝ｌa／Δｔである。
【００２７】
（ヘ）ステップＳ６において、算出装置３０が電気泳動速度Ｓを用いて、測定対象物１００の電気泳動移動度及びゼータ電位を算出する。
【００２８】
電気泳動移動度Ｕは、電気泳動速度Ｓをアパーチャー１３内の電場の強さで除算して算出される。また、ゼータ電位ζは、例えば以下の式（１）に示すスモルコフスキーの式を利用した既知の関係式によって、算出される：
Ｕ＝（ε／η）ζ ・・・（１）
式（１）で、Ｕは測定対象物１００の電気泳動移動度、ε、ηはそれぞれサンプル溶液２００の誘電率、粘性係数である。
【００２９】
上記に説明したゼータ電位測定装置１を使用した実験によって測定されたゼータ電位が−３１．０９（±３．１２）ｍＶであったのに対し、既知のレーザドップラー法で測定したゼータ電位は、−３３．３５（±２．４２）ｍＶであった。このように、本発明の実施形態に係るゼータ電位測定装置１によって得られるゼータ電位は、既知の測定方法による測定結果とよく一致することが確認された。
【００３０】
なお、測定対象物１００が移動する方向と垂直なアパーチャー１３の断面積が測定対象物１００の粒径Ｍより大きくなければならないのはもちろんであるが、ゼータ電位を正確に測定するためには、一度にアパーチャー１３を通過する測定対象物１００は１個である必要がある。このため、例えばアパーチャー１３の幅ｗaは、Ｍ＜ｗa＜２×Ｍ程度であることが好ましい。つまり、アパーチャー１３の断面積は、測定対象物１００の直径より大きいが、２つの測定対象物１００が横に並んで通過できない程度であることが好ましい。
【００３１】
また、アパーチャー１３の経路長ｌaが長すぎると、複数の測定対象物１００が同時にアパーチャー１３内に滞在する確率が高くなる。一方、経路長ｌaが短すぎると、アパーチャー１３に測定対象物１００が滞在する時間が短くなりすぎて、測定の精度が低下する。例えば測定対象物１００の直径が数μｍである場合には、経路長ｌaが２０μｍ〜４０μｍ程度であることが好ましいことが実験的に得られている。
【００３２】
したがって、測定対象物１００の粒径やサンプル溶液２００の電気伝導率、サンプル溶液２００中の測定対象物１００の濃度等を考慮して、アパーチャー１３の幅ｗa、高さｈ、経路長ｌaを適宜設定すればよい。
【００３３】
また、以下に説明するように、図１に示したゼータ電位測定装置１によって、測定対象物１００の粒径を測定することができる。
【００３４】
マイクロチャネル１０を、図１２に示すようにパーツ分けし、サンプル溶液２００が収容されたマイクロチャネル１０の各パーツにおける電気抵抗を考える。ここで、アパーチャー部分Ｐ13における電気抵抗を抵抗Ｒａとする。そして、第１のリザーバ１１と第２のリザーバ１２の直方体部分Ｐ111、Ｐ121における電気抵抗を抵抗Ｒｃとし、アパーチャー１３との接続部分Ｐ112、Ｐ122における電気抵抗を抵抗Ｒｂとする。
【００３５】
アパーチャー１３内に測定対象物１００が存在していない場合の、抵抗Ｒａ、Ｒｂ、Ｒｃは、以下の式（２）〜式（４）で表される：
Ｒａ＝ｌa／（σｈｗa） ・・・（２）
Ｒｂ＝ｌb／｛σｈ（ｗc−ｗa）｝×ｌｎ（ｗc／ｗa） ・・・（３）
Ｒｃ＝ｌc／（σｈｗc） ・・・（４）
ここで、σはサンプル溶液２００の電気伝導率、ｌa、ｗaはアパーチャー部分Ｐ13の経路長と幅、ｌbは接続部分Ｐ112、Ｐ122の経路長、ｌc、ｗcは直方体部分Ｐ111、Ｐ121の経路長と幅、ｈはマイクロチャネル１０の高さである。
【００３６】
一方、アパーチャー１３に測定対象物１００が存在する場合におけるアパーチャー１３の電気抵抗を抵抗Ｒａａとすると、抵抗Ｒａａは以下の式（５）で表される：
Ｒａａ＝２arctan｛（φ／２）／（ｈｗa／π−（φ／２）2）1/2｝／［ σ｛π（ｈｗa−π（φ／２）2）｝1/2］＋（ｌa−φ）／（σｈｗa） ・・・（５）
式（５）で、φは測定対象物１００の直径である。
【００３７】
アパーチャー１３に測定対象物１００が存在しない場合のマイクロチャネル１０全体の抵抗Ｒ１は以下の式（６）で表され、アパーチャー１３に測定対象物１００が存在する場合のマイクロチャネル１０全体の抵抗Ｒ２は以下の式（７）で表される：
