特許 6872558 粒子径分布測定装置、粒子径分布測定方法、及び粒子径分布測定装置用プログラム

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6872558

(24)【登録日】2021年4月21日

(45)【発行日】2021年5月19日

(54)【発明の名称】粒子径分布測定装置、粒子径分布測定方法、及び粒子径分布測定装置用プログラム

(51)【国際特許分類】

   G01N 15/02 20060101AFI20210510BHJP

   G01N 15/04 20060101ALI20210510BHJP

【ＦＩ】

   G01N15/02 A

   G01N15/04 A

【請求項の数】11

【全頁数】17

(21)【出願番号】特願2018-551559(P2018-551559)

(86)(22)【出願日】2017年10月30日

(86)【国際出願番号】JP2017039151

(87)【国際公開番号】WO2018092573

(87)【国際公開日】20180524

【審査請求日】2020年9月16日

(31)【優先権主張番号】特願2016-223373(P2016-223373)

(32)【優先日】2016年11月16日

(33)【優先権主張国】JP

(73)【特許権者】

【識別番号】000155023

【氏名又は名称】株式会社堀場製作所

(74)【代理人】

【識別番号】100121441

【弁理士】

【氏名又は名称】西村 竜平

(74)【代理人】

【識別番号】100154704

【弁理士】

【氏名又は名称】齊藤 真大

(72)【発明者】

【氏名】山口 哲司

【審査官】 海野 佳子

(56)【参考文献】

【文献】 国際公開第２０１０／０３５７７５（ＷＯ，Ａ１）

【文献】 特開２００１−３３７０２８（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１４−０２１０６０（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平０２−０３１１３３（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平０８−１４３３１５（ＪＰ，Ａ）

【文献】 国際公開第２０１０／０７３７７２（ＷＯ，Ａ１）

【文献】 特開平１１−１０８８２２（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００６−０９８２１２（ＪＰ，Ａ）

【文献】 米国特許出願公開第２００７／０２０６２０３（ＵＳ，Ａ１）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｇ０１Ｎ １５／０２

Ｇ０１Ｎ １５／０４

ＪＳＴＰｌｕｓ／ＪＭＥＤＰｌｕｓ／ＪＳＴ７５８０（ＪＤｒｅａｍＩＩＩ）

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

分散媒に分散させた粒子群を収容する測定セルを回転させて粒子を沈降させるとともに前記粒子群に光を照射して透過光を検出し、その透過光強度の変化に基づき第１粒子径分布を測定する遠心沈降式測定機構と、
粒子群に光を照射して生じる散乱光を検出し、粒子のブラウン運動によって生じる前記散乱光強度の変化に基づき第２粒子径分布を測定する動的光散乱式測定機構とを具備し、
前記遠心沈降式測定機構による前記透過光の検出後に、前記動的光散乱式測定機構が前記測定セルに光を照射して前記第２粒子径分布を測定する粒子径分布測定装置。

【請求項2】

前記遠心沈降式測定機構及び前記動的光散乱式測定機構を制御する制御装置をさらに具備し、
前記制御装置が、
前記遠心沈降式測定機構により得られる前記透過光強度に基づいて前記第１粒子径分布の測定が終了したことを判断する第１測定終了判断部と、
前記第１測定終了判断部が前記第１粒子径分布の測定が終了したことを判断したあと、前記第２粒子径分布の測定を開始する第２測定開始信号を前記動的光散乱式測定機構に送信する第２測定開始部とを有する請求項１記載の粒子径分布測定装置。

【請求項3】

前記遠心沈降機構が、前記測定セルを回転軸周りに回転させる回転機構を有しており、
前記制御装置が、前記第２粒子径分布の測定時に、前記回転機構に制御信号を送信して前記測定セルを回転させる請求項２記載の粒子径分布測定装置。

【請求項4】

前記回転機構が、前記分散媒を収容するリファレンスセルを回転させるものであり、
前記動的光散乱式測定機構が、前記リファレンスセルに光を照射することにより生じるバックグラウンド光を検出し、そのバックグラウンド光強度の変化及び前記散乱光強度の変化に基づいて第２粒子径分布を算出する請求項３記載の粒子径分布測定装置。

