WO2017069250A1

WO2017069250A1 - 粒子分析装置、及び、粒子分析方法

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Publication number: WO2017069250A1
Application number: PCT/JP2016/081301
Authority: WO
Inventors: 山口　哲司; 健太郎西方; かほる中山; 啓二郎櫻本
Original assignee: Horiba Ltd
Current assignee: Horiba Ltd
Priority date: 2015-10-23
Filing date: 2016-10-21
Publication date: 2017-04-27
Anticipated expiration: 2018-04-23
Also published as: JP6726675B2; JPWO2017069250A1

Abstract

１つの装置で粒子の磁化率とともに多数の粒子の特性を測定することができ、詳細な粒子分析を可能とするために、粒子を含む分散媒に対して磁場勾配を形成する磁場形成機構と、粒子の磁気泳動速度及び粒子の粒子径に基づいて当該粒子の磁化率を算出する磁化率算出部と、を具備する磁化率測定ユニットと、前記分散媒中の粒子について、前記磁場形成機構Ｍによる磁場影響が実質的に無い箇所での動的光散乱法又は静的光散乱法による粒子径分布測定、ゼータ電位測定、ゲル構造解析、分子量測定、元素分析、形状解析の少なくとも１つを行う特性分析ユニットと、を備えた。

Description

粒子分析装置、及び、粒子分析方法

　本発明は、粒子について分析する粒子分析装置、粒子分析方法に関するものである。

　例えば製造された粒子が所望の特性を有しているかどうかを確認するために特許文献１に示されるような粒子分析装置が用いられている。この粒子分析装置は、粒子が分散している分散媒が収容されたセルに対してレーザ光を照射し、その散乱光の強度のゆらぎに基づいて粒子径分布を測定するように構成されている。

特開２０１０－７８４６９号公報

　ところで、本願発明者は１つの粒子分析装置によって粒子の物性についてより詳細で有益な情報を得るにはどうすればよいのかについて考え直した。その結果、粒子の磁化率と、その他の粒子の特性を１つの測定装置において測定すべきであることが初めて見出された。

　本発明は、本願発明者の鋭意検討の結果なされたものであり、１つの装置で粒子の磁化率とともに様々な粒子の特性を測定することができ、詳細な粒子分析を可能とする粒子分析装置を提供することを目的とする。

　すなわち、本発明に係る粒子分析装置は、粒子を含む分散媒に対して磁場勾配を形成する磁場形成機構と、粒子の磁気泳動速度及び粒子の粒子径に基づいて当該粒子の磁化率を算出する磁化率算出部と、を具備する磁化率測定ユニットと、前記分散媒中の粒子について、前記磁場形成機構による磁場影響が実質的に無い箇所での動的光散乱法又は静的光散乱法による粒子径分布測定、ゼータ電位測定、ゲル構造解析、分子量測定、元素分析、散乱光による形状解析の少なくとも１つを行う特性分析ユニットと、を備えたことを特徴とする。

　また、本発明に係る粒子分析方法は、粒子を含む分散媒に対して磁場勾配を磁場形成機構により形成することと、粒子の磁気泳動速度及び粒子の粒子径に基づいて当該粒子の磁化率を算出することと、前記分散媒中の粒子について、前記磁場形成機構による磁場影響が実質的に無い箇所での動的光散乱法又は静的光散乱法による粒子径分布測定、ゼータ電位測定、ゲル構造解析、分子量測定、元素分析、散乱光による形状解析の少なくとも１つを行うことと、を備えたことを特徴とする。

　このようなものであれば、粒子の磁化率と、粒子の前記磁場形成機構による磁場影響が実質的に無い箇所での動的光散乱法又は静的光散乱法による粒子径分布測定、ゼータ電位測定、ゲル構造解析、分子量測定、元素分析、形状解析の少なくとも１つの測定結果を１つの粒子分析装置で得ることができる。そして、磁化率と前記特性分析ユニットで得られる測定結果の組み合わせによって従来では得られなかった粒子についての知見を得ることが可能となる。

　ユーザが粒子の特性を磁化率と前記特性ユニットの測定結果から容易に理解でき、従来ではなかった粒子の知見を得やすくするには、前記磁化率測定ユニットで測定された磁化率と、前記特性分析ユニットで測定された測定結果の少なくとも１つを同一画面上に表示する測定結果表示部をさらに備えたものであればよい。

　微小な粒子であってもその磁気泳動速度を正確に測定でき、正確な磁化率を得られるようにするには、分散媒が収容されたセルにレーザ光を射出するレーザ光源と、前記分散媒中の粒子により散乱された散乱光を検出する検出器と、粒子により散乱されたレーザ光の散乱光の周波数の変化に基づいて粒子の速度を算出する粒子速度算出部と、をさらに備え、前記磁化率算出部が、前記磁場形成機構により磁場勾配が形成されている状態で前記粒子速度算出部により算出される粒子の速度である磁気泳動速度に基づいて前記磁化率を算出するように構成されたものであればよい。

　散乱光により磁気泳動速度を正確に測定するための具体的な態様の１つとしては、前記粒子速度算出部が、ドップラー法に基づいて粒子の速度を算出するように構成されたものが挙げられる。

　ドップラー法に基づいて磁気泳動速度を測定するための具体的な構成としては、前記レーザ光源から前記検出器まで前記セルを介さずにレーザ光が参照光として到達する参照光路をさらに備え、前記粒子速度算出部が、前記検出器で検出される散乱光と参照光が干渉した干渉光に表れるドップラーシフトに基づいて粒子の速度を算出するように構成されたものが挙げられる。

