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JP2003065930A - Method and apparatus for measuring local viscoelasticity of complex fluids - Google Patents

Method and apparatus for measuring local viscoelasticity of complex fluids

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Publication number
JP2003065930A
JP2003065930A JP2001257295A JP2001257295A JP2003065930A JP 2003065930 A JP2003065930 A JP 2003065930A JP 2001257295 A JP2001257295 A JP 2001257295A JP 2001257295 A JP2001257295 A JP 2001257295A JP 2003065930 A JP2003065930 A JP 2003065930A
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
complex
measured
complex fluid
electrophoretic mobility
light
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
JP2001257295A
Other languages
Japanese (ja)
Inventor
Yasuyuki Kimura
康之 木村
Daisuke Mizuno
大介 水野
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Japan Science and Technology Agency
Original Assignee
Japan Science and Technology Corp
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Japan Science and Technology Corp filed Critical Japan Science and Technology Corp
Priority to JP2001257295A priority Critical patent/JP2003065930A/en
Publication of JP2003065930A publication Critical patent/JP2003065930A/en
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 複雑な内部構造を持つ複雑流体のマイクロメ
ーター寸法の局所的領域の粘弾性や、複雑流体のマイク
ロメーター領域の構造に関する知見を得る。 【解決手段】 ナノメーター寸法のプローブ粒子を被測
定複雑流体2中に混入し、入射光4と参照光5とを照射
すると共にプローブ粒子に正弦波状電場を印加し、プロ
ーブ粒子の散乱光と参照光5とのヘテロダイン信号から
正弦波状電場の周波数に関する基本波成分(ω0 )と高
調波成分(2ω0 )とを取り出し、基本波成分と高調波
成分をアナログ2乗演算し、アナログ2乗演算した基本
波成分(2ω0 )と高調波成分(4ω0 )をロックイン
・アンプ12で検出して複素電気泳動易動度の絶対値と
遅延位相を求め、正弦波状電場の周波数に関する複素電
気泳動易動度スペクトルを求め、被測定複雑流体の局所
領域の粘弾性及び被測定複雑流体の構造に基づく特性長
を求める。
(57) [Summary] To obtain knowledge about viscoelasticity of a micrometer-sized local region of a complex fluid having a complex internal structure and structure of a micrometer region of a complex fluid. SOLUTION: Probe particles having a nanometer size are mixed into a complex fluid 2 to be measured, and incident light 4 and reference light 5 are irradiated, and a sinusoidal electric field is applied to the probe particles, whereby the scattered light of the probe particles and the reference light are applied. A fundamental component (ω 0 ) and a harmonic component (2ω 0 ) relating to the frequency of the sinusoidal electric field are extracted from the heterodyne signal with the light 5, and the fundamental component and the harmonic component are subjected to analog squaring, and analog squaring is performed. The fundamental component (2ω 0 ) and the harmonic component (4ω 0 ) are detected by the lock-in amplifier 12 to determine the absolute value of the complex electrophoretic mobility and the delay phase, and the complex electrophoresis with respect to the frequency of the sinusoidal electric field is performed. The mobility spectrum is obtained, and the characteristic length based on the viscoelasticity of a local region of the complex fluid to be measured and the structure of the complex fluid to be measured is determined.

Description

【発明の詳細な説明】Detailed Description of the Invention

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明は、複雑な内部構造を
持つ複雑流体のマイクロメーター寸法の局所的粘弾性
や、複雑流体のマイクロメーター領域の構造に関する知
見を得る方法とその装置に関する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a method and an apparatus for obtaining knowledge about micrometer-scale local viscoelasticity of a complex fluid having a complicated internal structure and the structure of the micrometer region of the complex fluid.

【0002】[0002]

【従来の技術】近年、局所的に粘弾性の不均一性を有す
る生きた細胞、ゲル等の複雑系の局所的粘弾性を測定す
る必要が高まっている。例えば、脂質からなる組織、あ
るいは細胞骨格からなる組織等の生体中の粒子の輸送現
象等は生物学上の観点から重要であり、このような生体
系の局所的粘弾性を知ることによって生体系の輸送現象
を解明することができる。また、生体中の各種のタンパ
ク質や分泌物は、周囲の複雑な内部構造を持つ生体物
質、すなわち複雑流体との局所的相互作用のもとで形成
されるポテンシャル中を輸送されると考えられ、このよ
うな複雑流体中のマイクロメーター領域の輸送現象の動
的知見を得ることは、今後のバイオテクノロジーの進
歩、医薬品開発にとって必要不可欠である。また、エマ
ルジョン、ラテックス、ミセル等のコロイド粒子を使用
する、各種顔料、塗料、研磨剤、液体トナー、セラミッ
クス、脂肪乳剤などの各種産業分野においても、これら
の複雑流体中のマイクロメーター領域の物質輸送現象の
知見を得ることは、今後の技術開発において必要不可欠
になってきている。
2. Description of the Related Art In recent years, there is an increasing need to measure the local viscoelasticity of a complex system such as a living cell or gel having a local nonuniformity of viscoelasticity. For example, the transport phenomenon of particles in a living body such as a tissue composed of lipids or a tissue composed of cytoskeletons is important from a biological point of view, and by knowing the local viscoelasticity of such a biological system, Can understand the transport phenomenon of. In addition, various proteins and secretions in the living body are considered to be transported in a potential formed by local interaction with a biological substance having a complicated internal structure in the surroundings, that is, a complex fluid, Obtaining dynamic knowledge of transport phenomena in the micrometer region in such complex fluids is indispensable for future advances in biotechnology and drug development. Also, in various industrial fields such as various pigments, paints, abrasives, liquid toners, ceramics, and fat emulsions that use colloidal particles such as emulsions, latexes and micelles, mass transport in the micrometer range in these complex fluids. Obtaining knowledge of phenomena has become indispensable for future technological development.

【0003】媒体中の物質輸送現象はレオロジーと呼ば
れ、マイクロメーター領域のレオロジーはマイクロレオ
ロジーと呼ばれる。マイクロレオロジーを特徴づける物
性値として例えば易動度があり、マイクロメーター領域
の易動度を測定する従来の技術には2つの系統があっ
た。一つは、粒径が既知であるプローブ粒子を媒体中に
混入し、プローブ粒子のブラウン運動を光散乱法等によ
り観察し、アインシュタイン−ストークスの関係からプ
ローブ粒子の周囲の媒体の易動度を統計的に推定するも
のである。しかしながらこうした方法は、媒体全体の平
均的易動度しか得られない。もう一つは、プローブ粒子
を熱的に、あるいは他の励起方法によって励起し、励起
した粒子の応答を観測し、易動度を求める方法である。
このような測定方法の一つとして、荷電したコロイド粒
子をプローブ粒子として、電場を印加して励起しプロー
ブ粒子の易動度を測定する電気泳動易動度測定法があ
る。また、印加電場として正弦波状電場を印加して複素
数の易動度を求める方法は複素電気泳動易動度測定法と
呼ばれている。
The mass transport phenomenon in a medium is called rheology, and the rheology in the micrometer range is called microrheology. For example, mobility is a physical property value that characterizes microrheology, and there are two systems in the conventional technique for measuring mobility in the micrometer range. One is to mix probe particles having a known particle size into a medium, observe Brownian motion of the probe particles by a light scattering method, etc., and determine the mobility of the medium around the probe particles from the Einstein-Stokes relationship. It is a statistical estimate. However, these methods only give average mobilities for the entire medium. The other is a method in which probe particles are excited thermally or by another excitation method and the response of the excited particles is observed to determine the mobility.
As one of such measuring methods, there is an electrophoretic mobility measuring method in which charged colloidal particles are used as probe particles and excited by applying an electric field to measure the mobility of the probe particles. Also, a method of applying a sinusoidal electric field as an applied electric field to obtain a mobility of a complex number is called a complex electrophoretic mobility measuring method.

【0004】直流電気泳動易動度測定装置は、各社が製
品化しており、例えばELS−800(大塚電子社製)
といったものがある。これらの装置では、いずれも荷電
粒子の電気泳動に伴う散乱光周波数のドップラーシフト
量から直流易動度を求めている。しかしながら、荷電粒
子のブラウン運動やドリフトのために周波数シフト量は
分布を持ち、その測定精度は大きな制約を受ける。近
年、Phase Analysisを利用してこの問題
を解決することで直流電気泳動易動度を精度良く検出す
ることを実現した機器が販売された(ZetaPAL
S、Brookhaven Instruments
Limited社製)。
DC electrophoretic mobility measuring devices have been commercialized by various companies. For example, ELS-800 (manufactured by Otsuka Electronics Co., Ltd.)
There is such a thing. In each of these devices, the DC mobility is obtained from the Doppler shift amount of the scattered light frequency associated with the electrophoresis of charged particles. However, the frequency shift amount has a distribution due to the Brownian motion and drift of the charged particles, and its measurement accuracy is greatly restricted. In recent years, a device has been put on the market that realizes accurate detection of DC electrophoretic mobility by solving this problem using Phase Analysis (ZetaPAL).
S, Brookhaven Instruments
Limited product).

【0005】従来の複素易動度測定装置では、電気的に
励起された音波を計測するESA(Electroki
netic sonic amplitude)という
手法が用いられ既に商品化もされている(商品名:ES
A−9800,MATECInstrument Co
mpanies,Inc)。しかしながら音波の共鳴を
利用するためその測定周波数範囲が1MHz付近に限ら
れること、濃厚試料でしか測定が行えないこと等の問題
がネックとなり未だ普及に至っていない。
In the conventional complex mobility measuring device, an ESA (Electrokiki) for measuring a sound wave electrically excited.
A method called "netic sonic amplitude" has been used and has already been commercialized (trade name: ES
A-9800, MATEC Instrument Co
companies, Inc). However, since the resonance of sound waves is used, the measurement frequency range is limited to around 1 MHz, and problems such as the fact that measurement can be performed only on a concentrated sample have become a bottleneck and have not yet spread.

【0006】ところで従来は、プローブ粒子の散乱光を
用いて複素電気泳動易動度を測定しマイクロメーター領
域の粘弾性や、媒体のマイクロメーター領域の構造に関
する知見を得ることは不可能であった。すなわち、プロ
ーブ粒子の散乱光に含まれる信号には、プローブ粒子の
印加電場による応答成分以外にブラウン運動やドリフト
運動の不規則に変動する成分が重畳されており、プロー
ブ粒子の印加電場による応答成分を分離できない。ま
た、プローブ粒子の散乱光に含まれる信号の解析手法が
相関関数やパワースペクトルといった手法しかなく、広
い領域の平均的情報しか得られない。さらに、極めて散
乱能の高い媒体中のプローブ粒子からの散乱光で情報を
得ようとすれば、周囲の媒体からの余計な散乱光を凌駕
するほど強く光を散乱する巨大なプローブ粒子を用いる
必要があり、大きなプローブ粒子は媒体との相互作用が
大きいために媒体の構造を変形してしまい、マイクロメ
ーター領域の粘弾性や、媒体のマイクロメーター領域の
構造に関する知見を得ることは不可能である。これらの
理由により、従来はマイクロメーター領域の粘弾性や、
媒体のマイクロメーター領域の構造に関する知見を得る
ことは不可能であった。
By the way, conventionally, it has been impossible to obtain the knowledge about the viscoelasticity of the micrometer region and the structure of the micrometer region of the medium by measuring the complex electrophoretic mobility using the scattered light of the probe particles. . That is, in the signal contained in the scattered light of the probe particle, a component that changes irregularly in Brownian motion or drift motion is superimposed in addition to the response component due to the applied electric field of the probe particle, and the response component due to the applied electric field of the probe particle is superimposed. Cannot be separated. Further, the only method for analyzing the signal contained in the scattered light of the probe particles is the correlation function or the power spectrum, and only average information in a wide area can be obtained. Furthermore, if information is to be obtained from scattered light from probe particles in a medium with extremely high scattering power, it is necessary to use huge probe particles that scatter light so strongly that it surpasses unnecessary scattered light from surrounding media. However, it is impossible to obtain knowledge about the viscoelasticity of the micrometer region and the structure of the micrometer region of the medium, because large probe particles deform the structure of the medium because of large interaction with the medium. . For these reasons, conventionally viscoelasticity in the micrometer range,
It was not possible to obtain any knowledge about the structure of the micrometer region of the medium.

【0007】このように、複雑流体のマイクロメーター
寸法の局所粘弾性や、複雑流体のマイクロメーター領域
の構造に関する知見を得ることは、従来技術では不可能
であった。
As described above, it has been impossible to obtain knowledge about the micrometer-scale local viscoelasticity of a complex fluid and the structure of the micrometer region of a complex fluid in the prior art.

【0008】[0008]

【発明が解決しようとする課題】本発明は上記課題に鑑
み、複雑な内部構造を持つ複雑流体のマイクロメーター
寸法の局所的領域の粘弾性や、複雑流体のマイクロメー
ター領域の構造に関する知見を得る方法及び装置を提供
することを目的とする。
SUMMARY OF THE INVENTION In view of the above problems, the present invention obtains knowledge about the viscoelasticity of a micrometer-sized local region of a complex fluid having a complicated internal structure and the structure of the micrometer region of a complex fluid. It is an object to provide a method and a device.

【0009】[0009]

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するた
め、本発明の複雑流体の局所粘弾性測定法は、ナノメー
ター寸法のプローブ粒子を被測定複雑流体中に混入し、
プローブ粒子に入射光と参照光を照射すると共にプロー
ブ粒子に正弦波状電場を印加し、プローブ粒子の散乱光
と参照光との光ヘテロダイン信号を電気信号に変換し、
電気信号から正弦波状電場の周波数に関する基本波成分
と高調波成分とを取り出し、基本波成分と高調波成分の
それぞれのアナログ2乗演算をおこない、アナログ2乗
演算された基本波成分と高調波成分をそれぞれロックイ
ン検出して複素電気泳動易動度の絶対値と遅延位相を求
め、正弦波状電場の各々の周波数における絶対値と遅延
位相とから複素電気泳動易動度のスペクトルを求め、複
素電気泳動易動度スペクトルから被測定複雑流体の局所
領域の粘弾性、及び被測定複雑流体の構造に基づく特性
長を求めることを特徴とする。この構成によれば、ナノ
メーター寸法のプローブ粒子を用いるから、被測定複雑
流体との相互作用が小さく複雑流体の構造を変形するこ
とが無く、アナログ2乗演算された基本波成分と高調波
成分をロックイン検出するからブラウン運動に基づく成
分を除去した正弦波状電場の応答成分のみを検出でき、
複素電気泳動易動度のスペクトルから緩和特性を測定で
き、緩和特性から被測定複雑流体のマイクロメーター寸
法の局所領域の周波数に依存する粘弾性や、構造に関す
る知見を得ることができる。
In order to solve the above-mentioned problems, the method for measuring the local viscoelasticity of a complex fluid according to the present invention comprises mixing probe particles of nanometer size into a complex fluid to be measured,
Applying a sinusoidal electric field to the probe particle while irradiating the probe particle with incident light and reference light, converting the optical heterodyne signal of the scattered light of the probe particle and the reference light into an electrical signal,
The fundamental wave component and the harmonic component related to the frequency of the sinusoidal electric field are extracted from the electric signal, and the analog square calculation of each of the fundamental wave component and the harmonic component is performed. Lock-in detection of the complex electrophoretic mobility to obtain the absolute value and the delay phase, and the complex electrophoretic mobility spectrum is obtained from the absolute value and the delay phase at each frequency of the sinusoidal electric field. It is characterized in that the viscoelasticity of the local region of the complex fluid to be measured and the characteristic length based on the structure of the complex fluid to be measured are obtained from the migration mobility spectrum. According to this configuration, since the nanometer-sized probe particles are used, the interaction with the complex fluid to be measured is small, and the structure of the complex fluid is not deformed. Since lock-in detection is performed, only the response component of the sinusoidal electric field from which the component based on Brownian motion is removed can be detected,
The relaxation property can be measured from the spectrum of complex electrophoretic mobility, and the relaxation property can provide the knowledge about the viscoelasticity and the structure depending on the frequency of the local region of the micrometer size of the complex fluid to be measured.

【0010】本発明において、複素電気泳動易動度の絶
対値と遅延位相を求める場合、アナログ2乗演算された
基本波成分と高調波成分のブラウン運動による揺らぎが
平均化されて0になるようにロックイン・アンプの時定
数を十分大きくして、アナログ2乗演算された基本波成
分と高調波成分とを同時に2位相ロックイン検出し、そ
れぞれの2位相ロックイン検出信号の絶対値の比から複
素電気泳動易動度の絶対値を求め、2位相ロックイン検
出信号の位相角から遅延位相を求めることができる。こ
の構成によれば、時定数が大きいので、アナログ2乗演
算された基本波成分と高調波成分のブラウン運動に基づ
くランダムに変動する成分が平均化されて消滅し、アナ
ログ2乗演算された基本波成分と高調波成分の定数項で
ある印加電場の応答成分のみが検出される。また、検出
されるそれぞれの応答成分は、複素電気泳動易動度の絶
対値に比例した値を変数とする階数の異なるベッセル関
数で表されるので、これらのベッセル関数の比から複素
電気泳動易動度の絶対値を求めることができ、また、2
位相ロック・イン検出信号の位相角から遅延位相を求め
ることができる。
In the present invention, when the absolute value of the complex electrophoretic mobility and the delay phase are obtained, fluctuations due to Brownian motion of the analog squared fundamental wave component and the harmonic component are averaged to zero. In addition, the time constant of the lock-in amplifier is made large enough to detect the two-phase lock-in of the fundamental wave component and the harmonic component that have been analog-squared at the same time. The absolute value of the complex electrophoretic mobility can be obtained from and the delay phase can be obtained from the phase angle of the two-phase lock-in detection signal. According to this configuration, since the time constant is large, the randomly varying component based on the Brownian motion of the fundamental wave component and the harmonic component that have been analog-squared are eliminated by averaging, and the analog-squared basic component is eliminated. Only the response component of the applied electric field, which is the constant term of the wave component and the harmonic component, is detected. In addition, since each detected response component is represented by a Bessel function of different rank with a value proportional to the absolute value of the complex electrophoretic mobility as a variable, the complex electrophoretic mobility can be calculated from the ratio of these Bessel functions. The absolute value of the mobility can be calculated, and 2
The delay phase can be obtained from the phase angle of the phase lock-in detection signal.