【請求項5】

前記第２粒子径分布の測定時における前記測定セルの回転速度が、前記第１粒子径分布の測定時における前記測定セルの回転速度よりも遅い請求項３記載の粒子径分布測定装置。

【請求項6】

前記第１測定終了判断部が、前記透過光強度が所定の閾値以上になった場合、又は、前記透過光強度に基づき得られる吸光度が所定の閾値以下になった場合に、前記第１粒子径分布の測定が終了したことを判断する請求項２記載の粒子径分布測定装置。

【請求項7】

前記第１粒子径分布及び前記第２粒子径分布が、それぞれ一方の軸を粒子径とし、他方の軸を粒子全体に対して各粒子径の粒子が占める割合としたグラフに表されるものであり、
前記第１粒子径分布及び前記第２粒子径分布を合成して同一のグラフに表される合成粒子径分布を作成する分布合成部を有する請求項１記載の粒子径分布測定装置。

【請求項8】

前記遠心沈降式測定機構により得られる前記透過光強度に基づいて、前記第１粒子径分布に表れる粒子径を有する粒子の濃度を算出する粒子濃度算出部と、
前記粒子濃度算出部により算出された濃度に基づいて、前記分布合成部により合成された合成粒子径分布を、各粒子径の粒子数を相対的に表した分布から、各粒子数を絶対的に表した分布に変換する分布変換部とを有する請求項７記載の粒子径分布測定装置。

【請求項9】

前記測定セルが、沈降方向に沿って積層された互いに密度の異なる複数の分散媒を収容している請求項１記載の粒子径分布測定装置。

【請求項10】

分散媒に分散させた粒子群を収容する測定セルを回転させて粒子を沈降させるとともに前記粒子群に光を照射して透過光を検出し、その透過光強度の変化に基づき第１粒子径分布を測定する遠心沈降式測定機構と、
粒子群に光を照射して生じる散乱光を検出し、粒子のブラウン運動によって生じる前記散乱光強度の変化に基づき第２粒子径分布を測定する動的光散乱式測定機構とを用いる粒子径分布測定方法であって、
前記遠心沈降式測定機構を用いて前記透過光を検出した後に、前記動的光散乱式測定機構を用いて前記測定セルに光を照射して前記第２粒子径分布を測定する粒子径分布測定方法。

【請求項11】

分散媒に分散させた粒子群を収容する測定セルを回転させて粒子を沈降させるとともに前記粒子群に光を照射して透過光を検出し、その透過光強度の変化に基づき第１粒子径分布を測定する遠心沈降式測定機構と、
粒子群に光を照射して生じる散乱光を検出し、粒子のブラウン運動によって生じる前記散乱光強度の変化に基づき第２粒子径分布を測定する動的光散乱式測定機構とを具備し、
前記遠心沈降式測定機構による前記透過光の検出後に、前記動的光散乱式測定機構が前記測定セルに光を照射して前記第２粒子径分布を測定するように構成されている粒子径分布測定装置に用いられるプログラムであって、
前記遠心沈降式測定機構により得られる前記透過光強度に基づいて前記第１粒子径分布の測定が終了したことを判断する第１測定終了判断部と、
前記第１測定終了判断部が前記第１粒子径分布の測定が終了したことを判断したあと、前記第２粒子径分布の測定を開始する第２測定開始信号を前記動的光散乱式測定機構に送信する第２測定開始部としての機能をコンピュータに発揮させる粒子径分布測定装置用プログラム。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、粒子径分布測定装置、粒子径分布測定方法、及び粒子径分布測定装置用プログラムに関するものである。

【背景技術】

【0002】

従来、粒子径分布測定装置としては、粒子群に光を照射して生じる散乱光を検出するとともに、粒子のブラウン運動によって生じる前記散乱光の揺らぎに基づき粒子径分布を測定する動的光散乱法を用いたものがある。
この動的光散乱法による測定では、ナノオーダーの粒子群の粒子径分布を測定することができるという利点があるものの、粒子径が散乱光強度に大きく影響するため、特許文献１に記載されているように、小さな粒子の存在が大きな粒子の散乱に隠されてしまい、広い粒子径範囲での粒子径分布測定が困難であるという欠点がある。

