(57)【要約】      （修正有）【課題】ナノ粒子の拡散係数や粒子径を、動的散乱法に比して大幅に高い感度並びに良好なＳ／Ｎのもとに測定することができ、しかも、誘電泳動や電気泳動をしない、あるいは、しにくい粒子であっても、比較的簡単に測定することのできる方法と装置を提供する。【解決手段】被測定粒子群を媒体中に移動可能に分散させてなる試料中に、空間周期を有する磁界を形成することによって粒子群を磁気泳動させ、媒体中における粒子群の密度分布による回折格子を生成させるとともに、その回折格子に照射光学系４から平行光束を照射することによって生じる回折光を検出光学系５で計測し、磁界の形成を停止した時点からの回折光強度の時間変化から、被測定粒子群の拡散係数に係る情報を得る。空間周期を有する磁界は、例えば複数の平行部２ａを備えた磁界形成用回路２に電流源３からの電流を流すことによって形成することができる。【選択図】図１
2009079919.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
被測定粒子群を媒体中に移動可能に分散させてなる試料中に、空間周期を有する磁界を形成することにより粒子群を磁気泳動させ、媒体中における粒子群の密度分布による回折格子を生成させるとともに、その回折格子に平行光束を照射することによって生じる回折光を計測し、磁界の形成を停止した時点からの回折光強度の時間変化から、被測定粒子群の拡散係数に係る情報を得ることを特徴とするナノ粒子測定方法。
【請求項２】
被測定粒子群を媒体中に移動可能に分散させてなる試料中に、空間周期を有する磁界を形成することにより粒子群を磁気泳動させ、媒体中における粒子群の密度分布による回折格子を生成させるとともに、その回折格子に平行光束を照射することによって生じる回折光を計測し、磁界の形成を開始した時点からの回折光強度の時間変化から、被測定粒子群の磁気泳動の強さに係る情報を得ることを特徴とするナノ粒子測定方法。
【請求項３】
被測定粒子群を媒体中に移動可能に分散させてなる試料を収容する容器と、その容器内に空間周期を有する磁界を形成するために電流を流す回路および電流源と、その磁界の形成により上記容器内に生成される粒子群の密度分布による回折格子に向けて平行光束を照射する照射光学系と、その平行光束が上記回折格子により生じる回折光を検出する検出光学系と、上記回路に対する電流の供給を制御して上記容器内の粒子群の密度分布による回折格子の生成と消滅を行わせる制御手段と、上記検出光学系の出力を取り込み、上記磁界の形成を停止した時点からの回折光強度の時間変化から、被測定粒子群の拡散係数に係る情報を得るか、もしくは、上記磁界の形成を開始した時点からの回折光強度の時間変化から、被測定粒子群の磁気泳動の強さに係る情報を得るデータ処理手段を備えていることを特徴とするナノ粒子測定装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、媒体中に粒子群が移動可能に分散してなる試料中における粒子群の拡散係数に係る情報や、磁気泳動に係る情報を得るための測定方法および装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
粒子径が１００ｎｍ以下の粒子は、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、さまざまな分野で利用され始めている。粒子径を測定する方法としては、レーザ回折・散乱式をはじめとして種々のものが知られているが、粒子径が１００ｎｍ以下のナノ粒子については、主として動的散乱法（光子相関法）と称される測定方法に基づく方法が用いられている（例えば特許文献１，２参照）。  
【０００３】
動的散乱法は、粒子のブラウン運動を利用したものであり、媒体中でブラウン運動をしている粒子に光ビームを照射し、粒子による散乱光の強度を所定の位置で測定して、粒子のブラウン運動に起因する散乱光強度の揺らぎ、つまり散乱光の経時的変化を捕らえ、各粒子がその粒径に応じた激しさでブラウン運動をすることを利用して被測定粒子群の粒度分布を算出する。
【０００４】
しかしながら、粒子からの散乱光の揺らぎを測定する動的散乱法（光子相関法）においては、微粒子からの散乱光強度は粒子径の５〜６乗に比例するため微小粒子の計測においては非常に微弱な散乱光の揺らぎを計測することになり、その原理上、測定感度が低いとともに、Ｓ／Ｎが悪いといった問題は避けられない。