【0011】前記構成において、複素電気泳動易動度の
高周波領域の絶対値を求める場合、正弦波状電場を低周
波に設定して請求項2に記載の方法で低周波領域の複素
電気泳動易動度の絶対値を求め、印加電場を低周波の正
弦波状電場と高周波の正弦波状電場との和で構成し、ア
ナログ2乗演算された基本波成分のブラウン運動による
揺らぎが平均化されるようにロックイン・アンプの時定
数を十分大きくして、アナログ2乗演算された基本波成
分を低周波及び高周波の2つの周波数で同時にロックイ
ン検出し、それぞれのロックイン検出信号の絶対値の比
を求め、比と低周波領域の複素電気泳動易動度の絶対値
とから求めることができる。この構成によれば、高周波
領域で強度が減少する高調波成分を用いずに強度の大き
い基本波成分から求めるので、高周波領域の複素電気泳
動易動度の絶対値を正確に求めることができる。
In the above structure, when obtaining the absolute value of the complex electrophoretic mobility in the high frequency region, the sinusoidal electric field is set to a low frequency, and the complex electrophoretic mobility in the low frequency region is set by the method according to claim 2. The absolute value of the degree is calculated, and the applied electric field is composed of the sum of the low-frequency sinusoidal electric field and the high-frequency sinusoidal electric field, so that fluctuations due to Brownian motion of the fundamental wave component calculated by analog square are averaged. Make the time constant of the lock-in amplifier sufficiently large to detect the lock-in of the fundamental wave component that has been analog-squared at two frequencies, low frequency and high frequency, and calculate the ratio of the absolute value of each lock-in detection signal. It can be obtained from the ratio and the absolute value of the complex electrophoretic mobility in the low frequency region. According to this structure, since the fundamental wave component having a high intensity is used without using the harmonic component whose intensity decreases in the high frequency region, the absolute value of the complex electrophoretic mobility in the high frequency region can be accurately obtained.

【0012】本発明の他の態様による複雑流体の局所粘
弾性測定法は、ナノメーター寸法のプローブ粒子を被測
定複雑流体中に混入し、このプローブ粒子にトラッピン
グレーザー光を集光してプローブ粒子をレーザートラッ
プし、被測定複雑流体に正弦波状電場を印加し、プロー
ブ粒子からの散乱光と参照光とを共焦点位置に集光し、
共焦点位置で散乱光と参照光との光ヘテロダイン信号を
電気信号に変換し、電気信号から正弦波状電場の周波数
に関する基本波成分と高調波成分とを取り出し、基本波
成分と高調波成分をそれぞれロックイン検出して複素電
気泳動易動度の絶対値と遅延位相を求め、正弦波状電場
の周波数に関する複素電気泳動易動度スペクトルを求
め、複素電気泳動易動度スペクトルから被測定複雑流体
の局所領域の粘弾性と、被測定複雑流体の構造に基づく
特性長を求めることを特徴とする。この構成によれば、
レーザートラップによってプローブ粒子のブラウン運動
が抑制されるから、アナログ2乗演算をせずに複素電気
泳動易動度を求めることができ、その結果、100MH
zに及ぶ超広帯域の複素電気泳動易動度を求めることが
できる。
A method for measuring local viscoelasticity of a complex fluid according to another aspect of the present invention is to mix nanometer-sized probe particles into a complex fluid to be measured, collect trapping laser light on the probe particles, and probe particles. Laser trap, apply a sinusoidal electric field to the complex fluid to be measured, collect the scattered light from the probe particles and the reference light at the confocal position,
Converts the optical heterodyne signal of scattered light and reference light into an electric signal at the confocal position, extracts the fundamental wave component and the harmonic component related to the frequency of the sinusoidal electric field from the electric signal, and extracts the fundamental wave component and the harmonic component, respectively. The complex electrophoretic mobility spectrum related to the frequency of the sinusoidal electric field is obtained by the lock-in detection to obtain the absolute value and the delay phase of the complex electrophoretic mobility, and the complex fluid locality of the measured complex fluid is calculated from the complex electrophoretic mobility spectrum. It is characterized by finding the characteristic length based on the viscoelasticity of the region and the structure of the complex fluid to be measured. According to this configuration,
Since the Brownian motion of the probe particles is suppressed by the laser trap, the complex electrophoretic mobility can be obtained without performing the analog square calculation, and as a result, 100 MH is obtained.
Ultra-wide band complex electrophoretic mobilities spanning z can be determined.

【0013】前記構成において、正弦波状電場の印加方
向は、好ましくは、トラッピングレーザー光の光路方向
と同一である。散乱光と参照光とを共焦点位置に集光す
る方法は、好ましくは、トラッピングレーザー光を集光
する光学部材で散乱光を平行光束化し、光路を一致させ
る光学部材で平行光束化した散乱光の光路と参照光の光
路とを一致させ、光路の一致した散乱光と参照光とを共
通の光学部材で集光する。光路を一致させる方法は、ビ
ームスプリッターの互いに直交する入射面に散乱光と参
照光とをそれぞれ入射させることにより行い得る。これ
らの構成によれば、プローブ粒子の変位方向と散乱光の
方向が同じなので、高効率にヘテロダイン信号を生成で
きる。また、光学系の構成が簡単になり、信頼性、操作
性が高い。
In the above structure, the application direction of the sinusoidal electric field is preferably the same as the optical path direction of the trapping laser light. The method of condensing the scattered light and the reference light at the confocal position is preferably a scattered light obtained by converting the scattered light into a parallel light flux with an optical member for converging the trapping laser light and making the light flux into a parallel light flux with an optical member for matching the optical paths. And the optical path of the reference light are made to coincide with each other, and the scattered light and the reference light having the coincident optical paths are condensed by a common optical member. The method of matching the optical paths can be performed by making the scattered light and the reference light respectively enter the incident surfaces of the beam splitter which are orthogonal to each other. According to these configurations, since the displacement direction of the probe particle is the same as the scattered light direction, the heterodyne signal can be generated with high efficiency. Moreover, the structure of the optical system is simplified, and the reliability and operability are high.

【0014】プローブ粒子にトラッピングレーザー光を
集光し、かつ散乱光を平行光束化する方法は、被測定複
雑流体とビームスプリッターとの間に焦点距離が可変な
光学部材を配設することにより行い得る。プローブ粒子
にトラッピングレーザー光を集光し、かつ散乱光を平行
光束化する方法は、被測定複雑流体とビームスプリッタ
ーとの間で可動できる凸レンズを配置しても良い。これ
らの構成によれば、トラッピングレーザー光を集光する
位置を可変できるので、被測定複雑流体の深さ方向の任
意の位置の複素電気泳動易動度を測定できる。
The method of converging the trapping laser light on the probe particles and making the scattered light into a parallel light beam is carried out by disposing an optical member having a variable focal length between the complex fluid to be measured and the beam splitter. obtain. In the method of collecting the trapping laser light on the probe particles and converting the scattered light into a parallel light flux, a movable convex lens may be arranged between the complex fluid to be measured and the beam splitter. According to these configurations, the position at which the trapping laser light is focused can be changed, so that the complex electrophoretic mobility at any position in the depth direction of the complex fluid to be measured can be measured.

【0015】また、電極を有する被測定複雑流体を可動
台に搭載し、可動台により被測定複雑流体の3次元にわ
たる位置を制御して、被測定複雑流体の3次元にわたる
測定を行うことを特徴とする。この構成によれば、被測
定複雑流体の3次元の任意の位置にトラッピングレーザ
ー光を集光できるから、被測定複雑流体の3次元にわた
る局所粘弾性スペクトルと3次元構造に関する特性長を
得ることができる。
Further, the complex fluid to be measured having electrodes is mounted on a movable table, and the movable platform controls the three-dimensional position of the complex fluid to be measured to perform the three-dimensional measurement of the complex fluid to be measured. And According to this configuration, the trapping laser light can be focused on the arbitrary three-dimensional position of the complex fluid to be measured, so that the three-dimensional local viscoelastic spectrum of the complex fluid to be measured and the characteristic length relating to the three-dimensional structure can be obtained. it can.

【0016】また、好ましくは、トラッピングレーザー
光の光源と、参照レーザー光の光源と、トラッピングレ
ーザー光を集光しかつ散乱光を平行光束化する光学部材
と、平行光束化した散乱光と参照光の光路とを一致させ
る光学部材と、光路の一致した平行光束化した散乱光と
参照光とを共焦点位置に集光する光学部材と、共焦点位
置に配置する光検出器とを一体に構成して構成単位と
し、構成単位を被測定複雑流体の表面に平行に移動し、
かつトラッピングレーザー光を集光しかつ散乱光を平行
光束化する光学部材の焦点距離、または光学部材の位置
を変化させて測定する。この構成によれば、被測定複雑
流体の3次元の任意の位置にトラッピングレーザー光を
集光できるから、被測定複雑流体の3次元にわたる局所
粘弾性スペクトルと3次元構造に関する特性長を得るこ
とができる。
Further, preferably, a light source of the trapping laser light, a light source of the reference laser light, an optical member for condensing the trapping laser light and making the scattered light into a parallel light beam, the scattered light made into the parallel light beam and the reference light The optical member for aligning the optical path of the optical path, the optical member for converging the scattered light, which is formed into a parallel light beam and the reference light having the coincident optical paths at the confocal position, and the photodetector arranged at the confocal position are integrally configured. And make it a constituent unit, move the constituent unit parallel to the surface of the complex fluid to be measured,
In addition, the measurement is performed by changing the focal length of the optical member that collects the trapping laser light and changes the scattered light into a parallel light flux, or the position of the optical member. According to this configuration, the trapping laser light can be focused on the arbitrary three-dimensional position of the complex fluid to be measured, so that the three-dimensional local viscoelastic spectrum of the complex fluid to be measured and the characteristic length relating to the three-dimensional structure can be obtained. it can.

【0017】また、複素電気泳動易動度の絶対値と遅延
位相を求める場合、基本波成分と高調波成分のブラウン
運動による揺らぎが平均化して0になるようにロックイ
ン・アンプの時定数を十分大きくして、基本波成分と高
調波成分を2位相ロックイン検出し、それぞれの2位相
ロックイン検出信号の絶対値の比から複素電気泳動易動
度の絶対値を求め、2位相ロックイン検出信号の位相角
から遅延位相を求めることを特徴とする。この構成によ
れば、プローブ粒子のブラウン運動が抑制されているか
ら、ヘテロダイン電気信号の基本波成分と高調波成分を
直接ロックイン検出できる。また、検出信号の絶対値は
複素電気泳動易動度の絶対値に比例した値を変数とする
階数の異なるベッセル関数で表されるので、これらのベ
ッセル関数の比から複素電気泳動易動度の絶対値を求め
ることができ、また、2位相ロックインアンプの位相角
から遅延位相を求めることができる。
Further, when obtaining the absolute value of the complex electrophoretic mobility and the delay phase, the time constant of the lock-in amplifier is set so that fluctuations due to Brownian motion of the fundamental wave component and the harmonic wave component are averaged to zero. Make it sufficiently large to detect the two-phase lock-in of the fundamental wave component and the harmonic component, and obtain the absolute value of the complex electrophoretic mobility from the ratio of the absolute values of the two-phase lock-in detection signals. It is characterized in that the delay phase is obtained from the phase angle of the detection signal. According to this configuration, since the Brownian motion of the probe particles is suppressed, the fundamental wave component and the harmonic wave component of the heterodyne electric signal can be directly lock-in detected. Also, the absolute value of the detection signal is represented by a Bessel function of different rank with a value proportional to the absolute value of the complex electrophoretic mobility as a variable. Therefore, the complex electrophoretic mobility can be calculated from the ratio of these Bessel functions. The absolute value can be obtained, and the delay phase can be obtained from the phase angle of the two-phase lock-in amplifier.

【0018】また、複素電気泳動易動度の高周波領域の
絶対値を求める場合、正弦波状電場を低周波に設定して
低周波領域の複素電気泳動易動度の絶対値を求め、印加
電場を低周波の正弦波状電場と高周波の正弦波状電場と
の和で構成し、基本波成分のブラウン運動による揺らぎ
が平均化されて0になるようにロックイン・アンプの時
定数を十分大きくして、基本波成分を低周波及び高周波
の2つの周波数で同時にロックイン検出し、それぞれの
ロックイン検出信号の絶対値の比を求め、比と低周波領
域の複素電気泳動易動度の絶対値とから求めることがで
きる。この構成によれば、高周波領域で強度が減少する
高調波成分を用いずに強度の大きい基本波成分から求め
るので、高周波領域の複素電気泳動易動度の絶対値を正
確に求めることができる。
When the absolute value of the complex electrophoretic mobility in the high frequency region is obtained, the sinusoidal electric field is set to a low frequency to obtain the absolute value of the complex electrophoretic mobility in the low frequency region and the applied electric field is set. It is composed of the sum of the low-frequency sinusoidal electric field and the high-frequency sinusoidal electric field, and the time constant of the lock-in amplifier is made sufficiently large so that the fluctuations due to the Brownian motion of the fundamental wave component are averaged to 0, The fundamental wave component is simultaneously lock-in detected at two frequencies, low frequency and high frequency, and the ratio of the absolute values of the lock-in detection signals of each is calculated. From the ratio and the absolute value of the complex electrophoretic mobility in the low frequency region, You can ask. According to this structure, since the fundamental wave component having a high intensity is used without using the harmonic component whose intensity decreases in the high frequency region, the absolute value of the complex electrophoretic mobility in the high frequency region can be accurately obtained.

【0019】また、プローブ粒子の散乱光と参照光との
光ヘテロダイン信号は、好ましくは、上記プローブ粒子
の変位に基づく。ヘテロダイン電気信号から基本波成分
と高調波成分とを、バンドパスフィルターで取り出せば
好適である。複素電気泳動易動度スペクトルから被測定
複雑流体の局所領域の粘弾性を求める際、複素電気泳動
易動度と複素粘弾性の逆比例関係から求めるようにすれ
ば好適である。複素電気泳動易動度スペクトルから被測
定複雑流体の構造に基づく特性長を求めるには、複素電
気泳動易動度スペクトルの実数成分と虚数成分とから求
められる複素電気泳動易動度の絶対値と緩和時間とに基
づくようにすれば好適である。
The optical heterodyne signal of the scattered light of the probe particles and the reference light is preferably based on the displacement of the probe particles. It is preferable to extract the fundamental wave component and the harmonic component from the heterodyne electric signal with a bandpass filter. When obtaining the viscoelasticity of the local region of the complex fluid to be measured from the complex electrophoretic mobility spectrum, it is preferable to obtain it from the inverse proportional relationship between the complex electrophoretic mobility and the complex viscoelasticity. To obtain the characteristic length based on the structure of the complex fluid to be measured from the complex electrophoretic mobility spectrum, the absolute value of the complex electrophoretic mobility obtained from the real and imaginary components of the complex electrophoretic mobility spectrum and It is preferable to use the relaxation time as a basis.

【0020】また、ナノメーター寸法のプローブ粒子
は、被測定複雑流体中で帯電するコロイド粒子であり、
被測複雑流体の構造物を取り除いた流体中におけるプロ
ーブ粒子の拡散定数と複素電気泳動易動度を、前もって
測定しておき、既知であることを特徴とする。この構成
によれば、プローブ粒子を外部から印加する正弦波状電
場によって変位させることができ、また、その寸法がナ
ノメーターであることから、複雑流体の内部構造よりも
小さく、被測定複雑流体を変形することなく様々な空間
スケールで測定を行える。また、被測定複雑流体の構造
物を取り除いた液体中でのプローブ粒子の拡散定数と複
素電気泳動易動度が既知であるから、この既知の拡散定
数と複素電気泳動易動度と、測定された複素電気泳動易
動度スペクトルから求める被測定複雑流体中の複素電気
泳動易動度の絶対値と、緩和時間とから、被測定複雑流
体の構造に基づくゆらぎの振幅を求めることができ、従
って、被測定複雑流体の構造に基づくゆらぎの振幅、す
なわち特性長を求めることができる。
The nanometer-sized probe particles are colloidal particles that are charged in the complex fluid to be measured.
The diffusion constant and the complex electrophoretic mobility of the probe particles in the fluid from which the structure of the measured complex fluid has been removed are measured in advance and are known. According to this configuration, the probe particles can be displaced by the sinusoidal electric field applied from the outside, and because the size is nanometer, it is smaller than the internal structure of the complex fluid and deforms the complex fluid to be measured. It is possible to measure at various spatial scales without doing this. In addition, since the diffusion constant and complex electrophoretic mobility of the probe particles in the liquid from which the structure of the complex fluid to be measured is removed are known, the known diffusion constant and complex electrophoretic mobility can be measured. It is possible to obtain the amplitude of the fluctuation based on the structure of the complex fluid to be measured from the relaxation time and the absolute value of the complex electrophoretic mobility in the complex fluid to be measured, which is obtained from the complex electrophoretic mobility spectrum. , The amplitude of fluctuation based on the structure of the measured complex fluid, that is, the characteristic length can be obtained.

