JPH06221987A

JPH06221987A - 微粒子検出方法及び検出装置

Info

Publication number: JPH06221987A
Application number: JP5028479A
Authority: JP
Inventors: Toshiichi Onishi; 敏一大西; Takeshi Miyazaki; 健宮崎
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 1993-01-26
Filing date: 1993-01-26
Publication date: 1994-08-12

Abstract

(57)【要約】【目的】液体媒体中に存在する微粒子の検出方法及び
検出装置を提供する。【構成】イオン電導性を有する液体媒体を電極対間に
導入し、電極対間に周期的に変動する電圧を印加して電
極近傍の微小領域の液体媒体を流動し、これにより液体
媒体中の微粒子を周回運動させ、この周回運動を光学的
に検知することにより微粒子を検出する方法並びに装
置。【効果】微少量の液体媒体を用いて容易に微粒子の検
出ができると共に、その装置構成を簡便にできる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、液体媒体中に存在する
微粒子（例えば、細胞，微生物等の生体関連粒子やラテ
ックス粒子，ゴミ等の微粒子）の検出方法及び検出装置
に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、液体媒体中の微粒子を検出する装
置としては、バッチセル等により分散液の濁度を測定す
る装置が一般的であり、かかる装置は多数の粒子を含む
分散液の光学特性を測定するものである。一方、これと
は対照的に、微粒子を１粒子又は数粒子の凝集体といっ
た粒子単位で光学的に検出する装置があり、前者より検
出感度が優れている等の特徴がある。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、微粒子
を粒子単位で検出する装置では、微粒子を光学検出領域
に粒子単位で送るために複雑な装置構成を必要とすると
いう欠点があった。

【０００４】例えば、層流を用いて分散液を細いフロー
とするシースフローセルにより、分散液中の微粒子を粒
子単位で送ることができるが、かかる層流は１０ｍ／ｓ
ｅｃ程度の高速流を必要とし、多量のシース液を流さな
ければならない。従って、使用する分散液が多く、ま
た、ポンプ等の複雑な流体駆動装置が必要となるという
欠点があった。

【０００５】本発明は、上記従来技術が有する欠点に鑑
み、微少量の分散液を用いて容易に微粒子を検出する方
法、並びに、簡単な装置構成により微粒子を検出する装
置を提供することを目的とする。

【０００６】

【課題を解決するための手段及び作用】上記目的を達成
するために成された本発明は、液体媒体中に存在する微
粒子を検出する方法であって、上記液体媒体はイオン電
導性を有し、該イオン電導性を有する液体媒体を電極対
の間に導入し、該電極対間に周期的に変動する電圧を印
加し、電極近傍で周回運動する微粒子を検出することを
特徴とする微粒子検出方法であり、また、この検出方法
を実施するための装置であって、前記電極対を設けた測
定セルと該電極対間に電圧を印加する電源手段と、電極
近傍で周回運動する微粒子を検出する検出手段を具備す
ることを特徴とする微粒子検出装置である。

【０００７】本発明で検出できる微粒子としては、例え
ば、赤血球，白血球等の細胞やリポソーム等の生体関連
の微粒子、さらに大腸菌，コウボ菌等の菌類や細菌類の
微生物微粒子を挙げることができる。また、ＤＮＡ，Ｒ
ＮＡやたん白質などの巨大高分子や、ポリスチレンやア
クリル等の高分子から成るポリマー微粒子や、フェライ
ト，ガラス，カーボン，シリカ等から成る無機微粒子が
挙げられる。

【０００８】本発明において、上記微粒子が存在する液
体媒体はイオン導電性を有するものであり、この液体媒
体は電極対間に導入され、該電極間に周期的に変動する
電圧を印加することにより電極近傍のイオンに作用する
と考えられる電磁気力によって上記液体媒体を流動さ
せ、これにより電極近傍で微粒子を周回運動させてい
る。

【０００９】このため、イオン電導性を有する上記液体
媒体の導電率は大きい方が望ましく、好ましい範囲とし
ては１０^-5Ｓ／ｃｍ以上、さらに好ましくは１０^-4Ｓ／
ｃｍ以上である。この導電率が小さいと、電極対の間に
流れる電流が小さくなり、また同時に電極近傍に生じる
磁界も小さくなるため、イオンに作用する電磁気力が小
さくなり液体媒体の流動が難しくなる。

