(57)【要約】【課題】着色した溶媒に溶解したブラウン運動する微粒子の運動を解析する。【解決手段】動的超音波散乱法測定装置１は、パルスを生成するパルサー６と、パルサー６により生成されたパルスに基づいて、平面波の超音波をブラウン運動する微粒子４に照射する平面波トランスデューサ２と、微粒子４によって散乱された散乱波を受け取って散乱波電気信号に変換する平面波トランスデューサ２と、散乱波電気信号に基づいて微粒子４の運動を解析する散乱波解析器５とを備え、パルサー６により加えられる印加エネルギは、１２．５マイクロジュールよりも小さく、平面波トランスデューサ２を、微粒子４を収容したセル３から３ｃｍ以下の距離に配置する。【選択図】図１
2010261910.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
パルスを生成するパルサーと、
前記パルサーにより生成されたパルスに基づいて、平面波の超音波をブラウン運動する微粒子に照射する平面波トランスデューサと、
前記微粒子によって散乱された散乱波を受け取って散乱波電気信号に変換する受信トランスデューサと、
前記散乱波電気信号に基づいて前記微粒子の運動を解析する散乱波解析手段とを備え、
前記パルサーにより加えられる印加エネルギは、１２．５マイクロジュールよりも小さく、
前記平面波トランスデューサを、前記微粒子を収容したセルから３ｃｍ以下の距離に配置することを特徴とする動的超音波散乱法測定装置。
【請求項２】
前記パルサーにより生成されたパルスの繰り返し周波数は、１キロヘルツ以下である請求項１記載の動的超音波散乱法測定装置。
【請求項３】
前記平面波トランスデューサによる超音波の照射方向は、前記微粒子に重力が作用する方向である請求項１記載の動的超音波散乱法測定装置。
【請求項４】
前記平面波トランスデューサによる超音波の照射方向は、前記微粒子に重力が作用する方向に垂直な方向である請求項１記載の動的超音波散乱法測定装置。
【請求項５】
前記散乱波解析手段は、前記散乱波電気信号に基づく相関関数解析によって前記微粒子の運動を解析する請求項１記載の動的超音波散乱法測定装置。
【請求項６】
１２．５マイクロジュールよりも小さい印加エネルギによって生成されたパルスに基づいて、ブラウン運動する微粒子を収容したセルに対して３ｃｍ以下の間隔を空けた位置から平面波の超音波を前記微粒子に照射し、
前記微粒子によって散乱された散乱波を受け取って散乱波電気信号に変換し、
前記散乱波電気信号に基づいて前記微粒子の運動を解析することを特徴とする微粒子の解析方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ブラウン運動する微粒子の運動を超音波により解析する測定装置および微粒子の解析方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
粒子径が１ナノメートルから３マイクロメートル程度の微粒子については、動的光散乱（ＤＬＳ）法により、拡散定数および流体力学的半径（粒子径）の定量化が可能である事が知られている［非特許文献１］。干渉性の高いレーザー光を試料に入射すると、粒子の大きさや形状に依存して光の散乱が観測されると共に、その強度は粒子の運動に対応して時間変化する。このとき、光子相関計（コリレータ）で記録された時間強度相関関数が速く時間減衰するほど小さい粒子、逆に遅く減衰するほど大きな粒子のブラウン運動を捉えられる事が実験的にも理論的に明らかとなっている。その結果、粒子の運動性解析および粒径解析は、相関関数の緩和時間解析を通じて行われる。この方法は、電子顕微鏡等とは異なり、溶液中で粒子が運動する“そのまま”の状態（例えば膨潤した状態や、弱く結合した状態）をリアルタイムで観察できることが利点である。しかしながら、濁った試料は光の透過性の問題で計測が困難であるという問題がある。
【０００３】