【0021】複素電気泳動易動度スペクトルから被測定
複雑流体の構造に基づく特性長を求める場合、好ましく
は、複素電気泳動易動度スペクトルの実数成分と虚数成
分とから求める緩和時間と、自己相関関数から求める拡
散定数とから求める。自己相関関数から求める拡散係数
は、ロックイン・アンプの時定数を基本波成分のブラウ
ン運動による揺らぎが平均化されて0にならないように
十分小さくした状態でロックイン検出し、この検出信号
の時間依存性から自己相関関数を積分または積算して求
め、その緩和時間より求める。この構成によれば、被測
定周波数全範囲において直接拡散定数を求めることがで
き、被測複雑流体の構造物を取り除いた流体中におけ
る、プローブ粒子の拡散定数と複素電気泳動易動度を求
めることなく、被測定複雑流体の特性長を求めることが
できる。
When the characteristic length based on the structure of the complex fluid to be measured is obtained from the complex electrophoretic mobility spectrum, the relaxation time obtained from the real number component and the imaginary number component of the complex electrophoretic mobility spectrum and the autocorrelation are preferable. It is obtained from the diffusion constant obtained from the function. The diffusion coefficient obtained from the autocorrelation function is the time constant of the detection signal when the lock-in amplifier time constant is set to a value that is sufficiently small so that fluctuations due to Brownian motion of the fundamental wave component are not averaged to zero. It is calculated by integrating or integrating the autocorrelation function from the dependence, and by the relaxation time. According to this configuration, the diffusion constant can be directly obtained in the entire measured frequency range, and the diffusion constant of the probe particle and the complex electrophoretic mobility in the fluid without the structure of the complex fluid to be measured can be obtained. Instead, the characteristic length of the complex fluid to be measured can be obtained.

【0022】本発明の複雑流体の粘弾性測定装置は、上
記方法を用いた装置であることを特徴とする。この装置
によれば、複雑な内部構造を持つ複雑流体のマイクロメ
ーター寸法の局所的領域の粘弾性や、マイクロメーター
領域の構造に関する知見を得ることができる。
The complex fluid viscoelasticity measuring apparatus of the present invention is characterized by using the above method. According to this device, it is possible to obtain the knowledge regarding the viscoelasticity of a micrometer-sized local region of a complex fluid having a complicated internal structure and the structure of the micrometer region.

【0023】本発明の方法及び本発明の測定装置によれ
ば、複雑流体のマイクロメータ寸法の局所的粘弾性、及
び複雑流体の構造に基づく特性長を求めることができ
る。
According to the method of the present invention and the measuring device of the present invention, it is possible to obtain the local viscoelasticity of the micrometer size of the complex fluid and the characteristic length based on the structure of the complex fluid.

【0024】[0024]

【発明の実施の形態】以下、図面に基づいて本発明の実
施の形態を詳細に説明する。始めに本発明の第1の実施
の形態を説明する。本発明の測定方法に用いる装置の構
成をまず説明する。図1は複素電気泳動易動度を測定す
る測定装置の構成を示す図である。複素電気泳動易動度
測定装置1は、プローブ粒子を分散させた被測定媒体2
を入れる容器3と、容器3中の被測定媒体2に入射レー
ザー光線4を照射して光ヘテロダイン信号を発生する図
示しない入射レーザー光源と参照レーザー光線5を発生
する図示しない参照光レーザー光源と、プローブ粒子の
散乱光と参照レーザー光線5との干渉によって生じる光
ヘテロダイン信号を検出する光検出器6と、光検出器6
の検出信号7から基本波及び高調波成分8のみを取り出
すバンドパスフィルター9と、基本波及び高調波成分8
を2乗するアナログ乗算器10と、基本波及び高調波成
分8を2乗した2倍波成分11の強度を検出するロック
イン・アンプ12とを有している。容器3は、透明な側
壁を有する円筒状の容器3から成り、容器3内には被測
定媒体2に電場を印加する電極13を有している。装置
1は、任意の周波数信号14を発生するシンセサイザー
15を有しており、シンセサイザー15からの信号14
の周波数に同期して高電圧アンプ16が電極13に所定
の電圧を印加する。信号14はロックインアンプ12の
参照信号としても用いる。なお、本発明の方法において
は、参照レーザー光5は入射レーザー光4のレーザー光
を分配して用いる。
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION Embodiments of the present invention will be described in detail below with reference to the drawings. First, the first embodiment of the present invention will be described. First, the configuration of the apparatus used in the measuring method of the present invention will be described. FIG. 1 is a diagram showing the configuration of a measuring device for measuring complex electrophoretic mobility. The complex electrophoretic mobility measuring apparatus 1 includes a medium to be measured 2 in which probe particles are dispersed.
Container 3, an incident laser light source (not shown) that emits an optical heterodyne signal by irradiating the medium 2 to be measured in the container 3 with an incident laser beam 4, and a reference light laser light source (not shown) that generates a reference laser beam 5, and probe particles. Photodetector 6 for detecting an optical heterodyne signal generated by the interference between the scattered light of the laser beam and the reference laser beam 5, and the photodetector 6
Bandpass filter 9 for extracting only the fundamental wave and the harmonic component 8 from the detection signal 7 and the fundamental wave and the harmonic component 8
2 has an analog multiplier 10 and a lock-in amplifier 12 for detecting the intensity of a second harmonic component 11 obtained by squaring the fundamental wave and harmonic components 8. The container 3 is a cylindrical container 3 having transparent side walls, and an electrode 13 for applying an electric field to the medium 2 to be measured is provided in the container 3. The device 1 has a synthesizer 15 for generating an arbitrary frequency signal 14, and the signal 14 from the synthesizer 15
The high voltage amplifier 16 applies a predetermined voltage to the electrode 13 in synchronization with the frequency of. The signal 14 is also used as a reference signal for the lock-in amplifier 12. In the method of the present invention, the reference laser light 5 is used by distributing the laser light of the incident laser light 4.

【0025】次に、図1の測定装置を用いた測定方法の
測定原理を説明する。被測定媒体2中のプローブ粒子に
よる散乱光の電場ベクトルEs (t)(ただしtは時
間)はプローブ粒子の位置ベクトルrn として次式で与
えられる。
Next, the measuring principle of the measuring method using the measuring apparatus of FIG. 1 will be described. The electric field vector E s (t) (where t is time) of the scattered light by the probe particles in the medium to be measured 2 is given by the following equation as the position vector r n of the probe particles.

【0026】[0026]

【数1】 [Equation 1]

【0027】ここでIはEs s * であり、Nは入射レ
ーザー光4と参照レーザー光5が交差している領域、す
なわち散乱領域中のプローブ粒子の数である。qは散乱
波数ベクトルであり、散乱方向によって定まる。qの絶
対値は、媒体の屈折率n、入射レーザー光4と参照レー
ザー光5との角度θ及びレーザー光の波長λとから、q
=4πnsin(θ/2)/λで与えられる。散乱光と
参照レーザー光5とが混合され光ヘテロダイン信号が発
生し、光検出器6によって電気信号に変換される。検出
されるヘテロダイン信号7は次式で表される。
Here, I is E s E s * , and N is the number of probe particles in the region where the incident laser beam 4 and the reference laser beam 5 intersect, that is, in the scattering region. q is a scattered wave number vector and is determined by the scattering direction. From the refractive index n of the medium, the angle θ between the incident laser light 4 and the reference laser light 5 and the wavelength λ of the laser light, the absolute value of q is q
= 4πnsin (θ / 2) / λ. The scattered light and the reference laser light 5 are mixed to generate an optical heterodyne signal, which is converted into an electric signal by the photodetector 6. The detected heterodyne signal 7 is represented by the following equation.

【0028】[0028]

【数2】 [Equation 2]

【0029】ここで、ER は参照レーザー光5の電場ベ
クトルであり、光強度I0 は、I0=ER R * であ
る。プローブ粒子の位置ベクトルrn (t)は、プロー
ブ粒子のブラウン運動によって時間と共に変動する。プ
ローブ粒子に外部電場Eが働くと電気泳動による新たな
変位δrEnが付け加わる。プローブ粒子の全変位はrn
=r0n+δrEnとなる。ここでr0nは外部電場がないと
きの粒子の位置ベクトルであり、プローブ粒子のブラウ
ン運動により変動する。従って、(数2)式は次式に書
き直すことができる。
Here, E R is the electric field vector of the reference laser beam 5, and the light intensity I 0 is I 0 = E R E R * . The position vector r n (t) of the probe particle changes with time due to Brownian motion of the probe particle. When the external electric field E acts on the probe particles, a new displacement δr En due to electrophoresis is added. The total displacement of the probe particle is r n
= R 0n + δr En . Here, r 0n is a particle position vector in the absence of an external electric field, which fluctuates due to Brownian motion of the probe particle. Therefore, the equation (2) can be rewritten as the following equation.

【0030】[0030]

【数3】 [Equation 3]

【0031】ここで、全てのプローブ粒子が同じ易動度
μを持つと仮定し、シンセサイザー15からの周波数ω
0 の信号14に同期して高電圧アンプ16が電極13を
介し正弦波状外部電場E=E0 cos(ω0 t)を被測
定媒体2に印加すれば、δr Enは、
Here, all probe particles have the same mobility.
Assuming that μ, the frequency ω from the synthesizer 15
0In synchronization with the signal 14 of
Through a sinusoidal external electric field E = E0cos (ω0t) is measured
If applied to the constant medium 2, δr EnIs

【0032】[0032]

【数4】 [Equation 4]

【0033】となる。ここでδは正弦波状外部印加電場
に対する遅延位相である。従って、検出信号7は、(数
3)式と(数4)式とから、
It becomes Where δ is the delay phase with respect to the sinusoidal externally applied electric field. Therefore, the detection signal 7 is calculated from the equations (3) and (4),

【0034】[0034]

【数5】 [Equation 5]

【0035】となる。ただし(数5)式においてcn
q・r0n、z=μq・E0 /ω0 、また、Jk はk階の
Bessel関数である。(数5)式で表される検出信
号は2つの成分からなっている。一つの成分はプローブ
粒子のブラウン運動に基づいてランダムに変動する成分
Σn cos(cn )、及びΣn sin(cn )である。
[0035] However, in the formula (5), c n =
q · r 0n , z = μq · E 0 / ω 0 , and J k is a Bessel function of the kth order. The detection signal represented by the equation (5) is composed of two components. One component is a component Σ n cos (c n ) and Σ n sin (c n ) that randomly fluctuate based on the Brownian motion of the probe particle.

【0036】拡散定数Dはランダムに変動する成分Σn
cos(cn )、またはΣn sin(cn )の次式に示
す自己相関関数から求めることができる。
The diffusion constant D is a randomly varying component Σ n
It can be obtained from the autocorrelation function of cos (c n ) or Σ n sin (c n ) shown below.

【0037】[0037]

【数6】 [Equation 6]

【0038】もう一つの信号成分は、正弦波状印加外部
電場に追随する成分ΣJ2k(z)cos(2k(ω0
+δ))、及びΣJ2k-1(z)sin((2k−1)・
(ω 0 t+δ))である。これらの成分から原理的には
複素電気泳動易動度を求めることができる。しかしなが
ら、情報を引き出そうとする場合にブラウン運動に基づ
いてランダムに変動する信号成分が正弦波状印加外部電
場に追随する成分に干渉し、特に1/Dq2 と1/ω0
で定まる時間がほぼ等しい場合には、情報を引き出すこ
とができない。例えば、時間領域の信号からは、ブラウ
ン運動による1/Dq2 時間内には複素電気泳動易動度
μ* の位相δの情報を得ることができない。このため従
来は、複素電気泳動易動度を求めるために散乱光のパワ
ースペクトルを測定していた。正弦波状印加外部電場を
印加した場合のパワースペクトルP(ω)は(数5)式
と(数6)式から次式で与えられる。
The other signal component is a sinusoidal wave applied externally.
Component that follows the electric field ΣJ2k(Z) cos (2k (ω0t
+ Δ)), and ΣJ2k-1(Z) sin ((2k-1).
0t + δ)). In principle from these ingredients
Complex electrophoretic mobility can be determined. But Naga
Based on the Brownian motion when trying to extract information,
The signal component that fluctuates randomly is sinusoidal.
Interferes with the component that follows the field, especially 1 / Dq2And 1 / ω0
If the time determined by is almost equal, pull out the information.
I can't. For example, from the time domain signal,
1 / Dq by motion2Complex electrophoretic mobility in time
μ*It is not possible to obtain information on the phase δ of. For this reason
Since then, the power of the scattered light has been used to obtain the complex electrophoretic mobility.
-I was measuring the spectrum. Apply a sinusoidal external electric field
The power spectrum P (ω) when applied is expressed by the equation (5).
And from the equation (6), it is given by the following equation.

【0039】[0039]

【数7】 [Equation 7]

【0040】(数7)式から明らかなようにP(ω)
は、正弦波状印加電場の周波数ω0 の整数倍の周波数に
ローレンツ型のピークを有し、全てのピークはブラウン
運動によってひろがり、ピークの半値幅はDq2 であ
る。それ故、Dq2 <ω0 の条件を満たすときにのみピ
ークが観測でき、μ* の絶対値はこれらのピークの比と
して求めることができるが、しかしながら遅延位相δの
情報は得られない。
As is clear from the equation (7), P (ω)
Has a Lorentzian peak at a frequency that is an integer multiple of the frequency ω 0 of the sinusoidal applied electric field, all peaks are spread by Brownian motion, and the half-value width of the peak is Dq 2 . Therefore, the peak can be observed only when the condition of Dq 20 is satisfied, and the absolute value of μ * can be obtained as the ratio of these peaks, however, information on the delay phase δ cannot be obtained.

【0041】最近、Itoらは2次元パワースペクトル
を計算する新しい方法を提案した(J.Chem.Ph
ys.1994,100,6098.J.Chem.P
hys.1994,101,4463−4465参
照)。この方法は、Wiener−Khinchinの
定理を使用して2次元の相関関数を計算するものであ
る。この方法によって、彼らは100Hzまでの周波数
領域において複素電気泳動易動度μ* と拡散定数を同時
に求めた。この方法は複素電気泳動易動度μ* を揺らぎ
解析法に基づいて求めるものであり、散乱光のパワース
ペクトル測定値に基づくものである。
Recently, Ito et al. Proposed a new method for calculating a two-dimensional power spectrum (J. Chem. Ph.
ys. 1994, 100, 6098. J. Chem. P
hys. 1994, 101, 4463-4465). This method is to calculate a two-dimensional correlation function using the Wiener-Khinchin theorem. By this method, they simultaneously determined complex electrophoretic mobility μ * and diffusion constant in the frequency range up to 100 Hz. This method is to obtain the complex electrophoretic mobility μ * based on the fluctuation analysis method, and is based on the measured value of the power spectrum of scattered light.

【0042】上記に説明した散乱光のパワースペクトル
を測定する方法は、下記に述べる重大な問題のために測
定周波数範囲及び測定できる物質の範囲が限られたもの
である。第1に、ノイズのスペクトル密度は多かれ少な
かれ周波数依存性を有しており、従ってノイズレベルよ
り小さなピークは観測できないことである。第2に、δ
ωを観測時間から決定されるバンド幅分解能として、周
波数範囲ω1 <ω<ω1+δωの信号強度P(ω1 )を
測定しようとすれば、δωをピークの半値幅Dq 2 より
も遙かに小さく保たなければならない。このため、測定
される信号強度は著しく小さくなる。第3に、印加電場
が大きい場合に観測されるプローブ粒子のドリフト現象
もまた測定を困難にする。ドリフト速度vd によるドリ
フト変位δrd (t)=vd tがあると(数7)式から
明らかなように、全てのピークが2つに分裂してしま
い、ドリフト速度vd が判明しない限りμ* を求めるこ
とは不可能である。
Power spectrum of scattered light described above
How to measure is due to the critical issues described below.
Limited frequency range and limited measurable substance range
Is. First, the spectral density of noise is more or less
It has frequency dependence, so it is
The smaller peak is unobservable. Second, δ
Let ω be the bandwidth resolution determined from the observation time,
Wavenumber range ω1<Ω <ω1+ Δω signal strength P (ω1)
To measure it, δω is defined as the peak half-width Dq. 2Than
Must also be kept much smaller. Therefore, the measurement
The signal strength exerted is significantly reduced. Third, the applied electric field
Phenomenon of probe particles observed when the size is large
Also makes measurement difficult. Drift velocity vdBy Dori
Shift displacement δrd(T) = vdWhen there is t, from equation (7)
As you can see, every peak splits in two.
I, drift speed vdUnless*Ask for
Is impossible.

【0043】そこで、本発明者らは、正弦波状印加電場
に対する応答を時間領域で直接測定する方法を既に提案
し、上記の問題を解決した(Langmuir 200
0,16,9547−9554参照)。以下に、正弦波
状印加電場に対する応答を時間領域で直接測定する方法
について説明する。まず第1に、光検出器6の検出信号
7からバンドパスフィルター9を用いて基本波(ω0
成分及び第2高調波(2ω0 )成分のみを抜き出す。
(数5)式の基本波(ω0 )成分、及び第2高調波(2
ω0 )成分をA1 及びA2 とすると、A1 及びA2 は次
式となる。
Therefore, the present inventors have already proposed a method for directly measuring the response to a sinusoidal applied electric field in the time domain, and solved the above problem (Langmuir 200).
0, 16, 9547-9554). A method of directly measuring the response to the sinusoidal applied electric field in the time domain will be described below. First of all, the fundamental wave (ω 0 ) is detected from the detection signal 7 of the photodetector 6 by using the bandpass filter 9.
Only the component and the second harmonic (2ω 0 ) component are extracted.
The fundamental wave (ω 0 ) component of the equation (5) and the second harmonic (2
Assuming that the ω 0 ) component is A 1 and A 2 , A 1 and A 2 are as follows.