【０００５】
このような動的散乱法において不可避の問題を解決する有力な手法として、媒体中に移動可能に分散させた粒子群に対し、空間周期を有する電界を印加することにより粒子群を泳動させ、粒子群に空間周期的な濃度変化を持たせて擬似的な回折格子を生成させ、その状態で粒子群に対してレーザ光などの平行光束を照射して得られる回折光を検出し、電界の印加を停止した時点からの回折光の時間変化から、粒子群の拡散係数および粒子径を求める方法および装置が提案されている（特許文献３、特許文献４参照）。
【０００６】
この提案方法並びに装置は、媒体中における粒子群の誘電泳動もしくは電気泳動を利用して、電界の印加により粒子群の濃度分布（密度分布）による回折格子を生成させた状態で、電界の印加を停止することによる当該回折格子の消滅過程が、粒子群の拡散係数に依存することを利用したものであり、粒子の密度分布に起因して生じる回折格子からの回折光の消失に要する時間から、粒子群の拡散係数を求めることができ、ひいては粒子径を算出することができる。
【０００７】
この提案方法並びに装置によると、粒子群の濃度分布が作る回折格子による回折光強度を検出するため、動的散乱法で得られる個々の粒子による散乱光に比して強いため、測定する信号が強く、動的散乱法に比してＳ／Ｎおよび感度が大幅に改善される。
【特許文献１】米国特許第５，０９４，５３２号明細書
【特許文献２】特開２００１−１５９５９５号公報
【特許文献３】特開２００６−８４２０７号公報
【特許文献４】ＷＯ／２００７／０１０６３９
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
ところで、例えば強い導電性を有する試料等においては、電界を印加しても泳動しない、もしくは泳動しにくい場合がある。このような試料に対しては、上記した特許文献３または４の技術を使えないという問題がある。
【０００９】
本発明の主たる課題は、誘電泳動ないしは電気泳動をしない、もしくはしにくい試料についても、特許文献３や４と同等の良好なＳ／Ｎおよび感度のもとに被測定粒子群の拡散係数あるいは粒子径を測定することのできるナノ粒子の測定方法と装置を提供することにある。
【００１０】
また、併せて、本発明の他の課題は、上記の方法ないしは装置を利用して、粒子群の磁気泳動の強さに係る情報を得ることのできるナノ粒子の測定方法および装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記した主たる課題を解決するため、本発明のナノ粒子測定方法は、被測定粒子群を媒体中に移動可能に分散させてなる試料中に、空間周期を有する磁界を形成することにより粒子群を磁気泳動させ、媒体中における粒子群の密度分布による回折格子を生成させるとともに、その回折格子に平行光束を照射することによって生じる回折光を計測し、磁界の形成を停止した時点からの回折光強度の時間変化から、被測定粒子群の拡散係数に係る情報を得ることによって特徴づけられる（請求項１）。
【００１２】
また、他の課題を解決するため、本発明のナノ粒子測定方法は、被測定粒子群を媒体中に移動可能に分散させてなる試料中に、空間周期を有する磁界を形成することにより粒子群を磁気泳動させ、媒体中における粒子群の密度分布による回折格子を生成させるとともに、その回折格子に平行光束を照射することによって生じる回折光を計測し、磁界の形成を開始した時点からの回折光強度の時間変化から、被測定粒子群の磁気泳動の強さに係る情報を得ることによって特徴づけられる（請求項２）。
【００１３】
そして、本発明のナノ粒子測定装置は、以上の各ナノ粒子測定方法のいずれか一方もしくは双方の方法を実現する装置であって、被測定粒子群を媒体中に移動可能に分散させてなる試料を収容する容器と、その容器内に空間周期を有する磁界を形成するために電流を流す回路および電流源と、その磁界の形成により上記容器内に生成される粒子群の密度分布による回折格子に向けて平行光束を照射する照射光学系と、その平行光束が上記回折格子により生じる回折光を検出する検出光学系と、上記回路に対する電流の供給を制御して上記容器内の粒子群の密度分布による回折格子の生成と消滅を行わせる制御手段と、上記検出光学系の出力を取り込み、上記磁界の形成を停止した時点からの回折光強度の時間変化から、被測定粒子群の拡散係数に係る情報を得るか、もしくは、上記磁界の形成を開始した時点からの回折光強度の時間変化から、被測定粒子群の磁気泳動の強さに係る情報を得るデータ処理手段を備えていることによって特徴づけられる（請求項３）。