そこで我々は、光と超音波の類似性に着目した動的超音波散乱法の開発を行ってきた。この手法は、フォトン自らが空間中を伝搬する可視光とは異なり、振動を伝搬する波である超音波を線源として用いているため、試料着色の有無を問題としない。動的超音波散乱法は、ミリメートルからサブミリメートル（ミリメートルの１／１０程度）の粒子の運動を調べるために、カナダのＪｏｈｎ  Ｐａｇｅのグループによって提案された［非特許文献２、および非特許文献３］。彼らは、数メガヘルツ（例えば２ＭＨｚ）の超音波を使って、流動層やクエット系の複雑な流体解析を行った。その後我々は、動的超音波散乱法をＰａｇｅらの様な大きな構造体解析のためではなく、よりミクロな材料分析に適用するために、２０ＭＨｚの超音波を用い、３〜３２マイクロメートルの微粒子に適用可能な“高周波”動的超音波散乱法を開発した。その結果、微粒子の沈降速度の評価とそれによる粒子径の算出を行い［非特許文献４］［非特許文献５］、実験結果の妥当性を示した。また沈降する微粒子の平均速度だけでなく、粒子の位置や時間に伴う速度変化を定量化し、その速度揺らぎと粒径との関係についても流体力学的な手法を駆使して明らかとした［非特許文献５］［非特許文献６］。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００４】
【非特許文献１】Ｂｅｒｎｅ，Ｂ．Ｊ．；Ｐｅｃｏｒａ，Ｒ．Ｄｙｎａｍｉｃ  Ｌｉｇｈｔ  Ｓｃａｔｔｅｒｉｎｇ  ｗｉｔｈ  Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ  ｔｏ  Ｃｈｅｍｉｓｔｒｙ，Ｂｉｏｌｏｇｙ  ａｎｄ  Ｐｈｙｓｉｃｓ；Ｄｏｖｅｒ  Ｐｕｂｌｉｃａｔｉｏｎｓ：Ｍｉｎｅｏｌａ，ＮＹ，２０００
【非特許文献２】Ｃｏｗａｎ，Ｍ．Ｌ．；Ｐａｇｅ，Ｊ．Ｈ．；Ｗｅｉｔｚ，Ｄ．Ａ．Ａｃｏｕｓｔ．Ｉｍａｇｉｎｇ，２６，２４７，２００２
【非特許文献３】Ｃｏｗａｎ，Ｍ．Ｌ．；Ｐａｇｅ，Ｊ．Ｈ．；Ｗｅｉｔｚ，Ｄ．Ａ．Ｐｈｙｓ．ＲｅＶ．Ｌｅｔｔ．，８５，４５３，２０００
【非特許文献４】Ｍ．Ｋｏｈｙａｍａ，Ｔ．Ｎｏｒｉｓｕｙｅ，ａｎｄ  Ｑ．Ｔｒａｎ−Ｃｏｎｇ−Ｍｉｙａｔａ，Ｐｏｌｙｍｅｒ  Ｊ．，４０，５，ｐｐ．３９８−３９９，２００８
【非特許文献５】Ｍ．Ｋｏｈｙａｍａ，Ｔ．Ｎｏｒｉｓｕｙｅ，ａｎｄ  Ｑ．Ｔｒａｎ−Ｃｏｎｇ−Ｍｉｙａｔａ，Ｍａｃｒｏｍｏｌｅｃｕｌｅｓ，４２，３，ｐｐ．７５２  −  ７５９，２００９
【非特許文献６】Ａ．Ｎａｇａｏ，Ｍ．  Ｋｏｈｙａｍａ，Ｔ．Ｎｏｒｉｓｕｙｅ，  ａｎｄ  Ｑ．Ｔｒａｎ−Ｃｏｎｇ−Ｍｉｙａｔａ，Ｊｏｕｒｎａｌ  ｏｆ  Ａｐｐｌｉｅｄ  Ｐｈｙｓｉｃｓ，１０５，０２３５２６，２００９
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
前述のように動的超音波散乱法は、微粒子の運動速度を多面的に調べる事ができる技術であるが、現在のところ観測できる粒径の下限が３マイクロメートルとなっている［非特許文献５］。３マイクロメートル以下の粒子サイズは、ＤＬＳ法でも対応可能であるが、その場合、試料は透明系に限定され、化粧品や塗料を例とする着色した試料の解析には不向きであるという問題がある。このため、光以外の線源を使った計測方法が求められてきた。なお超音波ドップラー法は、本願発明に類似した方法であるが、ドップラー周波数から平均運動速度を算出するため、ブラウン運動の解析に必要不可欠な速度ゆらぎ、もしくは拡散係数の定量化には不向きである。その点、動的超音波散乱法は、平均速度からのずれを直接観察することが可能である。何より、高い周波数を使ったサブミクロン微粒子の解析例は、ドップラー法を含めてもこれまでに例がない。また超音波ドップラー法は、粒子が動いたかを判別可能であるが、その運動の様式が、沈降のようなバリスティック運動（直接運動）であるのか、ブラウン運動のようなランダムな拡散モードであるのかは判別不可能である。