JP4367263B2 - Diffusion measuring device - Google Patents
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Description
本発明は、液体中に存在する粒子の拡散しやすさを計測する拡散計測装置に関する。 The present invention relates to a diffusion measurement device that measures the ease of diffusion of particles present in a liquid.
近年、液体中における粒子の拡散しやすさを計測する技術は、例えば、蛋白質などの生体高分子に関する情報を計測する手段のひとつとして注目されている。
生体高分子を粒子としてみたときの生体高分子の移動しやすさ、すなわち拡散しやすさは、生体高分子の大きさ、形状、結合状態等に依存して変化するので、生体高分子の拡散しやすさを評価することにより、生体高分子に関する種々な情報を得ることができる。
In recent years, a technique for measuring the ease of diffusion of particles in a liquid has attracted attention as one of means for measuring information about biopolymers such as proteins.
When biopolymers are viewed as particles, the mobility of biopolymers, that is, the ease of diffusion varies depending on the size, shape, binding state, etc. of biopolymers. By evaluating the ease, various information on the biopolymer can be obtained.
液体中の粒子(生体高分子)の拡散しやすさを計測する手法としては、例えば、顕微蛍光相関分光法がある(特許文献1参照)。
顕微蛍光相関分光法によれば、計測対象となる粒子(生体高分子)を蛍光分子で標識処理し、顕微鏡視野下でこれを励起照明し、蛍光を発する計測対象粒子のブラウン運動に伴う蛍光強度変化を計測(蛍光粒子の数をカウントする)して、計測対象粒子の拡散係数を求めるものである。
As a method for measuring the ease of diffusion of particles (biopolymer) in a liquid, for example, there is a micro-fluorescence correlation spectroscopy (see Patent Document 1).
According to the microscopic fluorescence correlation spectroscopy, the measurement target particle (biopolymer) is labeled with a fluorescent molecule, this is excited and illuminated under a microscope field, and the fluorescence intensity associated with the Brownian motion of the measurement target particle emitting fluorescence The change is measured (the number of fluorescent particles is counted) to obtain the diffusion coefficient of the measurement target particles.
一方、液体中の被測定物質に光を直接照射することなく、光学的測定を行う測定手法として、被測定物に光導波路を接するように配置して、光導波路の等価屈折率、光路長の変化を測定することにより、間接的に被測定物の光学的特性を測定するセンサデバイス技術が開示されている(特許文献2参照)。 On the other hand, as a measurement method for performing optical measurement without directly irradiating light to the substance to be measured in the liquid, the optical waveguide is disposed so as to contact the object to be measured, and the equivalent refractive index and optical path length of the optical waveguide are set. A sensor device technology that indirectly measures optical characteristics of an object to be measured by measuring a change is disclosed (see Patent Document 2).
このセンサデバイスは、基準導波路(参照側)と感知導波路(試料側)との2本の光導波路を用いる。このうち、感知導波路側は、被測定物に接した状態と、被測定物と接していない状態との2つの異なる状態で測定するようにし、感知導波路近傍に存在する被測定物の影響によって感知導波路側の透過光の等価屈折率が変化するようにする。一方、基準導波路側は、被測定物から離隔した位置に配置されており、被測定物の影響を受けないようにしてある。この基準導波路の透過光の屈折率を参照用(基準用)に測定する。そして、これら2本の光導波路を通過した光束を干渉させる。このとき、感知導波路側が被測定物に接した状態の干渉縞と被測定物に接していない状態の干渉縞とでは、干渉縞の位置が移動する。
そして、干渉縞の移動量は、感知導波路の等価屈折率の変化、すなわち等価屈折率変化の原因となる感知導波路の周囲に存在する被測定物の濃度変化や厚さ変化に対応するので、干渉縞の移動量の測定から被測定物に関する情報を計測することができる。
The amount of movement of the interference fringes corresponds to the change in the equivalent refractive index of the sensing waveguide, that is, the change in the concentration or thickness of the measurement object existing around the sensing waveguide that causes the equivalent refractive index change. The information on the object to be measured can be measured from the measurement of the movement amount of the interference fringes.
特許文献1の顕微蛍光相関分光法では、測定前の前処理として、計測対象粒子を蛍光分子で標識化する必要があり、標識化のための煩わしい作業を行わなければならない。
また、測定する際は、粒子に標識化処理を施してしまうことになるので、粒子を完全な自然状態で測定を行うことができない。
また、試料液体中の粒子密度が高くなると、どうしても蛍光強度の変動が平均化され、解析が困難になる。
さらに、顕微鏡視野下で、ブラウン運動によるφ100μm程度以上の蛍光強度変動を計測する必要があるため、拡散係数が小さく、そのため、ブラウン運動速度の遅い粒子では、計測に長時間(例えば計測時間が数十秒から数千秒)を要することになる。
In the microscopic fluorescence correlation spectroscopy of Patent Document 1, it is necessary to label the measurement target particle with a fluorescent molecule as a pre-processing before measurement, and a troublesome work for labeling must be performed.
Further, since the labeling process is performed on the particles during measurement, the particles cannot be measured in a completely natural state.
In addition, when the particle density in the sample liquid increases, fluctuations in fluorescence intensity are inevitably averaged, making analysis difficult.
Furthermore, since it is necessary to measure fluorescence intensity fluctuations of about φ100 μm or more due to Brownian motion under a microscope field of view, the diffusion coefficient is small. 10 seconds to thousands of seconds).
特許文献2の光学的測定方法では、被測定物質に光を直接照射することなく、被測定物の濃度変化や厚さ変化による屈折率変化を測定することができるが、あくまで静的な屈折率測定が行えるにすぎず、例えば試料中の計測対象粒子の拡散しやすさを評価することはできない。 In the optical measurement method of Patent Document 2, it is possible to measure a change in refractive index due to a change in concentration or thickness of a measurement object without directly irradiating the measurement object with light. For example, the ease of diffusion of the measurement target particles in the sample cannot be evaluated.