【００１４】
請求項１に係る発明は、磁気泳動によって粒子群の密度分布による回折格子を生成させて、その回折格子に対して平行光束を照射することにより生じる回折光の時間変化を、回折格子の消滅過程で測定することにより、粒子群の拡散係数を求める点において前記した特許文献３，４に記載の技術と同じであるが、異なる泳動現象を用いる点に特徴がある。  
【００１５】
すなわち、粒子群を泳動させて回折格子を生成させるために、特許文献３，４では誘電泳動現象ないしは電気泳動現象を利用したのに対し、請求項１に係る発明では磁気泳動現象を用いる点で相違している。そして、この相違により、誘電泳動をしにくい、あるいはしない試料についても、特許文献３，４に記載の技術と同等の作用効果を奏することができる。
【００１６】
また、請求項２に係る発明は、上記した磁界の形成と形成停止による粒子群の挙動のうち、磁界の形成の開始による回折格子の生成過程を利用するものであり、粒子群の磁気泳動により生成されつつある回折格子に向けて平行光束を照射することで得られる回折光の強度は、粒子群の密度分布による回折格子の変調の大きさ（コントラスト）に依存するため、この回折格子の生成過程における回折光の時間変化から、回折格子の刻々の生成の状況を把握することができる。回折格子の生成速度は、媒体中の粒子群の磁気泳動力に相関するため、回折光の増え方から、媒体中の粒子群の磁気泳動力を評価することができる。  
【００１７】
そして、請求項３に係る発明は、以上の請求項１および２のいずれか一方もしくは双方の方法を実現可能な装置であり、媒体中に移動可能に被測定粒子群を分散させてなる試料は容器内に収容される。そして、その試料中に空間周期を有する磁界を形成するために、電流源からの電流が流される所要パターンの回路（電流路）が用いられ、その回路に直流もしくは交流電流を流すことによって、電流路の周辺に同心円状の磁場を形成する。電流路の周辺に形成される磁場の強度は、その中心に向かうほど強くなる一様でない磁場となる。このような電流路が複数本平行に位置する回路パターンを用いることで、空間周期を有する磁界とすることができ、粒子は磁場の強さの勾配方向（または逆方向）に力を受けて泳動し、濃度（密度）の周期的な疎密状態を生じる。そこに平行光束を照射することで回折光が生じる。請求項１に係る発明方法を実現する場合、回路に電流を流して磁界を形成し、粒子の密度分布による回折格子を生成させた後、磁界の形成を停止した時点からの回折光強度の時間変化を計測し、請求項２に係る発明方法を実現する場合には、回路に電流を流して磁界を形成した時点からの回折光強度の時間変化を計測すればよい。
【発明の効果】
【００１８】
請求項１、３に係る発明によれば、被測定粒子群の濃度（密度）分布が作る回折格子による回折光強度を計測するため、動的散乱法で得られる個々の粒子による散乱光を検出する場合に比して、その光信号強度が極めて強く、動的散乱法に比して測定のＳ／Ｎおよび感度が大幅に改善され、ナノ粒子の拡散係数ないしは粒子径を比較的簡単に高い精度のもとに測定することができる。しかも、誘電泳動ないしは電気泳動をしない、もしくはしにくい試料についてもこのような効果を奏することができる。
【００１９】
また、請求項２、３に係る発明によれば、ナノ粒子の磁気泳動特性を高いＳ／Ｎおよび感度のもとに測定することができる。なお、粒子の泳動特性、特に誘電泳動特性を観察する従来の方法として、個々の粒子に蛍光体を化学的に結合させ、顕微鏡で観察し、粒子の蛍光発光の強度分布をビデオに記憶する方法が知られているが、これを磁気泳動特性の評価に適用しても、この従来方法では、被測定粒子に蛍光体を付着させなければならないという大きな制約があり、また、ナノ粒子のように粒子径が小さい粒子の観察には適さないという欠点があるが、請求項２に係る発明では、粒子群の密度分布が作る回折格子による回折光の時間変化から磁気泳動特性を評価するため、従来法による欠点を一挙に解決することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
以下、図面を参照しつつ本発明の実施の形態について説明する。