また超音波スペクトロスコピーでは、超音波の減衰係数を解析して、粒子サイズとの関係について調べる事が可能であるが、粒径分布の解析は不向きである上、前述のような動的情報は得られない。以下に示すような高周波トランスデューサを用いた解決案によって、３マイクロメートル以下の粒子運動が、動的超音波散乱法により拡散モードとして解析可能であるが、粒子径が小さくなると、超音波に固有の印加エネルギー問題が発現するという問題がある。すなわち、超音波の伝搬により、粒子の運動が加速され、粒子速度や拡散係数が過大評価されるという問題がある。
【０００６】
本発明の目的は、着色した溶媒（もしくは分散媒体）に溶解（もしくは分散）したブラウン運動する微粒子の運動を正確に測定することができる動的超音波散乱法測定装置および微粒子の解析方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明に係る動的超音波散乱法測定装置は、パルスを生成するパルサーと、前記パルサーにより生成されたパルスに基づいて、平面波の超音波をブラウン運動する微粒子に照射する平面波トランスデューサと、前記微粒子によって散乱された散乱波を受け取って散乱波電気信号に変換する受信トランスデューサと、前記散乱波電気信号に基づいて前記微粒子の運動を解析する散乱波解析手段とを備え、前記パルサーにより加えられる印加エネルギは、１２．５マイクロジュールよりも小さく、前記平面波トランスデューサを、前記微粒子を収容したセルから３ｃｍ以下の距離に配置することを特徴とする。
【０００８】
ここで前記３ｃｍ以下の距離とは、平面波トランスデューサの照射面から、平面波トランスデューサ側のセルの内壁までの距離をいう。また、前記３ｃｍ以下の距離には、前記セル中に平面波トランスデューサをつけこむ場合のように、平面波トランスデューサとセルとの間の距離が零ｃｍの場合も含む。
【０００９】
ブラウン運動する微粒子のような小さい構造体を高い周波数で、かつ高精度で解析するためには、当然の事ながら、信号精度の向上を目的とした超音波印加エネルギーの増加、もしくは、集束性の高いフォーカストランスデューサの使用が期待される。ところが、大きな超音波エネルギーを印加すると、ブラウン運動する微粒子の運動速度が過大評価されることが見いだされた。このとき、超音波洗浄機に用いられているような大出力の超音波は用いておらず、むしろ非破壊検査にも利用されている市販の超音波パルサーで設定できる最小のエネルギー（１２．５マイクロジュール）でも、このような、微粒子の運動速度が過大評価される現象が確認された。そこで、静電容量がさらに小さなパルサーを用い、その代わりに平面波トランスデューサと微粒子を収容したセル（試料）との距離を、トランスデューサ径の自乗と波長との比で決まる特性距離と比較して十分に近い距離に近づけて計測したところ、そのような効果が消失することが明らかとなった。
【００１０】
本発明によれば、着色した溶媒（もしくは分散媒体）に溶解（もしくは分散）したブラウン運動する微粒子の運動を解析することができる。
【００１１】
本発明に係る動的超音波散乱法測定装置では、前記パルサーにより生成されたパルスの繰り返し周波数は、１キロヘルツ以下であることが好ましい。
【００１２】
上記構成によれば、平面波トランスデューサにより速度ゆらぎを正しく測定することができる。
【００１３】
本発明に係る動的超音波散乱法測定装置では、前記平面波トランスデューサによる超音波の照射方向は、前記微粒子に重力が作用する方向であることが好ましい。
【００１４】
上記構成によれば、ブラウン運動する微粒子、もしくはそれを含む沈降微粒子の混合液から、拡散係数もしくは平均速度や速度分布を測定することができる。
【００１５】
本発明に係る動的超音波散乱法測定装置では、前記平面波トランスデューサによる超音波の照射方向は、前記微粒子に重力が作用する方向に垂直な方向であることが好ましい。