そこで、本発明は、蛍光標識化処理を行うことなく、計測対象粒子の拡散しやすさを評価することができる拡散計測装置を提供することを目的とする。
また、粒子密度が高い場合でも拡散しやすさを評価することができる拡散計測装置を提供することを目的とする。
また、迅速に計測し得る拡散計測装置を提供することを目的とする。
Therefore, an object of the present invention is to provide a diffusion measurement apparatus that can evaluate the ease of diffusion of measurement target particles without performing a fluorescence labeling process.
It is another object of the present invention to provide a diffusion measuring device that can evaluate the ease of diffusion even when the particle density is high.
It is another object of the present invention to provide a diffusion measuring device that can measure quickly.
上記課題を解決するためになされた本発明の拡散計測装置は、粒子を含む液体試料を保持するチャンバと、高周波電源と、電圧が印加されることによりチャンバ内に電気力線密度が高い領域と電気力線密度が低い領域とを生じさせる電極と、高周波電源から電極への高周波電圧の印加と停止又は変調とにより、誘電泳動を利用して粒子の移動を引き起こすように制御する誘電泳動制御部と、誘電泳動により生じる粒子希薄領域と粒子集中領域とにおける粒子移動に伴う屈折率変化を計測する2つの屈折率検出部とを備え、各屈折率検出部は、粒子移動を計測するために粒子希薄領域または粒子集中領域に接するように配置されてなるセンサ面を有し、センサ面近傍の屈折率変化から粒子希薄領域と粒子集中領域との双方で屈折率変化を計測し、粒子希薄領域と粒子集中領域との屈折率変化の差分に基づいて粒子の拡散に関する評価を行うようにしている。
In order to solve the above problems, a diffusion measuring device of the present invention includes a chamber for holding a liquid sample containing particles, a high-frequency power source, and a region having a high electric force line density in the chamber by applying a voltage. A dielectrophoresis control unit that controls the movement of particles using dielectrophoresis by applying an electrode that generates a region with a low electric field line density and applying, stopping, or modulating a high-frequency voltage from a high-frequency power source to the electrode When, a two refractive index detector for measuring the refractive index change following the definitive particles moving in the particle lean region and particle concentration area caused by dielectrophoresis, the refractive index detector, in order to measure the particle movement has a sensor surface consisting disposed in contact with the particle lean region or particle concentration area, the refractive index change is measured from the refractive index change of the sensor surface near both the particle lean region and particle concentration area And to perform an evaluation of the diffusion of the particles based on the difference of the refractive index change in the particle lean region and particle concentration area.
この発明によれば、チャンバ内に計測対象となる粒子を含む試料を保持するようにし、高周波電源からチャンバ内に設けた電極に高周波電圧を印加したときに、チャンバ内に電気力線密度の高い領域と低い領域とを生じさせる。
また、電極への高周波電圧の印加と停止又は変調により、誘電泳動を利用して粒子の移動を生じさせる。このとき、チャンバ内の電気力線密度分布に応じて、粒子密度が高い粒子集中領域と粒子密度が低い粒子希薄領域とが発生するが、そのときの粒子移動に伴うチャンバ内の屈折率変化を、粒子希薄領域および粒子集中領域の双方で計測する。屈折率を計測する2つの屈折率検出部は、粒子希薄領域および粒子集中領域に接するように配置されてなるセンサ面を有しており、センサ面近傍における粒子の拡散に伴う屈折率変化を計測する。そして粒子希薄領域と粒子集中領域との屈折率変化の差分に基づいて粒子の拡散に関する評価を行う。
According to the present invention, when a sample containing particles to be measured is held in the chamber and a high frequency voltage is applied from the high frequency power source to the electrode provided in the chamber, the electric field line density is high in the chamber. Create regions and low regions.
In addition, the movement of particles is generated using dielectrophoresis by applying, stopping, or modulating the high-frequency voltage to the electrodes. At this time, a particle concentration region with a high particle density and a particle dilute region with a low particle density are generated according to the electric field line density distribution in the chamber. The refractive index change in the chamber accompanying the particle movement at that time is generated. Measured in both the particle dilute region and the particle concentration region . The two refractive index detectors that measure the refractive index have a sensor surface arranged so as to be in contact with the particle dilute region and the particle concentration region, and measure the refractive index change accompanying the diffusion of particles in the vicinity of the sensor surface. To do. Evaluation of particle diffusion is performed based on the difference in refractive index change between the particle dilute region and the particle concentration region.
この発明によれば、誘電泳動現象を利用して粒子を移動して捕集状態から拡散状態、あるいは拡散状態から補集状態にすることにより、状態の変化に伴って生じる屈折率変化から拡散しやすさに関する評価を行うので、粒子を標識化する必要がなく、粒子を自然状態のままで拡散計測を行うことができる。
また、粒子密度が高い液体試料であっても、屈折率変化を計測することができるので拡散計測を行うことができる。
また、屈折率は、センサ面近傍の液体試料から計測するので、計測時間を短時間にすることができる。
さらに粒子希薄領域と粒子集中領域との屈折率変化の差分に基づいて粒子の拡散に関する評価を行うようにするので、いずれか一方の領域で計測を行うのに比して、屈折率変化を示す信号を拡大して観測することができ、計測感度を高くして評価を行うことができる。また、2つの屈折率変化の差分をとることにより、液体試料および屈折率検出部(特にセンサ面)での温度変化の影響を除くことができる。
According to the present invention, the particles are moved using the dielectrophoresis phenomenon to change from the collected state to the diffused state, or from the diffused state to the collected state, thereby diffusing from the refractive index change caused by the state change. Since the evaluation on ease is performed, it is not necessary to label the particles, and the diffusion measurement can be performed while the particles are in a natural state.
Further, even a liquid sample having a high particle density can measure the refractive index change, so that diffusion measurement can be performed.
Further, since the refractive index is measured from a liquid sample in the vicinity of the sensor surface, the measurement time can be shortened.