Ｒ１＝Ｒａ＋２×（Ｒｂ＋Ｒｃ） ・・・（６）
Ｒ２＝Ｒａａ＋２×（Ｒｂ＋Ｒｃ） ・・・（７）
【００３８】
第１のリザーバ１１と第２のリザーバ１２間に印加される印加電圧Ｖ、電流減少値ΔＩを用いて、以下の式（８）の関係が成立する：
Ｖ／Ｒ１−Ｖ／Ｒ２＝ΔＩ ・・・（８）
【００３９】
式（２）〜式（８）を用いて、測定対象物１００の直径φを算出することができる。測定対象物１００の直径φを算出した例を図１３に示す。図１３は、測定対象物１００の直径φと電流減少値ΔＩの関係を示すグラフであり、計算により算出された値を実線で示している。
【００４０】
また、図１３において点で示した値は、直径が２μｍ及び３μｍの微粒子を測定対象物１００として使用し、ゼータ電位測定装置１による電流減少値ΔＩの測定を行なって得られた測定結果である。図１３に示すように、測定結果と計算結果はよく一致する。したがって、図１に示したゼータ電位測定装置１によって、粒径を測定することができることが確認された。
【００４１】
上記では、測定対象物１００が微粒子である場合を説明したが、本発明の実施形態に係るゼータ電位測定装置１は、単一細胞のゼータ電位の測定も行なうことができる。細胞のゼータ電位は、細胞表面の生化学反応と密接に関係している。例えば、羊由来の赤血球をウサギ由来の抗羊赤血球ＩｇＧと反応させ、ゼータ電位測定装置１によって電気泳動移動度を測定した。その結果、フローサイトメータにより測定した細胞表面に付着した抗体の数量と電気泳動移動度に相関があることが明らかになった。ここで、電気泳動移動度Ｕは、上記の式（１）で表される。したがって、図１に示したゼータ電位測定装置１を用いたゼータ電位測定方法により、細胞表面で起こる抗原抗体反応等の生化学反応を評価できることがわかった。
【００４２】
測定対象物１００として赤血球をリン酸緩衝液に分散したサンプル溶液２００を使用して、ゼータ電位を測定する実験を行なった。図１に示したゼータ電位測定装置１を用いた測定では、ゼータ電位が−１２．８３（±１．０１）ｍＶであったのに対し、既知のレーザドップラー法で測定したゼータ電位は、−１５．３９（±０．４５）ｍＶであった。このように、ゼータ電位測定装置１によって得られる赤血球のゼータ電位は、既知の測定方法による測定結果とよく一致することが確認された。
【００４３】
既に説明したゼータ電位測定装置１を用いた測定例では、測定対象物１００が直径３μｍ程度である。このため、アパーチャー１３の幅ｗaや高さｈは、例えばｗa＝５μｍ、ｈ＝１０μｍ程度に設定された。しかし、電子線描画法等によって更に微細な加工をガラス基板１０２に施すことにより、アパーチャー１３の幅ｗaや高さｈがナノメートルオーダーであるナノチャネルを作成することが可能である。例えば、アパーチャー１３の幅ｗaや高さｈを１００ｎｍ以下にすることができる。このナノチャネルにＤＮＡやたんぱく質等の生体分子やナノ粒子を分散したサンプル溶液２００を収容し、ゼータ電位測定装置１を用いて、これらのナノ物質の個々の数量、サイズ、ゼータ電位を測定することができる。
【００４４】
以上に説明したように、本発明の実施形態に係るゼータ電位測定装置１によれば、溶液中に分散している個々の微粒子や細胞等のゼータ電位を測定することができる。また、アパーチャー１３を流れる電流の減少値の大きさを用いて、ゼータ電位測定と同時に測定対象の微粒子等の直径を測定することができる。
【００４５】
更に、図１に示したゼータ電位測定装置１に使用されるマイクロチャネル１０は構造が単純で材料費も安いため、小型のゼータ電位測定装置を安価に提供することができる。したがって、本発明の実施形態に係るゼータ電位測定装置１によれば、小型且つ安価で、個々の測定対象物１００のゼータ電位を測定できるゼータ電位測定装置及びゼータ電位測定方法を提供することができる。
【００４６】
