粒子径測定装置
【課題】 測定中の電気化学反応の発生を抑制できる粒子径測定装置を提供する。
【解決手段】 試料に測定光を照射することにより発生する回折光による回折光強度を検出する検出器５１と、電圧印加を停止することにより、媒体中で被測定粒子群に拡散を生じさせることで、回折光に変化を生じさせる印加電圧制御部３１と、電圧印加を停止したときである拡散開始時間の回折光強度からの回折光強度の時間変化に基づいて、被測定粒子群の粒子径の分布を算出する粒子径算出部３５とを備える粒子径測定装置１０であって、電極２を流れる電流値を計測する電流値計測部８と、試料中にファラデー電流が流れているか否かを判定するための電流値閾値及び時間閾値を記憶する記憶部４０と、電流値閾値以上の電流値が時間閾値以上流れたときには、試料中にファラデー電流が流れていると判定する判定部３４とを備える。
【解決手段】 試料に測定光を照射することにより発生する回折光による回折光強度を検出する検出器５１と、電圧印加を停止することにより、媒体中で被測定粒子群に拡散を生じさせることで、回折光に変化を生じさせる印加電圧制御部３１と、電圧印加を停止したときである拡散開始時間の回折光強度からの回折光強度の時間変化に基づいて、被測定粒子群の粒子径の分布を算出する粒子径算出部３５とを備える粒子径測定装置１０であって、電極２を流れる電流値を計測する電流値計測部８と、試料中にファラデー電流が流れているか否かを判定するための電流値閾値及び時間閾値を記憶する記憶部４０と、電流値閾値以上の電流値が時間閾値以上流れたときには、試料中にファラデー電流が流れていると判定する判定部３４とを備える。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光学的手法を用いて被測定粒子群の粒子径の分布を算出する粒子径測定装置に関し、特に媒体中で形成した被測定粒子群の粒子密度分布による過渡的な回折格子（以下、「密度回折格子」ともいう）を利用して、被測定粒子群の拡散係数を算出し、さらには、拡散係数から粒子径の分布を算出する粒子径測定装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
媒体（例えば、水等の液体や、ゲル等）中に分散させた粒子群の粒子径ｄの測定は、製薬や化学や研磨剤やセラミックスや顔料等の粒子径ｄが品質に影響を与える製品について行われている。さらに、粒子径ｄが１００ｎｍ以下である粒子は、一般にナノ粒子と称され、同じ材質であっても通常のバルク物質とは異なる性質を表すことから、様々な分野で利用され始めている。
【０００３】
ナノ粒子の粒子径ｄを測定する測定方法として、媒体中に粒子群を分散させた試料に、空間周期パターンを有する電界分布を発生させることによって、粒子群を電気泳動作用（若しくは誘電泳動作用）で移動させることで、媒体中に粒子群の密な領域と疎な領域とが周期的に並ぶ密度回折格子を形成させて、この密度回折格子にレーザ光（測定光）を照射することによって、密度回折格子の消散速度（回折光強度Ｉｔの時間変化）を計測することにより、粒子群の拡散係数Ｄを算出し、さらには拡散係数Ｄから粒子径ｄを算出する方法（以下、「ＩＧ法」ともいう）が開示されている（例えば、特許文献１参照）。
【０００４】
このような測定方法では、粒子径ｄが小さくなればなるほど拡散係数Ｄが大きくなるので、形成した密度回折格子が早く消失することを利用している。具体的には、電界分布を発生させることを停止した拡散開始時間ｔ０から密度回折格子が消失するときまでの間、試料にレーザ光を照射して回折光強度Ｉｔを検出しつづけることにより、回折光強度Ｉｔの時間変化を計測している。
図５（ａ）は、電圧値Ｖと時間ｔとの関係を示すグラフであり、図５（ｂ）は、回折光強度Ｉと時間ｔとの関係を示すグラフである。なお、図５（ａ）では、電圧値Ｖｎと印加時間Δｔｎとの直流電圧を印加している。そして、印加時間Δｔｎの開始時間が電気泳動作用開始時間ｔｓとなるとともに、印加時間Δｔｎの終了時間が拡散開始時間ｔ０となり、拡散開始時間ｔ０に検出された回折光強度Ｉｔが回折光強度Ｉ０となる。
【０００５】
そして、回折光強度Ｉｔの時間変化から拡散係数Ｄを算出するために、下記式（１）を用いている。
Ｉｔ＝Ｉ０ｅｘｐ（−２Ｄｑ２ｔ） ・・・（１）
ここで、ｑ＝２π／Λ、ｔは拡散開始時間ｔ０から経過した時間、Ｉ０は拡散開始時間ｔ０に検出された回折光強度、Ｉｔは時間ｔに検出された回折光強度、Λは密度回折格子の格子間隔である。
次に、拡散係数Ｄを算出した後に、下記式（２）で示すアインシュタインストークスの関係を用いて、絶対温度Ｔと媒体の粘度μとを入力することにより、拡散係数Ｄから粒子径ｄを算出している。
Ｄ＝ｋＢＴ／３πμｄ ・・・（２）
ここで、ｋＢはボルツマン定数である。
【０００６】
図８は、このような測定方法を用いる粒子径測定装置の全体構成を示す概略構成ブロック図である。また、図９は、従来の試料キュベット（セル）の一例を示す斜視図である。
粒子径測定装置１１０は、試料が収容される試料キュベット１と、試料キュベット１に設けられている電極対２に対して直流電圧を印加する直流電源３と、試料キュベット１に対してレーザ光（測定光）を照射するレーザ光源４と、第１次の回折光強度Ｉｔを検出するための検出光学系５０と、増幅器６と、粒子径測定装置１１０全体を制御する制御部１０７とを備える。なお、本明細書では、垂直方向（上下方向）をＺ方向とし、Ｚ方向と垂直な方向をＸ方向とし、Ｚ方向及びＸ方向と垂直な方向をＹ方向とする。
【０００７】
試料キュベット１は、長方形状の底面１２と、４個の側壁１１とを有するガラス製のものであり、光透過性を有する。そして、試料キュベット１の内部には、試料が収容されるようになっている。
試料キュベット１の一つの側壁１１の表面（内面）には、電極対２が形成されている。図３は、電極対２が形成された側壁１１の一例を示す平面図であり、図４は、試料キュベット１の断面の一部を示した図である。なお、電極対２は、側壁１１の表面に形成されずに、板状体の表面に形成された電極チップを用いることにより試料キュベットの内部に浸漬されてもよい。
【０００８】
電極対２は、左側電極２１と右側電極２２とからなる。
左側電極２１は、幅Ｌ（例えば、１μｍ）の直線状の電極片２１ａが間隔を空けて平行に並べられるとともに、これらの電極片２１ａの外側の片側端どうしを電気的に接続する直線状の接続部２１ｂが設けられ、いわゆる櫛型電極を形成している。
右側電極２２についても左側電極２１と同様であり、幅Ｌ（例えば、１μｍ）の直線状の電極片２２が間隔を空けて平行に並べられるとともに、これらの電極片２２ａの外側の片側端どうしを電気的に接続する直線状の接続部２２ｂが設けられ、いわゆる櫛型電極を形成している。
そして、電極片２１ａと電極片２２ａとの各間隔が、それぞれ一定距離Ｓ（例えば、１μｍ）を空けて配置される。
また、接続部２１ｂの上端部と接続部２２ｂの上端部とには、直流電源３が接続される。
【０００９】
これにより、電極対２に直流電源３からの直流電圧が印加されることにより、試料キュベット１内に電界分布が形成される。すると、電気力線が集中する電極片２１ａと電極片２２ａとの間に、電気泳動によって粒子群が凝集する。一方、電極片２１ａと電極片２１ａとの間と、電極片２２ａと電極片２２ａとの間とには、電気泳動によって粒子群が存在しなくなる。よって、粒子群が凝集する領域Ｐは、格子間隔Λとなるように形成される（図４（ａ）参照）。すなわち、粒子群が凝集する領域Ｐは、他の領域より粒子密度が高くなり、屈折率が異なることから、格子間隔Λの密度回折格子が形成される。
また、電極対２に直流電源３からの直流電圧が印加されなければ、試料キュベット１内に電界分布が形成されないので、電気力線が集中する領域もなく、粒子群は媒体中で均一に存在する（図４（ｂ）参照）。すなわち、粒子密度が均一になり、屈折率が同じになっている。
【００１０】
なお、電極対２の形状は、特に限定されず、上述したもの以外でもよく、電極対２の材料としては、例えば、ＩＴＯ等が挙げられ、ＩＴＯの屈折率は２．０程度であり、試料キュベット１の側壁１１の材料として高屈折率ガラス（例えば、商品名「ｓ−ＬＡＨ７９」；オハラ社製；屈折率２．０）を用いることで、電極対２と側壁１１との屈折率差をなくすことにより、レーザ光の照射時に電極対２による回折光が発生することを抑えることができる。
【００１１】
直流電源３には、粒子群に電気泳動を引き起こすことができる電圧値Ｖｎと印加時間Δｔｎとの直流電圧が印加できるものが用いられる。具体的には、電圧値０．１〜１００Ｖ程度のうちから０．１Ｖ刻みで自由に選択して、選択した直流電圧値を印加できる直流電源等を使用する。