【００１６】
上記構成によれば、ブラウン運動する微粒子、もしくはそれを含む沈降微粒子の混合液から、拡散係数もしくは速度分布を測定することができる。
【００１７】
本発明に係る動的超音波散乱法測定装置では、前記散乱波解析手段は、前記散乱波電気信号に基づく相関関数解析によって前記微粒子の運動を解析することが好ましい。
【００１８】
上記構成によれば、ブラウン運動する微粒子の運動を正確に解析することができる。
【００１９】
本発明に係る動的超音波散乱法測定装置では、前記平面波トランスデューサと前記受信トランスデューサとは、一体に構成されていることが好ましい。
【００２０】
上記構成によれば、簡単な構成により、微粒子の運動を解析することができる。
【００２１】
本発明に係る微粒子の解析方法は、１２．５マイクロジュールよりも小さい印加エネルギによって生成されたパルスに基づいて、ブラウン運動する微粒子を収容したセルに対して３ｃｍ以下の間隔を空けた位置から平面波の超音波を前記微粒子に照射し、前記微粒子によって散乱された散乱波を受け取って散乱波電気信号に変換し、前記散乱波電気信号に基づいて前記微粒子の運動を解析することを特徴とする。
【００２２】
本発明に係る微粒子の解析方法では、前記パルスの繰り返し周波数は、１キロヘルツ以下であることが好ましい。
【００２３】
本発明に係る微粒子の解析方法では、前記超音波の照射方向は、前記微粒子に重力が作用する方向であることが好ましい。
【００２４】
本発明に係る微粒子の解析方法では、前記超音波の照射方向は、前記微粒子に重力が作用する方向に垂直な方向であることが好ましい。
【００２５】
本発明に係る微粒子の解析方法では、前記散乱波電気信号に基づく相関関数解析によって前記微粒子の運動を解析することが好ましい。
【発明の効果】
【００２６】
本発明によれば、パルサーにより加えられる印加エネルギは、１２．５マイクロジュールよりも小さく、また、平面波トランスデューサを、ブラウン運動する微粒子を収容したセルから３ｃｍ以下の距離に配置したので、着色した溶媒（もしくは分散媒体）に溶解（もしくは分散）したブラウン運動する微粒子の運動を解析することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】実施の形態に係る動的超音波散乱法測定装置の構成を模式的に示すブロック図である。
【図２】上記動的超音波散乱法測定装置から照射された超音波パルスによる測定例を説明するための図である。
【図３】上記動的超音波散乱法測定装置が解析する散乱波のゆらぎの定量化を説明するための図である。
【図４】上記散乱波のゆらぎを定量化するための相関関数を説明するための図である。
【図５】上記相関関数から得られる物理量を説明するための図である。
【図６】上記相関関数の超音波ビーム入射方向の依存性を説明するための図である。
【図７】測定方向による微粒子の運動の測定結果の相違を説明するための図である。
【図８】相関関数の粒子サイズ依存性を説明するための図である。
【図９】重力が作用する方向の動的超音波散乱法から評価した平均速度の濃度依存性を示す図である。
【図１０】平均速度から評価した粒子径を説明するための図である。
【図１１】微粒子に重力が作用する方向に対して垂直な方向から測定した結果を示す図である。
【図１２】サブミクロン微粒子の動的超音波散乱の結果を説明するための図である。
【図１３】速度ゆらぎのパルス繰り返し周波数依存性を説明するための図である。
【発明を実施するための形態】
【００２８】