【００１０】本発明で用いるイオン電導性を有する液体
媒体としては、例えば、塩化ナトリウムや塩化カリウム
等の電解質を水や有機溶媒等の溶媒に溶解させた液体や
電解質熔融液が挙げられる。これらの液体中で電解質の
一部又はすべてが電離してイオンとなっていることがイ
オン導電性のためには必要である。

【００１１】本発明に用いられる電極としては、金属，
カーボン等、従来公知の電極材料やこれらを導電性フィ
ラーとして分散させた高分子材料やポリピロール等の導
電性高分子材料等が使用可能である。一般にこれら電極
材料の選択は、電極対間に印加する電圧によって異な
る。すなわち、印加電圧に直流（ＤＣ）成分が存在する
と、電極材料によっては陽極酸化を受け、電極の溶解や
酸化被膜の形成が起こり、液体媒体の流動やその耐久安
定性に悪影響を及ぼす場合がある。このような場合、白
金等の陽極酸化を受けにくい電極材料を選択する必要が
ある。また、印加電圧を下げることも考えられるが、イ
オンに作用する電磁気力が低く制限されるため、液体媒
体の流動スピードの上限が低く抑えられたり、流動でき
ない可能性もある。

【００１２】これらの点を考慮すると、電極対間に印加
する電圧としては、周期的に変動する電圧が好ましい。
この場合、その波形には特に制限はなく、矩形波、正弦
波、三角波等を用いることができる。

【００１３】周期的に変動する電圧としては、例えば図
１３（ａ）に示すような交番（ＡＣ）電圧がある。交番
電圧は、印加電圧の時間平均が０であるので、電極の陽
極酸化や液体の電気分解が生じにくいので特に好まし
い。

【００１４】必要に応じては、複数の交番電圧を合成し
た電圧でも良いし、図１３（ｂ）のような交番電圧に直
流電圧を重ねた電圧でもよいが、この際の直流電圧値
は、前述の陽極酸化等が生じない範囲である必要があ
る。

【００１５】また、図１３（ｃ）に示した矩形波電圧の
ようにＤｕｔｙ比が変えられる印加電圧の場合、好まし
いＤｕｔｙ比は、１０〜９０％、さらに好ましくは、２
０〜８０％である。Ｄｕｔｙ比が１０％より小さい場合
や９０％より大きい場合は、電界に対する液体中のイオ
ンの応答性が悪くなり、作用する電磁気力が小さくなる
ので流動が弱くなる。

【００１６】また、その周波数及び振幅電圧値は前述の
電極の陽極酸化や液体の電気分解（気泡の発生、反応
等）の有無と関連があり、一般に周波数が低いほどまた
振幅電圧値が大きいほど陽極酸化や電気分解が生じやす
い。例えば、導電率が１ｍＳ／ｃｍ程度の電解質水溶液
の場合、好ましい周波数は１００ＫＨｚ以上、さらに好
ましくは１ＭＨｚ以上である。また、好ましい振幅電圧
値は電極対間の距離や電極の形状や液体媒体の導電率に
より変化するが、電界値としておおむね１０⁴ 〜１０⁶
Ｖ／ｍである。

【００１７】本発明における液体媒体の流動の原理は不
明な点も多いが、電極対の一方を作用電極、他方を対向
電極として説明すると以下のように考えられる。

【００１８】作用電極と対向電極間に電圧を印加する
と、これらの電極間に電界が生じる。この電界によって
液体媒体中のイオンが動き、この時、両電極間に電流が
流れる。これと同時に作用電極を流れる電流によって作
用電極の近傍に磁界が生じる。作用電極の近傍で電界に
より運動するイオンは、磁界から電磁気力（ローレンツ
力）を受ける。このローレンツ力が本発明における流動
のメカニズムと思われる。作用電極と対向電極間に印加
する電圧が交番電圧の場合、電界によるイオンの動きは
時間平均すると実質上ほとんどなく、電磁気力のみが作
用していることになる。