レーザ光源４は、粒子群に応じて種類を選択すればよいが、例えば、Ｈｅ−Ｎｅレーザ光源（波長λ＝０．６３２８μｍ）が挙げられる。そして、試料キュベット１にレーザ光が照射される。
【００１２】
検出光学系５０は、第１次の回折光強度Ｉｔを検出する検出器５１と、不要なノイズ光を避けるために直径１ｍｍの円形状（面積：０．７８５ｍｍ２）のピンホールを有するピンホール板５２と、レーザ光源４の光軸Ｌの位置を把握するための光軸調整用受光部５３とからなる。
検出器５１は、フォトダイオード（受光素子）からなる。そして、検出器５１の直前には、レーザ光源４から出射されたレーザ光のうち、粒子群による密度回折格子で回折した次数ｍの回折光のみを検出するように、ピンホールが配置される。
ここで、密度回折格子の格子間隔Λ、レーザ光の波長λ、回折角θ、次数ｍとすると、下記式（３）が成立する。
ｍλ＝Λ・ｓｉｎθ ・・・（３）
よって、例えば、λ＝０．６３２８μｍ、Λ＝３μｍとしたとき、ｍ＝１次の回折光はθ≒１２°に現れるので、光軸Ｌに対して角度θ≒１２°となる光が、ピンホールを通過するように、ピンホール板５２が配置される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１３】
【特許文献１】特開２００６−０８４２０７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１４】
ところで、粒子径測定装置１１０では、電極対２に直流電圧を印加することによって生じる粒子の電気泳動現象を利用している。しかしながら、粒子や溶媒の種類によっては電気化学反応が発生し、電極対２の腐食、気泡の発生等を引き起こす恐れがあった。よって、正確に粒子径ｄを測定するには、適正な直流電圧値（泳動電圧値）Ｖｎを設定する必要がある。特に、電解質を多く含む高導電率溶媒中に分散する粒子群の捕集においては、適正な泳動電圧値Ｖｎの設定が非常に重要となる。
一方、電気化学反応が発生しないように小さい泳動電圧値Ｖｎを設定することも考えられるが、印加する泳動電圧値Ｖｎが小さすぎると粒子群が充分に捕集されず、その結果、粒子径解析に必要な回折光強度Ｉ０を得られないことがあった。
【００１５】
また、電気化学反応が発生せず、粒子径解析に必要な回折光強度Ｉ０を得ることができたとしても、粒子群の過剰捕集が起きると、電極対２の表面への粒子の固着や凝集が起こったり、粒子間の反発力による自然拡散への影響を考慮したりしなければならなくなる。よって、電気泳動現象を利用したＩＧ法を実現するためには、電気化学反応の発生を抑制でき、粒子径解析に充分な回折光強度Ｉ０が得られ、かつ、粒子群の過剰捕集が起きない粒子泳動条件（印加電圧値Ｖｎ、印加時間Δｔｎ）を設定することが重要になる。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
本件発明者は、上記課題を解決するために、粒子泳動条件を決定する方法について検討を行った。
まず、電気化学反応が起こる電圧値は、一般的には目的物質の理論電解電圧に、過電圧や溶媒の電気抵抗（溶液抵抗）を加えた値となるが、測定対象となる試料は多岐に渡るため、その電圧値を予想することは困難である。溶液を電気分解する場合、理論電解電圧値以下の電圧値では電極近傍の電気二重層の充電に伴う微弱電流（非ファラデー電流）のみが両極間に流れる。一方、理論電解電圧値を越える電圧値では、まず、電極近傍の電気二重層の充電に伴う微弱電流（非ファラデー電流）のみが両極間に流れるが、反応が進行する電圧値に達すると反応の進行速度に対応した電流（ファラデー電流）が恒常的に流れるようになり、印加電圧値の増加とともに電流値の増加が起きる。一方、非ファラデー電流は過渡的な電流であり、一般的に非ファラデー電流が流れる持続時間は電気二重層が充電されるまでの極めて短い時間に限られるため、昇圧後一定時間が経過すると非ファラデー電流による電流の増分はほぼ０となると考えられる。よって、適切な時間閾値ｔｔｈと電流値閾値Ａｔｈとを設定することで、溶液の種類によらず電気分解反応の発生の有無を判断できる。つまり、電流値閾値Ａｔｈ以上の電流値Ａｔが時間閾値ｔｔｈ以上流れたときには、電気化学反応が起こっていることを示すファラデー電流が流れていると判定できることを見出した。
【００１７】
また、粒子径解析に充分な回折光強度Ｉ０が得られる粒子泳動条件も、測定対象となる試料によって異なる。ここで、図６（ａ）は、直流電圧１５００ｍＶを印加したときの粒子径５０ｎｍのポリスチレン粒子群の電気泳動により得られる回折光強度Ｉｔの時間変化を示すグラフである。図６（ａ）に示すように、回折光強度Ｉｔは電圧印加後、時間経過とともに次第に上昇し、ほぼ一定値に達した後緩やかに減少する。つまり、泳動電圧値１５００ｍＶにおいて捕集可能な粒子量には上限が存在し、回折光強度の緩やかな減少は過度の粒子捕集が起こっているためと考えられる。また、粒子捕集量が上限に近い領域においては、密集した粒子の電極対２への固着や粒子同志の凝集等も起きやすいと考えられ、このような過度の粒子捕集を抑制するためには、電圧印加後からある適切な時間で粒子捕集を終了することが必要となる。
【００１８】
次に、図６（ｂ）は、図６（ａ）より得られる回折光強度Ｉｔの時間ｔに対する二次微分値ｄ２Ｉ／ｄｔ２の時間変化を示すグラフである。図６（ａ）に示す回折光強度Ｉｔの増大速度は、電圧印加と同時に０から増加し、ある時間経過後に最大値を示した後、回折光強度が最大値を示した時間に再び０に戻る。よって、回折光強度Ｉｔの時間ｔに対する二次微分値ｄ２Ｉ／ｄｔ２は時間経過とともに減少し、変曲点Ｂを境に負の値に転じることになる。二次微分値ｄ２Ｉ／ｄｔ２が負の値を取る領域Ｃは、一定時間あたりの粒子捕集量が減少に転じた領域Ｃと見なすことができ、過大な粒子捕集が起こり始めたことを示す一つの指標となりうる。つまり、粒子捕集を終了する時間（＝電圧印加時間Δｔｎ）を決定するために、回折光強度Ｉｔの時間ｔに対する二次微分値ｄ２Ｉ／ｄｔ２の時間変化を利用することができる。
【００１９】
よって、回折光強度とその時間変化とを監視することで、粒子径解析に充分な回折光強度が得られているか、粒子群の過剰捕集が起きていないかを検出することが可能となる。つまり、粒子径算出に必要な回折光強度Ｉ０が得られたと判定するための回折光強度閾値Ｉｔｈを記憶し、回折光強度Ｉｔが回折光強度閾値Ｉｔｈになったときには、電圧印加を停止することにより、媒体中で粒子群に拡散を生じさせる。また、回折光強度Ｉ０が回折光強度閾値Ｉｔｈに達するか否かを判定するための回折光強度時間変化閾値Ｉｔｈ”を記憶し、電圧印加後、回折光強度Ｉｔが回折光強度閾値Ｉｔｈになる前に、回折光強度Ｉｔの時間ｔに対する二次微分値ｄ２Ｉ／ｄｔ２が回折光強度時間変化閾値Ｉｔｈ”以下になったときには、電圧印加を停止する。
そして、これらを用いて粒子泳動条件を自動的に決定することができることを見出した。
【００２０】
すなわち、本発明の粒子径測定装置は、被測定粒子群を媒体中に含有する試料を収容するセルと、電圧を印加する電源と、前記電源からの電圧印加によりセル内に空間周期的に変化する電界を形成する電極と、前記電界により媒体中で被測定粒子群に電気的な泳動を生じさせた状態で、前記試料に測定光を照射する光源と、前記試料に測定光を照射することにより発生する回折光による回折光強度を検出する検出器と、電圧印加を停止することにより、前記媒体中で被測定粒子群に拡散を生じさせることで、前記回折光に変化を生じさせる印加電圧制御部と、電圧印加を停止したときである拡散開始時間の回折光強度からの回折光強度の時間変化に基づいて、前記被測定粒子群の粒子径の分布を算出する粒子径算出部とを備える粒子径測定装置であって、前記電極を流れる電流値を計測する電流値計測部と、前記試料中にファラデー電流が流れているか否かを判定するための電流値閾値及び時間閾値を記憶する記憶部と、前記電流値閾値以上の電流値が前記時間閾値以上流れたときには、前記試料中にファラデー電流が流れていると判定する判定部とを備えるようにしている。
【００２１】
ここで、「電気的な泳動」としては、例えば、荷電した被測定粒子群に電圧を印加して電気的に被測定粒子群を泳動させる静電泳動や、分極した被測定粒子群に電圧を印加して電気的に被測定粒子群を泳動させる誘電泳動等が挙げられる。
また、「測定光」としては、レーザ光が好ましいが、これに限らず、ＬＥＤによる光、分光器で分光された光、干渉フィルタやバンドパスフィルタ等で波長範囲が制限された光を用いてもよい。
【００２２】
また、「媒体」としては、内部で被測定粒子群が泳動できるものであればよく、例えば、水や油やアルコール等の液体や、ゲルや、固体等が挙げられる。