以下、本発明の実施の形態について、詳細に説明する。図１は、実施の形態に係る動的超音波散乱法測定装置１の構成を模式的に示すブロック図である。動的超音波散乱法測定装置１は、パルサー６を備えている。パルサー６は、超音波発信のためのパルスを生成する。超音波散乱法測定装置１には、平面波トランスデューサ２が設けられている。平面波トランスデューサ２は、パルサー６により生成されたパルスに基づいて、平面波の超音波をブラウン運動する微粒子４に照射する。微粒子４は、セル３に収容されている。平面波トランスデューサ２は、微粒子４に向かって照射され、微粒子４によって散乱された散乱波を受け取って散乱波電気信号に変換する。超音波散乱法測定装置１は、散乱波解析器５を備えている。散乱波解析器５は、平面波トランスデューサ２から供給された散乱波電気信号に基づいて微粒子４の運動を解析する。パルサー６により加えられる印加エネルギは、１２．５マイクロジュールよりも小さく、平面波トランスデューサ２は、微粒子４を収容したセル３から３ｃｍ以下の距離に配置されている。
【００２９】
パルサー６により生成されたパルスの繰り返し周波数は、１キロヘルツ以下が好ましい。平面波トランスデューサ２による超音波の照射方向は、図１に示すように、微粒子４に重力が作用する方向である。なお、平面波トランスデューサ２による超音波の照射方向は、微粒子４に重力が作用する方向に垂直な方向であってもよい。
【００３０】
散乱波解析器５は、散乱波電気信号に基づく相関関数解析によって微粒子４の運動を解析する。なお、微粒子４によって散乱された散乱波を受け取って散乱波電気信号に変換する受信トランスデューサを、平面波トランスデューサ２とは別個に設けてもよい。
【００３１】
動的超音波散乱法は、動的光散乱法と類似した相関関数解析に基づく動的な解析法であるので、前述の問題点で述べた運動様式の識別が行え、複雑な分子運動を様々な時間領域に分類して調べる事が可能である。微粒子の運動は、重力が支配するやや大きな微粒子の場合には沈降に伴う直接運動を示し、サブミクロン粒子の場合はブラウン運動を示す。沈降に伴う直接運動であるか、ブラウン運動であるかが、音場相関関数の対数と時間に対する両対数プロットのべき乗指数から判別可能である。沈降及びブラウン運動を示す場合、その指数はそれぞれ２および１である。粒子サイズが小さくなると散乱振幅は粒子サイズの３乗に（強度は６乗に）反比例して小さくなるため、計測が困難となる。そこでよりミクロな構造体に本手法を適用するためには、より周波数ｆの高い超音波トランスデューサ（センサー）の使用が不可欠であるが、その場合ｆの二乗に反比例して信号が減衰するため、高周波での測定は困難となる。
【００３２】
小さい構造体を高い周波数で、かつ高精度で解析するために、当然の事ながら、信号精度の向上を目的とした超音波印加エネルギーの増加もしくは集束性の高いフォーカストランスデューサの使用が考えられる。ところが、大きな超音波エネルギーを印加すると、粒子の運動速度が過大評価されるという問題が生じることが見いだされた。このとき超音波洗浄機に用いられているような大出力の超音波は用いておらず、むしろ非破壊検査にも利用されている市販の超音波パルサーで設定できる最小のエネルギー（１２．５マイクロジュール）でも、このような粒子の運動速度が過大評価される現象が確認された。そこで、静電容量がさらに小さなパルサーを用い、その代わりにセンサー（平面波トランスデューサ２）と試料（セル３）との距離を、トランスデューサ径の自乗と波長との比で決まる特性距離と比較して十分に近い距離に近づけて計測したところ、そのような粒子の運動速度が過大評価される現象が消失することが明らかとなった。
【００３３】
また、非破壊検査でも精度の高い解析を行うためにフォーカス型の超音波発信器を利用しているが、動的超音波散乱法には、フォーカス波ではなく、平面波が非常に有効である事が見いだされた。動的超音波散乱法における平面波トランスデューサの使用効果は、３マイクロメートル以下の微粒子に限らず、大きなサイズの微粒子（例えば密度１．１８ｇ／ｍＬ、半径５００ナノメートル〜２２マイクロメートルのポリスチレンラテックス）についても確認された事実を、本実施の形態に含めることを付記する。
【００３４】