【0003】

上記の動的光散乱法とは別の測定方法として、分散媒に分散させた粒子群を収容する測定セルを回転させて粒子を沈降させるとともに、測定セルに光を照射して得られる透過光強度変化に基づき粒子径分布を測定する遠心沈降法がある。
この遠心沈降法による測定では、比較的広い粒子径範囲での粒子径分布測定が可能であるという利点があるものの、微小粒子径（例えば１０ｎｍ以下）の粒子はブラウン運動の影響が大きく沈降速度とブラウン運動速度とが均衡して沈降せず、微小粒子径における粒子径分布測定が困難であるという欠点がある。
微小粒子を沈降させる方法としては、測定セルの回転速度を速くすることが考えられるが、そうすると測定セルを回転させるモータの熱や測定セルが設けられた回転ディスクの空気摩擦などにより測定セル内の温度が上昇して分散媒の粘性が変わるので、測定誤差を引き起こし、やはり微小粒子径での粒子径分布を正確に測定することは難しい。さらに、回転速度を速くしたとしても微小粒子を沈降させるには長時間を要し、測定時間の短縮化を図ることが難しい。

【0004】

上述した測定方法はこれまで使い分けられており、微小粒子の単分散試料に対する粒子径分布を知りたい場合には動的光散乱法が用いられ、多分散試料（比較的広い粒子径範囲の粒子を有する試料）に対して粒子径分布を知りたい場合には遠心沈降法が用いられている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0005】

【特許文献1】特表２０１４−５２１９６７号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0006】

本発明は、上述した測定方法それぞれの利点を生かし、微小粒子径を含む広い粒子径範囲の粒子径分布を短時間で精度良く測定することのできる粒子径分布測定装置を提供することをその主たる目的とするものである。

【課題を解決するための手段】

【0007】

すなわち、本発明に係る粒子径分布測定装置は、分散媒に分散させた粒子群を収容する測定セルを回転させて粒子を沈降させるとともに前記粒子群に光を照射して透過光を検出し、その透過光強度の変化に基づき第１粒子径分布を測定する遠心沈降式測定機構と、粒子群に光を照射して生じる散乱光を検出し、粒子のブラウン運動によって生じる前記散乱光強度の変化に基づき第２粒子径分布を測定する動的光散乱式測定機構とを具備し、前記遠心沈降式測定機構による前記透過光の検出後に、前記動的光散乱式測定機構が前記測定セルに光を照射して前記第２粒子径分布を測定することを特徴とするものである。

【0008】

このような粒子径分布測定装置であれば、まず遠心沈降式測定機構により比較的広い範囲の粒子径に対する粒子径分布を第１粒子径分布として測定することができる。そして遠心沈降式測定機構による透過光の検出後の測定セル内では、第１粒子径分布に表れる比較的大きい粒子は沈降しており、分散媒には微小粒子が分散している。
これにより、比較的大きい粒子を微小粒子から分離させた状態において、微小粒子に対する粒子径分布を動的散乱式測定機構により第２粒子径分布として測定することで、微小粒子径を含む広い粒子径範囲の粒子径分布を短時間で精度良く測定することが可能となる。

【0009】

前記遠心沈降式測定機構及び前記動的光散乱式測定機構を制御する制御装置をさらに具備し、前記制御装置が、前記遠心沈降式測定機構により得られる前記透過光強度に基づいて前記第１粒子径分布の測定が終了したことを判断する第１測定終了判断部と、前記第１測定終了判断部が前記第１粒子径分布の測定が終了したことを判断したあと、前記第２粒子径分布の測定を開始する第２測定開始信号を前記動的光散乱式測定機構に送信する第２測定開始部とを有することが好ましい。
このような制御装置を備えていれば、第１粒子径分布の測定が終了したことを自動的に判断させるとともに、第１粒子径分布の測定終了後に第２粒子径分布の測定を自動的に開始させることができる。