Furthermore, since the evaluation of particle diffusion is performed based on the difference in the refractive index change between the particle dilute region and the particle concentration region, it shows a change in the refractive index compared to measurement in either one of the regions. The signal can be magnified and observed, and evaluation can be performed with high measurement sensitivity. Further, by taking the difference between the two refractive index changes, it is possible to eliminate the influence of the temperature change in the liquid sample and the refractive index detection unit (especially the sensor surface).
上記発明において、誘電泳動制御部が、高周波電源から電極に高周波電圧を印加して誘電泳動により粒子を移動し、電気力線密度に応じて粒子集中領域と粒子希薄領域とを発生させて粒子偏在状態を確立し、粒子偏在状態のときに電極へ印加される高調波電圧を停止又は変調させることにより粒子集中領域から粒子を拡散させるように制御するようにすれば、粒子集中領域から粒子希薄領域に向けて粒子を拡散させることができるので、拡散により粒子が広がる状態を計測することができる。 In the above invention, the dielectrophoresis control unit applies a high frequency voltage from the high frequency power source to the electrode to move the particles by dielectrophoresis, and generates a particle concentration region and a particle dilute region according to the electric force line density, thereby distributing the particles unevenly If the state is established and the particle voltage is controlled to diffuse from the particle concentration region by stopping or modulating the harmonic voltage applied to the electrode in the particle uneven distribution state, the particle concentration region to the particle dilute region Since the particles can be diffused toward the surface, it is possible to measure the state in which the particles spread by diffusion.
また、誘電泳動制御部が、高周波電源から電極に印加する高周波電圧の周波数または振幅の少なくともいずれかを変化させて屈折率を計測するようにすれば、粒子集中領域に捕集される粒子が周波数あるいは振幅に依存して変化する場合に、これらを加味しつつ、拡散の評価を行うことができる。 In addition, if the dielectrophoresis control unit changes the frequency and / or amplitude of the high-frequency voltage applied to the electrode from the high-frequency power source, and measures the refractive index, the particles collected in the particle concentration region will have a frequency. Alternatively, when changing depending on the amplitude, diffusion can be evaluated while taking these into account.
また、2つの屈折率検出部は、光導波路側面をセンサ面として1つは粒子希薄領域、他の1つは粒子集中領域と接するように配置された試料側導波路と、試料側導波路と同じ基板上に形成され粒子を含む試料液体の影響を受けないように配置される参照側導波路と、試料側導波路および参照側導波路への入射光を放射する光源と、試料側導波路と参照側導波路とからの出射光を干渉させることにより発生する干渉縞を検出する干渉縞検出器とからなり、干渉縞の移動量から粒子希薄領域または粒子集中領域の屈折率変化を検出するようにすれば、2光束干渉を利用して屈折率変化を求めることができる。
ここで、電極が光導波性の材料で形成され、この電極が試料側導波路としての機能を兼用するようにすれば、電極近傍の電気力線密度の高い領域の粒子による屈折率変化を検出することができる。
Also, two refractive index detector, one optical waveguide side as the sensor surface and arranged sample side waveguide in contact with the particle lean region, the other one particle concentration area, and the sample-side waveguide A reference-side waveguide formed on the same substrate so as not to be affected by a sample liquid containing particles, a light source that emits light incident on the sample-side waveguide and the reference-side waveguide, and a sample-side waveguide And an interference fringe detector that detects interference fringes generated by interference of light emitted from the reference-side waveguide, and detects the refractive index change in the particle dilute region or particle concentration region from the amount of movement of the interference fringes By doing so, it is possible to obtain a change in refractive index using two-beam interference.
Here, if the electrode is made of an optical waveguide material and this electrode also functions as a sample-side waveguide, the refractive index change due to particles in the region of high electric field line density near the electrode is detected. can do.
また、2つの屈折率検出部は、光導波路の導波路側面をセンサ面として1つは粒子希薄領域に、他の1つは粒子集中領域に接するように配置するとともに、センサ面となる光導波路側面を間に挟んで互いに対向する光導波路入射端面および光導波路出射端面のそれぞれに一部透過反射膜を形成することにより構成した光共振器と、光導波路入射端面に向けて透過スペクトル取得用の入射光を放射する光源と、光導波路出射端面からの透過光を検出する光検出器とからなり、粒子希薄領域および粒子集中領域の屈折率変化を、光共振器を構成する光導波路の透過スペクトルデータから検出するようにすれば、光共振器は光導波路に形成されたいわゆるエタロン型の干渉フィルタとして機能することになり、透過スペクトルデータをとることにより、急峻な透過ピーク波長を有する透過スペクトルが得られるので、透過スペクトルのピーク波長のシフト量から屈折率変化を検出することができる。
ここで、電極が光導波性の材料で形成され、この電極が光共振器を構成する光導波路としての機能を兼用するようにすれば、電極近傍の電気力線密度の高い領域での粒子移動による屈折率変化を検出することができる。
Also, two refractive index detector, one waveguide side of the optical waveguide as a sensor surface in the particle lean region, with the other one arranged in contact with the particle concentration area, the optical waveguide comprising a sensor surface An optical resonator constructed by forming a partially transmissive reflection film on each of the optical waveguide entrance end face and the optical waveguide exit end face facing each other with the side face in between, and a transmission spectrum acquisition toward the optical waveguide entrance end face It consists of a light source that emits incident light and a photodetector that detects the transmitted light from the exit end face of the optical waveguide. The refractive index change in the particle-diluted region and the particle-concentrated region is determined by the transmission spectrum of the optical waveguide that constitutes the optical resonator. If it is detected from the data, the optical resonator functions as a so-called etalon type interference filter formed in the optical waveguide. Thus, since a transmission spectrum having a steep transmission peak wavelength is obtained, a change in refractive index can be detected from the shift amount of the peak wavelength of the transmission spectrum.