【0044】[0044]

【数8】 [Equation 8]

【0045】[0045]

【数9】 [Equation 9]

【0046】検出信号7のこれらの成分はロックイン検
出すると平均化されて0になる。なぜなら、プローブ粒
子のブラウン運動によってcos(cn )、sin(c
n )がランダムに変動するからである。そこで、本発明
者らは、これらの成分の2乗演算を行った。2乗演算す
る方法は、プローブ粒子のブラウン運動に伴うcos
(cn )の揺らぎの相関時間が極めて長いときは、(数
8)式で表される信号を2位相ロックイン・アンプに直
接入力し、そのY出力Σsin(cn (t))、及びX
出力Σcos(cn (t))を時系列でコンピュータに
取り込み、これらを複素数としてコンピュータ上で2乗
演算する。相関時間が短い場合には、アナログの乗算ア
ンプで構成した2乗演算器により、(数8)式で表され
る信号を2乗する。2乗した成分A1 2 及びA2 2 は、
(数8)式、及び(数9)式から次式になる。
These components of the detection signal 7 are averaged to 0 when lock-in is detected. This is because, cos by Brownian motion of probe particles (c n), sin (c
This is because n ) changes randomly. Therefore, the present inventors performed the square calculation of these components. The method of squared calculation is cos associated with Brownian motion of probe particles.
When the correlation time of fluctuation of (c n ) is extremely long, the signal represented by the equation (8) is directly input to the two-phase lock-in amplifier, and its Y output Σsin (c n (t)), and X
The output Σcos (c n (t)) is taken in the computer in time series, and these are treated as complex numbers and squared on the computer. When the correlation time is short, the signal represented by the formula (8) is squared by the squaring unit composed of an analog multiplication amplifier. The squared components A 1 2 and A 2 2 are
The following expression is obtained from the expression (8) and the expression (9).

【0047】[0047]

【数10】 [Equation 10]

【0048】[0048]

【数11】 ただし、ここで、多くの粒子が互いにその位置座標に関
し、相関を持たないと仮定している。すなわち、次式を
仮定している。
[Equation 11] However, it is assumed here that many particles do not correlate with each other regarding their position coordinates. That is, the following equation is assumed.

【0049】[0049]

【数12】 [Equation 12]

【0050】ロックイン・アンプの出力段のLPF(ロ
ーパスフィルター)の時定数を大きくして、2乗したそ
れぞれの成分を2ω0 及び4ω0 の2相でロックイン検
出する。時定数が十分大きいのでcos(cn )及びs
in(cn )項は、平均化されて0になり、(数10)
式及び(数11)式の定数項が検出される。定数項をA
1 ’,A2 ’とすると次式で表される。
The time constant of the LPF (low-pass filter) in the output stage of the lock-in amplifier is increased to detect each squared component in two phases of 2ω 0 and 4ω 0 . Since the time constant is large enough cos (c n) and s
The in (c n ) terms are averaged to be 0, and (Equation 10)
The constant term of the equation and the equation (11) is detected. The constant term is A
If 1 ', A 2 ', then it is expressed by the following equation.

【0051】[0051]

【数13】 [Equation 13]

【0052】[0052]

【数14】 [Equation 14]

【0053】従って、複素電気泳動易動度の絶対値|μ
* |は、−A2 ’/A1 ’=J2 2(z)/J
1 2 (z)の関係から計算によって求めることができ、
また2位相ロックインアンプを用いれば、遅延位相2
δ、及び4δも同時に求めることができる。上記の方法
によれば、検出した光ヘテロダイン信号の特定の周波数
成分のみを取り出し、それらの信号を2乗して、2乗し
た信号をロックイン・アンプの時定数を調整して検出す
ることにより、ブラウン運動の情報が取り除かれた印加
電場応答情報のみを時間領域で直接測定できるので、そ
の結果、複素電気泳動易動度μ* を感度良く正確に測定
することができる。なお、上記説明では説明を簡略化す
るため、基本波と第2高調波の組み合わせで説明した
が、基本波と他の高階の高調波、または、階数の異なる
高調波同士を組み合わせても良いことは明らかである。
Therefore, the absolute value of the mobility of complex electrophoresis | μ
* | Is -A 2 '/ A 1 ' = J 2 2 (z) / J
It can be calculated from the relationship of 1 2 (z),
If a 2-phase lock-in amplifier is used, the delay phase 2
δ and 4δ can also be obtained at the same time. According to the above method, by extracting only specific frequency components of the detected optical heterodyne signal, squaring those signals, and detecting the squared signal by adjusting the time constant of the lock-in amplifier. Since only the applied electric field response information from which the Brownian motion information has been removed can be directly measured in the time domain, as a result, the complex electrophoretic mobility μ * can be accurately and sensitively measured. In the above description, the fundamental wave and the second harmonic are combined for simplification of the description, but the fundamental wave and other higher-order harmonics, or harmonics having different orders may be combined. Is clear.

【0054】本発明は、本発明者らが既に提案した上記
の測定方法に基づいて、ナノメーター寸法のコロイド粒
子を用い、被測定複雑流体の内部構造を変形させること
なく複雑な内部構造を持つ複雑流体のマイクロメーター
寸法の局所的領域の粘弾性や、複雑流体のマイクロメー
ター領域の構造に関する知見を得る方法及び装置を可能
にしたものである。
The present invention is based on the above-mentioned measurement method already proposed by the present inventors and uses nanometer-sized colloidal particles, and has a complex internal structure without deforming the internal structure of the complex fluid to be measured. The present invention enables a method and an apparatus for obtaining knowledge about the viscoelasticity of a micrometer region of a complex fluid and the structure of the micrometer region of a complex fluid.

【0055】以下に本発明の方法を説明する。本発明に
おいては、ブラウン運動の情報が取り除かれた印加電場
応答情報のみを時間領域で直接測定することができる図
1に示した装置を用いて測定するので非常に感度が高
く、複雑流体中のナノメーター寸法のプローブ粒子の微
弱な散乱光からでも複素電気泳動易動度を測定できる。
また、ナノメーター寸法のプローブ粒子を用いるので、
被測定複雑流体の内部構造を変形させることなく複雑な
内部構造を持つ複雑流体のマイクロメーター寸法の局所
的領域の粘弾性や、複雑流体のマイクロメーター領域の
構造に関する知見を得ることができる。以下に、測定し
た複雑流体の複素電気泳動易動度からマイクロメーター
寸法の局所的領域の粘弾性や、複雑流体のマイクロメー
ター領域の構造に関する知見を得る本発明の方法につい
て説明する。印加正弦波状電場E=E0 cos(ω
0 t)の周波数ω0 を0から連続的に増加させ、それぞ
れの周波数ω0 において上記の測定方法を用いて測定
し、複素電気泳動易動度μ* の周波数応答特性を求め
る。
The method of the present invention will be described below. In the present invention, since only the applied electric field response information from which the Brownian motion information has been removed can be directly measured in the time domain by using the device shown in FIG. Complex electrophoretic mobility can be measured even from weakly scattered light of nanometer-sized probe particles.
Also, because nanometer-sized probe particles are used,
It is possible to obtain the knowledge about the viscoelasticity of the local region of the micrometer size of the complex fluid having a complicated internal structure and the structure of the micrometer region of the complex fluid without deforming the internal structure of the complex fluid to be measured. Hereinafter, the method of the present invention for obtaining the knowledge about the viscoelasticity of the local region of the micrometer size and the structure of the micrometer region of the complex fluid from the measured complex electrophoretic mobility of the complex fluid will be described. Applied sinusoidal electric field E = E 0 cos (ω
The frequency ω 0 of 0 t) is continuously increased from 0 , and the frequency response characteristic of the complex electrophoretic mobility μ * is obtained by measuring at each frequency ω 0 using the above measuring method.

【0056】図2は測定した複素電気泳動易動度の周波
数応答特性の一例を示す図である。図2の測定例に基づ
いて本発明を説明する。横軸は、印加正弦波状外部電場
E=E0 cos(ω0 t)の周波数ω0 を対数で表して
おり、縦軸は複素電気泳動易動度μ* の実数成分及び虚
数成分を表す。図の実線は複素電気泳動易動度μ* の虚
数成分の周波数依存性を示しており、点線は複素電気泳
動易動度μ* の実数成分の周波数依存性を示している。
図2の虚数成分の周波数依存曲線のピーク位置から求め
た緩和時間を周波数の高い方から順に、τH 、τL とす
る。実数成分の周波数依存曲線の平坦領域の絶対値|μ
* |を周波数の高い方から順に、μ(1)、μ(2) 、μ
(3) とする。これらのパラメーターを使用して、図2の
最適適合式を求めると次式となる。
FIG. 2 is a diagram showing an example of frequency response characteristics of the measured complex electrophoretic mobility. The present invention will be described based on the measurement example of FIG. The horizontal axis represents the frequency ω 0 of the applied sinusoidal external electric field E = E 0 cos (ω 0 t) in logarithm, and the vertical axis represents the real and imaginary components of the complex electrophoretic mobility μ * . The solid line in the figure shows the frequency dependence of the imaginary component of the complex electrophoretic mobility μ * , and the dotted line shows the frequency dependence of the real component of the complex electrophoretic mobility μ * .
The relaxation times obtained from the peak position of the frequency-dependent curve of the imaginary number component in FIG. 2 are τ H and τ L in order from the highest frequency. Absolute value of the flat region of the frequency-dependent curve of the real component | μ
* | In order of increasing frequency μ (1) , μ (2) , μ
(3) Using these parameters, the optimum fit equation of FIG. 2 is obtained as follows.

【0057】[0057]

【数15】 [Equation 15]

【0058】この式から明らかなように、図2の例の被
測定複雑流体の複素電気泳動易動度μ* は緩和時間の異
なる2つの異なる粘弾性の和、または、2つの異なるプ
ロセスに起因する粘弾性の和として与えられることがわ
かり、被測定複雑流体の構造に起因する2つのポテンシ
ャルが存在することがわかる。このように、周波数応答
特性から被測定複雑流体の構造に関する知見が得られ
る。
As is clear from this equation, the complex electrophoretic mobility μ * of the complex fluid to be measured in the example of FIG. 2 is caused by the sum of two different viscoelasticities with different relaxation times or two different processes. It can be seen that there is two potentials due to the structure of the complex fluid to be measured. In this way, knowledge about the structure of the complex fluid to be measured can be obtained from the frequency response characteristics.

【0059】次に、測定したτ及びμ* の絶対値からこ
のポテンシャルのゆらぎの振幅、すなわち被測定複雑流
体の構造に基づく特性長を求める方法について説明す
る。緩和時間τは、ゆらぎの距離(〈x2 〉)1/2 をプ
ローブ粒子が拡散する時間であり、拡散定数をDとし
て、分子運動論から、次式の関係がある。
Next, a method for obtaining the amplitude of fluctuation of this potential, that is, the characteristic length based on the structure of the complex fluid to be measured, from the measured absolute values of τ and μ * will be described. The relaxation time τ is the time for the probe particles to diffuse over the fluctuation distance (<x 2 >) 1/2 , and the diffusion constant is D. From the molecular kinetic theory, the following relationship holds.

【0060】[0060]

【数16】 [Equation 16]

【0061】また、弾性率をk、摩擦係数をγとして、
粘弾性の定義から、次式の関係がある。
Further, assuming that the elastic modulus is k and the friction coefficient is γ,
From the definition of viscoelasticity, there is the following relationship.

【0062】[0062]

【数17】 [Equation 17]

【0063】本発明の測定方法においては、被測定複雑
流体の構造物が存在しない状態の拡散定数D0 及びμ0
* 、例えば、被測定複雑流体の構造物を取り除いた流体
中におけるプローブ粒子の拡散定数D0 及びμ0 * を前
もって測定しておく。拡散定数Dと電気泳動易動度μと
の間には、アインシュタインの関係からD/μ=kB
(kB :ボルツマン定数、T:絶対温度)の関係が成り
立つので、被測定複雑流体の拡散定数Dは、測定した被
測定複雑流体の絶対値μと、被測定複雑流体の構造物を
取り除いた流体中において前もって測定した拡散定数D
0 及びμ0 を用いて、次式から求めることができる。
In the measuring method of the present invention, the diffusion constants D 0 and μ 0 in the state where the structure of the complex fluid to be measured does not exist.
* For example, the diffusion constants D 0 and μ 0 * of the probe particles in the fluid from which the structure of the measured complex fluid is removed are measured in advance. From the Einstein relationship, D / μ = k B T between the diffusion constant D and the electrophoretic mobility μ.
Since the relation of (k B : Boltzmann's constant, T: absolute temperature) is established, the diffusion constant D of the complex fluid to be measured is obtained by removing the absolute value μ of the complex fluid to be measured and the structure of the complex fluid to be measured. Diffusion constant D previously measured in the fluid
It can be calculated from the following equation using 0 and μ 0 .

【0064】[0064]

【数18】 [Equation 18]

【0065】従って、測定されたμを(数18)式に代
入してDを求め、このDと、測定したτを(数16)式
に代入して、ゆらぎの距離(〈x2 〉)1/2 を次式に従
って求めることができる。
Therefore, the measured μ is substituted into the equation (18) to obtain D, and this D and the measured τ are substituted into the equation (16) to obtain the fluctuation distance (<x 2 >). 1/2 can be calculated according to the following formula.

【0066】[0066]

【数19】 [Formula 19]

【0067】例えば、図2の測定例の場合には、緩和時
間τH におけるゆらぎ振幅の2乗〈x1 2〉は、〈x1 2
=2τH 0 μ1 /μ0 から求めることができる。同様
に、緩和時間τL におけるゆらぎ振幅の2乗〈x2 2
は、〈x2 2〉=2τ2 0 μ2/μ0 から求めることが
できる。または、アインシュタインの関係D0 /μ0
B Tを(数19)式に代入すれば次式となり、
For example, in the case of the measurement example of FIG. 2, the square of the fluctuation amplitude <x 1 2 > at the relaxation time τ H is <x 1 2 >
= 2τ H D 0 μ 1 / μ 0 . Similarly, the square of the fluctuation amplitude at the relaxation time τ L <x 2 2 >
Can be obtained from <x 2 2 > = 2τ 2 D 0 μ 2 / μ 0 . Or Einstein's relationship D 0 / μ 0 =
Substituting k B T into the equation (19) gives the following equation,

【0068】[0068]

【数20】 [Equation 20]

【0069】緩和時間τと、温度Tと、複素電気泳動易
動度の絶対値μとから求めることもできる。また、摩擦
係数γ(=粘性係数η)と電気泳動易動度μが単純な逆
比例関係にある場合には、次式から求めることもでき
る。
It can also be obtained from the relaxation time τ, the temperature T, and the absolute value μ of the complex electrophoretic mobility. Further, when the friction coefficient γ (= viscosity coefficient η) and the electrophoretic mobility μ have a simple inverse proportional relationship, it can be obtained from the following equation.

【0070】[0070]

【数21】 [Equation 21]

【0071】このようにして求めたゆらぎの距離は、被
測定媒体の構造に基づく、例えば構造に基づく立体障害
であり、そのゆらぎの距離は被測定媒体の構造を特徴づ
ける特性長である。すなわち、被測定媒体のマイクロメ
ーター領域の構造に関する知見を得ることができる。
The fluctuation distance thus obtained is a steric hindrance based on the structure of the medium to be measured, for example, based on the structure, and the fluctuation distance is a characteristic length characterizing the structure of the medium to be measured. That is, it is possible to obtain knowledge about the structure of the micrometer region of the medium to be measured.

【0072】上記説明では、拡散定数Dは、被測定複雑
流体の構造物が存在しない状態の拡散定数D0 から求め
る方法を示したが、測定から直接求めることもできる。
以下にその方法を説明する。バンドパスフィルターで抜
き出した基本波(ω0 )成分、すなわち(数8)式で表
される成分を直接ロックイン検出する。ロックイン・ア
ンプの時定数をプローブ粒子のブラウン運動の相関時間
より十分小さくすれば、時刻tでロックイン検出される
信号Y(t)は、(数8)式から明らかなように、
In the above description, the diffusion constant D is obtained from the diffusion constant D 0 in the absence of the structure of the complex fluid to be measured, but it can be obtained directly from the measurement.
The method will be described below. The fundamental wave (ω 0 ) component extracted by the bandpass filter, that is, the component represented by the equation (8) is directly lock-in detected. If the time constant of the lock-in amplifier is made sufficiently smaller than the correlation time of the Brownian motion of the probe particles, the signal Y (t) detected at the time t at the time t is, as is clear from the equation (8),

【0073】[0073]

【数22】 [Equation 22]

【0074】となり、プローブ粒子のブラウン運動の時
刻tにおける変位ベクトルcn (t)の関数値を与え
る。Y(t)のt依存性を測定し、Y(t)の自己相関
関数を計算し、(数6)式で示した拡散定数Dと自己相
関関数の関係から拡散定数Dを求めることができる。ま
た、複素電気泳動易動度スペクトルから被測定複雑流体
の構造に基づく特性長を求める方法は、複素電気泳動易
動度スペクトルの実数成分と虚数成分とから求める緩和
時間と、自己相関関数から求める拡散定数とから求め得
る。また、自己相関関数から求める拡散係数は、ロック
イン・アンプの時定数を基本波成分のブラウン運動によ
る揺らぎが平均化されない範囲において変化させて基本
波成分をロックイン検出し、この出力の時定数依存性か
ら自己相関関数を計算して求める。この方法によれば、
被測定周波数全範囲において直接拡散定数を求めること
ができ、(数16)式から明らかなように、複素電気泳
動易動度スペクトルから求めた緩和時間τとこの拡散定
数Dとから被測定複雑流体の特性長〈X2 1/2 を求め
ることができる。被測定複雑流体の構造物を取り除いた
流体中における、プローブ粒子の拡散定数と複素電気泳
動易動度を求める必要がない。
Then, the function value of the displacement vector c n (t) at the time t of Brownian motion of the probe particle is given. The diffusion coefficient D can be calculated from the relationship between the diffusion constant D and the autocorrelation function shown in the equation (6) by measuring the t dependence of Y (t), calculating the autocorrelation function of Y (t). . In addition, the method for obtaining the characteristic length based on the structure of the complex fluid to be measured from the complex electrophoretic mobility spectrum is performed by the relaxation time obtained from the real and imaginary components of the complex electrophoretic mobility spectrum and the autocorrelation function. It can be obtained from the diffusion constant. The diffusion coefficient obtained from the autocorrelation function is the time constant of this output when the lock-in amplifier's time constant is changed within the range where fluctuations due to Brownian motion of the fundamental wave component are not averaged, and the fundamental wave component is lock-in detected. Calculate the autocorrelation function from the dependence. According to this method
The diffusion constant can be directly obtained in the entire measured frequency range, and as is clear from the equation (16), the complex fluid to be measured can be calculated from the relaxation time τ obtained from the complex electrophoretic mobility spectrum and the diffusion constant D. The characteristic length <X 2 > 1/2 of can be obtained. It is not necessary to obtain the diffusion constant and complex electrophoretic mobility of the probe particles in the fluid from which the structure of the measured complex fluid has been removed.