　検出された散乱光により磁気泳動速度を算出する別の態様としては、前記粒子速度算出部が、前記検出器で検出される散乱光の強度の自己相関関数に基づいて、粒子の速度を算出するように構成されたものが挙げられる。

　前記磁化率測定ユニットと、前記特性分析ユニットで粒子の速度の測定に関する構成を共有し、コンパクトな構成でありながら粒子の磁化率とゼータ電位を測定できるようにするには、前記特性分析ユニットが、前記分散媒に対して電場勾配を形成する電場形成機構と、前記電場形成機構により電場勾配が形成されている状態で前記粒子速度算出部により算出される粒子の速度である電気泳動速度に基づいてゼータ電位を算出するゼータ電位算出部と、を備えたものであればよい。

　前記磁化率測定ユニットと、前記特性分析ユニットで粒子の粒子径の測定に関する構成を共有できるようにしつつ、微小な粒子であっても正確な値を得られるようにするには、前記特性分析ユニットが、粒子から得られる散乱光の強度信号に基づいて、動的光散乱法又は静的光散乱法により前記分散媒中の粒子群の粒子径分布を算出する粒子径分布算出部をさらに備え、前記磁化率算出部が、前記粒子径分布算出部で算出される粒子径分布に基づいて粒子の磁化率を算出するように構成されていればよい。

　前記磁化率測定ユニットで得られる磁化率に基づいて、従来の装置では得られなかった粒子の特性を前記特性分析ユニットにおいて測定できるようにするには、前記特性分析ユニットが、粒子から得られるラマン散乱光のスペクトル、又は、蛍光のスペクトルに基づいて、粒子の元素分析を行う元素分析部と、前記元素分析部による粒子の元素分析結果と、前記磁化率算出部で算出される粒子の磁化率に基づいて、粒子の表面を形成する有機物を解析する表面解析部と、をさらに備えたものであればよい。

　磁化率との組み合わせにより、ゲルの特性をより多面的に得られるようにするには、前記分散媒及び粒子群又はフィラー群あるいは繊維状物質がゲル構造をなし、前記特性分析ユニットが、粒子から得られる散乱光の強度信号に基づいて、ゲル構造の格子間距離又はゲルの硬さを算出するゲル構造解析部をさらに備えたものであればよい。ここで、ゲルとはコロイド粒子等の粒子群やフィラー群、繊維状物質が互いに連なって骨組み構造をなし、その骨組み構造の内部に水分等の液体が保持されているようなもののことを言う。

　粒子の磁化率と分子量の組み合わせから例えば粒子の定性をより精度よく行えるようにするには、前記特性分析ユニットが、粒子から得られる散乱光の強度信号に基づいて、粒子の分子量を算出する分子量算出部をさらに備えたものであればよい。

　例えば粒子の表面形状と磁化率を考慮して、より現実に近い粒子の特性を得られるようにするには、前記特性分析ユニットが、粒子から得られる複数の散乱角度における散乱光の強度信号に基づいて、粒子の形状を解析する形状解析部をさらに備えたものであればよい。

　このように本発明に係る粒子分析装置によれば、１つの装置において粒子の磁化率と、動的光散乱法又は静的光散乱法による粒子径分布測定、ゼータ電位測定、ゲル構造解析、分子量測定、元素分析、形状解析の少なくとも１つの測定結果を得らえるので、従来では得られなかった粒子の詳細な特性を得ることが可能となる。

本発明の第１実施形態に係る粒子分析装置を示す模式図。磁気泳動速度測定時における第１実施形態の粒子分析装置の構成、及び、レーザ光の照射点について示す模式図。粒子径測定時における第１実施形態の粒子分析装置の構成、及び、レーザ光の照射点について示す模式図。第１実施形態の粒子分析装置の模式的機能ブロック図。第１実施形態の粒子分析装置における測定結果の表示形態を示す模式図。第１実施形態の粒子分析装置の第１変形例を示す模式図。第１実施形態の粒子分析装置の第２変形例を示す模式図。本発明の第２実施形態に係る粒子分析装置を示す模式図。第２実施形態の粒子分析装置の模式的機能ブロック図。第２実施形態の粒子分析装置における測定結果の表示形態を示す模式図。本発明の第３実施形態に係る粒子分析装置を示す模式図。

１００・・・粒子分析装置
Ｉ　　・・・照射光学系
ＩＬ　・・・レーザ光源
Ｄ　　・・・受光光学系
Ｄ１　・・・透過光検出器
Ｄ２　・・・前方検出器
Ｄ３　・・・側方検出器
Ｄ４　・・・後方検出器
Ｄ５　・・・ビデオカメラ
Ｄ６　・・・回転検出器
ＣＯＭ・・・演算機構
Ｍ　　・・・磁場形成機構
Ｅ　　・・・電場形成機構
１　　・・・特性分析ユニット
１１　・・・粒子径分布算出部
１２　・・・ゼータ電位算出部
１３　・・・分子量算出部
１４　・・・ゲル構造解析部
１５　・・・元素分析部
１６　・・・表面解析部
１７　・・・形状解析部
２　　・・・磁化率測定ユニット
２１　・・・磁化率算出部
Ｒ　　・・・参照光路
Ｒ１　・・・第１ビームスプリッタ
Ｒ２　・・・第２ビームスプリッタ
Ｒ３　・・・ミラー
Ｒ４　・・・モジュレータ
Ｖ　　・・・粒子速度算出部
Ｐ　　・・・測定結果表示部