Here, if the electrode is formed of an optical waveguide material and this electrode also functions as an optical waveguide constituting the optical resonator, particle movement in a region with a high electric force line density near the electrode It is possible to detect a change in refractive index due to.
また、電極に金属膜を用い、2つの屈折率検出部には、電極に用いた金属膜をセンサ面として利用する表面プラズモンセンサを用いるようにすれば、表面プラズモンセンサにより屈折率変化を検出することができる。
In addition, if a metal film is used for the electrode and a surface plasmon sensor that uses the metal film used for the electrode as the sensor surface is used for the two refractive index detection units, a change in refractive index is detected by the surface plasmon sensor. be able to.
また、電極に隣接して粒状に局在する金属領域を形成し、2つの屈折率検出部には、粒状に局在する金属領域をセンサ面として利用する局在プラズモンセンサを用いるようにすれば、電極近傍の電気力線密度が高い領域での粒子移動による屈折率変化を局在プラズモンセンサにより検出することができる。 In addition, if a metal region localized in a granular form is formed adjacent to an electrode, and a local plasmon sensor that uses the metal region localized in a granular form as a sensor surface is used for the two refractive index detection units, The local plasmon sensor can detect a change in refractive index due to particle movement in a region with a high electric field line density near the electrode.
以下、本発明の実施形態について図面を用いて説明する。
(拡散計測装置の基本構成)
最初に、本発明の基本構成について図面を用いて説明する。図1は、本発明の一実施形態である拡散計測装置の基本原理を説明する模式図であり、図1(a)は拡散計測装置の斜視図、図1(b)は、図1(a)における屈折率検出器のセンサ面14a上での断面図(YZ断面図)を示す。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
(Basic configuration of diffusion measurement device)
First, the basic configuration of the present invention will be described with reference to the drawings. 1A and 1B are schematic views for explaining the basic principle of a diffusion measurement apparatus according to an embodiment of the present invention. FIG. 1A is a perspective view of the diffusion measurement apparatus, and FIG. ) Shows a cross-sectional view (YZ cross-sectional view) on the
この拡散計測装置10は、粒子(例えば蛋白質T)を含む液体試料Sを保持するチャンバ11、チャンバ底面となる基板12、基板12上に形成され、チャンバ11内に露出するように形成される一対の電極13、電極13と同様にチャンバ11内に露出するように形成されるセンサ面14a、14b、このセンサ面14a、14bを利用して屈折率が計測される屈折率検出器15a、15b、電極13に高周波電圧を印加する高周波電源16、高周波電源16から電極13に印加する電圧を制御して粒子の誘電泳動を引き起こし、あるいは誘電泳動を停止又は変調する誘電泳動制御部17により構成される。なお、図1では、屈折率検出器15a、15bについては模式的に示しているが、屈折率検出器15a、15bの具体的な構成例(2光束干渉、エタロン、表面プラズモン、局在プラズモンを利用した屈折率検出部)については後述する。
This
電極13は、高周波電圧が印加されたときに、チャンバ11内に電気力線密度の高い領域と低い領域とが形成されるように、その形状や配置位置が定められている。
最も簡単な電極構造としては、図1(a)(b)に示すように、基板12上の互いに離隔した位置に2本の電極13を互いに平行になるように形成し、かつ、電極13を基板上に蒸着法などで形成する。これにより、電極13の近傍で電気力線18の密度が高くなり、2本の電極13間の中央付近で電気力線18の密度が低くなる。
The shape and arrangement position of the
As the simplest electrode structure, as shown in FIGS. 1A and 1B, two
電極13に高周波電圧を印加して粒子(蛋白質T)の誘電泳動を起こすと、一般に電気力線密度が高い領域に向く引力が働き、粒子が引き付けられる。(電気力線密度が高い領域に対して斥力が働く場合もあるが、便宜上、以下の説明では引力が働くものとする。)
そのため、電極13の近傍に、粒子密度が高い粒子集中領域19が発生することとなり、近傍から離隔した2本の電極13間の中央付近に、粒子密度が低い粒子希薄領域20が発生することとなる。
When a high frequency voltage is applied to the
Therefore, a
この粒子集中領域19または粒子希薄領域20と接する基板12の表面が、上述した屈折率検出器15a、15bのセンサ面14a、14bとなるようにする。センサ面14a、14bは、屈折率検出器15a、15bの種類(後述する)によって、基板12に形成された光導波路側面(2光束干渉、エタロンを利用した屈折率検出器)であったり、電極自身の表面(表面プラズモン、局在プラズモンを利用した屈折率検出器)であったりする。
The surface of the
高周波電源16は、粒子の誘電泳動を起こすことが可能な周波数、振幅の高周波電圧を印加することができるものを用いる。なお、粒子によっては、周波数や振幅によって誘電泳動状態が変化するものがあるので、周波数、振幅を可変なものにする。
誘電泳動制御部17は、いわゆるコンピュータで構成され、高周波電圧の周波数、電圧、印加時間などを予め設定しておくことにより、誘電泳動の一連の制御を自動的に行う。
As the high-
The
誘電泳動制御部17は、誘電泳動によって一旦、粒子集中領域19を確立した後、電圧印加を停止又は変調することで、拡散により粒子移動が始まるように制御する。粒子移動に伴って液体試料Sの屈折率が変化すると、センサ面14a、14bが粒子希薄領域20、粒子集中領域19と接するように形成されているので、これらの領域におけるセンサ面近傍の液体試料Sの屈折率変化が、センサ面14a、14bに影響を及ぼす。
なお、誘電泳動力により粒子集中領域を確立した後、誘電泳動力を消滅あるいは弱め、拡散による粒子移動を開始するのが誘電泳動制御部17による本来の測定方法であるが、これとは全く逆のプロセスとして、誘電泳動力がない状態あるいは弱い状態から、誘電泳動力を強めるようにして粒子を捕集するようにしてもよい。逆のプロセスであっても、拡散のしやすさに関する情報を得ることができる。要するに、誘電泳動制御部17は、高周波電源から電極への高周波電圧の印加と停止又は変調とにより、誘電泳動力の変化を利用して粒子の移動を引き起こすように制御すればよい。
屈折率検出器15a、15bでは、この液体試料Sの屈折率変化を、屈折率検出器15a、15b内の光学系の等価屈折率変化、あるいは光路長変化として検出する。そして、検出した屈折率変化から、粒子の拡散に関する情報、例えば、拡散しやすさ、拡散速度、さらに拡散速度を用いた演算により拡散係数を求めることができる。
The
The original measurement method by the
The
次に、拡散計測装置を用いた屈折率変化の計測動作について、タイムチャートを用いて説明する。
図2は、図1の拡散計測装置において、粒子希薄領域20の屈折率を計測する屈折率検出器15aを単独で用いて計測するときのタイムチャートを示す図であり、図2(a)は電極に印加する高周波電圧の電圧波形、図2(b)は屈折率検出器15aで求めた透過屈折率変化あるいは光路長変化、図2(c)は屈折率検出器15aのデータから求めた粒子希薄領域20の屈折率変化を示す図である。なお、図2(b)の等価屈折率(光路長)データから図2(c)の粒子希薄領域20の屈折率変化を求めるときは、予め作成した検量線データを参照する検量線法による。
Next, the refractive index change measurement operation using the diffusion measurement device will be described using a time chart.