【0075】次に、正弦波状印加電場の周波数が高い場
合に、精度良く複素電気泳動易動度を求める方法を説明
する。上記に説明した複素電気泳動易動度の絶対値μを
求める方法は、検出信号7からバンドパスフィルター9
を用いて抜き出した基本波成分及び第n高調波成分をそ
れぞれ2乗し、ロックインアンプの時定数を大きくして
これらの2乗成分をロックイン検出し、(数10)式よ
り求めるものであった。しかしながら、正弦波状印加電
場の電場強度が同じであれば、(数4)式に示したよう
に、正弦波状印加電場の周波数ω0 に反比例して、プロ
ーブ粒子の変位δrEnが小さくなるから、検出信号7か
らバンドパスフィルター9を用いて抜き出した基本波成
分及び第n高調波成分の強度はそれぞれ、ω0
(ω0 n に反比例して小さくなる。特に高周波域では
第n高調波成分の強度の減衰が著しいので、上記に説明
した方法では高周波領域において精度が悪くなる。
Next, a method of accurately obtaining the complex electrophoretic mobility when the frequency of the sinusoidal applied electric field is high will be described. The method of obtaining the absolute value μ of the complex electrophoretic mobility described above is performed by using the bandpass filter 9 from the detection signal 7.
The fundamental wave component and the nth harmonic component extracted by using the above are squared, the time constant of the lock-in amplifier is increased, and these squared components are lock-in detected. there were. However, if the electric field strength of the sinusoidal applied electric field is the same, the displacement δr En of the probe particle decreases in inverse proportion to the frequency ω 0 of the sinusoidal applied electric field, as shown in equation (4). The intensities of the fundamental wave component and the nth harmonic component extracted from the detection signal 7 using the bandpass filter 9 are ω 0 ,
It decreases in inverse proportion to (ω 0 ) n . In particular, since the intensity of the nth harmonic component is significantly attenuated in the high frequency region, the method described above deteriorates the accuracy in the high frequency region.

【0076】そこで、本発明では高周波領域において
は、基本波成分のみから複素電気泳動易動度を求める。
以下にこの方法を説明する。まず、正弦波状印加電場の
周波数が低周波(周波数をΩとする)である場合の複素
電気泳動易動度μ(Ω)を、上記に説明した方法によ
り、基本波と高調波の同時測定から求めておく。次に周
波数Ωの正弦波状印加電場EL cos(Ωt)に、高周
波(周波数をωとする)の正弦波状印加電場EH cos
(ωt)を加えた印加電場ET
Therefore, in the present invention, in the high frequency region, the complex electrophoretic mobility is obtained only from the fundamental wave component.
This method will be described below. First, the complex electrophoretic mobility μ (Ω) when the frequency of the sinusoidal applied electric field is low (the frequency is Ω) is measured from the simultaneous measurement of the fundamental wave and the harmonic wave by the method described above. I ask for it. Next, the sinusoidal applied electric field E L cos (Ωt) of frequency Ω is applied to the sinusoidal applied electric field E H cos of high frequency (the frequency is ω).
Applied electric field E T with (ωt) added,

【0077】[0077]

【数23】 [Equation 23]

【0078】を印加し、検出信号7からバンドパスフィ
ルター9を用いて基本波成分を抜き出し、基本波成分を
2乗して、ロックイン検出する。基本波成分を2乗した
成分の(数10)式に対応する振幅成分は、2Ω、2ω
に対してそれぞれ、
The fundamental wave component is extracted from the detection signal 7 using the bandpass filter 9 and the fundamental wave component is squared to perform lock-in detection. The amplitude component corresponding to the equation (10) of the component obtained by squaring the fundamental wave component is 2Ω, 2ω
Against,

【0079】[0079]

【数24】 [Equation 24]

【0080】[0080]

【数25】 [Equation 25]

【0081】となるから、高周波のμ(ω)を、2Ωと
2ωのロックイン検出信号の比と予め求めたμ(Ω)と
から、(数24)式及び(数25)式を用いて求めるこ
とができる。この方法によれば、高周波領域の複素電気
泳動易動度を正確に求めることができる。
Therefore, the high frequency μ (ω) is calculated from the ratio of the lock-in detection signals of 2Ω and 2ω and the previously obtained μ (Ω) using the formulas (24) and (25). You can ask. According to this method, the complex electrophoretic mobility in the high frequency region can be accurately obtained.

【0082】次に、本発明の実施例を説明する。被測定
複雑流体として、希薄な非イオン性界面活性剤が形成す
るラメラ構造を有する複雑流体を使用した。ラメラ構造
を有する複雑流体は生体内輸送過程の最も単純なモデル
の一つである。本実施例では非イオン性界面活性剤とし
て、n−dodecyl pentaethylene
glycol monododecylether(C
125( CH3 (CH2 10CH2 O(CH2 CH
2 O)4 CH2 CH2 OH))を用いた(以下、C12
5 と呼ぶ)。C125 とヘキサノール(C6 13OH)
と水とを混合し、被測定複雑流体とした。
Next, examples of the present invention will be described. A complex fluid having a lamellar structure formed by a dilute nonionic surfactant was used as the complex fluid to be measured. Complex fluid with lamellar structure is one of the simplest models of in vivo transport process. In this embodiment, n-dodecyl pentaethylene was used as the nonionic surfactant.
Glycol monodecylether (C
12 E 5 (CH 3 (CH 2 ) 10 CH 2 O (CH 2 CH
2 O) 4 CH 2 CH 2 OH)) (hereinafter, C 12 E
Called 5 ). C 12 E 5 and hexanol (C 6 H 13 OH)
Was mixed with water to form a complex fluid to be measured.

【0083】プローブ粒子はポリスチレン・ラテックス
(Dow.Co.Ltd製)を用いた。粒径(2a)は
42nmである。C125 は、ヘキサノールと水との混
合溶液中で疎水基同士を結合した2分子膜を形成してい
る(ラメラ構造)。図3にラメラ構造の模式図を示す。
図3(a)に示すように、複雑流体中では、C125
疎水基31同士が結合し、親水基32を上面、下面とし
た膜厚βの2分子膜33が形成される。図3(b)に示
すように、隣り合う2分子膜33は互いに平均的膜間隔
dを保って浮遊している。また、2分子膜33の面上に
は、2分子膜33の曲率弾性率κ、温度Tに依存した突
起34が平均的距離ξで発生する(この距離をぶつかり
合い距離と呼ぶ)。図3(c)に示すように、隣り合う
2分子膜33は互いに平均的距離Lにわたって互いに平
行に向き合う(この距離を相関長と呼ぶ)。このような
2分子膜をラメラ構造といい、ラメラ構造を有する流体
をラメラ相という。C125 とヘキサノールと水の混合
割合によって、2分子膜33の膜間隔dが定まる。
Polystyrene latex (manufactured by Dow. Co. Ltd.) was used as the probe particles. The particle size (2a) is 42 nm. C 12 E 5 forms a bilayer membrane in which hydrophobic groups are bound to each other in a mixed solution of hexanol and water (lamellar structure). FIG. 3 shows a schematic diagram of the lamella structure.
As shown in FIG. 3A, in the complex fluid, the C 12 E 5 hydrophobic groups 31 are bonded to each other to form a bilayer film 33 having a film thickness β with the hydrophilic groups 32 as the upper surface and the lower surface. As shown in FIG. 3B, the bilayer films 33 adjacent to each other float with an average film distance d therebetween. Further, on the surface of the bilayer film 33, a protrusion 34 depending on the curvature elastic modulus κ of the bilayer film 33 and the temperature T is generated at an average distance ξ (this distance is referred to as a collision distance). As shown in FIG. 3C, the adjacent bimolecular films 33 face each other in parallel over an average distance L (this distance is referred to as a correlation length). Such a bilayer membrane is called a lamella structure, and a fluid having a lamella structure is called a lamella phase. The film spacing d of the bilayer film 33 is determined by the mixing ratio of C 12 E 5 , hexanol and water.

【0084】図4は、C125 とヘキサノールと水の混
合割合(モル%)と膜間距離dとの関係を示す図であ
る。なお、φm は膜の体積分率と呼ばれ、2分子膜33
の膜間距離dに対する2分子膜33の厚さβの比を示
す。図から明らかなように、C125 とヘキサノールの
量を増加するに従って、φm 、すなわち2分子膜33の
膜間距離dが小さくなる。
FIG. 4 is a diagram showing the relationship between the mixing ratio (mol%) of C 12 E 5 , hexanol and water and the inter-membrane distance d. Note that φ m is called the volume fraction of the film, and the bimolecular film 33
The ratio of the thickness β of the bilayer membrane 33 to the inter-membrane distance d of is shown. As is clear from the figure, as the amounts of C 12 E 5 and hexanol are increased, φ m , that is, the inter-film distance d of the bimolecular film 33 becomes smaller.

【0085】図5は、プローブ粒子(ポリスチレン・ラ
テックス、2a=42nm)の複素電気泳動易動度を、
臨界ミセル濃度のC125 と飽和濃度のヘキサノールを
含む水溶液中で測定した結果を示す図である。この組成
の水溶液は構造物や凝集体を形成せず、かつ、ラメラ相
を形成する濃度の水溶液において、ラメラ相の膜にはさ
まれた水相がもつ組成と同じである。低周波域における
みかけの絶対値の減少はバンドパスフィルターの半値幅
と粒径から見積もられるブラウン運動に伴う相関時間か
ら予測される挙動に一致しており、大まかに補正可能で
ある。図から明らかなように、測定周波数範囲0〜10
kHzにわたって、複素電気泳動易動度μ* の絶対値μ
0 が一定(=5.7×10-8Cm/Ns)であり、この
値はELS−800(大塚電子社製)で測定した直流電
気泳動易動度と良く一致していた。また、バンドパスフ
ィルターの特性に基づく見かけの効果は遅延位相には影
響を及ぼさないため、この周波数域で複素電気易動度に
変化は無いはずである。
FIG. 5 shows the complex electrophoretic mobility of probe particles (polystyrene latex, 2a = 42 nm),
It is a diagram showing the results of measurement in an aqueous solution containing C 12 E 5 and the saturation concentration of hexanol critical micelle concentration. The aqueous solution having this composition has the same composition as that of the aqueous phase sandwiched between the lamellae phase films in an aqueous solution having a concentration that does not form structures or aggregates and forms a lamellar phase. The decrease in the apparent absolute value in the low frequency region is roughly in agreement with the behavior predicted from the correlation time associated with the Brownian motion estimated from the full width at half maximum of the bandpass filter and the grain size, and can be roughly corrected. As is clear from the figure, the measurement frequency range 0-10
Absolute value μ of complex electrophoretic mobility μ * over kHz
0 was constant (= 5.7 × 10 −8 Cm / Ns), and this value was in good agreement with the DC electrophoretic mobility measured by ELS-800 (manufactured by Otsuka Electronics Co., Ltd.). Moreover, since the apparent effect based on the characteristics of the bandpass filter does not affect the delay phase, there should be no change in the complex electric mobility in this frequency range.

【0086】複素電気泳動易動度μ* (ω)は、印加す
る正弦波電場に対する粒子の速度の比で定義される周波
数依存性応答関数である。Smoluchowski方
程式(例えば、Colloidal Dispersi
ons ケンブリッジ大学出版 D.A.Savill
e,W.R.Schowalter著 参照)を周波数
領域まで拡張すると、易動度μ* (ω)は、溶媒の複素
粘弾性η* (ω)と、μ* (ω)=εζ/η* (ω)で
表される単純に逆比例関係にある。ここで、ζはコロイ
ド粒子表面のzetaポテンシャルであり、εは周囲の
溶媒の誘電率である、それ故、電気泳動易動度が周波数
依存性を有しない帯電した粒子を用いれば、μ* (ω)
は、この粒子を取り囲む複雑流体の局所的粘弾性を与え
る。本実施例で用いたプローブ粒子はこの条件を満たし
ている。ラメラ相においては、両親媒性分子の親水基3
2と疎水基31から構成される流動性の2分子膜33が
図3(c)に示すように平均的膜間隔dで互いに向き合
いながら浮遊している。この平均的膜間隔dは、体積分
率φm と2分子膜の膜厚β(本実施例では約3nmであ
る)との間の関係、 d≒β/φm から、さらに、2分子
膜の熱的揺らぎによる対数補正をして求めた。本実施例
においては、d>2aの関係を満たすために複雑流体の
成分C125及びヘキサノールの濃度を調節してφ
m が、2%<φm <6%の範囲に入るラメラ相試料を作
成した。非常に少量のプローブ粒子(約0.1モル%以
下)をラメラ相試料に加えた。この濃度cは、c<<1
/d3 の関係を満たす濃度である。この濃度は、1辺d
の単位体積中にプローブ粒子が1個以下であることを意
味し、また、このような希薄溶液中ではプローブ粒子間
の相互作用は無視できることを意味している。電気泳動
による粒子の変位は10nm以下であるので、電気泳動
によってラメラ構造はほとんど影響を受けない。
Complex electrophoretic mobility μ * (ω) is a frequency-dependent response function defined by the ratio of the velocity of particles to the applied sinusoidal electric field. Smoluchowski equation (eg Colloidal Dispersi
ons Cambridge University Press D. A. Saville
e, W.E. R. (See Schowalter)), the mobility μ * (ω) is expressed by the complex viscoelasticity η * (ω) of the solvent and μ * (ω) = εζ / η * (ω). It is simply inversely proportional. Here, ζ is the zeta potential on the surface of the colloidal particles and ε is the dielectric constant of the surrounding solvent. Therefore, if charged particles whose electrophoretic mobility does not have frequency dependence are used, μ * ( ω)
Gives the local viscoelasticity of a complex fluid surrounding this particle. The probe particles used in this example satisfy this condition. In the lamellar phase, the hydrophilic group 3 of the amphipathic molecule
As shown in FIG. 3C, the fluid bilayer film 33 composed of 2 and the hydrophobic group 31 floats while facing each other at an average film distance d. This average film spacing d is a relationship between the volume fraction φ m and the film thickness β of the bilayer film (about 3 nm in this embodiment), d≈β / φ m It was calculated with logarithmic correction due to the thermal fluctuation of. In the present embodiment, in order to satisfy the relationship of d> 2a, the concentrations of the complex fluid component C 12 E 5 and hexanol are adjusted to obtain φ.
Lamellar phase samples were prepared in which m was in the range of 2% <φ m <6%. Very small amounts of probe particles (about 0.1 mol% or less) were added to the lamellar phase sample. This concentration c is c << 1
The concentration satisfies the relationship of / d 3 . This density is 1 side d
It means that the number of probe particles is 1 or less in a unit volume of, and that the interaction between probe particles is negligible in such a dilute solution. Since the displacement of particles by electrophoresis is 10 nm or less, the lamella structure is hardly affected by electrophoresis.

【0087】図6は、φm が4.74%のラメラ相にお
けるμ* の周波数スペクトルを測定した結果を示す図で
ある。周波数の高い方から順に分割した領域(1),
(2),(3)を定義し、それぞれの領域の複素電気泳
動易動度の絶対値μ、拡散定数D、及び摩擦係数γを付
号(1),(2),(3)を付して示す。図の虚数成分
のピーク値から求めた緩和時間を周波数の高い方から順
にτH ,τL とする。図の実数成分の平坦領域の絶対値
μを、周波数の高い方から順に、μ(1) 、μ(2) とす
る。図から、τH =1.7×10-4s,τL =6.6×
10 -2s,μ(1) =1.5×10-8Cm/Ns,及びμ
(2) =9.2×10-9Cm/Nsであることがわかる。
図6の実線及び点線はそれぞれ、τH ,τL 及び、μ
(1) 、μ(2) を使用して表した複素電気泳動易動度の実
数部及び虚数部の最適フィッティング曲線である。
FIG. 6 shows φmIs 4.74% in lamella phase
Kick μ*In the figure which shows the result of measuring the frequency spectrum of
is there. Area (1) divided in order from the highest frequency,
Defining (2) and (3), complex swimming in each area
Includes absolute mobility μ, diffusion constant D, and friction coefficient γ
The numbers (1), (2) and (3) are attached. Imaginary component of figure
The relaxation time calculated from the peak value of
To τH, ΤLAnd Absolute value of flat area of real number component of figure
μ in order from the highest frequency(1), Μ(2)Tosu
It From the figure, τH= 1.7 × 10-Fours, τL= 6.6 ×
10 -2s, μ(1)= 1.5 × 10-8Cm / Ns, and μ
(2)= 9.2 × 10-9It can be seen that it is Cm / Ns.
The solid line and the dotted line in FIG.H, ΤLAnd μ
(1), Μ(2)The complex electrophoretic mobility index expressed using
It is an optimal fitting curve of a part and an imaginary part.

【0088】複素電気泳動易動度の絶対値であるμ(1)
及びμ(2) は、ラメラ構造のない水中で測定した易動度
μ0 (=5.7×10-8Cm/Ns)より遙かに小さ
い。プローブ粒子の電気運動的性質が2分子膜33の存
在によって影響を受けていないとすれば、この易動度の
変化はプローブ粒子の摩擦係数γの増加によるものであ
る。電気泳動易動度μは、媒体の摩擦係数γ(=粘性係
数η)と単純に逆比例関係にあり、またStokesの
法則から、摩擦係数γ(1) ,γ(2) は、η0 を水中の粘
性係数として、γ(1) =6πη0 aμ0 /μ(1) 、及び
γ(2) =6πη0aμ0 /μ(2) から求めることがで
き、測定値μ(1) 、μ(2) を代入することにより、γ
(1) =1.34×10 -9 Ns/m及び、γ(2) =2.
18×10-9Ns/mが得られる。
The absolute value of complex electrophoretic mobility μ (1)
And μ (2) are much smaller than the mobility μ 0 (= 5.7 × 10 −8 Cm / Ns) measured in water without lamella structure. Assuming that the electrokinetic properties of the probe particles are not affected by the presence of the bilayer membrane 33, this change in mobility is due to an increase in the friction coefficient γ of the probe particles. The electrophoretic mobility μ is simply inversely proportional to the friction coefficient γ (= viscosity coefficient η) of the medium, and according to Stokes' law, the friction coefficients γ (1) and γ (2) are η 0 . The viscosity coefficient in water can be obtained from γ (1) = 6πη 00 / μ (1) and γ (2) = 6πη 00 / μ (2) , and the measured values μ (1) , μ By substituting (2) , γ
(1) = 1.34 × 10 −9 Ns / m and γ (2) = 2.
18 × 10 −9 Ns / m is obtained.