さらに、「回折光強度」とは、検出器で検出される数値そのものでなくてもよく、密度回折格子を形成する前に既に検出されている初期余剰光の光強度が存在する場合もあるので、検出器で検出される数値と初期余剰光の数値との差分であることが好ましい。
【００２３】
本発明の粒子径測定装置では、まず、被測定粒子群を媒体中に含有する試料をセル内に収容する。このとき、媒体中で被測定粒子群は均一に分散しているので、回折光強度Ｉｔは、非常に弱い回折光強度Ｉｓとなる。
次に、電圧を電極に印加することにより、セル内の空間に対して空間周期的に変化する電界分布を形成する。すると、被測定粒子群に電気的な泳動が生じることで、電界分布の空間周期に対応するように密な領域と疎な領域とが周期的に並ぶ空間周期的な濃度変化が発生していく。このとき、判定部は、電流値閾値Ａｔｈ以上の電流値Ａｔが時間閾値ｔｔｈ以上流れれば、試料中にファラデー電流が流れているので、電圧印加を停止させることになる。
一方、電流値閾値Ａｔｈ以上の電流値Ａｔが時間閾値ｔｔｈ以上流れなければ、つまり、電気化学反応の発生を起こさず、電気的な泳動によって被測定粒子群を凝集させていくことで、密度回折格子が形成されていく。その結果、最終的に密度回折格子が安定して形成されるので、回折光強度Ｉｔは、非常に強い回折光強度Ｉ０となる。
【００２４】
そして、印加電圧制御部は、電圧印加を完全に停止すると、空間周期的に変化する電界分布が消失するので、被測定粒子群は徐々に拡散していくことになる。つまり、密度回折格子が崩れてぼやけるようになる。このとき、回折光強度Ｉｔの時間的変化を検出する。その結果、電圧を停止した拡散開始時間ｔ０からの時間ｔと回折光強度Ｉとの関係が得られる。なお、回折光強度Ｉｔは、式（１）に従って減衰する。
そして、粒子径算出部は、回折光強度Ｉｔの時間的変化に基づいて、粒子径ｄの分布を算出する。
【発明の効果】
【００２５】
以上のように、本発明の粒子径測定装置によれば、粒子径ｄの測定中に電気化学反応の発生を抑止することが可能となる。
【００２６】
（その他の課題を解決するための手段および効果）
また、本発明の粒子径測定装置においては、前記記憶部は、粒子径算出に必要な回折光強度が得られたと判定するための回折光強度閾値を記憶し、前記印加電圧制御部は、前記検出器から取得した回折光強度が前記回折光強度閾値になったときには、電圧印加を停止することにより、前記媒体中で被測定粒子群に拡散を生じさせ、前記粒子径算出部は、前記拡散開始時間の回折光強度からの回折光強度の時間変化に基づいて、前記被測定粒子群の粒子径の分布を算出するようにしてもよい。
【００２７】
ここで、「回折光強度閾値」とは、拡散開始時間ｔ０での回折光強度Ｉ０を決定するための数値のことをいう。これにより、拡散開始時間ｔ０での回折光強度Ｉ０が弱くなりすぎたり強くなりすぎたりすることなく、良好な粒子径ｄの測定結果が得られ、さらに再現性の高い粒子径ｄの測定結果が得られるようになる。
以上のように、本発明の粒子径測定装置によれば、粒子径解析に充分な回折光強度Ｉ０が得られる。
【００２８】
そして、本発明の粒子径測定装置においては、前記記憶部は、回折光強度時間変化閾値を記憶し、前記印加電圧制御部は、電圧印加後、前記検出器から取得した回折光強度が前記回折光強度閾値になる前に、前記検出器から取得した回折光強度の時間に対する二次微分値が前記回折光強度時間変化閾値以下になったときには、電圧印加を停止し、その後、前記電極に印加する電圧値を変更して、前記媒体中で被測定粒子群に電気的な泳動を生じさせるようにしてもよい。
【００２９】
ここで、「回折光強度時間変化閾値」とは、電圧をこれ以上印加しても、回折光強度Ｉｔが変化せず、媒体中で被測定粒子群に電気的な泳動がほとんど生じないと判定するための数値のことをいう。これにより、被測定粒子群の過剰捕集を抑止することができ、電極の表面への粒子の固着や凝集が起こらず、粒子間の反発力による自然拡散への影響を考慮する必要がなくなる。
以上のように、本発明の粒子径測定装置によれば、被測定粒子群の過剰捕集を抑止することが可能となる。
【００３０】
さらに、本発明の粒子径測定装置においては、前記記憶部は、初期設定電圧値を記憶し、前記印加電圧制御部は、まず初期設定電圧値を電極に印加し、前記検出器から取得した回折光強度が前記回折光強度閾値になる前に、前記検出器から取得した回折光強度の時間に対する二次微分値が前記回折光強度時間変化閾値以下になったときには、電圧印加を停止し、その後、前記電極に印加する電圧値を大きくしていくようにしてもよい。
以上のように、本発明の粒子径測定装置によれば、粒子泳動条件を自動的に決定することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】本発明の粒子径測定装置の全体構成を示す概略構成ブロック図。
【図２】試料キュベット（セル）の一例を示す斜視図。
【図３】電極対が形成された側壁の一例を示す平面図。
【図４】試料キュベットの断面の一部を示す図。
【図５】電圧値と時間との関係及び回折光強度と時間との関係を示すグラフ。
【図６】回折光強度の時間変化を示すグラフ。
【図７】粒子泳動条件を決定する決定方法を説明するフローチャート。
【図８】従来の粒子径測定装置の全体構成を示す概略構成ブロック図。
【図９】従来の試料キュベット（セル）の一例を示す斜視図。
【発明を実施するための形態】
【００３２】
以下、本発明の実施形態について図面を用いて説明する。なお、本発明は、以下に説明するような実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々の態様が含まれることはいうまでもない。
【００３３】
図１は、本発明の一実施形態である粒子径測定装置の全体構成を示す概略構成ブロック図である。また、図２は、試料キュベット（セル）の一例を示す斜視図である。なお、粒子径測定装置１１０と同様のものについては、同じ符号を付している。
本実施形態は、被測定粒子群を媒体中に分散させた試料を測定することにより、被測定粒子群の粒子径ｄの分布を算出するものである。また、媒体の粘度μは既知であるものを使用している。そして、直流電圧を印加して電気泳動により分極した被測定粒子群を媒体中で泳動させるものとする。
【００３４】
粒子径測定装置１０は、試料が収容される試料キュベット１と、試料キュベット１に設けられている電極対２に対して直流電圧を印加する直流電源３と、試料キュベット１に対してレーザ光を照射するレーザ光源４と、第１次の回折光強度Ｉｔを検出するための検出光学系５０と、増幅器６と、電極対２を流れる電流値Ａｔを計測する電流計（電流値計測部）８と、粒子径測定装置１０全体を制御する制御部７とを備える。
【００３５】
電流計（電流値計測部）８は、電極対２を流れる電流値Ａｔを計測するものであり、接続部２１ｂ（図３参照）の上端部と直流電源３との間に接続されている。そして、電流計８は、電流値Ａｔを制御部７に所定の時間間隔で出力するようになっている。
【００３６】
制御部７は、ＣＰＵ３０とメモリ４０とを備え、さらにモニタ画面等を有する表示装置（図示せず）と、キーボードやマウス等を有する入力装置（図示せず）とが連結されている。また、ＣＰＵ３０が処理する機能をブロック化して説明すると、直流電源３の制御を行う印加電圧制御部３１と、レーザ光源４の制御を行うレーザ光源制御部３２と、光強度Ｉｔを取り込む光強度取得制御部３６と、電流値Ａｔを取り込む電流値取得制御部３３と、判定部３４と、粒子径ｄの分布を算出する粒子径算出部３５とからなる。
【００３７】
さらに、メモリ４０は、電圧値データ記憶領域４１と、光強度データ記憶領域４２とを有する。
電圧値データ記憶領域４１には、電流値閾値Ａｔｈと時間閾値ｔｔｈと初期設定電圧値Ｖｓとが予め記憶されている。電流値閾値Ａｔｈと時間閾値ｔｔｈとは、ファラデー電流が流れているか否かを判定するための数値であり、例えばＡｔｈ＝１０ｍＡ、ｔｔｈ＝１００ｍｓｅｃと設定される。初期設定電圧値Ｖｓは、一回目の測定時に印加する任意の電圧値であり、例えば電圧値０．１〜１００Ｖ程度のうちから０．１Ｖ刻みで自由に選択することのできる直流電源では、初期設定電圧値Ｖｓ＝０．５Ｖと設定される。
【００３８】
光強度データ記憶領域４２には、回折光強度閾値Ｉｔｈと回折光強度時間変化閾値Ｉｔｈ”とが予め記憶されている。回折光強度閾値Ｉｔｈは、拡散開始時間ｔ０での回折光強度Ｉ０を決定するための数値であり、例えば回折光強度閾値Ｉｔｈとして検出器５１で検出可能な最大光強度の７０％の数値と設定される。回折光強度時間変化閾値Ｉｔｈ”は、電圧をこれ以上印加しても、回折光強度Ｉｔが変化せず、媒体中で被測定粒子群に電気的な泳動がほとんど生じないと判定するための数値であり、例えば回折光強度時間変化閾値Ｉｔｈ”＝０と設定される。