本実施の形態で用いた動的超音波散乱法は、非破壊検査用の市販の（もしくは特注の）超音波のためのパルサー６によって発せられた負のスパイク電気パルス（例えば印加エネルギー１２．５マイクロジュール未満）を、平面波トランスデューサ２に設けられた圧電トランスデューサに印加し、それより発した超音波を入射線源に用いている。トランスデューサの素材には、チタン酸ジルコン酸鉛やニオブ酸鉛を代表とする圧電セラミックもしくはそれと高分子とのコンポジットが用いられている。またセンサーは表面が平らな平面波型（平面波トランスデューサ２）と、表面が湾曲してビームを集束できるフォーカス型トランスデューサとが市販されている。平面型の（平面波トランスデューサ２）コンポジット型高周波センサー（１−３コンポジット３５メガヘルツ）は市販されておらず、自作もしくは特注で準備する必要がある。
【００３５】
水中に配置した平面波トランスデューサ２（超音波センサー）から放出された超音波は、センサー（平面波トランスデューサ２）から１ミリメートル更には５ミリメートル〜３センチメートル程度の距離に保たれたサンプル（セル３）に入射され、微粒子４からの散乱波をもう一つ別のトランスデューサ（受信トランスデューサ）もしくは同じトランスデューサ（平面波トランスデューサ２）で受信する仕組みになっている。
【００３６】
試料（微粒子４）を収容したセル３には高さ４センチメートル、底辺１０×１０ミリメートルの光学吸収用のポリスチレン製使い捨てセルを用い、界面活性剤と共に水に分散したポリスチレン製の微粒子４（半径５００ナノメートル〜２２マイクロメートル）を試料として注入した。またセル３とセンサー（平面波トランスデューサ２）とは、微小単位で超音波ビームの入射方向が変えられるように、マイクロステージを組み合わせたステンレス製金属ステージ上に固定した。
【００３７】
平面波トランスデューサ２が受信した散乱波は、アンプで増幅され、最終的なデータ記録のために高速デジタイザボード（散乱波解析器５）に送られる。超音波信号（散乱波電気信号）は、１秒あたりに２００メガ点のデータ収録が行えるデジタイザによってデジタルデータに変換され、繰り返し計測することでパルス波の時間発展のデータが得られる。パルス波を構成するそれぞれの点の時間変化を逐次相関関数法で解析することによって様々なパルスフィールド点における分子運動の情報が得られる。
それぞれの点で得たデータは、試料（セル３）中の異なる位置を意味し、これにより例えば、セル３の近傍、セル３の中央など、セル３中の様々な位置のデータが一回の測定で同時に得られる。超音波パルスのデータ点は、セルの幅である１０ミリメートルをカバーするために約３２００点記録し、そのようなパルスを典型的には約２万回の繰り返し波形を記録する事で２次元音場データとして解析する。またパルス繰り返し周波数は可変であるが、例えば２ヘルツ（時間間隔５００ミリ秒ごと）で行った。この繰り返し周波数があまりに高い場合、過剰な音響インテンシティーにより粒子の運動が過大評価されることがある。得られた超音波データは自作のソフトウェアにより処理した。具体的には、動的光散乱法と類似した音場相関関数を算出し、後述する解析方法により粒子の運動速度や粒径を算出した。
【００３８】
図２は、動的超音波散乱法測定装置１の平面波トランスデューサ２から照射された超音波パルスによる測定例を説明するための図である。平面波トランスデューサ２から照射された超音波は、セル３の平面波トランスデューサ２側の外壁によって反射される第１反射波と、セル３の平面波トランスデューサ２側の内壁によって反射される第２反射波と、セル３の平面波トランスデューサ２の反対側の内壁によって反射される第３反射波と、セル３の平面波トランスデューサ２の反対側の外壁によって反射される第４反射波とを含む。セル３に収容された微粒子４の運動は、第２反射波および第３反射波の間に出現する微粒子の散乱波に基づいて解析される。
【００３９】