FIG. 2 is a diagram showing a time chart when the
時刻t0において、粒子に誘電泳動を誘起させる周波数の電圧Voを電極13に印加することにより、誘電泳動を開始する。これにより、一対の電極13の中央付近に存在していた粒子が、電極13近傍の電気力線が集中する領域に向けて移動するようになり、粒子希薄領域20が生じる。粒子移動により粒子希薄領域20内の粒子が減少するにつれて、粒子希薄領域20の液体試料Sの屈折率が低下し、やがて平衡状態に達する。このときの屈折率変化がt0からt1における減衰曲線として現れる。
At time t0, a voltage Vo having a frequency for inducing dielectrophoresis in the particles is applied to the
続いて、平衡に達した後の時刻t1において、電圧印加を停止して誘電泳動力をなくす。これにより、粒子のブラウン運動による拡散が開始する。拡散による粒子の流入によって粒子希薄領域20内の粒子が徐々に増加し、やがて、粒子希薄領域20が消失して、液体試料S全体にわたり、誘電泳動が生じる前の定常値の屈折率に戻る。
このt1以降での拡散開始後の屈折率変化から、粒子の拡散に関する情報を求めることができる。
以上は、粒子希薄領域20での計測について説明したが、粒子集中領域19での計測の場合も、屈折率変化の方向(符号)が逆になる点を除けば、同様の時間変化を観察することができ、粒子の拡散に関する情報を求めることができる。
Subsequently, at time t1 after reaching equilibrium, the voltage application is stopped to eliminate the dielectrophoretic force. This initiates diffusion due to the Brownian motion of the particles. Due to the inflow of particles due to diffusion, the particles in the particle
Information on the diffusion of particles can be obtained from the change in refractive index after the start of diffusion after t1.
Although the measurement in the particle
図3は、図1の2つの屈折率検出器15a、15bを用いて、粒子集中領域19と粒子希薄領域20とでの屈折率変化データを取得し、差分を取る場合のタイムチャートである。
図2の場合と同様に、時刻t0において、粒子に誘電泳動を誘起する周波数の電圧Voを電極13に印加することにより、誘電泳動を開始する。これにより、一対の電極13の中央付近に存在していた粒子が、電極13近傍の電気力線が集中する部分に向けて移動するようになり、粒子集中領域19と粒子希薄領域20とを生じる。
粒子移動により、粒子希薄領域20内の粒子が減少するにつれて、この領域に存在する液体試料Sの屈折率が低下していき、やがて平衡状態に達する。このときの屈折率の変化がt0からt1における減衰曲線として現れる。
一方、粒子集中領域19内の粒子が増加するにつれて、この領域に存在する液体試料Sの屈折率が増大していき、やがて平衡状態に達する。このときの屈折率の変化がt0からt1における増加曲線として現れる。
FIG. 3 is a time chart when the refractive index change data in the
As in the case of FIG. 2, at time t <b> 0, a voltage Vo having a frequency that induces dielectrophoresis on the particles is applied to the
As the number of particles in the particle
On the other hand, as the number of particles in the
続いて、平衡に達した後の時刻t1において、電圧印加を停止して誘電泳動力をなくす。これにより、ブラウン運動による粒子の拡散が開始し、粒子希薄領域20内の粒子が徐々に増加するとともに、粒子集中領域19内の粒子が減少し、やがて粒子希薄領域20、粒子集中領域19が消失する。そして液体試料S全体が、誘電泳動が生じる前の定常値の屈折率に戻る。
2つの検出器によるそれぞれの屈折率変化の差分データをとることにより、屈折率変化を拡大して検出することができるとともに、液体試料や検出器の温度変化に依存する変動成分を、差分データをとることで除去することができるので、温度変化に起因する誤差を除いた正確な計測が可能となる。
Subsequently, at time t1 after reaching equilibrium, the voltage application is stopped to eliminate the dielectrophoretic force. As a result, the diffusion of particles due to the Brownian motion starts, the particles in the particle
By taking the difference data of each refractive index change by the two detectors, the refractive index change can be enlarged and detected, and the fluctuation component depending on the temperature change of the liquid sample or the detector can be obtained by using the difference data. Since it can be removed by taking, accurate measurement excluding errors due to temperature changes becomes possible.