【００３９】
レーザ光源制御部３２は、試料キュベット１にレーザ光を照射（ＯＮ）したり照射停止（ＯＦＦ）したりするようにレーザ光源４の制御を行う。
光強度取得制御部３６は、検出器５１で所定の時間間隔で検出された第１次の回折光強度Ｉｔを取得する制御を行う。
電流値取得制御部３３は、電流計８で所定の時間間隔で検出された電流値Ａｔを取得する制御を行う。
【００４０】
印加電圧制御部３１は、判定部３４からの変更信号に基づいて所定の電圧値Ｖｎの直流電圧を電極対２に印加したり、判定部３４からの停止信号に基づいて電極対２への直流電圧の印加を停止したりするように直流電源３の制御を行う。これにより、印加電圧制御部３１が、電圧値Ｖｎの直流電圧を電極対２に印加すると、密度回折格子を形成していくようになっている。そして、直流電圧の印加を停止することにより、直流電圧の印加を停止した時間が拡散開始時間ｔ０として、密度回折格子を崩してぼやけさせていくことになっている。
【００４１】
粒子径算出部３５は、判定部３４からの算出信号に基づいて光強度取得制御部３６で得られた回折光強度Ｉｔの時間変化を用いて、媒体中における被測定粒子群の粒子径ｄの分布を算出する制御を行う。例えば、回折光強度Ｉｔの時間変化と式（１）〜（３）とに基づいて、粒子径ｄの分布を算出する。
【００４２】
判定部３４は、電流値Ａｔと回折光強度Ｉｔとに基づいて、電圧値Ｖｎと印加時間Δｔｎとを決定する制御を行う。図７は、粒子泳動条件を決定する決定方法について説明するためのフローチャートである。
まず、ステップＳ１０１の処理において、被測定粒子群を媒体中に分散させた試料を試料キュベット１に収容する。
次に、ステップＳ１０２の処理において、印加電圧制御部３１は、初期設定電圧値Ｖｓの直流電圧を電極対２に印加するように直流電源３の制御を行う。
【００４３】
次に、ステップＳ１０３の処理において、電流値取得制御部３３は、電流計８から電流値Ａｔを取得する。
次に、ステップＳ１０４の処理において、判定部３４は、電流値Ａｔが電流値閾値Ａｔｈ以下であるか否かを判定する。電流値Ａｔが電流値閾値Ａｔｈ以下でないと判定したときには、ステップＳ１０５の処理において、判定部３４は、電流値Ａｔが時間閾値ｔｔｈ以上流れているか否か（持続時間Ｔが時間閾値ｔｔｈ以上であるか否か）を判定する。電流値Ａｔが時間閾値ｔｔｈ以上流れていないと判定したときには、ステップＳ１０４の処理に戻る。つまり、ステップＳ１０４とＳ１０５との処理によってファラデー電流が流れているかを判定する。
【００４４】
一方、ステップＳ１０５の処理において、電流値閾値Ａｔｈ以上の電流値Ａｔが時間閾値ｔｔｈ以上流れていると判定したときには、ファラデー電流が流れていると判定して、ステップＳ１０６の処理において、判定部３４は、印加電圧制御部３１に停止信号を出力するとともに、粒子径算出部３５に算出信号を出力する。このとき、粒子径算出部３５は、電圧値Ｖｓ−１の直流電圧を電極対２に印加したときの回折光強度Ｉｔの時間変化に基づいて、媒体中における被測定粒子群の粒子径ｄの分布を算出する。そして、本フローチャートを終了させる。
【００４５】
また、ステップＳ１０４の処理において、判定部３４は、電流値Ａｔが電流値閾値Ａｔｈ以下であると判定したときには、ステップＳ１０７の処理において、レーザ光源制御部３２は、試料キュベット１にレーザ光を照射（ＯＮ）させ、光強度取得制御部３６は、回折光強度Ｉｔを取得していく。
次に、ステップＳ１０８の処理において、判定部３４は、回折光強度Ｉｔが回折光強度閾値Ｉｔｈより大きいか否かを判定する。回折光強度Ｉｔが回折光強度閾値Ｉｔｈより小さいと判定したときには、ステップＳ１１０の処理において、判定部３４は、回折光強度Ｉｔが回折光強度時間変化閾値Ｉｔｈ”より小さいか否かを判定する。回折光強度Ｉｔが回折光強度時間変化閾値Ｉｔｈ”より大きいと判定したときには、ステップＳ１０７の処理に戻る。つまり、被測定粒子群の過剰捕集が発生しているかを判定する。
【００４６】
一方、ステップＳ１０８の処理において、回折光強度Ｉｔが回折光強度閾値Ｉｔｈより大きいと判定したときには、粒子径解析に充分な回折光強度Ｉ０が得られていると判定して、ステップＳ１０９の処理において、判定部３４は、印加電圧制御部３１に停止信号を出力して、光強度取得制御部３６に回折光強度Ｉｔを取得させていくとともに、粒子径算出部３５に算出信号を出力する。このとき、粒子径算出部３５は、電圧値Ｖｓの直流電圧を電極対２に印加したときの回折光強度Ｉｔの時間変化に基づいて、媒体中における被測定粒子群の粒子径ｄの分布を算出する。そして、本フローチャートを終了させる。
【００４７】
一方、ステップＳ１１０の処理において、回折光強度Ｉｔの時間ｔに対する二次微分値ｄ２Ｉ／ｄｔ２が回折光強度時間変化閾値Ｉｔｈ”より小さいと判定したときには、粒子群の過剰捕集が起こっていると判定して、ステップＳ１１１の処理において、判定部３４は、印加電圧制御部３１に停止信号を出力して、光強度取得制御部３６に回折光強度Ｉｔを取得させていく。
次に、ステップＳ１１２の処理において、判定部３４は、印加電圧制御部３１に変更信号を出力して、印加電圧制御部３１は、初期設定電圧値Ｖｓから０．１Ｖ大きくした電圧値Ｖｓ＋１に変更して、電圧値Ｖｓ＋１の直流電圧を電極対２に印加するように直流電源３の制御を行う。そして、ステップＳ１０３〜Ｓ１１２の処理を繰り返すことになる。
【００４８】
以上のように、粒子径測定装置１０によれば、電気化学反応の発生を抑制でき、粒子径解析に充分な回折光強度Ｉ０が得られ、かつ、粒子群の過剰捕集が起きない粒子泳動条件（印加電圧値Ｖｎ、印加時間Δｔｎ）を自動的に設定することができる。
【産業上の利用可能性】
【００４９】
本発明は、媒体中で形成した被測定粒子群による密度回折格子を利用して、被測定粒子群の拡散係数を算出し、さらには拡散係数から粒子径の分布を算出する粒子径測定装置等に使用することができる。
【符号の説明】
【００５０】
１ 試料キュベット（セル）
２ 電極対
３ 直流電源
４ レーザ光源
８ 電流計（電流値計測部）
１０ 粒子径測定装置
３１ 印加電圧制御部
３４ 判定部
３５ 粒子径算出部
４０ メモリ（記憶部）
５１ 検出器
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光学的手法を用いて被測定粒子群の粒子径の分布を算出する粒子径測定装置に関し、特に媒体中で形成した被測定粒子群の粒子密度分布による過渡的な回折格子（以下、「密度回折格子」ともいう）を利用して、被測定粒子群の拡散係数を算出し、さらには、拡散係数から粒子径の分布を算出する粒子径測定装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
媒体（例えば、水等の液体や、ゲル等）中に分散させた粒子群の粒子径ｄの測定は、製薬や化学や研磨剤やセラミックスや顔料等の粒子径ｄが品質に影響を与える製品について行われている。さらに、粒子径ｄが１００ｎｍ以下である粒子は、一般にナノ粒子と称され、同じ材質であっても通常のバルク物質とは異なる性質を表すことから、様々な分野で利用され始めている。
【０００３】
ナノ粒子の粒子径ｄを測定する測定方法として、媒体中に粒子群を分散させた試料に、空間周期パターンを有する電界分布を発生させることによって、粒子群を電気泳動作用（若しくは誘電泳動作用）で移動させることで、媒体中に粒子群の密な領域と疎な領域とが周期的に並ぶ密度回折格子を形成させて、この密度回折格子にレーザ光（測定光）を照射することによって、密度回折格子の消散速度（回折光強度Ｉｔの時間変化）を計測することにより、粒子群の拡散係数Ｄを算出し、さらには拡散係数Ｄから粒子径ｄを算出する方法（以下、「ＩＧ法」ともいう）が開示されている（例えば、特許文献１参照）。
【０００４】
このような測定方法では、粒子径ｄが小さくなればなるほど拡散係数Ｄが大きくなるので、形成した密度回折格子が早く消失することを利用している。具体的には、電界分布を発生させることを停止した拡散開始時間ｔ０から密度回折格子が消失するときまでの間、試料にレーザ光を照射して回折光強度Ｉｔを検出しつづけることにより、回折光強度Ｉｔの時間変化を計測している。
図５（ａ）は、電圧値Ｖと時間ｔとの関係を示すグラフであり、図５（ｂ）は、回折光強度Ｉと時間ｔとの関係を示すグラフである。なお、図５（ａ）では、電圧値Ｖｎと印加時間Δｔｎとの直流電圧を印加している。そして、印加時間Δｔｎの開始時間が電気泳動作用開始時間ｔｓとなるとともに、印加時間Δｔｎの終了時間が拡散開始時間ｔ０となり、拡散開始時間ｔ０に検出された回折光強度Ｉｔが回折光強度Ｉ０となる。