　本発明の第１実施形態に係る粒子分析装置１００について図１乃至５を参照しながら説明する。なお、以下では図１における紙面水平方向をＸ軸、紙面上下方向をＹ軸、紙面に対して垂直な方向をＺ軸と定義している。

　第１実施形態の粒子分析装置１００は、分散媒中に分散する粒子に対してレーザ光を照射し、粒子により散乱されたレーザ光の散乱光に基づいて、粒子の粒子径分布、ゼータ電位、分子量、ゲル構造、及び、磁化率を測定するものである。すなわち、前記粒子分析装置１００は、粒子の粒子径分布、ゼータ電位、分子量、ゲル構造を測定する特性分析ユニット１と、粒子の磁化率を測定する磁化率測定ユニット２と、を備えている。

　この粒子分析装置１００は、図１乃至図３に示すようにハードウェアの構成として、前記分散媒が収容されたセルＣと、前記セルＣに対してレーザ光を照射する照射光学系Ｉと、参照光を得るための参照光路Ｒと、前記セルＣ中の粒子により散乱された散乱光又は前記レーザ光を受光する受光光学系Ｄと、前記受光光学系Ｄで得られた散乱光の強度に基づいて各種演算を行う演算機構ＣＯＭとを備えている。前記セルＣ、前記照射光学系Ｉ、前記参照光路Ｒ、前記受光光学系Ｄ、前記演算機構ＣＯＭは、前記特性分析ユニット１及び前記磁化率測定ユニット２で共用されるように構成してある。さらに前記特性分析ユニット１は、前記セルＣ内の分散媒に対して電場勾配を形成する電場形成機構Ｅを備えている。また前記磁化率測定ユニット２は、前記セルＣ内の分散媒に対して磁場勾配を形成する磁場形成機構Ｍを備えている。

　各部について説明する。

　前記セルＣは、図１乃至図３に示すように分散媒が内部に収容されたガラス、石英、又は、樹脂等で形成された透明セルである。図１に示すようにこのセルＣは横断面が概略正方形状のものである。なお、セルＣの形状は図示されているものに限られず、例えば円筒状に形成されたものであってもよい。図２及び図３はレーザ光の照射方向側から前記セルＣを視た場合の図と、斜視参考図であり、図２及び図３に示されるように前記セルＣは図１の紙面奥行方向に延びる概略直方体形状のものである。このセルＣの内部又は周囲には図１に示すように前記電場形成機構Ｅ及び前記磁場形成機構Ｍが設けてある。なお、図２及び図３においては電場形成機構Ｅについては記載を省略してある。

　さらに、前記セルＣは図示しない駆動機構により前記照射光学系Ｉから射出されたレーザ光の照射点ＩＰを適宜変更できるように構成してある。より具体的には前記駆動機構は前記セルＣ内のレーザ光の照射点ＩＰを図２に示すように少なくとも磁場勾配中か、図３に示すように磁場勾配の外側に変更できるように構成してある。後述するようにレーザ光の照射点ＩＰが磁場勾配中にある場合に得られる散乱光、反射光、透過光から得られるデータについては、粒子の磁気泳動速度及び粒子の磁化率を算出するために用いられる。また、レーザ光の照射点ＩＰが磁場勾配の外側にあり、前記磁場形成機構Ｅによる磁場影響が実質的に無い箇所で得られる散乱光から得られるデータは少なくとも粒子径を算出するために用いられる。ここで、磁場影響が実質的に無いとは粒子に対して磁力が作用していない、又は、粒子径の算出において測定誤差程度の影響しか与えない程度の磁力しか作用していない状態をいう。

　前記照射光学系Ｉは、図１に示すレーザ光源ＩＬと、図示しないレンズを備えたものである。前記レンズを移動させることにより前記セルＣ内におけるレーザの集光位置が変更できるようにしてある。例えば前記照射光学系Ｉは特定の偏光だけを通す偏光フィルタをさらにそなえたものであってもよい。

　前記受光光学系Ｄは、前記セルＣから離間させて設けてある４つの検出器からなるものである。すなわち、前記受光光学系Ｄは、透過光検出器Ｄ１と、前方検出器Ｄ２と、側方検出器Ｄ３と、後方検出器Ｄ４と、を備えている。

　前記透過光検出器Ｄ１は、フォトダイオードからなるものである前記セルＣ内を透過した透過光を検出する。この透過光に基づいて例えば分散媒中の粒子の濃度が測定される。なお、後述する機能ブロック図では濃度の算出に関する演算部の記載は省略しているが、測定結果の１つとして濃度についても表示される。

　前記前方検出器Ｄ２は、光電子倍増管を用いたものであり、前記セルＣから射出される前方散乱光を検出するためのものである。この前方散乱光に基づいてゼータ電位が算出される。ここで、前記前方検出器Ｄ２の位置は前記セルＣを中心としてＸＹ平面内を回転させて変更できるようにしてある。すなわち、前記セルＣと前記透過光検出器Ｄ１とを結ぶ直線と前記セルＣと前記前方検出器Ｄ２とを結ぶ直線のなす角θは散乱光を検出するのに適した角度となるように調整可能にしてある。

　前記側方検出器Ｄ３も、光電子倍増管を用いたものであり、前記セルＣから射出される側方散乱光を検出するためのものである。分散媒中の粒子の濃度が所定濃度よりも低い場合には、この側方散乱光に基づいて粒子径分布が算出される。また、この側方散乱光に基づいて分子量の算出も行われる。