図１は本発明の実施の形態の構成図で、光学的構成を表す模式図とシステム構成を表すブロック図とを併記して示す図である。また、図２はその試料容器１の拡大縦断面図である。
【００２１】
装置は、媒体中に被測定粒子群が移動可能に分散した試料、例えば液体中に粒子群が分散した試料や、被測定粒子群が移動可能に分散したゲルからなる試料等を収容するための試料容器１と、この試料容器１内に配置されている磁界形成用回路２に対して電流（例えば交流電流）を流すための電流源３と、試料容器１に対して光を照射する照射光学系４と、磁界形成用回路２に電流を流すことにより試料容器１内に生じる粒子群の密度分布による回折格子からの回折光を測定する検出光学系５、その検出光学系５の出力を収集して各種データ処理を行う信号処理部６、および電流源３およびデータ処理部６を含む装置全体を制御する制御部７を主体として構成されている。
【００２２】
試料容器１はガラス等の透明材料によって構成され、その内部に同じく透明なガラス基板２０が固定配置されており、このガラス基板２０の表面に磁界形成用回路２が形成されている。
【００２３】
磁界形成用回路２は、図３にその回路図の例を示すように、電流源３からの電流を流す電流路であって、互いに平行な複数本の平行部２ａと、これらを電流源３に対して直列に接続するための接続部２ｂと、各平行部２ａの間に設けられたダミー電極２ｃによって構成されている。各平行部２ａと各ダミー電極２ｃは交互に位置し、全体として互いに平行で、かつ、互いに隣接する平行部２ａとダミー電極２ｃの間の距離は全て等しい。
【００２４】
以上の磁界形成用回路２には、電流源３からの交流電流（もしくは直流電流）がながされ、この電流の流れにより、試料容器１内に磁界の分布が形成され、その磁界の分布により、後述するように試料中の粒子が磁気泳動し、粒子群の密度分布による回折格子が生成される。
【００２５】
照射光学系４は、ほぼ単色化された光を概略平行光束に成形した状態で出力し、その出力光は試料容器１内の磁界形成用回路２に向けて照射される。照射光学系４の光源は、レーザ、ＬＥＤなどの単色光のみを放射するものが簡便であるが、連続波長光源をバンドパスフィルタや分光器などで疑似単色化した光でもよい。この例では、レーザ４ａとコリメートレンズ４ｂによって構成されている。
【００２６】
検出光学系５は、照射光学系４からの光のうち、試料容器１内の粒子群の密度分布による回折格子で回折した例えば１次の回折光が出射される方位に配置される。この検出光学系５は、例えばピンホール５ａと光検出器５ｂを主体として構成されている。なお、試料容器１を直線的に透過した光は、ビームストッパ５ｃにより吸収されて光検出器５ｂに影響を与えることが抑制される。
【００２７】
以上の構成において、磁界形成用回路２に電流源３からの電流が流されると、その電流路の周辺に同心円状の磁界が発生する。平行部２ａの近傍では、図４にこれらに直交する模式的断面図を示すように、ダミー電極２ｃを挟んでその両側の平行部２ａの周辺に同心円状の磁界が発生し、その各磁界は中心、つまり各平行部２ａに向かうほど強くなり、磁場勾配が生じる。このような磁界から粒子Ｐは力（磁気泳動力）を受け、磁場の勾配方向（またはその逆方向）に向かって泳動し、やがて図５に示すように、各平行部２ａに沿った粒子の高密度領域が生じ、粒子の密度分布による回折格子が生成される。この粒子の密度分布による回折格子の格子間隔は、平行部２ａとダミー電極２ｃの集合による回折格子の格子間隔の２倍となる。このような粒子の高密度領域による回折格子の生成状態で、磁界形成用回路２への電流の供給を停止すると、粒子は自由拡散を開始し、試料中の粒子群の空間密度は均一化していき、やがて粒子群の密度分布による回折格子は消滅する。
【００２８】
なお、磁界形成用回路２に直流電流を流して直流磁界を形成する場合には、粒子が磁性体であれば泳動し、また、この回路２に交流電流を流して交流磁界を形成すると、粒子が磁性体であるか否かに関わらず、導電性を持つ場合は渦電流により生じる磁気双極子により磁気泳動を受ける。
【００２９】
さて、粒子群の密度分布による回折格子に対して照射光学系４からの平行光束を照射することにより、その光は回折格子によって回折を受ける。前記したように、粒子群の密度分布による回折格子の格子間隔は、磁界形成用回路２の平行部２ａおよびダミー電極２ｃが作る回折格子の格子間隔の２倍となって、両者の格子定数が相違するため、粒子群の密度分布で作られる回折格子による回折光と、平行部２ａおよびダミー電極２ｃが作る回折格子による回折光は、互いに異なる方位に出現するため、ピンホール５ａおよび光検出器５ｂを所要の位置に配置することにより、粒子群の密度分布で作られる回折格子による回折光のみを検出することができる。