【０００５】
そして、回折光強度Ｉｔの時間変化から拡散係数Ｄを算出するために、下記式（１）を用いている。
Ｉｔ＝Ｉ０ｅｘｐ（−２Ｄｑ２ｔ） ・・・（１）
ここで、ｑ＝２π／Λ、ｔは拡散開始時間ｔ０から経過した時間、Ｉ０は拡散開始時間ｔ０に検出された回折光強度、Ｉｔは時間ｔに検出された回折光強度、Λは密度回折格子の格子間隔である。
次に、拡散係数Ｄを算出した後に、下記式（２）で示すアインシュタインストークスの関係を用いて、絶対温度Ｔと媒体の粘度μとを入力することにより、拡散係数Ｄから粒子径ｄを算出している。
Ｄ＝ｋＢＴ／３πμｄ ・・・（２）
ここで、ｋＢはボルツマン定数である。
【０００６】
図８は、このような測定方法を用いる粒子径測定装置の全体構成を示す概略構成ブロック図である。また、図９は、従来の試料キュベット（セル）の一例を示す斜視図である。
粒子径測定装置１１０は、試料が収容される試料キュベット１と、試料キュベット１に設けられている電極対２に対して直流電圧を印加する直流電源３と、試料キュベット１に対してレーザ光（測定光）を照射するレーザ光源４と、第１次の回折光強度Ｉｔを検出するための検出光学系５０と、増幅器６と、粒子径測定装置１１０全体を制御する制御部１０７とを備える。なお、本明細書では、垂直方向（上下方向）をＺ方向とし、Ｚ方向と垂直な方向をＸ方向とし、Ｚ方向及びＸ方向と垂直な方向をＹ方向とする。
【０００７】
試料キュベット１は、長方形状の底面１２と、４個の側壁１１とを有するガラス製のものであり、光透過性を有する。そして、試料キュベット１の内部には、試料が収容されるようになっている。
試料キュベット１の一つの側壁１１の表面（内面）には、電極対２が形成されている。図３は、電極対２が形成された側壁１１の一例を示す平面図であり、図４は、試料キュベット１の断面の一部を示した図である。なお、電極対２は、側壁１１の表面に形成されずに、板状体の表面に形成された電極チップを用いることにより試料キュベットの内部に浸漬されてもよい。
【０００８】
電極対２は、左側電極２１と右側電極２２とからなる。
左側電極２１は、幅Ｌ（例えば、１μｍ）の直線状の電極片２１ａが間隔を空けて平行に並べられるとともに、これらの電極片２１ａの外側の片側端どうしを電気的に接続する直線状の接続部２１ｂが設けられ、いわゆる櫛型電極を形成している。
右側電極２２についても左側電極２１と同様であり、幅Ｌ（例えば、１μｍ）の直線状の電極片２２が間隔を空けて平行に並べられるとともに、これらの電極片２２ａの外側の片側端どうしを電気的に接続する直線状の接続部２２ｂが設けられ、いわゆる櫛型電極を形成している。
そして、電極片２１ａと電極片２２ａとの各間隔が、それぞれ一定距離Ｓ（例えば、１μｍ）を空けて配置される。
また、接続部２１ｂの上端部と接続部２２ｂの上端部とには、直流電源３が接続される。
【０００９】
これにより、電極対２に直流電源３からの直流電圧が印加されることにより、試料キュベット１内に電界分布が形成される。すると、電気力線が集中する電極片２１ａと電極片２２ａとの間に、電気泳動によって粒子群が凝集する。一方、電極片２１ａと電極片２１ａとの間と、電極片２２ａと電極片２２ａとの間とには、電気泳動によって粒子群が存在しなくなる。よって、粒子群が凝集する領域Ｐは、格子間隔Λとなるように形成される（図４（ａ）参照）。すなわち、粒子群が凝集する領域Ｐは、他の領域より粒子密度が高くなり、屈折率が異なることから、格子間隔Λの密度回折格子が形成される。
また、電極対２に直流電源３からの直流電圧が印加されなければ、試料キュベット１内に電界分布が形成されないので、電気力線が集中する領域もなく、粒子群は媒体中で均一に存在する（図４（ｂ）参照）。すなわち、粒子密度が均一になり、屈折率が同じになっている。
【００１０】
なお、電極対２の形状は、特に限定されず、上述したもの以外でもよく、電極対２の材料としては、例えば、ＩＴＯ等が挙げられ、ＩＴＯの屈折率は２．０程度であり、試料キュベット１の側壁１１の材料として高屈折率ガラス（例えば、商品名「ｓ−ＬＡＨ７９」；オハラ社製；屈折率２．０）を用いることで、電極対２と側壁１１との屈折率差をなくすことにより、レーザ光の照射時に電極対２による回折光が発生することを抑えることができる。
【００１１】
直流電源３には、粒子群に電気泳動を引き起こすことができる電圧値Ｖｎと印加時間Δｔｎとの直流電圧が印加できるものが用いられる。具体的には、電圧値０．１〜１００Ｖ程度のうちから０．１Ｖ刻みで自由に選択して、選択した直流電圧値を印加できる直流電源等を使用する。
レーザ光源４は、粒子群に応じて種類を選択すればよいが、例えば、Ｈｅ−Ｎｅレーザ光源（波長λ＝０．６３２８μｍ）が挙げられる。そして、試料キュベット１にレーザ光が照射される。
【００１２】
検出光学系５０は、第１次の回折光強度Ｉｔを検出する検出器５１と、不要なノイズ光を避けるために直径１ｍｍの円形状（面積：０．７８５ｍｍ２）のピンホールを有するピンホール板５２と、レーザ光源４の光軸Ｌの位置を把握するための光軸調整用受光部５３とからなる。
検出器５１は、フォトダイオード（受光素子）からなる。そして、検出器５１の直前には、レーザ光源４から出射されたレーザ光のうち、粒子群による密度回折格子で回折した次数ｍの回折光のみを検出するように、ピンホールが配置される。
ここで、密度回折格子の格子間隔Λ、レーザ光の波長λ、回折角θ、次数ｍとすると、下記式（３）が成立する。
ｍλ＝Λ・ｓｉｎθ ・・・（３）
よって、例えば、λ＝０．６３２８μｍ、Λ＝３μｍとしたとき、ｍ＝１次の回折光はθ≒１２°に現れるので、光軸Ｌに対して角度θ≒１２°となる光が、ピンホールを通過するように、ピンホール板５２が配置される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１３】
【特許文献１】特開２００６−０８４２０７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１４】
ところで、粒子径測定装置１１０では、電極対２に直流電圧を印加することによって生じる粒子の電気泳動現象を利用している。しかしながら、粒子や溶媒の種類によっては電気化学反応が発生し、電極対２の腐食、気泡の発生等を引き起こす恐れがあった。よって、正確に粒子径ｄを測定するには、適正な直流電圧値（泳動電圧値）Ｖｎを設定する必要がある。特に、電解質を多く含む高導電率溶媒中に分散する粒子群の捕集においては、適正な泳動電圧値Ｖｎの設定が非常に重要となる。
一方、電気化学反応が発生しないように小さい泳動電圧値Ｖｎを設定することも考えられるが、印加する泳動電圧値Ｖｎが小さすぎると粒子群が充分に捕集されず、その結果、粒子径解析に必要な回折光強度Ｉ０を得られないことがあった。
【００１５】
また、電気化学反応が発生せず、粒子径解析に必要な回折光強度Ｉ０を得ることができたとしても、粒子群の過剰捕集が起きると、電極対２の表面への粒子の固着や凝集が起こったり、粒子間の反発力による自然拡散への影響を考慮したりしなければならなくなる。よって、電気泳動現象を利用したＩＧ法を実現するためには、電気化学反応の発生を抑制でき、粒子径解析に充分な回折光強度Ｉ０が得られ、かつ、粒子群の過剰捕集が起きない粒子泳動条件（印加電圧値Ｖｎ、印加時間Δｔｎ）を設定することが重要になる。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
本件発明者は、上記課題を解決するために、粒子泳動条件を決定する方法について検討を行った。
まず、電気化学反応が起こる電圧値は、一般的には目的物質の理論電解電圧に、過電圧や溶媒の電気抵抗（溶液抵抗）を加えた値となるが、測定対象となる試料は多岐に渡るため、その電圧値を予想することは困難である。溶液を電気分解する場合、理論電解電圧値以下の電圧値では電極近傍の電気二重層の充電に伴う微弱電流（非ファラデー電流）のみが両極間に流れる。一方、理論電解電圧値を越える電圧値では、まず、電極近傍の電気二重層の充電に伴う微弱電流（非ファラデー電流）のみが両極間に流れるが、反応が進行する電圧値に達すると反応の進行速度に対応した電流（ファラデー電流）が恒常的に流れるようになり、印加電圧値の増加とともに電流値の増加が起きる。一方、非ファラデー電流は過渡的な電流であり、一般的に非ファラデー電流が流れる持続時間は電気二重層が充電されるまでの極めて短い時間に限られるため、昇圧後一定時間が経過すると非ファラデー電流による電流の増分はほぼ０となると考えられる。よって、適切な時間閾値ｔｔｈと電流値閾値Ａｔｈとを設定することで、溶液の種類によらず電気分解反応の発生の有無を判断できる。つまり、電流値閾値Ａｔｈ以上の電流値Ａｔが時間閾値ｔｔｈ以上流れたときには、電気化学反応が起こっていることを示すファラデー電流が流れていると判定できることを見出した。