【0089】観測された緩和現象を、プローブ粒子が何
らかのポテンシャル障壁中に閉じ込められることに基づ
くと仮定すれば、ポテンシャルのゆらぎ振幅を定義する
ことができる。ゆらぎ振幅〈x2 1/2 は、測定したτ
H ,τL ,γ(1) ,γ(2) から(数21)式を用いて求
めることができる。τH に対応する〈x1 21/2 は33
nm、τL に対応する〈x2 21/2 は500nmであっ
た。C125 /ヘキサノール/水系のラメラ相は、柔軟
性を有する2分子膜33の立体構造的相互作用によって
主に安定化されており、また、図3に示したように、2
つの特性長があることが知られている。一つは、向かい
合う2分子膜間に生じている突起34間の平均距離、す
なわちぶつかり合い距離ξであり、κ(κ≒kB T)を
2分子膜33の平均曲率弾性率として、ξ≒(κ/kB
T)1/2 d≒dであることが知られている。もう一つ
は、2分子膜の配向の程度を示す配向の相関長Lであ
り、Lは、βを2分子膜33の厚さとして、L≒βex
p(2πκ/kB T)で求められることが知られてお
り、Lは約500nmである。ラメラ構造のこれらの2
つの特性長、ξ/2(φm =4.74%で32nm)及
びLは、実験から求めた〈x1 21/2 =33nm、及び
〈x2 21/2 =500nmに非常に近い値である。
Assuming that the observed relaxation phenomenon is based on the confinement of the probe particles in some potential barrier, the fluctuation amplitude of the potential can be defined. The fluctuation amplitude <x 2 > 1/2 is the measured τ
It can be calculated from H , τ L , γ (1) , and γ (2) using the equation (21). <x 1 2 > 1/2 corresponding to τ H is 33
<x 2 2 > 1/2 corresponding to nm and τ L was 500 nm. The C 12 E 5 / hexanol / water lamellar phase is mainly stabilized by the three-dimensional structural interaction of the flexible bilayer membrane 33, and as shown in FIG.
It is known that there are two characteristic lengths. One is the average distance between to have protrusions 34 that occur between opposing bilayer membrane, i.e. a mutual distance xi] collide, kappa and (κ ≒ k B T) as the average curvature modulus of bilayer 33, xi] ≒ (Κ / k B
It is known that T) 1/2 d≈d. The other is the correlation length L of the orientation showing the degree of orientation of the bilayer film, and L is L≈βex where β is the thickness of the bilayer film 33.
It is known to be calculated by p (2πκ / k B T), and L is about 500 nm. These two of the lamella structure
The two characteristic lengths, ξ / 2 (32 nm at φ m = 4.74%) and L, are very small at <x 1 2 > 1/2 = 33 nm and <x 2 2 > 1/2 = 500 nm obtained from the experiment. It is a close value.

【0090】このことはポテンシャル障壁が柔軟な2分
子膜33によって形成され、また、プローブ粒子はある
程度これらの特性長中に閉じこめられることを示してい
る。すなわち、最も周波数が高い領域(領域(1))に
おいては、プローブ粒子はξ以内で自由に拡散できる。
領域(2)においては、プローブ粒子は2分子膜の衝突
点間に弱く閉じこめられており、長さξの寸法を有する
トラップサイトからさらに遠くへ拡散するためにはトラ
ップサイト間をホップすることが必要である。最も周波
数の低い領域(領域(3))においては、μ* は減少し
て0になっており、ほとんど全ての粒子は長さLの領域
にトラップされることを意味している。実際のラメラ構
造においては、早い緩和時間を有するトラップサイトは
時間と共に動的に揺らいでおり、消失、再構築を繰り返
すと考えられている。トラップサイトの最短の再構築時
間τm は、τm ≒ηξ3 /κで与えられる。本実施例に
おいては、d>2aであるのでτm >τH が常に満足さ
れるから、早い緩和現象におけるトラップサイトの再構
築は無視することができる。
This indicates that the potential barrier is formed by the flexible bilayer film 33, and the probe particles are confined to some extent within these characteristic lengths. That is, in the highest frequency region (region (1)), the probe particles can freely diffuse within ξ.
In the region (2), the probe particles are weakly confined between the collision points of the bilayer membrane, and in order to diffuse further away from the trap site having the dimension of length ξ, it is possible to hop between the trap sites. is necessary. In the region of the lowest frequency (region (3)), μ * decreases to 0, which means that almost all particles are trapped in the region of length L. In an actual lamella structure, trap sites having a fast relaxation time dynamically fluctuate with time, and it is considered that the trap sites repeatedly disappear and rebuild. The shortest reconstruction time τ m of the trap site is given by τ m ≈ηξ 3 / κ. In this example, since d> 2a, τ m > τ H is always satisfied, so that the reconstruction of the trap site in the early relaxation phenomenon can be ignored.

【0091】領域(1)において、プローブ粒子はラメ
ラ構造に直接トラップされていないにも関わらず、摩擦
係数γ(1) は、粒子の大きさからStokesの法則を
用いて推定したγ0 よりも大きい。図7は摩擦係数γ
(1) のC125 濃度依存性を測定した結果を示す図であ
る。縦軸は摩擦係数γ(1) の摩擦係数γ0 に対する比の
逆数を示し、横軸は、体積分率φm より求めた2分子膜
33の特性長の逆数1/ξ(=φm /β)を濃度の代わ
りに用いている。図において○は、μ(1) /μ0 から求
めた摩擦係数γ(1) の摩擦係数γ0 に対する比の逆数を
示している。図において●は、緩和時間τH から推定し
たγ(1)、すなわち、γ(1) =2kB TτH /ξ2 から
推定した摩擦係数γ(1) の摩擦係数γ0 に対する比の逆
数を示している。2つの方法で求めたγ0 /γ(1) は最
も濃度の高い試料(φm =5.9%)を除いては良い一
致を示している。
In the region (1), although the probe particles are not directly trapped in the lamella structure, the friction coefficient γ (1) is larger than γ 0 estimated from the particle size by using Stokes' law. large. Figure 7 shows the friction coefficient γ
It is a diagram showing the results of measuring the C 12 E 5 Concentration dependence (1). The vertical axis represents the reciprocal of the ratio of the friction coefficient γ (1) to the friction coefficient γ 0 , and the horizontal axis represents the reciprocal of the characteristic length of the bilayer membrane 33 obtained from the volume fraction φ m 1 / ξ (= φ m / β) is used instead of concentration. In the figure, ○ indicates the reciprocal of the ratio of the friction coefficient γ (1) obtained from μ (1) / μ 0 to the friction coefficient γ 0 . In FIG ● it was estimated from the relaxation time τ H γ (1), i.e., gamma the inverse of the ratio of the friction coefficient gamma 0 of (1) = 2k B Tτ H / ξ 2 Friction coefficient was estimated from gamma (1) Shows. Γ 0 / γ (1) obtained by the two methods shows good agreement except for the sample with the highest concentration (φ m = 5.9%).

【0092】φm の増加によるγ(1) の著しい増加は、
2分子膜の壁の間に粒子が閉じこめられるために生ずる
と考えられる。距離2ξで向かい合わせた2枚の堅い境
界層の近傍にある球状の粒子の摩擦係数を、滑り無しの
条件でStokesの法則で計算した値を図の実線で、
また、半径ξ0 の無限円筒における球状の粒子の摩擦係
数を計算した値を図の点線で示している。これらの計算
においては、粒子がそれぞれの壁のセンターラインを移
動するとして計算されているが、これらの壁において
は、γ0 /γ(1) の粒子の移動位置依存性は小さいこと
が実験的に知られている。本実施例の全ての実測値は、
実線及び点線の間に入っている。移動するプローブ粒子
に働くストレスの違いは、プローブ粒子の周囲の壁の空
間的配置によって説明できる。すなわち、平板の壁の間
にあるプローブ粒子は運動の自由度として2次元の自由
度を有しているが、円筒中のプローブ粒子は1次元の自
由度しか有していない。図7に示したように、本実施例
の測定結果が実線と点線の間に全て存在することは、揺
動する2分子膜33の間にあるプローブ粒子の運動の自
由度は2より小さく1よりも大きいことを示している。
The significant increase in γ (1) with increasing φ m is
It is thought to occur because particles are trapped between the walls of the bilayer. The solid line in the figure shows the value calculated by Stokes' law for the friction coefficient of spherical particles in the vicinity of two rigid boundary layers facing each other at a distance of 2ξ, under the condition of no slip.
Also, the calculated value of the friction coefficient of spherical particles in an infinite cylinder having a radius ξ 0 is shown by the dotted line in the figure. In these calculations, particles are calculated as moving along the center line of each wall, but it is experimentally found that the moving position dependence of γ 0 / γ (1) on these walls is small. Known to. All measured values in this example are
It is between the solid and dotted lines. The difference in stress exerted on the moving probe particles can be explained by the spatial arrangement of the walls around the probe particles. That is, the probe particles between the walls of the flat plate have two-dimensional degrees of freedom as the degrees of freedom of movement, but the probe particles in the cylinder have only one-dimensional degree of freedom. As shown in FIG. 7, the fact that the measurement results of the present embodiment are all present between the solid line and the dotted line means that the degree of freedom of movement of the probe particle between the oscillating bilayer membranes 33 is less than 2. Is greater than.

【0093】摩擦係数γ(3) は、プローブ粒子の拡散定
数Dから、γ(3) =kB T/Dとして求めることができ
る。本実施例においては散乱角を、2π/q(≒3μ
m)>ξの条件を満足するように選んでいるので、散乱
光強度がプローブ粒子の衝突の記憶を失うまでには、プ
ローブ粒子が大きさξのトラップサイトをホッピングに
よって約3μm拡散する時間が必要であり、測定された
拡散定数D(3) はこの条件を満たしている。
The friction coefficient γ (3) can be obtained from the diffusion constant D of the probe particles as γ (3) = k B T / D. In this embodiment, the scattering angle is set to 2π / q (≈3μ
Since m)> ξ is satisfied, it takes about 3 μm for the probe particle to hop trap sites of size ξ by hopping before the scattered light intensity loses memory of collision of probe particles. It is necessary and the measured diffusion constant D (3) satisfies this condition.

【0094】図8は、拡散定数D(3) の測定結果を示す
図である。拡散定数D(3) は、φm =4.74%の試料
で測定し、(数6)式を用いて求めた。D(3) から相関
時間(=1/D(3) 2 )は約230sとなり、非常に
ゆっくりとした揺らぎが観測された。D(3) から求めた
γ(3) はγ0 よりも約1.4×104 倍も大きい。γ
(3) がこのように大きな値を示すことは、プローブ粒子
が殆ど完全に領域(3)の寸法L内にトラップされてい
ることを示している。この領域におけるプローブ粒子の
ホッピングは2つの可能な過程が考えられる。一つは、
プローブ粒子がポテンシャル障壁をジャンプする過程で
あり、他の一つは、ラメラ構造の動的な再組織化過程で
ある。
FIG. 8 is a diagram showing the measurement results of the diffusion constant D (3) . The diffusion constant D (3) was measured using a sample with φ m = 4.74% and was calculated using the equation (6). From D (3) , the correlation time (= 1 / D (3) q 2 ) was about 230 s, and a very slow fluctuation was observed. Γ (3) obtained from D (3) is about 1.4 × 10 4 times larger than γ 0 . γ
The fact that (3) shows such a large value indicates that the probe particles are almost completely trapped within the dimension L of the region (3). There are two possible processes for hopping probe particles in this region. one,
This is the process by which the probe particles jump the potential barrier, and the other is the dynamic reorganization process of the lamella structure.

【0095】以上まとめると、非イオン性希薄ラメラ相
中に分散したナノメーターサイズのコロイド粒子の複素
電気泳動易動度μ* を測定し、ラメラ構造の2つの特性
長を求め、輸送特性を解明した。本発明の方法によれ
ば、より複雑なシステム、例えば、生体細胞などの輸送
現象の解明に役立つ。
In summary, the complex electrophoretic mobility μ * of nanometer-sized colloidal particles dispersed in a nonionic dilute lamella phase was measured, two characteristic lengths of the lamella structure were obtained, and the transport characteristics were clarified. did. INDUSTRIAL APPLICABILITY The method of the present invention is useful for elucidating the transport phenomenon of more complicated systems such as living cells.

【0096】次に、本発明の第2の実施の形態を説明す
る。図9は、本発明のレーザートラッピングを用いた複
雑流体の局所粘性測定方法を説明する模式図である。図
において、72は散乱光と参照光の光路とを一致させる
光学部材であるビームスプリッター、74はレーザート
ラッピング用レーザー光を収束しかつ散乱光を平行光束
とする光学部材、79は光路の一致した参照光と散乱光
を同一の焦点に収光する光学部材である。レーザートラ
ッピング光71は、ビームスプリッター72を介して、
被測定媒体73とビームスプリッター72の間に配置さ
れた光学部材74によって集光され、プローブ粒子75
に照射される。プローブ粒子75からの散乱光76は光
路を逆にたどって光学部材74により平行光束となり、
ビームスプリッターの反射面77で垂直に光路を変え、
レーザートラッピング光71に直交する方向からビーム
スプリッター72に入射する参照レーザー光78と光路
を一致させて混合される。混合した散乱光76と参照レ
ーザー光78は、光学部材79によって同一の焦点、す
なわち共焦点80に集光される。共焦点80に配置した
光検出器81によって光ヘテロダイン信号が電気信号8
2に変換される。レーザートラッピング光71に垂直な
被測定媒体73の上面と下面には電極83,83が設け
られており、所定の正弦波状電圧84を印加する。
Next, a second embodiment of the present invention will be described. FIG. 9 is a schematic diagram illustrating a method for measuring local viscosity of a complex fluid using laser trapping according to the present invention. In the figure, 72 is a beam splitter that is an optical member that matches the optical paths of the scattered light and the reference light, 74 is an optical member that converges the laser beam for laser trapping and makes the scattered light into a parallel light beam, and 79 is the same optical path. It is an optical member that collects the reference light and the scattered light at the same focal point. The laser trapping light 71 passes through the beam splitter 72,
An optical member 74 arranged between the medium to be measured 73 and the beam splitter 72 collects the probe particles 75.
Is irradiated. The scattered light 76 from the probe particle 75 traces the optical path in the opposite direction to become a parallel light flux by the optical member 74,
Change the optical path vertically with the reflective surface 77 of the beam splitter,
The reference laser light 78 incident on the beam splitter 72 from a direction orthogonal to the laser trapping light 71 is mixed with its optical path aligned. The mixed scattered light 76 and the reference laser light 78 are condensed by the optical member 79 at the same focal point, that is, the confocal point 80. The optical heterodyne signal is converted into the electrical signal 8 by the photodetector 81 arranged at the confocal point 80.
Converted to 2. Electrodes 83, 83 are provided on the upper and lower surfaces of the measured medium 73 perpendicular to the laser trapping light 71, and a predetermined sinusoidal voltage 84 is applied.

【0097】電気信号82から、複素電気泳動易動度を
求める方法は、上記に説明した第1の実施の形態の場合
と較べ簡略化される。すなわち、レーザートラッピング
光71によりプローブ粒子75がレーザートラッピング
され、プローブ粒子75のブラウン運動が抑制されてい
るので、(数5)式におけるsin(cn )及びcos
(cn )が定数となり、直接、基本波と高調波のロック
イン検出を行い、(数5)式から複素電気泳動易動度の
絶対値、及び遅延位相を求めることができる。したがっ
て、第1の実施の形態のアナログ2乗演算の必要が無く
なり、計算に要する遅延時間の制限が無くなるため、1
00MHz帯域でも測定ができる。また、プローブ粒子
75を変位させる方向と散乱光76の方向が一致してい
るので、散乱光76の正弦波状電圧84に対する光路差
が大きくなり、高感度に検出できる。また、第1の実施
の形態で説明したように、正弦波状電場の周波数が高い
領域においては、特に高調波の信号成分が小さくなり、
基本波と高調波から求める複素電気泳動易動度の絶対値
は精度が悪くなる。この場合には、第1の実施の形態と
同様に、低周波の正弦波状電場(Ω)で予めμ(Ω)を
求めておき、低周波の正弦波状電場(Ω)と高周波の正
弦波状電場(ω)とを加えた正弦波状電場を印加し、基
本波を、Ω及びωで直接ロックイン検出し、これらの検
出信号の比と予め求めたμ(Ω)とから、高周波領域の
複素電気泳動易動度の絶対値μ(ω)を精度良く求める
ことができる。
The method of obtaining the complex electrophoretic mobility from the electric signal 82 is simplified as compared with the case of the first embodiment described above. That is, since the probe particles 75 are laser-trapped by the laser trapping light 71 and the Brownian motion of the probe particles 75 is suppressed, sin (c n ) and cos in the equation (5) are calculated.
(C n ) becomes a constant, and the lock-in detection of the fundamental wave and the harmonic wave can be performed directly, and the absolute value of the complex electrophoretic mobility and the delay phase can be obtained from the equation (5). Therefore, the analog square calculation of the first embodiment is not necessary, and the delay time required for calculation is not limited.
Measurement can be performed in the 00 MHz band. Further, since the direction in which the probe particles 75 are displaced and the direction of the scattered light 76 coincide with each other, the optical path difference of the scattered light 76 with respect to the sinusoidal voltage 84 becomes large, and detection can be performed with high sensitivity. Further, as described in the first embodiment, particularly in the high frequency region of the sinusoidal electric field, the harmonic signal component becomes small,
The absolute value of the complex electrophoretic mobility obtained from the fundamental wave and the harmonic wave becomes inaccurate. In this case, as in the first embodiment, μ (Ω) is obtained in advance by the low frequency sinusoidal electric field (Ω), and the low frequency sinusoidal electric field (Ω) and the high frequency sinusoidal electric field are obtained. (Ω) is added to apply a sinusoidal electric field, the fundamental wave is directly lock-in detected with Ω and ω, and the complex electric field in the high frequency region is calculated from the ratio of these detection signals and μ (Ω) obtained in advance. The absolute value of migration mobility μ (ω) can be accurately obtained.