　前記後方検出器Ｄ４も、光電子倍増管を用いたものであり、前記セルＣから射出される後方散乱光を検出するためのものである。分散媒中の粒子の濃度が所定濃度よりも高い場合には、この後方散乱光に基づいて粒子径分布が算出される。

　前記参照光路Ｒは、図１に示すように前記レーザ光源ＩＬから前記前方検出器Ｄ２まで前記セルＣを介さずにレーザ光が参照光として到達するように構成してある。すなわち、前記参照光路Ｒは、前記レーザ光源ＩＬと前記セルＣとの間に設けられた第１ビームスプリッタＲ１と、前記セルＣと前記前方検出器Ｄ２との間に設けられた第２ビームスプリッタＲ２と、前記第１ビームスプリッタＲ１で反射されたレーザ光の一部を前記第２ビームスプリッタＲ２まで導く、ミラーＲ３及びモジュレータＲ４とを備えている。前記第２ビームスプリッタＲ２を通過した後の前方散乱光と参照光は干渉光となり、前記前方検出器Ｄ２においてはドップラーシフトが検出されるようにしてある。

　前記電場形成機構Ｅは、前記セルＣ内に設けられた２枚の平行平板電極からなるものである。これらの平行平板電極間に所定の電圧が印加されてＹ軸方向に電場勾配が形成され、粒子はＹ軸方向に電気泳動することになる。なお、電場形成機構Ｅについても平行平板電極に限られず、例えば一対の円筒状又は半円筒状の電極であってもよい。

　前記磁場形成機構Ｍは、前記セルＣの外側に挟むように設けられた電磁石Ｍ２を用いたものである。この磁場形成機構ＭによりＸ軸方向又はＺ軸方向に磁場勾配が形成されるようにしてあり、Ｘ軸方向又はＺ軸方向に粒子は磁気泳動することになる。すなわち、電気泳動と磁気泳動において粒子の運動方向はそれぞれ異なるようにしてある。ここで、磁場勾配とは一対の磁極間において磁力線の密度が変化している部分に形成されるものを言う。例えば第１実施形態であれば一対の電磁石Ｍ２において外縁部に形成される磁場部分のことを言う。前記セルＣ内において磁場勾配が形成される場所は、前記電磁石Ｍ２の大きさや前記セルＣに対する位置によって決めることができる。

　前記磁場形成機構Ｍは、一対の電磁石Ｍ２と、前記電磁石Ｍ２を保持する保持ブロックＭ１とからなる。前記保持ブロックＭ１は、非磁性体で形成してあり、図１に示されるようにセルＣの上下面と一方の側面を覆う部分を有している。保持ブロックＭ１のセルＣの上下面を覆う部分には電磁石Ｍ２が取り付けてあり、上下方向でＮ極とＳ極が対向して形成されるようにしてある。保持ブロックＭ１のセルＣの側面を覆う部分にはレーザ光を通過させるための開口を設けてある。前記保持ブロックＭ１は図１における紙面左右方向であるＸ軸方向に移動可能に構成してある。すなわち、前記セルＣに対して磁場勾配を形成して磁気泳動速度を測定する場合には電磁石Ｍ２が前記セルＣの上下に配置される動作位置に前記保持ブロックＭ１は移動する。一方、磁場を形成する必要が無い場合には図１の点線で示されるように前記保持ブロックＭ１は退避位置に移動する。さらに退避位置においては前記電磁石Ｍ２に対して通電は行われていない。このように構成することで、前記電磁訳Ｍ２の通電を繰り返すことにより前記保持ブロックＭ１自体が磁化してしまったとしても、磁気泳動速度を測定する時以外は前記保持ブロックＭ１を退避位置に移動させて前記セルＣに対して磁場が実質的に形成されないようにすることができる。なお、前記磁場形成機構Ｍに電磁石Ｍ２を用いる場合には、磁気泳動速度を測定する時以外は通電しないようにし、保持ブロックＭ１については常に動作位置に固定するようにしてもよい。また、前記磁場形成機構Ｍに永久磁石を用いる場合には、前記保持ブロックＭ１を動作位置と退避位置との間で移動させることで、磁場勾配が前記セルＣ内に形成されている状態と形成されていない状態を切り替えるようにしてもよい。

　前記演算機構ＣＯＭは、ＣＰＵ、メモリ、入出力手段、Ａ／Ｄ・Ｄ／Ａコンバータ等からなるいわゆるコンピュータである。前記メモリに格納されている粒子分析装置１００用プログラムが実行され、各種機器と協業することにより前記特性分析ユニット１及び前記磁化率測定ユニット２の構成のうちソフトウェア部分を実現する。すなわち、前記演算機構ＣＯＭは前記特性分析ユニット１のソフトウェアの構成として、図４に示すように粒子径分布算出部１１、ゼータ電位算出部１２、分子量算出部１３、ゲル構造解析部１４としての機能を発揮する。また、前記演算機構ＣＯＭは、前記磁化率測定ユニット２のソフトウェアの構成として磁化率算出部２１としての機能を発揮する。また、前記特性分析ユニット１及び前記磁化率測定ユニット２の共用されるソフトウェアの構成として粒子速度算出部Ｖ、測定結果表示部Ｐとしての機能を発揮するように構成してある。