【００１７】
また、粒子径解析に充分な回折光強度Ｉ０が得られる粒子泳動条件も、測定対象となる試料によって異なる。ここで、図６（ａ）は、直流電圧１５００ｍＶを印加したときの粒子径５０ｎｍのポリスチレン粒子群の電気泳動により得られる回折光強度Ｉｔの時間変化を示すグラフである。図６（ａ）に示すように、回折光強度Ｉｔは電圧印加後、時間経過とともに次第に上昇し、ほぼ一定値に達した後緩やかに減少する。つまり、泳動電圧値１５００ｍＶにおいて捕集可能な粒子量には上限が存在し、回折光強度の緩やかな減少は過度の粒子捕集が起こっているためと考えられる。また、粒子捕集量が上限に近い領域においては、密集した粒子の電極対２への固着や粒子同志の凝集等も起きやすいと考えられ、このような過度の粒子捕集を抑制するためには、電圧印加後からある適切な時間で粒子捕集を終了することが必要となる。
【００１８】
次に、図６（ｂ）は、図６（ａ）より得られる回折光強度Ｉｔの時間ｔに対する二次微分値ｄ２Ｉ／ｄｔ２の時間変化を示すグラフである。図６（ａ）に示す回折光強度Ｉｔの増大速度は、電圧印加と同時に０から増加し、ある時間経過後に最大値を示した後、回折光強度が最大値を示した時間に再び０に戻る。よって、回折光強度Ｉｔの時間ｔに対する二次微分値ｄ２Ｉ／ｄｔ２は時間経過とともに減少し、変曲点Ｂを境に負の値に転じることになる。二次微分値ｄ２Ｉ／ｄｔ２が負の値を取る領域Ｃは、一定時間あたりの粒子捕集量が減少に転じた領域Ｃと見なすことができ、過大な粒子捕集が起こり始めたことを示す一つの指標となりうる。つまり、粒子捕集を終了する時間（＝電圧印加時間Δｔｎ）を決定するために、回折光強度Ｉｔの時間ｔに対する二次微分値ｄ２Ｉ／ｄｔ２の時間変化を利用することができる。
【００１９】
よって、回折光強度とその時間変化とを監視することで、粒子径解析に充分な回折光強度が得られているか、粒子群の過剰捕集が起きていないかを検出することが可能となる。つまり、粒子径算出に必要な回折光強度Ｉ０が得られたと判定するための回折光強度閾値Ｉｔｈを記憶し、回折光強度Ｉｔが回折光強度閾値Ｉｔｈになったときには、電圧印加を停止することにより、媒体中で粒子群に拡散を生じさせる。また、回折光強度Ｉ０が回折光強度閾値Ｉｔｈに達するか否かを判定するための回折光強度時間変化閾値Ｉｔｈ”を記憶し、電圧印加後、回折光強度Ｉｔが回折光強度閾値Ｉｔｈになる前に、回折光強度Ｉｔの時間ｔに対する二次微分値ｄ２Ｉ／ｄｔ２が回折光強度時間変化閾値Ｉｔｈ”以下になったときには、電圧印加を停止する。
そして、これらを用いて粒子泳動条件を自動的に決定することができることを見出した。
【００２０】
すなわち、本発明の粒子径測定装置は、被測定粒子群を媒体中に含有する試料を収容するセルと、電圧を印加する電源と、前記電源からの電圧印加によりセル内に空間周期的に変化する電界を形成する電極と、前記電界により媒体中で被測定粒子群に電気的な泳動を生じさせた状態で、前記試料に測定光を照射する光源と、前記試料に測定光を照射することにより発生する回折光による回折光強度を検出する検出器と、電圧印加を停止することにより、前記媒体中で被測定粒子群に拡散を生じさせることで、前記回折光に変化を生じさせる印加電圧制御部と、電圧印加を停止したときである拡散開始時間の回折光強度からの回折光強度の時間変化に基づいて、前記被測定粒子群の粒子径の分布を算出する粒子径算出部とを備える粒子径測定装置であって、前記電極を流れる電流値を計測する電流値計測部と、前記試料中にファラデー電流が流れているか否かを判定するための電流値閾値及び時間閾値を記憶する記憶部と、前記電流値閾値以上の電流値が前記時間閾値以上流れたときには、前記試料中にファラデー電流が流れていると判定する判定部とを備えるようにしている。
【００２１】
ここで、「電気的な泳動」としては、例えば、荷電した被測定粒子群に電圧を印加して電気的に被測定粒子群を泳動させる静電泳動や、分極した被測定粒子群に電圧を印加して電気的に被測定粒子群を泳動させる誘電泳動等が挙げられる。
また、「測定光」としては、レーザ光が好ましいが、これに限らず、ＬＥＤによる光、分光器で分光された光、干渉フィルタやバンドパスフィルタ等で波長範囲が制限された光を用いてもよい。
【００２２】
また、「媒体」としては、内部で被測定粒子群が泳動できるものであればよく、例えば、水や油やアルコール等の液体や、ゲルや、固体等が挙げられる。
さらに、「回折光強度」とは、検出器で検出される数値そのものでなくてもよく、密度回折格子を形成する前に既に検出されている初期余剰光の光強度が存在する場合もあるので、検出器で検出される数値と初期余剰光の数値との差分であることが好ましい。
【００２３】
本発明の粒子径測定装置では、まず、被測定粒子群を媒体中に含有する試料をセル内に収容する。このとき、媒体中で被測定粒子群は均一に分散しているので、回折光強度Ｉｔは、非常に弱い回折光強度Ｉｓとなる。
次に、電圧を電極に印加することにより、セル内の空間に対して空間周期的に変化する電界分布を形成する。すると、被測定粒子群に電気的な泳動が生じることで、電界分布の空間周期に対応するように密な領域と疎な領域とが周期的に並ぶ空間周期的な濃度変化が発生していく。このとき、判定部は、電流値閾値Ａｔｈ以上の電流値Ａｔが時間閾値ｔｔｈ以上流れれば、試料中にファラデー電流が流れているので、電圧印加を停止させることになる。
一方、電流値閾値Ａｔｈ以上の電流値Ａｔが時間閾値ｔｔｈ以上流れなければ、つまり、電気化学反応の発生を起こさず、電気的な泳動によって被測定粒子群を凝集させていくことで、密度回折格子が形成されていく。その結果、最終的に密度回折格子が安定して形成されるので、回折光強度Ｉｔは、非常に強い回折光強度Ｉ０となる。
【００２４】
そして、印加電圧制御部は、電圧印加を完全に停止すると、空間周期的に変化する電界分布が消失するので、被測定粒子群は徐々に拡散していくことになる。つまり、密度回折格子が崩れてぼやけるようになる。このとき、回折光強度Ｉｔの時間的変化を検出する。その結果、電圧を停止した拡散開始時間ｔ０からの時間ｔと回折光強度Ｉとの関係が得られる。なお、回折光強度Ｉｔは、式（１）に従って減衰する。
そして、粒子径算出部は、回折光強度Ｉｔの時間的変化に基づいて、粒子径ｄの分布を算出する。
【発明の効果】
【００２５】
以上のように、本発明の粒子径測定装置によれば、粒子径ｄの測定中に電気化学反応の発生を抑止することが可能となる。
【００２６】
（その他の課題を解決するための手段および効果）
また、本発明の粒子径測定装置においては、前記記憶部は、粒子径算出に必要な回折光強度が得られたと判定するための回折光強度閾値を記憶し、前記印加電圧制御部は、前記検出器から取得した回折光強度が前記回折光強度閾値になったときには、電圧印加を停止することにより、前記媒体中で被測定粒子群に拡散を生じさせ、前記粒子径算出部は、前記拡散開始時間の回折光強度からの回折光強度の時間変化に基づいて、前記被測定粒子群の粒子径の分布を算出するようにしてもよい。
【００２７】
ここで、「回折光強度閾値」とは、拡散開始時間ｔ０での回折光強度Ｉ０を決定するための数値のことをいう。これにより、拡散開始時間ｔ０での回折光強度Ｉ０が弱くなりすぎたり強くなりすぎたりすることなく、良好な粒子径ｄの測定結果が得られ、さらに再現性の高い粒子径ｄの測定結果が得られるようになる。
以上のように、本発明の粒子径測定装置によれば、粒子径解析に充分な回折光強度Ｉ０が得られる。
【００２８】
そして、本発明の粒子径測定装置においては、前記記憶部は、回折光強度時間変化閾値を記憶し、前記印加電圧制御部は、電圧印加後、前記検出器から取得した回折光強度が前記回折光強度閾値になる前に、前記検出器から取得した回折光強度の時間に対する二次微分値が前記回折光強度時間変化閾値以下になったときには、電圧印加を停止し、その後、前記電極に印加する電圧値を変更して、前記媒体中で被測定粒子群に電気的な泳動を生じさせるようにしてもよい。
【００２９】
ここで、「回折光強度時間変化閾値」とは、電圧をこれ以上印加しても、回折光強度Ｉｔが変化せず、媒体中で被測定粒子群に電気的な泳動がほとんど生じないと判定するための数値のことをいう。これにより、被測定粒子群の過剰捕集を抑止することができ、電極の表面への粒子の固着や凝集が起こらず、粒子間の反発力による自然拡散への影響を考慮する必要がなくなる。