(屈折率検出器の構成)
次に、本発明で利用する屈折率検出器について図を用いて説明する。本発明で用いる屈折率検出器の特徴は、計測領域(粒子希薄領域または粒子集中領域)の液体試料Sと接するセンサ面を有し、このセンサ面近傍(距離がセンサ面から1μm程度以内)の液体試料Sの屈折率を検出するものである。
このような屈折率検出器として(1)基板に2本の光導波路を形成し、2光束干渉を利用した検出器、(2)基板に光導波路を形成し、光導波路をエタロン型の光共振器として利用した検出器、(3)電極(金属膜)による表面プラズモン共鳴を利用した検出器、(4)電極(金属膜)横に粒状の金属膜領域を設け、局在プラズモン共鳴を利用した検出器を例として説明する。ただし、これら4つの種類に限られるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で利用可能な屈折率検出器であればよい。
(Configuration of refractive index detector)
Next, a refractive index detector used in the present invention will be described with reference to the drawings. The feature of the refractive index detector used in the present invention is that it has a sensor surface in contact with the liquid sample S in the measurement region (particle dilute region or particle concentration region), and the vicinity of this sensor surface (distance is within about 1 μm from the sensor surface). The refractive index of the liquid sample S is detected.
As such a refractive index detector, (1) a detector using two optical waveguides formed on a substrate and utilizing two-beam interference, and (2) an optical waveguide formed on the substrate, the optical waveguide being an etalon-type optical resonance. Detector used as a detector, (3) Detector using surface plasmon resonance by electrode (metal film), (4) Granular metal film region is provided beside electrode (metal film), and localized plasmon resonance is used A detector will be described as an example. However, the present invention is not limited to these four types, and any refractive index detector that can be used without departing from the spirit of the present invention may be used.
(2光束干渉型検出器)
図4は、図1の拡散計測装置の屈折率検出器として、2光束干渉型の屈折率検出器30を用いたときの構成を説明する模式図であり、図4(a)は斜視図、図4(b)は光導波路上33上で切ったYZ断面図である。図において図1と同じものについては、同符号を付すことにより説明を省略する。なお、図4では、屈折率検出器30を、屈折率検出器として使用するものとしている(図2のタイムチャート参照)が、差分をとるようにしてもよい(図3のタイムチャート参照)。
(Two-beam interference detector)
FIG. 4 is a schematic diagram illustrating a configuration when a two-beam interference type
この屈折率検出器30は、センサ部35と、光源36と、干渉縞検出器37とから構成される。センサ部35は、ガラス基板12からなり、基板上に試料側光導波路32、参照側光導波路33、試料側光導波路32と参照側光導波路33とを光学的に分離する分離層34が形成されている。このうち、試料側光導波路32の表面32sは、チャンバ11に露出するようにしてあり、露出面が図1のセンサ面となる。また試料側光導波路32および参照側光導波路33のコアは、同一形状にしてある。
なお、基板の材質としては、ガラスに限らず、高分子材料(樹脂等)や半導体(シリコン等)など、光導波路を形成するのみ適するとされる公知の材質を採用することもできる。
The
The material of the substrate is not limited to glass, and a known material that is suitable only for forming an optical waveguide, such as a polymer material (resin or the like) or a semiconductor (silicon or the like), can also be employed.
光源36からの光は、試料側光導波路32および参照側光導波路33それぞれの片側端面から入射するようにしてある。そして、それぞれの導波路内を通過した光は、他方側端面から出射するようにしてある。出射光は互いに干渉し、干渉縞38を生じる。干渉縞38が生じる位置には、干渉縞の移動を検知する干渉縞検出器37が設けられている。干渉縞検出器37は、例えばダイオードアレイセンサが用いられる。
Light from the
このような構成をとることにより、チャンバ11に露出する試料側導波路32の表面32s近傍(約1μm程度)に存在する液体試料Sの屈折率が変化すると、試料側導波路32の等価屈折率が変化する。試料側光導波路32の等価屈折率が変化すると、試料側光導波路32の光路長が変化一方、参照側導波路33の透過屈折率はその影響を受けないので、干渉縞が移動することになる。干渉縞検出器37は、この移動量を検出することができる。この干渉縞の移動量は、液体試料Sの屈折率の変化に依存しており、予め検量線を求めておくことにより、移動量から液体試料Sの屈折率変化、さらには液体試料Sの屈折率変化の原因となる粒子の拡散に関する情報を得ることができる。
By adopting such a configuration, when the refractive index of the liquid sample S existing near the
(エタロン型検出器)
図5は、図1の拡散計測装置の屈折率検出器15aとして、エタロン型の屈折率検出器40を用いたときの構成を説明する模式図であり、図5(a)は斜視図、図5(b)は光導波路43上でのYZ断面図である。
図中、図1と同じものについては、同符号を付すことにより説明を省略する。なお、図5では、屈折率検出器40を、屈折率検出器15aとして使用するものとしている(図2のタイムチャート参照)が、図1で示したように、屈折率検出器15aと同一の屈折率検出器15bをさらに用いて、差分をとるようにしてもよい(図3のタイムチャート参照)。
(Etalon type detector)
FIG. 5 is a schematic diagram for explaining a configuration when an etalon-type
In the figure, the same components as those in FIG. In FIG. 5, the
この屈折率検出器40は、センサ部41と、光源46と、光検出器47とから構成される。センサ部41は、ガラス等の基板42からなり、基板上に光導波路43が形成される。光導波路43の表面43sは、チャンバ11に露出し、図1のセンサ面14aとなる。
光導波路43の両側端面には、一部透過反射膜44、45が形成されている。このうち片側端面が光源46、他方側端面が検出器47に対向しており、それぞれ入射端面、出射端面となる。この一部透過反射膜44、45は、光導波路43内に入射した入射光を多重反射し、多重反射光を出射端面から検出器に放射する。すなわち、2つの一部透過反射膜44、45は光導波路内にエタロン型光共振器を形成することになる。
その結果、出射光による透過スペクトルデータをとると、急峻なピーク波長が出現するエタロン型の干渉フィルタとして機能することとなる。この急峻なピーク波長は、光導波路43の等価屈折率に依存して変化する。
The
Partially transmissive