　各部について説明する。

　前記粒子径分布算出部１１は、前記側方検出器Ｄ３又は前記後方検出器Ｄ４から得られる散乱光の強度信号に基づいて、動的光散乱法により前記分散媒中の粒子群の粒子径分布を算出するように構成してある。ここでは、光子相関法により自己相関関数を求め、この自己相関関数から粒子の拡散係数が算出される。そして拡散係数とストークス・アインスタインの式から粒子径が求められる。また、前記粒子径分布算出部１１は、図３に示すように前記磁場勾配の外側にレーザ光が照射された場合に得られる散乱光の強度に基づいて粒子径を算出するように構成してある。

　前記粒子速度算出部Ｖは、レーザ光が粒子により散乱されて発生する散乱光の周波数の変化に基づいて粒子の速度を算出するものである。第１実施形態では、ドップラー法に基づく、レーザ・ドップラー速度計により粒子の速度は算出される。より具体的には、前記前方検出器Ｄ２で検出される散乱光と参照光が干渉した干渉光に表れるドップラーシフトに基づいて粒子の速度が算出される。ここで、図２に示すようにレーザ光の前記セルＣ内の照射点が磁場勾配中にある場合には、前記粒子速度算出部Ｖで算出される粒子の速度は磁気泳動速度に相当する。また、前記保持ブロックＭ１が退避位置にあり、セルＣ内に磁場勾配がなく前記電場形成機構Ｅにより電場勾配が形成されている状態で算出される粒子の速度は電気泳動速度に相当する。

　図４に示される前記ゼータ電位算出部１２は、前記粒子速度算出部Ｖにより算出される粒子の電気泳動速度又は粒子の移動度に基づいてゼータ電位を算出するように構成してある。

　前記分子量算出部１３は、静的光散乱法による計測により前記側方検出器Ｄ３から得られる側方散乱光の強度信号に基づいて、粒子の分子量を算出するように構成してある。ここでは、Debyeプロットを用いて粒子の絶対分子量を計算するようにしてある。

　前記ゲル構造解析部１４は、粒子から得られる散乱光の強度信号に基づいて、ゲル構造の格子間距離又はゲルの硬さを算出するものである。ここでは、ゲルの格子間距離に応じて散乱光の強度の自己相関関数のパターンが変化することを利用して格子間距離を算出するようにしてある。

　前記磁化率算出部２１は、前記粒子速度算出部Ｖにより算出される粒子の磁気泳動速度と、前記粒子径分布算出部１１で算出される粒子径分布に基づいて磁化率を算出するように構成してある。すなわち、磁化率とゼータ電位の算出には前記受光光学系Ｄ及び前記粒子速度算出部Ｖを共通して使用している。また、粒子径は粒子径分布の例えば平均値等の代表値を用いるようにしている。このように粒子の速度と粒子径については前記特性分析ユニット１と前記磁化率測定ユニット２間で共通化してあり、前記磁化率測定ユニット２自体では磁気泳動速度及び粒子径を測定するための測定機構を省略してある。

　前記測定結果表示部Ｐは、図５に示すように前記磁化率測定ユニット２で測定された磁化率と、前記特性分析ユニット１で測定された測定結果の少なくとも１つを同一画面上に表示するように構成してある。ここで、同一画面とは例えばディスプレイにおいて同じ画面に表示されていることをいう。また、言い換えると各測定結果は個別のページに別々に表示されるのではなく、同一のページ内に表示してある。第１実施形態では図５に示すように少なくとも６つのグラフが同一のページ内に表示されるようにしてある。より具体的には、横軸を粒子径、縦軸をその粒子径の時の磁化率とした粒子径－磁化率グラフと、横軸を粒子径、縦軸をその粒子径の出現頻度とした粒子径－頻度グラフと、横軸をゼータ電位、縦軸をそのゼータ電位の出現頻度としたゼータ電位－頻度グラフと、横軸を濃度、縦軸をその濃度における前記前方検出器Ｄ２から出力される光の強度とした濃度－強度グラフと、横軸を偏光させたレーザ光のＳ波とＰ波の消光比から算出される粒子のアスペクト比、縦軸をそのアスペクト比の粒子の出現頻度とした分子量－頻度グラフと、横軸を前記ゲル構造解析部１４から出力される格子間隔、縦軸をその格子間隔の出現頻度とした格子間隔－頻度グラフとが同一ページに表示される。

　このように複数のグラフが表示されることにより、磁化率だけでなく、様々な粒子の特性について併せて確認することができる。例えば、図５に示されるように磁化率は１つのピークしかないところを粒子径の分布には２つのピークがある場合等といった不一致がある場合には粒子の製造工程において不純物が混入している可能性があること等を発見する事が可能となる。また、粒子群の磁化率が所望の値に制御できていない場合には、例えば磁性体金属の凝集によって極端に粒径の大きい粒子が発生している事などについても粒子径分布やゼータ電位等のその他の測定結果を磁化率の測定結果と併せて確認することで原因を究明する事が可能となる。

　このように構成された第１実施形態の粒子分析装置１００によれば、１つの装置、１つの前記セルＣで磁化率とともに、粒子径、ゼータ電位、分子量、ゲル構造を測定することができる。また、同一画面上に磁化率とともにその他の測定結果が表示されているので、各結果を一目で全体的に認識することが可能となり、従来よりも粒子の特性に関する詳細な情報をユーザは理解できる。

　また、磁化率の算出に必要な粒子径及び磁気泳動速度は前記特性分析ユニット１の構成と共通化した機構で算出されるので、装置全体の構成を簡略化、及び、コンパクト化を実現できる。