以上のように、本発明の粒子径測定装置によれば、被測定粒子群の過剰捕集を抑止することが可能となる。
【００３０】
さらに、本発明の粒子径測定装置においては、前記記憶部は、初期設定電圧値を記憶し、前記印加電圧制御部は、まず初期設定電圧値を電極に印加し、前記検出器から取得した回折光強度が前記回折光強度閾値になる前に、前記検出器から取得した回折光強度の時間に対する二次微分値が前記回折光強度時間変化閾値以下になったときには、電圧印加を停止し、その後、前記電極に印加する電圧値を大きくしていくようにしてもよい。
以上のように、本発明の粒子径測定装置によれば、粒子泳動条件を自動的に決定することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】本発明の粒子径測定装置の全体構成を示す概略構成ブロック図。
【図２】試料キュベット（セル）の一例を示す斜視図。
【図３】電極対が形成された側壁の一例を示す平面図。
【図４】試料キュベットの断面の一部を示す図。
【図５】電圧値と時間との関係及び回折光強度と時間との関係を示すグラフ。
【図６】回折光強度の時間変化を示すグラフ。
【図７】粒子泳動条件を決定する決定方法を説明するフローチャート。
【図８】従来の粒子径測定装置の全体構成を示す概略構成ブロック図。
【図９】従来の試料キュベット（セル）の一例を示す斜視図。
【発明を実施するための形態】
【００３２】
以下、本発明の実施形態について図面を用いて説明する。なお、本発明は、以下に説明するような実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々の態様が含まれることはいうまでもない。
【００３３】
図１は、本発明の一実施形態である粒子径測定装置の全体構成を示す概略構成ブロック図である。また、図２は、試料キュベット（セル）の一例を示す斜視図である。なお、粒子径測定装置１１０と同様のものについては、同じ符号を付している。
本実施形態は、被測定粒子群を媒体中に分散させた試料を測定することにより、被測定粒子群の粒子径ｄの分布を算出するものである。また、媒体の粘度μは既知であるものを使用している。そして、直流電圧を印加して電気泳動により分極した被測定粒子群を媒体中で泳動させるものとする。
【００３４】
粒子径測定装置１０は、試料が収容される試料キュベット１と、試料キュベット１に設けられている電極対２に対して直流電圧を印加する直流電源３と、試料キュベット１に対してレーザ光を照射するレーザ光源４と、第１次の回折光強度Ｉｔを検出するための検出光学系５０と、増幅器６と、電極対２を流れる電流値Ａｔを計測する電流計（電流値計測部）８と、粒子径測定装置１０全体を制御する制御部７とを備える。
【００３５】
電流計（電流値計測部）８は、電極対２を流れる電流値Ａｔを計測するものであり、接続部２１ｂ（図３参照）の上端部と直流電源３との間に接続されている。そして、電流計８は、電流値Ａｔを制御部７に所定の時間間隔で出力するようになっている。
【００３６】
制御部７は、ＣＰＵ３０とメモリ４０とを備え、さらにモニタ画面等を有する表示装置（図示せず）と、キーボードやマウス等を有する入力装置（図示せず）とが連結されている。また、ＣＰＵ３０が処理する機能をブロック化して説明すると、直流電源３の制御を行う印加電圧制御部３１と、レーザ光源４の制御を行うレーザ光源制御部３２と、光強度Ｉｔを取り込む光強度取得制御部３６と、電流値Ａｔを取り込む電流値取得制御部３３と、判定部３４と、粒子径ｄの分布を算出する粒子径算出部３５とからなる。
【００３７】
さらに、メモリ４０は、電圧値データ記憶領域４１と、光強度データ記憶領域４２とを有する。
電圧値データ記憶領域４１には、電流値閾値Ａｔｈと時間閾値ｔｔｈと初期設定電圧値Ｖｓとが予め記憶されている。電流値閾値Ａｔｈと時間閾値ｔｔｈとは、ファラデー電流が流れているか否かを判定するための数値であり、例えばＡｔｈ＝１０ｍＡ、ｔｔｈ＝１００ｍｓｅｃと設定される。初期設定電圧値Ｖｓは、一回目の測定時に印加する任意の電圧値であり、例えば電圧値０．１〜１００Ｖ程度のうちから０．１Ｖ刻みで自由に選択することのできる直流電源では、初期設定電圧値Ｖｓ＝０．５Ｖと設定される。
【００３８】
光強度データ記憶領域４２には、回折光強度閾値Ｉｔｈと回折光強度時間変化閾値Ｉｔｈ”とが予め記憶されている。回折光強度閾値Ｉｔｈは、拡散開始時間ｔ０での回折光強度Ｉ０を決定するための数値であり、例えば回折光強度閾値Ｉｔｈとして検出器５１で検出可能な最大光強度の７０％の数値と設定される。回折光強度時間変化閾値Ｉｔｈ”は、電圧をこれ以上印加しても、回折光強度Ｉｔが変化せず、媒体中で被測定粒子群に電気的な泳動がほとんど生じないと判定するための数値であり、例えば回折光強度時間変化閾値Ｉｔｈ”＝０と設定される。
【００３９】
レーザ光源制御部３２は、試料キュベット１にレーザ光を照射（ＯＮ）したり照射停止（ＯＦＦ）したりするようにレーザ光源４の制御を行う。
光強度取得制御部３６は、検出器５１で所定の時間間隔で検出された第１次の回折光強度Ｉｔを取得する制御を行う。
電流値取得制御部３３は、電流計８で所定の時間間隔で検出された電流値Ａｔを取得する制御を行う。
【００４０】
印加電圧制御部３１は、判定部３４からの変更信号に基づいて所定の電圧値Ｖｎの直流電圧を電極対２に印加したり、判定部３４からの停止信号に基づいて電極対２への直流電圧の印加を停止したりするように直流電源３の制御を行う。これにより、印加電圧制御部３１が、電圧値Ｖｎの直流電圧を電極対２に印加すると、密度回折格子を形成していくようになっている。そして、直流電圧の印加を停止することにより、直流電圧の印加を停止した時間が拡散開始時間ｔ０として、密度回折格子を崩してぼやけさせていくことになっている。
【００４１】
粒子径算出部３５は、判定部３４からの算出信号に基づいて光強度取得制御部３６で得られた回折光強度Ｉｔの時間変化を用いて、媒体中における被測定粒子群の粒子径ｄの分布を算出する制御を行う。例えば、回折光強度Ｉｔの時間変化と式（１）〜（３）とに基づいて、粒子径ｄの分布を算出する。
【００４２】
判定部３４は、電流値Ａｔと回折光強度Ｉｔとに基づいて、電圧値Ｖｎと印加時間Δｔｎとを決定する制御を行う。図７は、粒子泳動条件を決定する決定方法について説明するためのフローチャートである。
まず、ステップＳ１０１の処理において、被測定粒子群を媒体中に分散させた試料を試料キュベット１に収容する。
次に、ステップＳ１０２の処理において、印加電圧制御部３１は、初期設定電圧値Ｖｓの直流電圧を電極対２に印加するように直流電源３の制御を行う。
【００４３】
次に、ステップＳ１０３の処理において、電流値取得制御部３３は、電流計８から電流値Ａｔを取得する。
次に、ステップＳ１０４の処理において、判定部３４は、電流値Ａｔが電流値閾値Ａｔｈ以下であるか否かを判定する。電流値Ａｔが電流値閾値Ａｔｈ以下でないと判定したときには、ステップＳ１０５の処理において、判定部３４は、電流値Ａｔが時間閾値ｔｔｈ以上流れているか否か（持続時間Ｔが時間閾値ｔｔｈ以上であるか否か）を判定する。電流値Ａｔが時間閾値ｔｔｈ以上流れていないと判定したときには、ステップＳ１０４の処理に戻る。つまり、ステップＳ１０４とＳ１０５との処理によってファラデー電流が流れているかを判定する。
【００４４】
一方、ステップＳ１０５の処理において、電流値閾値Ａｔｈ以上の電流値Ａｔが時間閾値ｔｔｈ以上流れていると判定したときには、ファラデー電流が流れていると判定して、ステップＳ１０６の処理において、判定部３４は、印加電圧制御部３１に停止信号を出力するとともに、粒子径算出部３５に算出信号を出力する。このとき、粒子径算出部３５は、電圧値Ｖｓ−１の直流電圧を電極対２に印加したときの回折光強度Ｉｔの時間変化に基づいて、媒体中における被測定粒子群の粒子径ｄの分布を算出する。そして、本フローチャートを終了させる。
【００４５】
また、ステップＳ１０４の処理において、判定部３４は、電流値Ａｔが電流値閾値Ａｔｈ以下であると判定したときには、ステップＳ１０７の処理において、レーザ光源制御部３２は、試料キュベット１にレーザ光を照射（ＯＮ）させ、光強度取得制御部３６は、回折光強度Ｉｔを取得していく。
次に、ステップＳ１０８の処理において、判定部３４は、回折光強度Ｉｔが回折光強度閾値Ｉｔｈより大きいか否かを判定する。回折光強度Ｉｔが回折光強度閾値Ｉｔｈより小さいと判定したときには、ステップＳ１１０の処理において、判定部３４は、回折光強度Ｉｔが回折光強度時間変化閾値Ｉｔｈ”より小さいか否かを判定する。回折光強度Ｉｔが回折光強度時間変化閾値Ｉｔｈ”より大きいと判定したときには、ステップＳ１０７の処理に戻る。つまり、被測定粒子群の過剰捕集が発生しているかを判定する。