【００１９】本発明の電極の構成としては、電界による
イオンの運動の大きさ（電流の大きさ）と、電極の近傍
の磁界の強さが大きいことが好ましい。

【００２０】従って、電界と作用電極近傍磁界の大きさ
が共に大きくなるように、電極形状を作用電極に電界が
集中するような形状が好ましい。

【００２１】また、このような作用電極を用いることに
よって、磁界印加と電界印加を同時に、しかも簡単に行
うことができ、磁界印加の手段や電界印加用の手段を独
立に設ける必要がない。

【００２２】以下、本発明を図面を用いて説明する。

【００２３】図１は、本発明で使用される電極の一構成
例を示している。

【００２４】図１において、１は先端が円錐形状の作用
電極であり、４は対向電極である。これらの電極間に電
圧を印加すると、周辺のイオンが電界（電気力線３）に
沿って動き（図中ｉ方向）、作用電極１に電流Ｉが流れ
る。この電流Ｉにより作用電極の円錐軸を中心として同
心円状に磁界２が形成される。この時、作用電極近傍の
イオンは、対向電極４間で形成される電界３から力を受
け運動しているので、磁界２から電磁気力Ｆを受け、そ
の方向はほぼ作用電極の先端の円錐面に沿った方向とな
る。この方向は、印加電圧の極性を逆にしても変わら
ず、また、イオンが正負どちらでも変わらない。

【００２５】図２は、本発明の微粒子検出装置で使用さ
れる測定セルの一構成例を示している。

【００２６】この測定セルは、２枚の透明な基板５，
５’間に図１に示したような針電極（作用電極）１と対
向電極４を挟持しており、対向電極４及びギャップ材６
により、２枚の基板は一定の間隔が保たれ、この空隙に
微粒子を含む液体媒体が注入される。また、針電極１用
のターミナル７が基板１上に設けられている。

【００２７】図３は、図２の測定セルの電極１，４間に
周期的に変動する電圧を印加した際に生ずる液体媒体の
流動の様子を、セル上面から見た図によって示したもの
である。

【００２８】針電極１の先端近傍では図中矢印で示した
ような液体の周回流動が生じ、これに伴って液体中に存
在する微粒子８も針電極近傍で周回運動をする。

【００２９】周回運動の軌道は、セルの形状、特に電極
近傍の形状（例えば、基板間距離，対向電極の形状等）
によって制御ができる。

【００３０】またセル中に注入される液体媒体中の微粒
子濃度を適当に調整することにより、多数の微粒子が周
回運動していても、その間隔を制御することができる。

【００３１】このような周回運動をさせることにより検
出される微粒子は、微粒子の比重により異なるが、分散
液の比重と同程度（等しい場合は除く）の場合、その粒
径が１００μｍ以下が望ましく、好ましくは５０μｍ以
下、さらに好ましくは１０μｍ以下である。粒径がこの
値より大きくなると、重力又は浮力が大きく作用し、微
粒子を作用電極近傍で周回運動させることが難しくな
る。

【００３２】一方、周回運動する微粒子の周回運動を光
学的に検出する場合、微粒子の粒径が検出光波長より小
さくなると難しくなる。

【００３３】以上の様にして周回運動する微粒子を検出
する方法を具体的に説明する。

【００３４】図４は、周回運動する微粒子を光学的に検
出する場合の測定セルと検出光の位置関係を示してお
り、測定セル９上面から光源（不図示）からの検出光１
０を周回軌道上の任意の領域に照射し、その透過散乱光
により微粒子を検出する。

【００３５】図５は、光学的検出手段を有する本発明の
微粒子検出装置の一構成例を示している。本装置におい
て、光源１１からの光はレンズ１２と１３によってセル
９内に集光され、透過及び散乱光のうち、透過光はレン
ズ１４上のビームストッパ１５によってカットされ、散
乱光のみが光検出器１６により検出される。セル内の光
照射領域に微粒子が通過すると照射光が散乱され、光検
出器で検出される。検出される散乱光の強度によって粒
子の大きさや凝集の有無が測定できる。