　さらに、粒子径は磁場勾配が形成されていない領域に対してレーザ光が照射された状態で得られる散乱光に基づいて動的光散乱法により算出されるので、１μｍよりも小さい粒子であっても正確に粒子径を算出することができる。これは３次元のブラウン運動を反映して粒子径が算出されるからである。

　したがって、前記特性分析ユニット１と前記磁化率測定ユニット２が協業することにより、磁化率自体の正確さも高めることができる。

　次に第１実施形態の変形例について説明する。

　粒子径については動的光散乱法ではなく静的光散乱法に基づいて算出されるように構成してもよい。また、前記保持ブロックＭ１が磁気を帯びない材料で形成している場合には前記保持ブロックＭ１の位置を動作位置に固定しておき前記磁場形成機構Ｅに通電していない状態で得られる粒子からの散乱光に基づいて粒子径を算出するように粒子径分布算出部１１を構成してもよい。

　図６（ａ）及び図６（ｂ）に示すように前記磁場形成機構Ｍで形成される磁場の向きを所定周期ごとに逆転させて粒子に対する磁力の作用方向を反転させて磁気泳動速度を測定できるように構成してもよい。より具体的には前記磁石Ｍ２として永久磁石を用いている場合には前記保持ブロックＭ１は前記セルＣの中心を回転軸として回転可能に構成すればよい。このようにして粒子の磁力による移動方向を変更して複数回の測定を行うことにより、散乱光の周波数の変化を確実に捉えられるようにできる。なお、前記磁場形成機構Ｍに電磁石を用いる場合には通電方向を所定周期ごとに逆転させることで、磁力の作用方向の反転を繰り返して両方の方向の磁気泳動速度を複数回測定するようにしてもよい。

　また、粒子の磁気泳動と電気泳動の向きを一致させて、移動方向の違いによる測定誤差を低減できるようにするには、図７（ａ）や図（ｂ）に示すように磁場形成機構Ｍにより形成される磁場勾配による磁力の作用方向と電場形成機構Ｅにより形成される電場勾配による力の向きが例えばＺ軸方向で一致するようにすればよい。言い換えると、一対の磁石Ｍ２の対向方向と、一対の電極板の対向方向が交差するように配置すればよい。

　前記粒子速度算出部Ｖは、ドップラー法ではなくその他の方法で散乱光の周波数の変化に基づいて粒子の速度を算出するものであってもよい。具体的には、散乱光の強度の自己相関関数から拡散係数を算出し、その拡散係数から粒子の速度を算出するように構成してもよい。

　前記セルＣに対するレーザ光の照射点ＩＰを変更するには、前記セルＣ自体を動かすのではなく、前記粒子分析装置１００の光学系自体の一部又は全部を移動可能に構成してもよい。

　次に第２実施形態の粒子分析装置１００について図８乃至図１０を参照しながら説明する。なお、第１実施形態において説明した部材と対応する部材には同じ符号を付すこととする。

　第２実施形態の粒子分析装置１００は、図８に示すように受光光学系ＤがセルＣを中心にある平面において回転可能に構成された回転検出器Ｄ６であり、様々な散乱角の散乱光を１つの検出器で検出できるように構成してある。ここで、回転検出器Ｄ６は、ラマン光又は蛍光を測定する場合にはそのための検出器に交換される。また、第１実施形態における透過光検出器Ｄ１の位置にはビデオカメラＤ５が設けてある。なお、第１実施形態と同様に前記セルＣの外側には前記磁場形成機構Ｍが設けてある。

　さらに演算機構ＣＯＭは、図９に示すように前記特性分析ユニット１のソフトウェアの構成である粒子径分布算出部１１、粒子速度算出部Ｖ、元素分析部１５、形状解析部１７、表面解析部１６としての機能を発揮するように構成してある。また、前記演算機構ＣＯＭは前記磁化率測定ユニット２のソフトウェアの構成である磁化率算出部２１としての機能を発揮するように構成してある。加えて、前記演算機構ＣＯＭは磁化率と各種測定結果を同一画面上に表示する測定結果表示部Ｐとしての機能も発揮するようにしてある。

　各部について説明する。

　前記磁化率算出部２１は、前記ビデオカメラＤ５で撮像される静止画像又は動画像に基づいて前記粒子径分布算出部１１及び前記粒子速度算出部Ｖが算出する粒子径及び磁気泳動速度に基づき磁化率を算出するようにしてある。

　すなわち、前記粒子径分布算出部１１は、前記ビデオカメラＤ５で撮像された静止画像を画像解析して粒子径を算出するように構成してある。ここでは静止画像中において粒子と背景との境界を輝度の差により検出し、その境界の内側の面積から粒子径を算出するようにしてある。

　前記粒子速度算出部Ｖは、前記ビデオカメラＤ５で撮像された動画像に基づいて粒子の速度を算出するようにしてある。より具体的には前記磁場形成機構Ｍにより磁場勾配が前記セルＣ内に形成されている状態において磁力作用方向であるＺ軸方向の粒子の動きを動画像から抽出し、そのフレーム数当たりの移動距離から磁気泳動速度を算出するようにしてある。

　前記元素分析部１５は、前記回転検出器Ｄ６により得られるラマン散乱光又は蛍光のスペクトルに基づいて、粒子の元素分析を行うものである。すなわち、ラマン散乱光又は蛍光のスペクトルのピークと各種元素のピークとを比較して粒子に含まれている元素を特定するようにしてある。