As a result, when transmission spectrum data from the emitted light is taken, it functions as an etalon type interference filter in which a steep peak wavelength appears. This steep peak wavelength changes depending on the equivalent refractive index of the
光導波路43の等価屈折率は、光導波路43と接するチャンバ11の液体試料の屈折率に依存する。
したがって、光導波路43の表面43sと接するチャンバ11内の液体試料S(表面43sから1μm程度以内の液体試料S)の屈折率が変化すると、この変化に応じて光導波路43の透過スペクトルのピーク波長はシフトすることとなる。
そこで、予め光導波路43の透過スペクトルのピーク波長のシフト量と屈折率とを関係付ける検量線を求めておくことによりピーク波長シフトから液体試料の屈折率変化を検出することができる。
The equivalent refractive index of the
Therefore, when the refractive index of the liquid sample S in the
Therefore, a change in the refractive index of the liquid sample can be detected from the peak wavelength shift by obtaining in advance a calibration curve that associates the shift amount of the peak wavelength of the transmission spectrum of the
(エタロン型検出器2)
また、図6は、図1の拡散計測装置の屈折率検出器15a、15bとして、エタロン型の屈折率検出器を用いるときの他の構成を説明する模式図であり、図6(a)は、斜視図、図6(b)は電極52a、52bを横断する面で切ったXZ断面図、図6(c)は電極52b上でのYZ断面図である。図中、図1と同じものについては、同符号を付すことにより説明を省略する。なお、図6では、粒子希薄領域20を検出する屈折率検出器50aと、粒子集中領域19を検出する屈折率検出器50bとの2つを使用するものとしている(図3のタイムチャート参照)が、いずれか一方のみを使用するようにしてもよい(図2のタイムチャート参照)。以下は、屈折率検出器50bについて説明するが、50aについても同様である。
(Etalon type detector 2)
FIG. 6 is a schematic diagram for explaining another configuration when an etalon-type refractive index detector is used as the
この屈折率検出器50bは、センサ部51bと、光源55と、光検出器56とからなる。センサ部51bは、チャンバ11の底面を構成するガラス基板12上に光導波性を有する電極52bが形成されてなる。すなわち、電極52bが電極としての機能と光導波路としての機能とを兼ねる構成にしてある。この電極材料としては、例えば、ITO等の透明導電膜を用いることができる。
The
そして、電極52bの両端面には一部透過反射膜53、54が形成されている。このうち片側端面が光源55、他方側端面が光検出器56に対向しており、それぞれ入射端面、出射端面となる。この一部透過反射膜53、54は、光導波路52b内に入射した入射光を多重反射し、多重反射光を出射端面から光検出器56に放射する。すなわち、2つの一部透過反射膜53、54は、光導波路52b内に、エタロン型光共振器を形成することになる。
Then, partially transmissive reflecting
そして、一部透過反射膜53、54で挟まれた光共振器部分は、図5で示したエタロン型検出器と同様に、出射光による透過スペクトルデータをとることにより、急峻なピーク波長が出現するエタロン型の干渉フィルタとして機能することとなる。
さらに、この急峻なピークのピーク波長は、光導波路52bの等価屈折率に依存して変化する。
Then, in the optical resonator part sandwiched between the partially transmitting and reflecting
Furthermore, the peak wavelength of this steep peak changes depending on the equivalent refractive index of the
光導波路52bの等価屈折率は、これと接するチャンバ11の液体試料Sの屈折率に依存する。したがって、光導波路52bの表面と接するチャンバ11内の液体試料S(表面から1μm程度以内の液体試料S)の屈折率が変化すると、この変化に応じて光導波路52bの透過スペクトルのピーク波長はシフトすることとなる。
そこで、予め光導波路52bの透過スペクトルのピーク波長のシフト量と屈折率とを関係付ける検量線を求めておくことによりピーク波長シフトから液体試料の屈折率変化を検出することができる。
The equivalent refractive index of the
Therefore, a change in the refractive index of the liquid sample can be detected from the peak wavelength shift by obtaining in advance a calibration curve that relates the shift amount of the peak wavelength of the transmission spectrum of the
電極に光導波性を持たせて、電極に光導波路として兼用する構成は、図4で説明した2光束干渉型の屈折率検出器における電極にも適用することができる。 The structure in which the electrode has optical waveguide properties and is also used as the optical waveguide can be applied to the electrode in the two-beam interference type refractive index detector described with reference to FIG.
(表面プラズモン型検出器)
図7は、図1の拡散計測装置の屈折率検出器15aとして、表面プラズモン型検出器を用いたときの構成を説明する模式図である。
図中、図1と同じものについては、同符号を付すことにより説明を省略する。なお、図7では、粒子希薄領域20を検出する屈折率検出器60aと、粒子集中領域19を検出する屈折率検出器60bとの2つを使用するものとしている(図3のタイムチャート参照)が、いずれか一方のみを使用するようにしてもよい(図2のタイムチャート参照)。以下は、屈折率検出器60bについて説明するが、屈折率検出器60aについても高周波電極を兼用していない点を除いて同様の構成である。
(Surface plasmon detector)
FIG. 7 is a schematic diagram illustrating a configuration when a surface plasmon detector is used as the
In the figure, the same components as those in FIG. In FIG. 7, two
この屈折率検出器60bは、金属電極膜61bと、光源62bと、光検出器63bとからなる。金属電極膜61bの材料としては、表面プラズモン共鳴が生じやすい、光反射特性の優れた材料、例えばAu、Agが用いられる。
この検出器では、金属電極膜61bに対して、光源62bから入射角度を変化させながら入射光を照射し、その反射光を光検出器63bで検出する。入射角度が、表面プラズモン共鳴が生じる角度条件となるときに、反射光に吸収が見られる。一方、この共鳴角は、金属電極膜61bに接する液体試料Sの屈折率に依存して変化する。
したがって、共鳴角変化から屈折率変化を求めることができる。この場合も、共鳴角変化量と屈折率変化量とを関係つけた検量線を予め求めておく。
The
In this detector, the
Therefore, the refractive index change can be obtained from the resonance angle change. Also in this case, a calibration curve relating the amount of change in resonance angle and the amount of change in refractive index is obtained in advance.