【0098】また、被測定媒体73をピエゾステージに
搭載し、被測定媒体73の位置を3次元にわたって精密
に制御することにより、被測定媒体の3次元計測が可能
になる。また、光学部材74として、焦点距離が可変の
光学部材、または焦点距離は固定であるがレーザートラ
ッピング用レーザー光71の光路方向に移動できる光学
部材を使用すれば、集光位置を任意に選べるから被測定
媒体73の任意の深さに存在するプローブ粒子75に集
光でき、被測定媒体73の任意の深さの個所を測定でき
る。また、レーザートラッピング用レーザー光源と、参
照レーザー光用光源と、光学部材74と、ビームスプリ
ッター72と、光学部材79と、光検出器81とを一体
に構成して構成単位とし、構成単位を被測定媒体73の
表面に沿って移動すれば集光位置を被測定媒体73の表
面に沿って移動できる。このように集光位置を被測定媒
体73の深さ方向に移動でき、かつ表面に沿って移動で
きるので、被測定媒体の3次元計測が可能である。ま
た、レーザートラッピング用レーザー光源と参照レーザ
ー光用光源は固定し、レーザートラッピング用レーザー
光源と参照レーザー光用光源からのレーザー光を光ファ
イバ等のフレキシブルな光導波路でビームスプリッター
72に導いても良い。
Further, by mounting the medium to be measured 73 on the piezo stage and precisely controlling the position of the medium to be measured 73 over three dimensions, the three-dimensional measurement of the medium to be measured becomes possible. Further, as the optical member 74, an optical member having a variable focal length or an optical member having a fixed focal length but capable of moving in the optical path direction of the laser beam 71 for laser trapping can be used to arbitrarily select the focusing position. It is possible to focus on the probe particles 75 existing at an arbitrary depth of the measured medium 73, and to measure a position of the measured medium 73 at an arbitrary depth. Further, the laser trapping laser light source, the reference laser light source, the optical member 74, the beam splitter 72, the optical member 79, and the photodetector 81 are integrally configured as a constituent unit, and the constituent unit is covered. By moving along the surface of the measurement medium 73, the focus position can be moved along the surface of the measurement medium 73. In this way, the light collection position can be moved in the depth direction of the medium-to-be-measured 73 and can be moved along the surface, so that three-dimensional measurement of the medium-to-be-measured is possible. The laser light source for laser trapping and the light source for reference laser light may be fixed, and the laser light from the laser light source for laser trapping and the light source for reference laser light may be guided to the beam splitter 72 by a flexible optical waveguide such as an optical fiber. .

【0099】本発明の方法を用いれば、被測定媒体73
の広帯域3次元複素電気泳動易動度が測定でき、従って
広帯域3次元粘弾性が測定できる。また例えば、プロー
ブ粒子75の被測定媒体73の内部構造との相互作用に
よるトラップ位置のずれといった計測も可能になる。特
に、被測定媒体73として膨潤ゲルを適用すれば有用で
ある。膨潤ゲルは、膨潤ゲルの網目構造中における輸送
速度の違いで物質を分離するクロマトグラフィや電気泳
動の担体として利用されているが、本発明の方法を適用
すれば担体ゲル中での輸送現象のダイナミクスを網目構
造とその中に分散した物質との局所的相互作用にさかの
ぼって解明することが可能になる。
Using the method of the present invention, the medium to be measured 73
The broadband three-dimensional complex electrophoretic mobility can be measured, and thus the broadband three-dimensional viscoelasticity can be measured. In addition, for example, it is possible to measure the displacement of the trap position due to the interaction of the probe particles 75 with the internal structure of the medium 73 to be measured. In particular, it is useful to apply a swollen gel as the medium 73 to be measured. The swollen gel is used as a carrier for chromatography or electrophoresis that separates substances according to the difference in transport rate in the network structure of the swollen gel, but by applying the method of the present invention, the dynamics of the transport phenomenon in the carrier gel. Can be traced back to the local interaction between the network structure and the substances dispersed in it.

【0100】[0100]

【発明の効果】上記説明から理解されるように、本発明
によれば、複雑流体中の局所粘弾性のスペクトルを測定
することができ、複雑流体の構造に基づく特性長を求め
ることができ、また、複雑流体中の輸送現象に関する知
見を得ることができる。コロイド粒子をプローブに用い
て局所的な粘弾性を測定する方法は、マクロな不均一構
造を研究する手法として近年注目を集めているが、これ
らの従来の手法に対して本発明の方法は、プローブ粒子
を複雑流体の内部構造よりも小さくできるために、様々
な空間スケールでの測定が行えることを特徴としてい
る。また、本発明の複素易動度測定方法は、ブラウン運
動の影響を積極的に除去することによって、高精度で広
帯域な測定を可能にしたことを特徴としており、系の平
均的応答のみが観測される従来の電気的緩和スペクトロ
スコピー手法では原理的に実現不可能である単一粒子計
測を可能にしたものである。また、本発明の測定方法
は、高いノイズ除去性能を持ち、散乱能の強い媒質中で
も測定可能であるので、本発明の測定方法を用いた測定
装置、例えばプローブ顕微鏡は、希薄試料のみならず生
体をはじめとした不均一系にも適用することができる。
近年、固体表面の形状や粘弾性的性質を可視光の回折限
界であるサブミクロンを遙かに越えたナノメートルの分
解能で測定する各種の走査型プローブ顕微鏡が急速に普
及し、界面物理やナノテクノロジーの発展に大いに寄与
している。このような流れの中で、本発明は、複雑流体
中の3次元構造と局所的粘弾性スペクトルをイメージン
グするシステム、例えばプローブ顕微鏡を可能とするも
のである。この測定装置は、本発明が可能にした3次元
領域におけるミクロな分解能と広帯域測定によって実現
できるものであり、生体をはじめとした複雑流体中で生
じている構成要素間の様々な相互作用あるいは輸送現象
の局所的ダイナミクスに関する情報を得ることができる
ものである。
As can be understood from the above description, according to the present invention, the spectrum of local viscoelasticity in a complex fluid can be measured, and the characteristic length based on the structure of the complex fluid can be obtained. In addition, it is possible to obtain knowledge about the transport phenomenon in a complex fluid. The method of measuring local viscoelasticity using colloidal particles as a probe has recently attracted attention as a method of studying a macroscopic inhomogeneous structure, but the method of the present invention is different from these conventional methods. Since the probe particles can be made smaller than the internal structure of the complex fluid, it is possible to measure at various spatial scales. Further, the complex mobility measuring method of the present invention is characterized in that it enables high-accuracy and wide-band measurement by positively removing the influence of Brownian motion, and only the average response of the system is observed. This method enables single particle measurement, which cannot be realized in principle by the conventional electric relaxation spectroscopy method. Further, the measuring method of the present invention has a high noise removal performance and can be measured even in a medium having a strong scattering ability, and therefore, a measuring apparatus using the measuring method of the present invention, for example, a probe microscope, is not limited to a diluted sample, but a living body. It can also be applied to heterogeneous systems such as.
In recent years, various scanning probe microscopes that measure the shape and viscoelastic properties of solid surfaces with nanometer resolution far beyond the submicron range, which is the diffraction limit of visible light, have rapidly become widespread. It greatly contributes to the development of technology. In such a flow, the present invention enables a system for imaging a three-dimensional structure and a local viscoelastic spectrum in a complex fluid, for example, a probe microscope. This measuring device can be realized by the microscopic resolution and wide band measurement in the three-dimensional region enabled by the present invention, and various interactions or transport between constituent elements occurring in a complex fluid such as a living body. Information about the local dynamics of a phenomenon can be obtained.

【図面の簡単な説明】[Brief description of drawings]

【図1】本発明の複素電気泳動易動度を測定する方法に
用いる測定装置の構成を示す概略図である。
FIG. 1 is a schematic diagram showing the configuration of a measuring apparatus used in the method for measuring complex electrophoretic mobility of the present invention.

【図2】本発明の方法によって測定した複素電気泳動易
動度の周波数特性の一例を示すグラフである。
FIG. 2 is a graph showing an example of frequency characteristics of complex electrophoretic mobility measured by the method of the present invention.

【図3】ラメラ構造の模式図である。FIG. 3 is a schematic diagram of a lamella structure.

【図4】C125 とヘキサノールと水の混合割合(モル
%)と膜間距離dとの関係を示す表である。
FIG. 4 is a table showing the relationship between the mixing ratio (mol%) of C 12 E 5 , hexanol and water and the inter-membrane distance d.

【図5】プローブ粒子(ポリスチレン・ラテックス、2
a=42nm)の、C125 とヘキサノールと水からな
る被測定媒体から構造物C125 とヘキサノールを除い
た流体、すなわち、水中における複素電気泳動易動度を
測定した結果を示すグラフである。
FIG. 5: Probe particles (polystyrene latex, 2
a = 42 nm) of a graph showing C 12 E 5 and hexanol and fluid from the medium to be measured without the structure C 12 E 5 and hexanol comprising water, i.e., the result of measuring the complex electrophoretic mobility in water Is.

【図6】ラメラ相における複素電気泳動易動度の周波数
スペクトルを測定した結果を示すグラフである。
FIG. 6 is a graph showing the results of measuring the frequency spectrum of complex electrophoretic mobility in the lamella phase.

【図7】摩擦係数のC125 濃度依存性を測定した結果
を示すグラフである。
FIG. 7 is a graph showing the results of measuring the C 12 E 5 concentration dependence of the friction coefficient.

【図8】拡散定数D(3) の測定結果を示すグラフであ
る。
FIG. 8 is a graph showing measurement results of diffusion constant D (3) .

【図9】本発明のレーザートラッピングを用いた複雑流
体の局所粘性測定方法を説明する模式図である。
FIG. 9 is a schematic diagram illustrating a method for measuring local viscosity of a complex fluid using laser trapping according to the present invention.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1 複素電気泳動易動度測定装置 2 被測定媒体 3 容器 4 入射レーザー光線 5 参照レーザー光線 6 光検出器 7 検出信号 8 基本波及び高調波成分 9 バンドパスフィルター 10 アナログ乗算器 11 2倍波成分 12 ロックイン・アンプ 13 電極 14 信号 15 シンセサイザー 16 高電圧アンプ 31 疎水基 32 親水基 33 2分子膜 34 突起 71 レーザートラッピング光 72 ビームスプリッター 73 被測定媒体 74 光学部材 75 プローブ粒子 76 散乱光 77 反射面 78 参照レーザー光 79 光学部材 80 共焦点 81 光検出器 82 電気信号 83 電極 84 正弦波状電圧 1 Complex electrophoresis mobility measuring device 2 Medium to be measured 3 containers 4 incident laser beam 5 Reference laser beam 6 Photodetector 7 detection signal 8 Fundamental and harmonic components 9 band pass filter 10 analog multiplier 11 Second harmonic component 12 Lock-in amplifier 13 electrodes 14 signals 15 Synthesizer 16 High voltage amplifier 31 Hydrophobic group 32 hydrophilic group 33 bilayer membrane 34 Protrusion 71 laser trapping light 72 Beam splitter 73 Medium to be measured 74 Optical member 75 probe particles 76 scattered light 77 Reflective surface 78 Reference laser light 79 Optical member 80 confocal 81 Photodetector 82 Electric signal 83 electrodes 84 Sine voltage