【００３６】上記光源１１はキセノンランプ、ハロゲン
ランプ、タングステンランプ、ＬＥＤ等のノンコヒーレ
ントな光源や、レーザー光のようなコヒーレントな光源
でもよい。光検出器１６には、フォトマル、フォトダイ
オード、フォトセル等を用いることができる。

【００３７】

【実施例】以下、本発明を実施例により詳細に説明す
る。

【００３８】実施例１本実施例では、先ず、図６に示されるような測定セルを
作製した。

【００３９】作用電極として先端が円錐形状の金−タン
グステン合金１７（直径５０μｍ，先端径１０μｍ以
下）、対向電極としてＬ字型のステンレスブロック１８
（電極部１５０μｍ厚，ブロック部１．１５ｍｍ厚）を
用い、厚さ１ｍｍの２枚のスライドガラス１９，１９’
の間に対向電極を挟み、対向電極と作用電極との距離が
１００μｍとなるように接着剤６０で固定した。また、
電極用のターミナルをセルの片側に２つ設け、それぞれ
に作用電極と対向電極とを接続した。

【００４０】この様にして作製した測定セルのガラス基
板間に、粒径５μｍのポリスチレンラテックス粒子（Ｊ
ＳＲ製）を導電率１ｍＳ／ｃｍの塩化カリウム水溶液中
に分散させた液体媒体（粒子濃度１０⁶ 個／ｍｌ）を注
入した。

【００４１】図７は、本実施例で用いた検出装置の構成
図である。２０はＨｅ−Ｎｅレーザー（波長６３３ｎ
ｍ，出力１０ｍＷ）、２１，２２はシリンドリカルレン
ズ、２４はハロゲンランプ、２５はコンデンサーレン
ズ、２６はバンドパスフィルター（４００〜６００ｎｍ
透過）、２７はハーフミラー、２８はバンドパスフィル
ター（Ｈｅ−Ｎｅレーザー９０％カット）、２９はＣＣ
Ｄカメラ、３０は測定セル、３１は移動ステージ、３２
は集光レンズ、３３はビームストッパー、３４はバンド
パスフィルター（Ｈｅ−Ｎｅレーザーのみ透過、４００
〜６００ｎｍカット）、３５はレンズ、３６はフォトダ
イオード、３７はリード線、３８はコネクターである。

【００４２】先ず、移動ステージ３１上に測定セル３０
を固定し、測定セル上の電極ターミナルをリード線３７
を用いてコネクター３８に接続し、電圧印加用の電源
（不図示）と接続した。Ｈｅ−Ｎｅレーザー２０（波長
６３３ｎｍ，出力１０ｍＷ）からの円形ビーム光は２つ
のシリンドリカルレンズ２１，２２によって楕円ビーム
に整形されて測定セル３０内の作用電極近傍に照射され
る。この時、楕円ビームの照射は図８に示されているよ
うに作用電極近傍で周回運動する微粒子の進行方向に対
して楕円スポット４０の長軸が垂直となるように行なわ
れる。この照射位置の制御は、ＣＣＤカメラ２９と移動
ステージ３１により調整される。

【００４３】楕円ビーム光は、微粒子に散乱されること
なく測定セルを透過するとビームストッパー３３により
止められて、フォトダイオード３６で検出されることは
ないが、測定セル内で周回運動する微粒子により散乱さ
れると、散乱光が集光レンズ３２で集められ、フォトダ
イオード３６で検出される。測定セルの電極間に±１０
Ｖ，周波数１ＭＨｚの矩形波を印加したところ、セル内
の微粒子が作用電極近傍で周回運動した（周期約０．５
秒）。ＣＣＤカメラで観察しながらＨｅ−Ｎｅレーザー
光の照射位置を調整し、微粒子からの散乱光を観測した
ところ、信号強度比約２０で微粒子の存在が観測され
た。

【００４４】ただし、信号強度比はフォトダイオードか
らの出力信号をオシロスコープで測定した波形より求め
た。この時の信号波形を図９に示す。

【００４５】実施例２本実施例では、先ず、図１０に示されるように、厚さ
０．９ｍｍのガラス基板５上にエポキシ系光硬化性樹脂
アデカＫＳ８２０（旭電化（株）社製）を塗工し、スタ
ンパー成形法により樹脂を紫外線硬化させ、成形体４１
を作製した。