(局在プラズモン型検出器)
図8は、図1の拡散計測装置の屈折率検出器15aとして、局在プラズモン型検出器を用いたときの構成を説明する模式図である。
図中、図1と同じものについては、同符号を付すことにより説明を省略する。なお、図8では、粒子希薄領域20を検出する屈折率検出器70aと、粒子集中領域19を検出する屈折率検出器70bとの2つを使用するものとしている(図3のタイムチャート参照)が、いずれか一方のみを使用するようにしてもよい(図2のタイムチャート参照)。以下は、屈折率検出器70bについて説明するが、屈折率検出器70aについても高周波電極を兼用していない点を除いて同様の構成である。
(Localized plasmon detector)
FIG. 8 is a schematic diagram for explaining a configuration when a localized plasmon detector is used as the
In the figure, the same components as those in FIG. In FIG. 8, two
この屈折率検出器70bは、金属電極膜71bと、金属電極膜71bに隣接して粒状に局在するように形成される金属領域74bと、光源72bと、光検出器73bとからなる。金属電極膜71bと金属領域74bとは、局在プラズモン共鳴が生じやすい光反射特性の優れた材料、例えばAu、Agが用いられる。
金属電極膜71bと金属領域74bとは、互いに電気的に独立しており、金属電極膜71bに印加される高周波電圧が金属領域74bには印加されないようにしてある。そのため、金属電極膜71bに高周波電圧が印加されたとき、電気力線は、金属領域74bには向かわないで、金属電極膜71bの近傍に集中する。このとき、金属電極膜71bに隣接する金属領域74bの直上あたりに、電気力線の最も集中した部分がくるようになる。したがって、誘電泳動を生じさせたときに、金属領域74bの直上に、粒子集中領域の中心がくることになる。
The
The
一方、粒状に局在した金属領域74bに光源72bからの光を照射することによっても、金属電極膜71bに照射した場合と同様に、プラズモン共鳴(この場合は局在プラズモン共鳴と呼ぶ)を生じさせることができる。したがって、粒状の金属領域74bでプラズモン共鳴を起こすことにより、最も粒子が集中する粒子集中領域19の中心と、プラズモン共鳴領域とを一致させることができ、図7の通常の表面プラズモン共鳴の場合よりも、計測感度を向上することができる。
On the other hand, irradiating light from the
以上、本発明の実施形態として、誘電泳動により粒子の移動を制御するとともに、屈折率検出器により粒子を計測することを説明してきたが、屈折率の他に、粒子を計測する手段として、公知の偏光解析法を適用した偏光解析計を用いることもできる。 As described above, as the embodiment of the present invention, the movement of the particles is controlled by dielectrophoresis and the particles are measured by the refractive index detector. However, in addition to the refractive index, it is known as a means for measuring the particles. It is also possible to use an ellipsometer to which the ellipsometry method is applied.
本発明は、誘電泳動により粒子を捕集し、捕集後に拡散させて拡散しやすさ等を計測する拡散計測装置に利用することができる。 INDUSTRIAL APPLICABILITY The present invention can be used in a diffusion measurement device that collects particles by dielectrophoresis and diffuses them after collection to measure the ease of diffusion.
11 チャンバ
12 ガラス基板
13 電極
14a、14b センサ面
15a、15b 屈折率検出器
16 高周波電源
17 誘電泳動制御部
19 粒子集中領域
20 粒子希薄領域
32 試料側光導波路
33 参照側光導波路
36 光源
37 干渉縞検出器
43 光導波路
44、45 一部透過反射膜
46 光源
47 光検出器
52a、52b 光導波性電極
55 光源
56 光検出器
61a、61b 金属膜
62a、61b 光源
63a、63b 光検出器
71a、71b 金属電極膜
72a、72b 光源
73a、73b 光検出器
74a、74b 金属領域
DESCRIPTION OF
Claims (9)
高周波電源と、
電圧が印加されることによりチャンバ内に電気力線密度が高い領域と電気力線密度が低い領域とを生じさせる電極と、
高周波電源から電極への高周波電圧の印加と停止又は変調とにより、誘電泳動を利用して粒子の移動を引き起こすように制御する誘電泳動制御部と、
誘電泳動により生じる粒子希薄領域と粒子集中領域とにおける粒子移動に伴う屈折率変化を計測する2つの屈折率検出部とを備え、
各屈折率検出部は、粒子移動を計測するために粒子希薄領域または粒子集中領域に接するように配置されてなるセンサ面を有し、
センサ面近傍の屈折率変化から粒子希薄領域と粒子集中領域との双方で屈折率変化を計測し、粒子希薄領域と粒子集中領域との屈折率変化の差分に基づいて粒子の拡散に関する評価を行うことを特徴とする拡散計測装置。 A chamber for holding a liquid sample containing particles;
A high frequency power supply,
An electrode that generates a region having a high electric field line density and a region having a low electric field line density in the chamber by applying a voltage;
A dielectrophoresis control unit that controls the movement of particles using dielectrophoresis by applying and stopping or modulating a high frequency voltage from a high frequency power source to the electrode; and
And two refractive index detector for measuring the refractive index change following the definitive particles moving in the particle lean region and particle concentration area caused by dielectrophoresis,
Each refractive index detection unit has a sensor surface arranged so as to be in contact with a particle dilute region or a particle concentration region in order to measure particle movement,
From the refractive index change near the sensor surface , measure the refractive index change in both the particle dilute region and the particle concentrated region, and evaluate the diffusion of particles based on the difference in the refractive index change between the particle dilute region and the particle concentrated region. A diffusion measuring device characterized by that.
Adjacent to the electrode is metal region localized formation granular, the two refractive index detector, localized plasmon sensor utilizing metal region localized to granular as a sensor surface, characterized by being used The diffusion measurement apparatus according to claim 1.
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