上記のように、本発明は実施形態によって記載したが、この開示の一部をなす論述及び図面はこの発明を限定するものであると理解すべきではない。この開示から当業者には様々な代替実施形態、実施例及び運用技術が明らかとなろう。つまり、本発明はここでは記載していない様々な実施形態等を含むことは勿論である。したがって、本発明の技術的範囲は上記の説明から妥当な特許請求の範囲に係る発明特定事項によってのみ定められるものである。
【産業上の利用可能性】
【００４７】
本発明のゼータ電位測定装置及びゼータ電位測定方法は、溶液中に分散した微粒子や細胞等の微少物体表面の電気的特性を利用する用途に利用可能である。例えば、コロイド溶液の分散性の評価、細胞膜の構造解析、廃水処理法の開発や製紙用添加剤の検証等への応用が可能である。
【符号の説明】
【００４８】
１…ゼータ電位測定装置
１０…マイクロチャネル
１１…第１のリザーバ
１２…第２のリザーバ
１３…アパーチャー
２０…電流測定装置
３０…算出装置
１００…測定対象物
１０１…シリコンゴム
１０２…ガラス基板
１１１、１２１…開口部
２００…サンプル溶液
２０１…負電極
２０２…正電極
【特許請求の範囲】
【請求項１】
測定対象物が分散しているサンプル溶液を収容し、第１のリザーバ、第２のリザーバ、及び前記第１のリザーバと前記第２のリザーバ間を移動する前記サンプル溶液中の前記測定対象物が通過し、前記測定対象物が移動する方向と垂直な断面積が前記第１及び第２のリザーバより小さいアパーチャーを有するマイクロチャネルと、
前記第１及び第２のリザーバ間に電圧を印加して、前記第１及び第２のリザーバ間を流れる電流の電流値を一定時間測定する電流測定装置と、
前記一定時間のうちで前記電流値が一時的に減少する電流減少時間で前記測定対象物が通過する前記アパーチャーの経路長を除算して前記測定対象物の電気泳動速度を算出し、該電気泳動速度を用いて前記測定対象物のゼータ電位を算出する算出装置と
を備えることを特徴とするゼータ電位測定装置。
【請求項２】
前記第１及び第２のリザーバの前記アパーチャーとの接続部が、前記アパーチャーに向かって徐々に断面積が小さくなる構造であることを特徴とする請求項１に記載のゼータ電位測定装置。
【請求項３】
前記マイクロチャネルの前記サンプル溶液に接する表面にポリマーコーティングが施されていることを特徴とする請求項１又は２に記載のゼータ電位測定装置。
【請求項４】
前記算出装置が、前記電流減少時間における前記電流値の減少値と前記マイクロチャネル中の前記サンプル溶液の電気抵抗を用いて、前記測定対象物の粒径を算出することを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載のゼータ電位測定装置。
【請求項５】
測定対象物が分散しているサンプル溶液を収容し、第１のリザーバ、第２のリザーバ、及び前記第１のリザーバと前記第２のリザーバ間を移動する前記サンプル溶液中の前記測定対象物が通過し、前記測定対象物が移動する方向と垂直な断面積が前記第１及び第２のリザーバより小さいアパーチャーを備えたマイクロチャネルを用意するステップと、
前記第１及び第２のリザーバ間に電圧を印加して、前記第１及び第２のリザーバ間を流れる電流の電流値を一定時間測定するステップと、
前記一定時間のうちで前記電流値が一時的に減少する電流減少時間で前記測定対象物が通過する前記アパーチャーの経路長を除算して前記測定対象物の電気泳動速度を算出するステップと、
前記電気泳動速度を用いて前記測定対象物のゼータ電位を算出するステップと
を含むことを特徴とするゼータ電位測定方法。
【請求項６】
前記マイクロチャネルの前記サンプル溶液に接する表面にポリマーコーティングを施すステップを更に含むことを特徴とする請求項５に記載のゼータ電位測定方法。
【請求項７】
前記電流減少時間における前記電流値の減少値と前記マイクロチャネル中の前記サンプル溶液の電気抵抗を用いて、前記測定対象物の粒径を算出するステップを更に含むことを特徴とする請求項５又は６に記載のゼータ電位測定方法。
【請求項１】
測定対象物が分散しているサンプル溶液を収容し、第１のリザーバ、第２のリザーバ、及び前記第１のリザーバと前記第２のリザーバ間を移動する前記サンプル溶液中の前記測定対象物が通過し、前記測定対象物が移動する方向と垂直な断面積が前記第１及び第２のリザーバより小さいアパーチャーを有するマイクロチャネルと、