【００４６】
一方、ステップＳ１０８の処理において、回折光強度Ｉｔが回折光強度閾値Ｉｔｈより大きいと判定したときには、粒子径解析に充分な回折光強度Ｉ０が得られていると判定して、ステップＳ１０９の処理において、判定部３４は、印加電圧制御部３１に停止信号を出力して、光強度取得制御部３６に回折光強度Ｉｔを取得させていくとともに、粒子径算出部３５に算出信号を出力する。このとき、粒子径算出部３５は、電圧値Ｖｓの直流電圧を電極対２に印加したときの回折光強度Ｉｔの時間変化に基づいて、媒体中における被測定粒子群の粒子径ｄの分布を算出する。そして、本フローチャートを終了させる。
【００４７】
一方、ステップＳ１１０の処理において、回折光強度Ｉｔの時間ｔに対する二次微分値ｄ２Ｉ／ｄｔ２が回折光強度時間変化閾値Ｉｔｈ”より小さいと判定したときには、粒子群の過剰捕集が起こっていると判定して、ステップＳ１１１の処理において、判定部３４は、印加電圧制御部３１に停止信号を出力して、光強度取得制御部３６に回折光強度Ｉｔを取得させていく。
次に、ステップＳ１１２の処理において、判定部３４は、印加電圧制御部３１に変更信号を出力して、印加電圧制御部３１は、初期設定電圧値Ｖｓから０．１Ｖ大きくした電圧値Ｖｓ＋１に変更して、電圧値Ｖｓ＋１の直流電圧を電極対２に印加するように直流電源３の制御を行う。そして、ステップＳ１０３〜Ｓ１１２の処理を繰り返すことになる。
【００４８】
以上のように、粒子径測定装置１０によれば、電気化学反応の発生を抑制でき、粒子径解析に充分な回折光強度Ｉ０が得られ、かつ、粒子群の過剰捕集が起きない粒子泳動条件（印加電圧値Ｖｎ、印加時間Δｔｎ）を自動的に設定することができる。
【産業上の利用可能性】
【００４９】
本発明は、媒体中で形成した被測定粒子群による密度回折格子を利用して、被測定粒子群の拡散係数を算出し、さらには拡散係数から粒子径の分布を算出する粒子径測定装置等に使用することができる。
【符号の説明】
【００５０】
１ 試料キュベット（セル）
２ 電極対
３ 直流電源
４ レーザ光源
８ 電流計（電流値計測部）
１０ 粒子径測定装置
３１ 印加電圧制御部
３４ 判定部
３５ 粒子径算出部
４０ メモリ（記憶部）
５１ 検出器
【特許請求の範囲】
【請求項１】
被測定粒子群を媒体中に含有する試料を収容するセルと、
電圧を印加する電源と、
前記電源からの電圧印加によりセル内に空間周期的に変化する電界を形成する電極と、
前記電界により媒体中で被測定粒子群に電気的な泳動を生じさせた状態で、前記試料に測定光を照射する光源と、
前記試料に測定光を照射することにより発生する回折光による回折光強度を検出する検出器と、
電圧印加を停止することにより、前記媒体中で被測定粒子群に拡散を生じさせることで、前記回折光に変化を生じさせる印加電圧制御部と、
電圧印加を停止したときである拡散開始時間の回折光強度からの回折光強度の時間変化に基づいて、前記被測定粒子群の粒子径の分布を算出する粒子径算出部とを備える粒子径測定装置であって、
前記電極を流れる電流値を計測する電流値計測部と、
前記試料中にファラデー電流が流れているか否かを判定するための電流値閾値及び時間閾値を記憶する記憶部と、
前記電流値閾値以上の電流値が前記時間閾値以上流れたときには、前記試料中にファラデー電流が流れていると判定する判定部とを備えることを特徴とする粒子径測定装置。
【請求項２】
前記記憶部は、粒子径算出に必要な回折光強度が得られたと判定するための回折光強度閾値を記憶し、
前記印加電圧制御部は、前記検出器から取得した回折光強度が前記回折光強度閾値になったときには、電圧印加を停止することにより、前記媒体中で被測定粒子群に拡散を生じさせ、
前記粒子径算出部は、前記拡散開始時間の回折光強度からの回折光強度の時間変化に基づいて、前記被測定粒子群の粒子径の分布を算出することを特徴とする請求項１に記載の粒子径測定装置。
【請求項３】
前記記憶部は、回折光強度時間変化閾値を記憶し、前記印加電圧制御部は、電圧印加後、前記検出器から取得した回折光強度が前記回折光強度閾値になる前に、前記検出器から取得した回折光強度の時間に対する二次微分値が前記回折光強度時間変化閾値以下になったときには、電圧印加を停止し、その後、前記電極に印加する電圧値を変更して、前記媒体中で被測定粒子群に電気的な泳動を生じさせることを特徴とする請求項２に記載の粒子径測定装置。
【請求項４】
前記記憶部は、初期設定電圧値を記憶し、
前記印加電圧制御部は、まず初期設定電圧値を電極に印加し、前記検出器から取得した回折光強度が前記回折光強度閾値になる前に、前記検出器から取得した回折光強度の時間に対する二次微分値が前記回折光強度時間変化閾値以下になったときには、電圧印加を停止し、
その後、前記電極に印加する電圧値を大きくしていくことを特徴とする請求項３に記載の粒子径測定装置。
【請求項１】
被測定粒子群を媒体中に含有する試料を収容するセルと、
電圧を印加する電源と、
前記電源からの電圧印加によりセル内に空間周期的に変化する電界を形成する電極と、
前記電界により媒体中で被測定粒子群に電気的な泳動を生じさせた状態で、前記試料に測定光を照射する光源と、
前記試料に測定光を照射することにより発生する回折光による回折光強度を検出する検出器と、
電圧印加を停止することにより、前記媒体中で被測定粒子群に拡散を生じさせることで、前記回折光に変化を生じさせる印加電圧制御部と、
電圧印加を停止したときである拡散開始時間の回折光強度からの回折光強度の時間変化に基づいて、前記被測定粒子群の粒子径の分布を算出する粒子径算出部とを備える粒子径測定装置であって、
前記電極を流れる電流値を計測する電流値計測部と、
前記試料中にファラデー電流が流れているか否かを判定するための電流値閾値及び時間閾値を記憶する記憶部と、
前記電流値閾値以上の電流値が前記時間閾値以上流れたときには、前記試料中にファラデー電流が流れていると判定する判定部とを備えることを特徴とする粒子径測定装置。
【請求項２】
前記記憶部は、粒子径算出に必要な回折光強度が得られたと判定するための回折光強度閾値を記憶し、
前記印加電圧制御部は、前記検出器から取得した回折光強度が前記回折光強度閾値になったときには、電圧印加を停止することにより、前記媒体中で被測定粒子群に拡散を生じさせ、
前記粒子径算出部は、前記拡散開始時間の回折光強度からの回折光強度の時間変化に基づいて、前記被測定粒子群の粒子径の分布を算出することを特徴とする請求項１に記載の粒子径測定装置。
【請求項３】
前記記憶部は、回折光強度時間変化閾値を記憶し、前記印加電圧制御部は、電圧印加後、前記検出器から取得した回折光強度が前記回折光強度閾値になる前に、前記検出器から取得した回折光強度の時間に対する二次微分値が前記回折光強度時間変化閾値以下になったときには、電圧印加を停止し、その後、前記電極に印加する電圧値を変更して、前記媒体中で被測定粒子群に電気的な泳動を生じさせることを特徴とする請求項２に記載の粒子径測定装置。
【請求項４】
前記記憶部は、初期設定電圧値を記憶し、
前記印加電圧制御部は、まず初期設定電圧値を電極に印加し、前記検出器から取得した回折光強度が前記回折光強度閾値になる前に、前記検出器から取得した回折光強度の時間に対する二次微分値が前記回折光強度時間変化閾値以下になったときには、電圧印加を停止し、
その後、前記電極に印加する電圧値を大きくしていくことを特徴とする請求項３に記載の粒子径測定装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【公開番号】特開２０１３−５７６０８（Ｐ２０１３−５７６０８Ａ）
【公開日】平成２５年３月２８日（２０１３．３．２８）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−１９６６２３（Ｐ２０１１−１９６６２３）
【出願日】平成２３年９月９日（２０１１．９．９）
【出願人】（０００００１９９３）株式会社島津製作所 (3,708)
【公開日】平成２５年３月２８日（２０１３．３．２８）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年９月９日（２０１１．９．９）
【出願人】（０００００１９９３）株式会社島津製作所 (3,708)
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