Claims (21)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 ナノメーター寸法のプローブ粒子を被測
定複雑流体中に混入し、この被測定複雑流体に入射光と
参照光とを照射すると共に上記プローブ粒子に正弦波状
電場を印加し、上記プローブ粒子の散乱光と上記参照光
との光ヘテロダイン信号を電気信号に変換し、この電気
信号から正弦波状電場の周波数に関する基本波成分と高
調波成分とを取り出し、この基本波成分と高調波成分の
それぞれをアナログ2乗演算し、このアナログ2乗演算
された基本波成分と高調波成分をそれぞれロックイン検
出して複素電気泳動易動度の絶対値と遅延位相を求め、
上記正弦波状電場の各々の周波数における上記絶対値と
遅延位相とから上記複素電気泳動易動度のスペクトルを
求め、この複素電気泳動易動度スペクトルから上記被測
定複雑流体の局所領域の粘弾性、及び上記被測定複雑流
体の構造に基づく特性長を求めることを特徴とする、複
雑流体の局所粘弾性測定法。
1. A probe particle having a size of nanometer is mixed in a complex fluid to be measured, the complex fluid to be measured is irradiated with incident light and reference light, and a sinusoidal electric field is applied to the probe particle to obtain the probe. The optical heterodyne signal of the scattered light of the particles and the reference light is converted into an electric signal, and the fundamental wave component and the harmonic component related to the frequency of the sinusoidal electric field are extracted from this electric signal, and the fundamental wave component and the harmonic component The analog square calculation is performed on each of them, and the fundamental wave component and the harmonic component obtained by the analog square calculation are respectively detected by lock-in to obtain the absolute value and the delay phase of the complex electrophoretic mobility.
Obtain the spectrum of the complex electrophoretic mobility from the absolute value and the delay phase at each frequency of the sinusoidal electric field, viscoelasticity of the local region of the complex fluid to be measured from the complex electrophoretic mobility spectrum, And a method for measuring local viscoelasticity of a complex fluid, characterized in that the characteristic length based on the structure of the complex fluid to be measured is obtained.
【請求項2】 前記複素電気泳動易動度の絶対値と遅延
位相を求める方法は、前記アナログ2乗演算された基本
波成分と高調波成分のブラウン運動による揺らぎが平均
化されて0になるように前記ロックイン・アンプの時定
数を十分大きくして、上記アナログ2乗演算された基本
波成分と高調波成分とを同時に2位相ロックイン検出
し、それぞれの2位相ロックイン検出信号の絶対値の比
から上記複素電気泳動易動度の絶対値を求め、上記2位
相ロックイン検出信号の位相角から遅延位相を求めるこ
とを特徴とする、請求項1に記載の複雑流体の局所粘弾
性測定法。
2. In the method of obtaining the absolute value of the complex electrophoretic mobility and the delay phase, fluctuations due to Brownian motion of the analog-squared fundamental wave component and the harmonic component are averaged to zero. As described above, the time constant of the lock-in amplifier is made sufficiently large to detect the two-phase lock-in of the fundamental wave component and the harmonic component, which have been analog-squared, at the same time. The local viscoelasticity of the complex fluid according to claim 1, wherein an absolute value of the complex electrophoretic mobility is obtained from a ratio of values, and a delay phase is obtained from a phase angle of the two-phase lock-in detection signal. Measurement method.
【請求項3】 前記複素電気泳動易動度の高周波領域の
絶対値を求める方法は、前記正弦波状電場を低周波に設
定して請求項2に記載の方法で該低周波領域の複素電気
泳動易動度の絶対値を求め、印加電場を上記低周波の正
弦波状電場と上記高周波の正弦波状電場との和で構成
し、前記アナログ2乗演算された基本波成分のブラウン
運動による揺らぎが平均化されるように前記ロックイン
・アンプの時定数を十分大きくして、上記アナログ2乗
演算された基本波成分を上記低周波及び上記高周波の2
つの周波数で同時にロックイン検出し、それぞれのロッ
クイン検出信号の絶対値の比を求め、該比と上記低周波
領域の複素電気泳動易動度の絶対値とから求めることを
特徴とする、請求項1に記載の複雑流体の局所粘弾性測
定法。
3. The method for obtaining the absolute value of the complex electrophoretic mobility in the high frequency region, the complex electrophoretic electrophoresis in the low frequency region according to claim 2, wherein the sinusoidal electric field is set to a low frequency. The absolute value of the mobility is calculated, and the applied electric field is composed of the sum of the low frequency sinusoidal electric field and the high frequency sinusoidal electric field, and the fluctuation due to the Brownian motion of the fundamental wave component calculated by the analog square operation is averaged. The time constant of the lock-in amplifier is set sufficiently large so that the fundamental wave component calculated by the analog square operation is divided into the low frequency and the high frequency.
Lock-in detection at one frequency at the same time, obtain a ratio of absolute values of respective lock-in detection signals, and obtain from the ratio and the absolute value of complex electrophoretic mobility in the low frequency region. Item 2. A method for measuring local viscoelasticity of a complex fluid according to Item 1.
【請求項4】 ナノメーター寸法のプローブ粒子を被測
定複雑流体中に混入し、この被測定複雑流体に正弦波状
電場を印加すると共に上記プローブ粒子にトラッピング
レーザー光を集光してプローブ粒子をレーザートラップ
し、上記プローブ粒子からの散乱光と参照光とを共焦点
位置に集光し、この共焦点位置で上記散乱光と上記参照
光との光ヘテロダイン信号を電気信号に変換し、この電
気信号から正弦波状電場の周波数に関する基本波成分と
高調波成分とを取り出し、この基本波成分と高調波成分
をそれぞれロックイン検出して複素電気泳動易動度の絶
対値と遅延位相を求め、上記正弦波状電場の周波数に関
する複素電気泳動易動度スペクトルを求め、この複素電
気泳動易動度スペクトルから上記被測定複雑流体の局所
領域の粘弾性と、上記被測定複雑流体の構造に基づく特
性長を求めることを特徴とする、複雑流体の局所粘弾性
測定法。
4. A probe particle having a nanometer size is mixed into a complex fluid to be measured, a sinusoidal electric field is applied to the complex fluid to be measured, and trapping laser light is focused on the probe particle to laser the probe particle. Trap, collect the scattered light from the probe particles and the reference light at the confocal position, convert the optical heterodyne signal of the scattered light and the reference light at the confocal position into an electrical signal, and this electrical signal The fundamental wave component and the harmonic component related to the frequency of the sinusoidal electric field are extracted from, and the absolute value and the delay phase of the complex electrophoretic mobility are obtained by lock-in detection of the fundamental wave component and the harmonic component, respectively. The complex electrophoretic mobility spectrum for the frequency of the wavy electric field is obtained, and from this complex electrophoretic mobility spectrum, the viscoelasticity of the local region of the complex fluid to be measured and A method for measuring the local viscoelasticity of a complex fluid, characterized in that the characteristic length based on the structure of the complex fluid to be measured is obtained.
【請求項5】 前記トラッピングレーザー光の光路に垂
直な前記複雑流体の上下面に電極を設け、この電極に上
記正弦波状電場を印加することを特徴とする、請求項4
に記載の複雑流体の局所粘弾性測定法。
5. An electrode is provided on the upper and lower surfaces of the complex fluid perpendicular to the optical path of the trapping laser beam, and the sinusoidal electric field is applied to the electrode.
A method for measuring local viscoelasticity of a complex fluid described in 1.
【請求項6】 前記トラッピングレーザー光を集光する
光学部材で散乱光を平行光束化し、光路を一致させる光
学部材で上記平行光束化した散乱光の光路と上記参照光
の光路とを一致させ、この光路の一致した散乱光と参照
光とを共通の光学部材で集光することにより前記散乱光
と参照光とを共焦点位置に集光することを特徴とする、
請求項4に記載の複雑流体の局所粘弾性測定法。
6. An optical member for condensing the trapping laser light converts the scattered light into a parallel light flux, and an optical member for matching the optical paths matches the optical path of the scattered light converted into the parallel light flux with the optical path of the reference light, Characterized by condensing the scattered light and the reference light at a confocal position by condensing the scattered light and the reference light whose optical paths coincide with each other by a common optical member.
The method for measuring local viscoelasticity of a complex fluid according to claim 4.
【請求項7】 ビームスプリッターの互いに直交する入
射面に前記散乱光と参照光とをそれぞれ入射させて前記
光路を一致させることを特徴とする、請求項6に記載の
複雑流体の局所粘弾性測定法。
7. The local viscoelasticity measurement of a complex fluid according to claim 6, wherein the scattered light and the reference light are respectively incident on incident surfaces of the beam splitter which are orthogonal to each other so that the optical paths coincide with each other. Law.
【請求項8】 前記被測定複雑流体と前記ビームスプリ
ッターとの間に焦点距離が可変な光学部材を配設するこ
とにより、前記プローブ粒子にトラッピングレーザー光
を集光し、かつ前記散乱光を平行光束化することを特徴
とする、請求項4〜7のいずれかに記載の複雑流体の局
所粘弾性測定法。
8. An optical member having a variable focal length is arranged between the complex fluid to be measured and the beam splitter, whereby trapping laser light is focused on the probe particles and the scattered light is collimated. The method for measuring local viscoelasticity of a complex fluid according to any one of claims 4 to 7, wherein the method is a method of converting light into a light flux.
【請求項9】 前記被測定複雑流体と前記ビームスプリ
ッターとの間で可動できる凸レンズを配置することによ
り、前記プローブ粒子にトラッピングレーザー光を集光
し、かつ前記散乱光を平行光束化することを特徴とす
る、請求項4〜7のいずれかに記載の複雑流体の局所粘
弾性測定法。
9. A trapezoidal laser beam is focused on the probe particle and the scattered light is converted into a parallel beam by disposing a convex lens movable between the complex fluid to be measured and the beam splitter. The method for measuring local viscoelasticity of a complex fluid according to any one of claims 4 to 7, which is characterized.
【請求項10】 前記電極を有する被測定複雑流体を可
動台に搭載し、この可動台により上記被測定複雑流体の
3次元にわたる位置を制御して、上記被測定複雑流体の
3次元にわたるマイクロメーター領域の測定を行うこと
を特徴とする、請求項4〜9のいずれかに記載の複雑流
体の局所粘弾性測定法。
10. A micrometer over a three-dimensional area of the complex fluid to be measured by mounting a complex fluid under measurement having the electrodes on a movable table, and controlling the three-dimensional position of the complex fluid under the measurement by the movable table. The method for measuring local viscoelasticity of a complex fluid according to claim 4, wherein the region is measured.
【請求項11】 前記トラッピングレーザー光の光源
と、前記参照レーザー光の光源と、前記トラッピングレ
ーザー光を集光しかつ散乱光を平行光束化する光学部材
と、前記平行光束化した散乱光と参照光の光路とを一致
させる光学部材と、前記光路の一致した平行光束化した
散乱光と参照光とを共焦点位置に集光する光学部材と、
前記共焦点位置に配置する光検出器とを一体に構成して
構成単位とし、この構成単位を前記被測定複雑流体の表
面に平行に移動し、かつ、上記トラッピングレーザー光
を集光しかつ散乱光を平行光束化する光学部材の焦点距
離、またはこの光学部材の位置を変化させて測定するこ
とを特徴とする、請求項4〜9のいずれかに記載の複雑
流体の局所粘弾性測定法。
11. A light source for the trapping laser light, a light source for the reference laser light, an optical member for condensing the trapping laser light and making scattered light into a parallel light beam, and the scattered light made into a parallel light beam. An optical member that matches the optical path of the light, and an optical member that condenses the scattered light that has been made into a parallel light flux and the reference light that match the optical path at a confocal position,
A photodetector disposed at the confocal position is integrally configured as a structural unit, the structural unit is moved parallel to the surface of the complex fluid to be measured, and the trapping laser light is condensed and scattered. The method for measuring local viscoelasticity of a complex fluid according to any one of claims 4 to 9, wherein the focal length of an optical member for converting light into a parallel light flux or the position of the optical member is changed for measurement.
【請求項12】 前記複素電気泳動易動度の絶対値と遅
延位相を求める方法は、前記基本波成分と高調波成分の
ブラウン運動による揺らぎが平均化して0になるように
前記ロックイン・アンプの時定数を十分大きくして、上
記基本波成分と高調波成分を2位相ロックイン検出し、
それぞれの2位相ロックイン検出信号の絶対値の比から
上記複素電気泳動易動度の絶対値を求め、上記2位相ロ
ックイン検出信号の位相角から遅延位相を求めることを
特徴とする、請求項4に記載の複雑流体の局所粘弾性測
定法。
12. A method for obtaining an absolute value and a delay phase of the complex electrophoretic mobility, wherein the lock-in amplifier is such that fluctuations due to Brownian motion of the fundamental component and the harmonic component are averaged to zero. 2 time lock-in detection of the fundamental wave component and the harmonic wave component,
The absolute value of the complex electrophoretic mobility is obtained from the ratio of the absolute values of the respective two-phase lock-in detection signals, and the delay phase is obtained from the phase angle of the two-phase lock-in detection signal. 4. The method for measuring local viscoelasticity of complex fluid according to item 4.
【請求項13】 前記複素電気泳動易動度の高周波領域
の絶対値を求める方法は、前記正弦波状電場を低周波に
設定して請求項12に記載の方法で該低周波領域の複素
電気泳動易動度の絶対値を求め、印加電場を上記低周波
の正弦波状電場と上記高周波の正弦波状電場との和で構
成し、前記基本波成分のブラウン運動による揺らぎが平
均化されて0になるように前記ロックイン・アンプの時
定数を十分大きくして、上記基本波成分を上記低周波及
び上記高周波の2つの周波数で同時にロックイン検出
し、それぞれのロックイン検出信号の絶対値の比を求
め、該比と上記低周波領域の複素電気泳動易動度の絶対
値とから求めることを特徴とする、請求項4に記載の複
雑流体の局所粘弾性測定法。
13. The method for obtaining the absolute value of the complex electrophoretic mobility in the high frequency region is the complex electrophoretic electrophoresis in the low frequency region according to claim 12, wherein the sinusoidal electric field is set to a low frequency. The absolute value of the mobility is calculated, and the applied electric field is composed of the sum of the low-frequency sinusoidal electric field and the high-frequency sinusoidal electric field, and fluctuations due to Brownian motion of the fundamental wave component are averaged to zero. As described above, the time constant of the lock-in amplifier is made sufficiently large so that the fundamental wave component is simultaneously lock-in detected at the two frequencies of the low frequency and the high frequency, and the ratio of the absolute values of the lock-in detection signals is calculated. 5. The method for measuring local viscoelasticity of a complex fluid according to claim 4, wherein the ratio is obtained and the absolute value of the complex electrophoretic mobility in the low frequency region is obtained.
【請求項14】 前記プローブ粒子の散乱光と参照光と
の光ヘテロダイン信号は、上記プローブ粒子の変位に基
づくことを特徴とする、請求項1または4に記載の複雑
流体の局所粘弾性測定法。
14. The method for measuring local viscoelasticity of a complex fluid according to claim 1, wherein the optical heterodyne signal of the scattered light of the probe particle and the reference light is based on the displacement of the probe particle. .
【請求項15】 前記電気信号から基本波成分及び高調
波成分を、バンドパスフィルターで取り出すことを特徴
とする、請求項1または4に記載の複雑流体の局所粘弾
性測定法。
15. The method for measuring local viscoelasticity of a complex fluid according to claim 1, wherein a fundamental wave component and a harmonic component are extracted from the electric signal with a bandpass filter.
【請求項16】 前記複素電気泳動易動度スペクトルか
ら被測定複雑流体の局所領域の粘弾性を、複素電気泳動
易動度と複素粘弾性の逆比例関係から求めることを特徴
とする、請求項1または4に記載の複雑流体の局所粘弾
性測定法。
16. The complex electrophoretic mobility spectrum is used to determine the viscoelasticity of the local region of the complex fluid to be measured from the inverse proportional relationship between the complex electrophoretic mobility and the complex viscoelasticity. 1. The method for measuring local viscoelasticity of a complex fluid according to 1 or 4.
【請求項17】 前記ナノメーター寸法のプローブ粒子
は、前記被測定複雑流体中で帯電するコロイド粒子であ
り、上記被測複雑流体の構造物を取り除いた流体中にお
ける上記プローブ粒子の拡散定数、及び複素電気泳動易
動度が前記被測定周波数範囲において既知であることを
特徴とする、請求項1または4に記載の複雑流体の局所
粘弾性測定法。
17. The nanometer-sized probe particles are colloidal particles that are charged in the complex fluid to be measured, and the diffusion constant of the probe particles in the fluid without the structure of the complex fluid to be measured, and The method for measuring local viscoelasticity of a complex fluid according to claim 1, wherein complex electrophoretic mobility is known in the measured frequency range.
【請求項18】 前記複素電気泳動易動度スペクトルか
ら被測定複雑流体の構造に基づく特性長は、上記複素電
気泳動易動度スペクトルの実数成分と虚数成分とから求
める緩和時間及び絶対値と、前記プローブ粒子の既知の
拡散定数と、上記プローブ粒子の既知の複素電気泳動易
動度とから求めることを特徴とする、請求項1または4
に記載の複雑流体の局所粘弾性測定法。
18. A characteristic length based on the structure of a complex fluid to be measured from the complex electrophoretic mobility spectrum, a relaxation time and an absolute value obtained from a real number component and an imaginary number component of the complex electrophoretic mobility spectrum, 5. It is obtained from a known diffusion constant of the probe particles and a known complex electrophoretic mobility of the probe particles.
A method for measuring local viscoelasticity of a complex fluid described in 1.
【請求項19】 前記複素電気泳動易動度スペクトルか
ら被測定複雑流体の構造に基づく特性長は、上記複素電
気泳動易動度スペクトルの実数成分と虚数成分とから求
める緩和時間と、自己相関関数から求める拡散定数とか
ら求めることを特徴とする、請求項1または4に記載の
複雑流体の局所粘弾性測定法。
19. The characteristic length based on the structure of a complex fluid to be measured from the complex electrophoretic mobility spectrum is a relaxation time obtained from a real number component and an imaginary number component of the complex electrophoretic mobility spectrum, and an autocorrelation function. The method for measuring local viscoelasticity of a complex fluid according to claim 1 or 4, wherein the diffusion coefficient is calculated from the diffusion constant.
【請求項20】 前記自己相関関数から求める拡散係数
は、前記ロックイン・アンプの時定数を前記基本波成分
のブラウン運動による揺らぎが平均化されて0にならな
いように十分小さくした状態でロックイン検出し、この
検出信号の時間依存性から自己相関関数を計算して求め
ることを特徴とする、請求項19に記載の複雑流体の局
所粘弾性測定法。
20. The diffusion coefficient obtained from the autocorrelation function is locked in when the time constant of the lock-in amplifier is sufficiently small so that fluctuations due to Brownian motion of the fundamental wave component are not averaged to zero. 20. The method for measuring local viscoelasticity of a complex fluid according to claim 19, characterized in that it is detected and an autocorrelation function is calculated from the time dependence of the detected signal.
【請求項21】 請求項1〜20のいずれかに記載の方
法を用いることを特徴とする、複雑流体の局所粘弾性測
定装置。
21. An apparatus for measuring local viscoelasticity of a complex fluid, which uses the method according to any one of claims 1 to 20.
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Cited By (11)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2005515446A (en) * 2002-01-07 2005-05-26 サーントル ナスィヨナル ドゥ ラ ルシェルシュ スイヤンティフィック (セ エヌ エール エス) Method and apparatus for local probe micronization of 3D objects
JP2007322329A (en) * 2006-06-02 2007-12-13 Univ Of Tsukuba Particle characteristic measuring apparatus and particle characteristic measuring method
JP2010515912A (en) * 2007-01-11 2010-05-13 インテリテクト ウォーター リミティド Device for detecting water turbidity
JP2010164413A (en) * 2009-01-15 2010-07-29 Shimadzu Corp Gas concentration measuring instrument
WO2012042886A1 (en) * 2010-09-30 2012-04-05 富士フイルム株式会社 Biomolecule detection device and biomolecule detection method
JP2013502568A (en) * 2009-08-17 2013-01-24 マルバーン インストゥルメンツ リミテッド Dynamic light scattering microrheology of composite fluids with improved single scattering mode detection
WO2013077137A1 (en) * 2011-11-24 2013-05-30 国立大学法人東京農工大学 Measurement device and measurement method
JP2016099309A (en) * 2014-11-26 2016-05-30 浜松ホトニクス株式会社 Electric field vector detection method and electric field vector detection device
CN109142452A (en) * 2018-10-26 2019-01-04 浙江师范大学 It is declined the blood viscoelastic force measuring device and method of hanging bridge sensor based on pressure drag
CN113237794A (en) * 2021-05-11 2021-08-10 西南石油大学 Method for evaluating influence of salinity on expansion viscoelasticity of foam liquid film
CN117269680A (en) * 2023-08-21 2023-12-22 国网江苏省电力有限公司南京供电分公司 Method for judging external insulation state of high-voltage circuit breaker based on fundamental wave electric field fluctuation

Cited By (17)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2005515446A (en) * 2002-01-07 2005-05-26 サーントル ナスィヨナル ドゥ ラ ルシェルシュ スイヤンティフィック (セ エヌ エール エス) Method and apparatus for local probe micronization of 3D objects
JP2007322329A (en) * 2006-06-02 2007-12-13 Univ Of Tsukuba Particle characteristic measuring apparatus and particle characteristic measuring method
JP2010515912A (en) * 2007-01-11 2010-05-13 インテリテクト ウォーター リミティド Device for detecting water turbidity
JP2010164413A (en) * 2009-01-15 2010-07-29 Shimadzu Corp Gas concentration measuring instrument
US10317339B2 (en) 2009-08-17 2019-06-11 Malvern Panalytical Limited Dynamic light scattering based microrheology of complex fluids with improved single-scattering mode detection
JP2013502568A (en) * 2009-08-17 2013-01-24 マルバーン インストゥルメンツ リミテッド Dynamic light scattering microrheology of composite fluids with improved single scattering mode detection
US11237106B2 (en) 2009-08-17 2022-02-01 Malvern Panalytical Limited Dynamic light scattering based microrheology of complex fluids with improved single-scattering mode detection
EP2467701B1 (en) * 2009-08-17 2021-10-06 Malvern Panalytical Limited Dynamic light scattering based microrheology of complex fluids with improved single-scattering mode detection
US9279765B2 (en) 2009-08-17 2016-03-08 Malvern Instruments, Ltd. Dynamic light scattering based microrheology of complex fluids with improved single-scattering mode detection
WO2012042886A1 (en) * 2010-09-30 2012-04-05 富士フイルム株式会社 Biomolecule detection device and biomolecule detection method
JPWO2013077137A1 (en) * 2011-11-24 2015-04-27 国立大学法人東京農工大学 Measuring apparatus and measuring method
WO2013077137A1 (en) * 2011-11-24 2013-05-30 国立大学法人東京農工大学 Measurement device and measurement method
JP2016099309A (en) * 2014-11-26 2016-05-30 浜松ホトニクス株式会社 Electric field vector detection method and electric field vector detection device
CN109142452A (en) * 2018-10-26 2019-01-04 浙江师范大学 It is declined the blood viscoelastic force measuring device and method of hanging bridge sensor based on pressure drag
CN109142452B (en) * 2018-10-26 2021-03-26 浙江师范大学 Blood viscoelasticity measurement device and method based on piezoresistive microsuspension bridge sensor
CN113237794A (en) * 2021-05-11 2021-08-10 西南石油大学 Method for evaluating influence of salinity on expansion viscoelasticity of foam liquid film
CN117269680A (en) * 2023-08-21 2023-12-22 国网江苏省电力有限公司南京供电分公司 Method for judging external insulation state of high-voltage circuit breaker based on fundamental wave electric field fluctuation

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