【００３０】
このようにして検出される粒子群の密度分布による回折格子からの回折光は、図６にグラフで例示するように、電流の供給を開始した時点から次第に強くなり、電流の供給を停止した時点から次第に弱くなっていく。粒子群の密度分布による回折格子の消滅過程での回折光強度をＩとし、その初期値（消滅開始直後）の回折光強度をＩ0、被測定粒子群の拡散係数をＤとするとともに、グレーティング周期をΛとして、
【００３１】
【数１】
2009079919.tif 000003
【００３２】
【数２】
2009079919.tif 000004
で近似することができる。そして、このようにして回折格子の消滅過程における回折高強度の計測値Ｉから求められた拡散係数Ｄを、下記のアインシュタインストークスの式を用いて被測定粒子群の粒子径ｄを求めることができる。
【００３３】
【数３】
2009079919.tif 000005
この（３）式においてηは粒子群の分散媒である媒液の粘度、ｋBはボルツマン定数であって、Ｔは絶対温度である。
【００３４】
一方、電流の供給を開始した時点からの回折光強度の時間変化は、回折格子の刻々の生成の状況を表すことになり、この回折格子の生成速度は、媒体中の粒子群の磁気泳動力に相関するため、電流の供給を開始してから供給を停止するまでの回折光強度の変化から、被測定粒子群の磁気泳動特性を得ることができる。すなわち、例えば同じ条件下で異なる粒子について計測することにより、その条件における磁気泳動の強さの相違を知ることができ、また、同じ粒子について例えば異なる周波数の電流を流したときの相違から、当該粒子の磁気泳動の周波数特性を知ることができる。
【００３５】
ここで、本発明において、空間周期を有する磁界を形成するための回路のパターンとしては、上記した実施の形態で示したものに限定されることなく、例えば図７に例示するような回路パターンを採用することもできる。この図７の例では、上記と同様の互いに平行な平行部２ａを、接続部２ｂにより電流源３に対して並列に接続した例を示している。なお、この例においても、各平行部２ａの間にダミー電極２ｃを配置することにより、粒子群の密度分布が作る回折格子の格子間隔と、回路ないしは電極が作る回折格子の格子間隔とを相違させている点は同じである。
【００３６】
また、図１の例では、検出光学系５は回折格子を透過した回折光を検出するように配置したが、検出光学系５は回折格子から反射した回折光を検出するように配置してもよい。更に、回折格子に照射される光の方向も回折格子の並び方向に対して垂直方向からとは限定されるものではない。
【図面の簡単な説明】
【００３７】
【図１】本発明の実施の形態の構成図で、光学的構成を表す模式図とシステム構成を表すブロック図とを併記して示す図である。
【図２】図１における試料容器１の拡大縦断面図である。
【図３】本発明の実施の形態で用いる磁界形成用回路２の回路パターンの例を示す回路図である。
【図４】本発明の実施の形態において磁界形成用回路２に電流を流したときに生じる磁場と粒子の動きの説明図である。
【図５】本発明の実施の形態において磁界形成用回路２電流を流したときに形成される粒子群の密度分布による回折格子の説明図である。
【図６】本発明の実施の形態において磁界形成用回路２に電流を流した後に停止したときの回折光強度の時間変化の例を示すグラフである。
【図７】本発明の実施の形態における磁界形成用回路の回路パターンの他の例を示す回路図である。
【符号の説明】
【００３８】
１  試料容器
２  磁界形成用回路
３  電流源
４  照射光学系
４ａ  レーザ
４ｂ  コリメートレンズ
５  検出光学系
５ａ  ピンホール
５ｂ  光検出器
５ｃ  ビームストッパ
６  信号処理部
７  制御部
【図１】
2009079919.tif 000006
【図２】
2009079919.tif 000007
【図３】
2009079919.tif 000008
【図４】
2009079919.tif 000009
【図５】
2009079919.tif 000010
【図６】
2009079919.tif 000011
【図７】
2009079919.tif 000012