前記第１及び第２のリザーバ間に電圧を印加して、前記第１及び第２のリザーバ間を流れる電流の電流値を一定時間測定する電流測定装置と、
前記一定時間のうちで前記電流値が一時的に減少する電流減少時間で前記測定対象物が通過する前記アパーチャーの経路長を除算して前記測定対象物の電気泳動速度を算出し、該電気泳動速度を用いて前記測定対象物のゼータ電位を算出する算出装置と
を備えることを特徴とするゼータ電位測定装置。
【請求項２】
前記第１及び第２のリザーバの前記アパーチャーとの接続部が、前記アパーチャーに向かって徐々に断面積が小さくなる構造であることを特徴とする請求項１に記載のゼータ電位測定装置。
【請求項３】
前記マイクロチャネルの前記サンプル溶液に接する表面にポリマーコーティングが施されていることを特徴とする請求項１又は２に記載のゼータ電位測定装置。
【請求項４】
前記算出装置が、前記電流減少時間における前記電流値の減少値と前記マイクロチャネル中の前記サンプル溶液の電気抵抗を用いて、前記測定対象物の粒径を算出することを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載のゼータ電位測定装置。
【請求項５】
測定対象物が分散しているサンプル溶液を収容し、第１のリザーバ、第２のリザーバ、及び前記第１のリザーバと前記第２のリザーバ間を移動する前記サンプル溶液中の前記測定対象物が通過し、前記測定対象物が移動する方向と垂直な断面積が前記第１及び第２のリザーバより小さいアパーチャーを備えたマイクロチャネルを用意するステップと、
前記第１及び第２のリザーバ間に電圧を印加して、前記第１及び第２のリザーバ間を流れる電流の電流値を一定時間測定するステップと、
前記一定時間のうちで前記電流値が一時的に減少する電流減少時間で前記測定対象物が通過する前記アパーチャーの経路長を除算して前記測定対象物の電気泳動速度を算出するステップと、
前記電気泳動速度を用いて前記測定対象物のゼータ電位を算出するステップと
を含むことを特徴とするゼータ電位測定方法。
【請求項６】
前記マイクロチャネルの前記サンプル溶液に接する表面にポリマーコーティングを施すステップを更に含むことを特徴とする請求項５に記載のゼータ電位測定方法。
【請求項７】
前記電流減少時間における前記電流値の減少値と前記マイクロチャネル中の前記サンプル溶液の電気抵抗を用いて、前記測定対象物の粒径を算出するステップを更に含むことを特徴とする請求項５又は６に記載のゼータ電位測定方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【公開番号】特開２０１１−１０６９１５（Ｐ２０１１−１０６９１５Ａ）
【公開日】平成２３年６月２日（２０１１．６．２）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−２６０９３７（Ｐ２００９−２６０９３７）
【出願日】平成２１年１１月１６日（２００９．１１．１６）
【新規性喪失の例外の表示】特許法第３０条第１項適用申請有り ２００９年９月８日 社団法人応用物理学会発行の「２００９年（平成２１年）秋季 第７０回応用物理学会学術講演会講演予稿集 第３分冊」に発表
【出願人】（５０１０６１３１９）学校法人 東洋大学 (68)
【公開日】平成２３年６月２日（２０１１．６．２）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年１１月１６日（２００９．１１．１６）
【新規性喪失の例外の表示】特許法第３０条第１項適用申請有り ２００９年９月８日 社団法人応用物理学会発行の「２００９年（平成２１年）秋季 第７０回応用物理学会学術講演会講演予稿集 第３分冊」に発表
【出願人】（５０１０６１３１９）学校法人 東洋大学 (68)
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