図３は、動的超音波散乱法測定装置１の散乱波解析器５が解析する散乱波のゆらぎの定量化を説明するための図である。フィールド振幅Ψの揺らぎは、微粒子の局所の濃度変化を表しており、微粒子の運動性（拡散／沈降）に関する情報を示している。微粒子の局所の濃度変化を評価するために、Ψ（Ｔ）と、Ψ（Ｔ＋τ）との積である相関関数を使用する。
【００４０】
図４は散乱波のゆらぎを定量化するための相関関数を説明するための図であり、図５は相関関数から得られる物理量を説明するための図であり、図６は相関関数の超音波ビーム入射方向の依存性を説明するための図であり、図７は測定方向による微粒子の運動の測定結果の相違を説明するための図である。
【００４１】
散乱波のゆらぎを定量化するための相関関数は、図４において式（１）で示される自己相関関数を使用する。図５に示すように、微粒子４に重力が作用する方向に沿って超音波を照射するときは、式（２）に示される自己相関関数から、重力作用方向（ｚ軸方向）に沿った平均運動速度〈ＶＺ〉と速度の分布〈δＶＺ〉２とが得られる。微粒子４に重力が作用する方向に垂直な方向に沿って超音波を照射するときは、式（３）に示される自己相関関数から、ｙ軸に沿った速度の分布〈δＶｙ〉２が得られる。ここで、〈…〉は、時間もしくは集合平均を意味する。図６および図７に示すように、微粒子４に重力が作用する方向に沿って超音波を照射すると、自己相関関数は、振動しながら減衰する。なお、ブラウン運動する微粒子の場合には、相関関数は単調に減衰する。微粒子４に重力が作用する方向に垂直な方向に沿って超音波を照射すると、自己相関関数は、単調に減衰する。
【００４２】
図８は相関関数の粒子サイズ依存性を説明するための図であり、図９はＺ方向の動的超音波散乱から評価した平均速度の濃度依存性を示す図である。図１０は平均速度から評価した粒子径を説明するための図であり、図１１は微粒子に重力が作用する方向に対して垂直な方向から測定した結果を示す図である。
【００４３】
図８に示される上側のグラフは、ｚ方向（微粒子に重力が作用する方向と同方向）から超音波を照射して測定したときの自己相関関数を、微粒子４の粒子サイズが３２μｍの場合と、１８μｍの場合と、５．５μｍの場合と、３．６μｍの場合とについて、それぞれ示している。図８に示される下側のグラフは、ｙ方向（微粒子に重力が作用する方向に垂直な方向）から超音波を照射して測定したときの自己相関関数を、微粒子４の粒子サイズが３２μｍの場合と、１８μｍの場合と、５．５μｍの場合と、３．６μｍの場合とについて、それぞれ示している。
【００４４】
ｙ方向（微粒子に重力が作用する方向に垂直な方向）から超音波を照射して微粒子４の運動速度を測定すると、図１１に示されるように、セルの中央位置の微粒子の運動速度は、セルの端の位置の微粒子の運動速度よりも大きくなる傾向が現れ、セルの位置によって微粒子の運動が異なることがうかがえる。
【００４５】
図１２は、ブラウン運動するサブミクロン微粒子の動的超音波散乱の結果を説明するための図である。図１２の左下のグラフに、ＩＳＬ社製の静電容量３００ｐＦ、印加電圧−２５０Ｖの特注リモートパルサー（印加エネルギーは９マイクロジュール）と、３５メガヘルツの公称周波数を有する１−３コンポジット型超音波トランスデューサを用いた場合の結果を示す。センサー（平面波トランスデューサ２）とセル３との間の距離は２ｃｍであった。
【００４６】
静電容量５００ｐＦ、すなわち印加エネルギー１５．６マイクロジュールでも測定したが、印加エネルギーが１２．５マイクロジュール以上では、いずれも正しく測定されないことが確認された。