　前記表面解析部１６は、前記元素分析部１５による粒子の元素分析結果と、前記磁化率算出部２１で算出される粒子の磁化率に基づいて、粒子の表面を形成する有機物を解析するように構成してある。例えば粒子が球状の母材の表面に有機物でコーティングが施されている場合、前記磁化率算出部２１で算出される磁化率は母材の磁化率とコーティングの磁化率が組成比率で加重平均された値となっている。また、元素解析結果により粒子を構成する元素及びその比率が分かれば、母材とコーティングの組成比率も分かる。これらのことから、前記表面解析部１６は、元素分析結果、磁化率、さらには前記粒子径分布算出部１１で算出される粒子径に基づいてコーティングの膜厚を算出するようにしてある。

　前記形状解析部１７は、前記回転検出器Ｄ６により得られる複数の散乱角度における散乱光の強度信号に基づいて、粒子の形状を解析するものである。ここでは、例えば散乱角ごとの散乱光の強度に基づいてどのようなアスペクト比を有しているかを解析するようにしてある。

　前記測定結果表示部Ｐは、図１０に示すように粒子径ごとの膜厚の出現頻度や、粒子径ごとの磁化率、粒子のアスペクト比、ラマンスペクトル、蛍光スペクトルを同一画面上に表示するように構成してある。

　このように構成された第２実施形態の粒子分析装置１００であれば、磁化率と元素分析結果の組み合わせにより従来は分からなかった粒子のコーティングの膜厚等を得ることができる。

　さらに、膜厚とともに粒子の形状を得ることができるので、粒子径の均一性だけでなく、その形状の均一性や組成の均一性についても併せて評価する事が可能となる。

　次に第２実施形態の粒子分析装置１００について変形例を説明する。

　前記粒子径分布算出部１１は、前記ビデオカメラＤ５の動画像に基づいて粒子の１次元又は２次元のブラウン運動を抽出し、そのブラウン運動の速度に基づいて拡散係数を算出して、粒子径を算出するように構成してもよい。なお、前記ビデオカメラＤ５で粒子を撮像する場合には前記セルＣをレーザ光源ＩＬではなくハロゲン光源等のインコヒーレント光で照明してもよい。また、前記ビデオカメラＤ５は透過光だけでなく反射光や散乱光を撮像して画像を取得するものであっても構わない。

　加えて前記元素分析部１５は蛍光のスペクトルによって元素分析を行うものであってもよい。

　前記表面解析部１６は、膜厚以外の特性について元素分析結果と磁化率に基づいて算出するものであってもよい。

　次に第３実施形態の粒子分析装置１００について説明する。なお、前記実施形態で説明した部材に対応する部材には同じ符号を付すこととする。

　第３実施形態の粒子分析装置１００は、図１１に示すように粒子を含む分散媒に対して磁場勾配を形成する磁場形成機構Ｍと、粒子の磁気泳動速度及び粒子の粒子径に基づいて当該粒子の磁化率を算出する磁化率算出部２１と、を具備する磁化率測定ユニット２と、前記磁場形成機構Ｍによる磁場影響が実質的に無い箇所での動的光散乱法又は静的光散乱法による粒子径分布測定のみを行う特性分析ユニット１と、を備えたものである。

　前記特性分析ユニット１は、前記セルＣにおいて前記磁場形成機構Ｍにより磁場勾配が形成されていない部分へレーザ光を射出する第１レーザ光源ＩＬ１と、前記セルＣ内において前記第１レーザ光源ＩＬ１から射出されたレーザ光が粒子により散乱された散乱光を検出する第１検出器Ｄ２１と、前記第１検出器Ｄ２１の出力に基づいて動的光散乱法又は静的光散乱法により粒子径分布を算出する粒子径分布算出部１１とを備えたものである。

　一方前記磁化率測定ユニット２は、前記セルＣにおいて前記磁場形成機構Ｍにより磁場勾配が形成されている部分へレーザ光を射出する第２レーザ光源ＩＬ２と、前記セルＣ内において前記第２レーザ光源ＩＬ２から射出されたレーザ光が粒子により散乱された散乱光を検出する第２検出器Ｄ２２と、前記第２検出器Ｄ２２の出力に基づいて粒子の磁気泳動速度を算出する粒子速度算出部Ｖと、前記粒子速度算出部Ｖにより算出された磁気泳動速度と前記粒子径分布算出部１１で算出された粒子の粒子径に基づいて粒子の磁化率を算出する磁化率算出部２１を備えたものである。

　このような第３実施形態の粒子分析装置１００であれば、簡素な構成でありながら粒子径が小さい場合でも正確な値を得て、ひいては正確な磁化率を得ることが可能となる。

　その他の実施形態について説明する。

　前記特性分析ユニット１は、前記分散媒中の粒子について、前記磁場形成機構による磁場影響が実質的に無い箇所での動的光散乱法又は静的光散乱法による粒子径分布測定、ゼータ電位測定、ゲル構造解析、分子量測定、元素分析、散乱光による形状解析の少なくとも１つを行うものであればよい。このようなものであれば、磁化率と組み合わせることで粒子の様々な特性をよりよく知ることが可能となる。

　前記照射光学系Ｉ及び前記受光光学系Ｄについては各実施形態に示したものに限られない。例えば前記特性分析ユニット１において行う測定、解析に合わせて前記受光光学系Ｄにおいて必要のない検出器については省略しても構わない。