【００４６】以下、この基板５を一方の基板とし、図１
１に示されるように実施例１と同様に測定セルを作製し
た。

【００４７】電極１，４間に±９Ｖ，１ＭＨｚ矩形波を
印加したところ、図１２に示すように微粒子が成形体４
１の側面に沿って周回運動をし、図７で示したのと同様
の測定装置で微粒子を検出したところ、信号強度比２５
で検出できた。

【００４８】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
イオン電導性を有する液体媒体を電極対間に導入し、該
電極対間に周期的に変動する電圧を印加することによ
り、電極近傍の微小領域の液体媒体を流動させ、これに
より液体媒体中に存在する微粒子を周回運動させ、この
周回運動をさせた微粒子を検出できるため、微少量の液
体媒体を用いて容易に微粒子の検出ができると共に、そ
の検出装置を簡便な構成とすることが可能となるという
効果を奏する。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に用いることができる電極の一構成例及
び液体媒体の流動の原理を説明するための図である。

【図２】本発明の微粒子検出装置で用いられる測定セル
の一構成例を示す斜視図である。

【図３】図２の測定セルにおける微粒子の周回運動状態
を示す図である。

【図４】図２の測定セルを用いて微粒子を光学的に検出
する際の検出光の照射状態を示す図である。

【図５】本発明の微粒子検出装置の全体構成の一例を示
す図である。

【図６】実施例１で用いた測定セルの斜視図である。

【図７】実施例１で用いた本発明の微粒子検出装置の構
成図である。

【図８】実施例１における微粒子検出の際の照射光位置
を示す図である。

【図９】実施例１において検出された微粒子からの散乱
光の信号波形図である。

【図１０】実施例２で用いた測定セルの片側基板の概略
構成斜視図である。

【図１１】実施例２で用いた測定セルの概略構成斜視図
である。

【図１２】実施例２における微粒子検出の際の照射光位
置を示す図である。

【図１３】周期的に変動する電圧波形の例である。

【符号の説明】

１作用電極２磁界３電気力線４対向電極５，５’ 基板６ギャップ材７ターミナル８微粒子９測定セル１０検出光１１光源１２，１３，１４レンズ１５ビームストッパー１６光検出器１７金−タングステン合金１８ステンレスブロック１９，１９’ スライドガラス２０Ｈｅ−Ｎｅレーザー２１，２２シリンドリカルレンズ２４ハロゲンランプ２５コンデンサーレンズ２６バンドパスフィルター２７ハーフミラー２８バンドパスフィルター（Ｈｅ−Ｎｅレーザーカッ
ト）２９ＣＣＤカメラ３０測定セル３１移動ステージ３２集光レンズ３３ビームストッパー３４バンドパスフィルター（Ｈｅ−Ｎｅレーザーパ
ス）３５レンズ３６フォトダイオード３７リード線３８コネクター４０ビームスポット４１樹脂成形体６０接着剤

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】液体媒体中に存在する微粒子を検出する
方法であって、上記液体媒体はイオン電導性を有し、該
イオン電導性を有する液体媒体を電極対の間に導入し、
該電極対間に周期的に変動する電圧を印加し、電極近傍
で周回運動する微粒子を検出することを特徴とする微粒
子検出方法。
【請求項２】前記周期的に変動する電圧が、交番電圧
であることを特徴とする請求項１記載の微粒子検出方
法。
【請求項３】前記微粒子の周回運動を、光学的に検出
することを特徴とする請求項１記載の微粒子検出方法。
【請求項４】請求項１〜３いずれかに記載の微粒子の
検出方法を実施するための装置であって、前記電極対を
設けた測定セルと、該電極対間に電圧を印加する電源手
段と、電極近傍で周回運動する微粒子を検出する検出手
段を具備することを特徴とする微粒子検出装置。
【請求項５】前記検出手段が、光学的な検出手段であ
ることを特徴とする請求項４記載の微粒子検出装置。