このグラフは、動的超音波散乱測定により得られた音場相関関数の自然対数と時間との両対数プロットであり、このベキ指数が、半径１．８マイクロメートルのポリスチレン微粒子に関しては２であり、ブラウン運動する５００ナノメートルの微粒子に関しては１である事がわかった。別途、モデル関数を用いて計算した結果、この測定条件では、微粒子の運動を正しく計測できることが明らかとなった。なお、市販のパルサーで１２．５マイクロジュールの印加エネルギーを加えた場合、拡散モードが得られるはずのブラウン運動する５００ナノメートルの微粒子に対して、前述のベキ指数が１であるべきところが２になったり、緩和時間が一桁以上過剰に見積もられることがわかった。
【００４７】
図１３は、速度ゆらぎのパルス繰り返し周波数依存性を説明するための図である。図１３の左側のグラフは、平面波トランスデューサおよびフォーカス型トランスデューサを用いた場合の、粒子速度揺らぎのパルス繰り返し周波数に対する依存性を示す。明解に結果を示すために、ここでは直径５．５マイクロメートルの微粒子の沈降運動に対して水平に（沈降方向に対して垂直に）超音波ビームを入射し、動的超音波散乱法の長所である速度の揺らぎ成分のみを評価している。図１３より、パルス繰り返し周波数が大きくなると、速度ゆらぎの過大評価に繋がる事がわかるが、これは平面波トランスデューサを用いた場合にかなり改善される（すなわちパルス繰り返し周波数にもパルサーの印加エネルギーにも依らない一定値）。また、実用的なパルス繰り返し周波数、すなわち１キロヘルツ以下では、平面波トランスデューサを用いる限り、正しい計測が行えることが明らかとなった。なお、この図からも、印加エネルギーがより小さいパルサーを用いた方が、正しい速度揺らぎの計測が行えることが理解できる。
【００４８】
以上のように、動的超音波散乱法は、動的光散乱法に類似した手法でありながら、化粧品や塗料のように着色した溶液や、カーボンナノチューブの分散液のように黒く光が透過しない試料についても、散乱体の分子運動を高速に捉えることができる。本発明により、波長が長いためにミクロ構造解析には不向きであると考えられてきた超音波でも、動的光散乱がカバーする数百ナノメートルの空間領域の情報を得ることが可能になった。また流体力学的半径が数百ナノメートルの微粒子に超音波を入射する場合、一般的な非破壊検査に用いられているようなパルス印加エネルギーでも情報の過剰評価に繋がる事が明らかとなったが、これは静電容量の小さいパルサーを用いて、トランスデューサとセルとの距離を、トランスデューサ径の自乗と波長との比で決まる特性距離と比較して十分に近い距離に近づけて計測することで回避できることが明らかとなった。また本手法には平面波トランスデューサが必要不可欠である事が明らかとなったので、以上の留意点に注意することで正確な動的超音波散乱測定が実現することがわかった。本発明により、今後この手法は、光が通らないサブミクロンサンプルに対して有効活用されると期待される。
【００４９】
本発明は上述した各実施形態に限定されるものではなく、請求項に示した範囲で種々の変更が可能であり、異なる実施形態にそれぞれ開示された技術的手段を適宜組み合わせて得られる実施形態についても本発明の技術的範囲に含まれる。
【産業上の利用可能性】
【００５０】
本発明は、ブラウン運動する微粒子の運動を超音波により解析する測定装置に利用することができる。例えば、化粧品や塗料のように着色した溶液やカーボンナノチューブの分散液のように黒く光が透過しない試料の散乱体の分子運動を高速に捉える測定装置に利用することができる。また、食品関係におけるゲル微粒子の運動を超音波により解析する測定装置に利用することができる。さらに、フィラー（粉体）の凝集状態における微粒子の分散性の確認にも利用することができる。
【符号の説明】
【００５１】
１    動的超音波散乱法測定装置  
２    平面波トランスデューサ
３    セル
４    微粒子
５    散乱波解析器
６    パルサー
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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