　前記レーザ光源ＩＬ、各種検出器、粒速度算出部、測定結果表示部Ｐは前記特性分析ユニット１又は前記磁化率測定ユニット２のいずれを構成するものであっても構わない。また、前記特性分析ユニット１及び前記磁化率測定ユニット２とは独立に前記粒子分析装置１００を構成する要素であっても構わない。

　前記粒子分析装置１００はさらにＸ線管及びＸ線、蛍光Ｘ線検出器を含むＸ線解析機構を有し、分散媒中の粒子が無機物であっても元素解析ができるようにしても構わない。

　本発明の粒子分析装置１００は第１実施形態と第２実施形態に示した全ての測定を行い、図５及び図１０に示した測定結果を全て同一画面上に表示するように構成してもよい。

　その他、本発明の趣旨に反しない限りにおいて様々な実施形態の組み合わせや変形を行っても構わない。

　本発明に係る粒子分析装置によれば、１つの装置で粒子の磁化率とともに多数の粒子の特性を測定することができ、詳細な粒子分析が可能となる。

Claims

　粒子を含む分散媒に対して磁場勾配を形成する磁場形成機構と、粒子の磁気泳動速度及び粒子の粒子径に基づいて当該粒子の磁化率を算出する磁化率算出部と、を具備する磁化率測定ユニットと、
　前記分散媒中の粒子について、前記磁場形成機構による磁場影響が実質的に無い箇所での動的光散乱法又は静的光散乱法による粒子径分布測定、ゼータ電位測定、ゲル構造解析、分子量測定、元素分析、散乱光による形状解析の少なくとも１つを行う特性分析ユニットと、を備えたことを特徴とする粒子分析装置。
　前記磁化率測定ユニットで測定された磁化率と、前記特性分析ユニットで測定された測定結果の少なくとも１つを同一画面上に表示する測定結果表示部をさらに備えた請求項１記載の粒子分析装置。
　分散媒が収容されたセルにレーザ光を射出するレーザ光源と、
　前記分散媒中の粒子により散乱された散乱光を検出する検出器と、
　粒子により散乱されたレーザ光の散乱光の周波数の変化に基づいて粒子の速度を算出する粒子速度算出部と、をさらに備え、
　前記磁化率算出部が、前記磁場形成機構により磁場勾配が形成されている状態で前記粒子速度算出部により算出される粒子の速度である磁気泳動速度に基づいて前記磁化率を算出するように構成された請求項１記載の粒子分析装置。
　前記粒子速度算出部が、ドップラー法に基づいて粒子の速度を算出するように構成された請求項３に記載の粒子分析装置。
　前記レーザ光源から前記検出器まで前記セルを介さずにレーザ光が参照光として到達する参照光路をさらに備え、
　前記粒子速度算出部が、前記検出器で検出される散乱光と参照光が干渉した干渉光に表れるドップラーシフトに基づいて粒子の速度を算出するように構成された請求項３に記載の粒子分析装置。
　前記粒子速度算出部が、前記検出器で検出される散乱光の強度の自己相関関数に基づいて、粒子の速度を算出するように構成された請求項３に記載の粒子分析装置。
　前記特性分析ユニットが、
　　前記分散媒に対して電場勾配を形成する電場形成機構と、
　　前記電場形成機構により電場勾配が形成されている状態で前記粒子速度算出部により算出される粒子の速度である電気泳動速度に基づいてゼータ電位を算出するゼータ電位算出部と、を備えた請求項３に記載の粒子分析装置。
　前記特性分析ユニットが、
　　粒子から得られる散乱光の強度信号に基づいて、動的光散乱法又は静的光散乱法により前記分散媒中の粒子群の粒子径分布を算出する粒子径分布算出部をさらに備え、
　前記磁化率算出部が、前記粒子径分布算出部で算出される粒子径分布に基づいて粒子の磁化率を算出するように構成されている請求項１に記載の粒子分析装置。
　前記特性分析ユニットが
　　粒子から得られるラマン散乱光のスペクトル、又は、蛍光のスペクトルに基づいて、粒子の元素分析を行う元素分析部と、
　　前記元素分析部による粒子の元素分析結果と、前記磁化率算出部で算出される粒子の磁化率に基づいて、粒子の表面を形成する有機物を解析する表面解析部と、をさらに備えた請求項１に記載の粒子分析装置。
　前記分散媒及び粒子群がゲル構造をなし、
　前記特性分析ユニットが、
　　粒子から得られる散乱光の強度信号に基づいて、ゲル構造の格子間距離又はゲルの硬さを算出するゲル構造解析部をさらに備えた請求項１に記載の粒子分析装置。
　前記特性分析ユニットが、
　　粒子から得られる散乱光の強度信号に基づいて、粒子の分子量を算出する分子量算出部をさらに備えた請求項１に記載の粒子分析装置。
　前記特性分析ユニットが、
　　粒子から得られる複数の散乱角度における散乱光の強度信号に基づいて、粒子の形状を解析する形状解析部をさらに備えた請求項１に記載の粒子分析装置。
　粒子を含む分散媒に対して磁場勾配を磁場形成機構により形成すること、
　粒子の磁気泳動速度及び粒子の粒子径に基づいて当該粒子の磁化率を算出すること、
　前記分散媒中の粒子について、前記磁場形成機構による磁場影響が実質的に無い箇所での動的光散乱法又は静的光散乱法による粒子径分布測定、ゼータ電位測定、ゲル構造解析、分子量測定、元素分析、散乱光による形状解析の少なくとも１つを行うこと、を備えたことを特徴とする粒子分析方法。