【0010】

第１粒子径分布の測定が終了した後、測定セルの回転を停止させてから第２粒子径分布の測定すると、遠心沈降式測定機構により沈降させた粒子が再び浮き上がってしまう恐れがある。
そこで、前記遠心沈降機構が、前記測定セルを回転軸周りに回転させる回転機構を有しており、前記制御装置が、前記第２粒子径分布の測定時に、前記回転機構に制御信号を送信して前記測定セルを回転させることが好ましい。
このような構成であれば、遠心沈降式測定機構により沈降させた粒子の浮き上がりを抑えつつ、第２粒子径分布を測定することができる。

【0011】

上述したように第２粒子径分布の測定時に測定セルを回転させる場合、測定セルの振動や測定セルからの迷光などが、散乱光強度の検出に影響を及ぼす恐れがある。
そこで、前記回転機構が、前記分散媒を収容するリファレンスセルを回転させるものであり、前記動的光散乱式測定機構が、前記リファレンスセルに光を照射することにより生じるバックグラウンド光を検出し、そのバックグラウンド光強度の変化及び前記散乱光強度の変化に基づいて第２粒子径分布を算出することが好ましい。
このような構成であれば、測定セルを回転させることによる影響を除くことができ、第２粒子径分布をより精度良く算出することができる。

【0012】

前記第２粒子径分布の測定時における前記測定セルの回転速度が、前記第１粒子径分布の測定時における前記測定セルの回転速度よりも遅いことが好ましい。
このような構成であれば、第１粒子径分布の測定が終わった後、測定セルの回転速度を落とすことで、粒子の浮き上がりを抑えつつ、測定セル内の温度上昇やこれによる分散媒の粘性の変動を抑えることができ、第２粒子径分布をより正確に測定することができる。

【0013】

第１粒子径分布測定から第２粒子径分布測定へ切り替えるための具体的な実施態様としては、前記第１測定データ受付部が、前記遠心沈降式測定機構により得られる透過光強度を示す透過光強度データを受け付け、前記第１測定終了判断部が、前記透過光強度が所定の閾値以上になった場合、又は、前記透過光強度に基づき得られる吸光度が所定の閾値以下になった場合に、前記第１粒子径分布の測定が終了したことを判断する構成が挙げられる。

【0014】

微小粒子径を含む広い範囲の粒子径に対する粒子径分布をユーザが確認できるようにするためには、前記第１粒子径分布及び前記第２粒子径分布が、それぞれ一方の軸を粒子径とし、他方の軸を粒子全体に対して各粒子径の粒子が占める割合としたグラフに表されるものであり、前記第１粒子径分布及び前記第２粒子径分布を合成して同一のグラフに表される合成粒子径分布を作成する分布合成部を有することが好ましい。

【0015】

前記遠心沈降式測定機構により得られる透過光強度に基づいて、前記第１粒子径分布に表れる粒子径を有する粒子の濃度を算出する粒子濃度算出部と、前記粒子濃度算出部により算出された濃度に基づいて、前記分布合成部により合成された合成粒子径分布を、各粒子径の粒子数を相対的に表した分布から、各粒子数を絶対的に表した分布に変換する分布変換部とを有することが好ましい。
このような構成であれば、微小粒子径を含む広い範囲の粒子径に対して、例えば桁が合う程度での実際の個数濃度や体積濃度などといった絶対的な粒子数を知ることができる。

【0016】

前記測定セルが、沈降方向に沿って積層された互いに密度の異なる複数の分散媒を収容していることが好ましい。
このような測定セルを用いれば、測定セル内の分散媒に密度勾配が生じるので、種々の粒子径の粒子を、粒子径の揃った層状の粒子群として順次沈降させることができ、遠心沈降式測定機構による分解能を向上させることができる。

【0017】

また、本発明に係る粒子径分布測定方法は、分散媒に分散させた粒子群を収容する測定セルを回転させて粒子を沈降させるとともに前記粒子群に光を照射して透過光を検出し、その透過光強度の変化に基づき第１粒子径分布を測定する遠心沈降式測定機構と、粒子群に光を照射して生じる散乱光を検出し、粒子のブラウン運動によって生じる前記散乱光強度の変化に基づき第２粒子径分布を測定する動的光散乱式測定機構とを用いる粒子径分布測定方法であって、前記遠心沈降式測定機構を用いて前記透過光を検出した後に、前記動的光散乱式測定機構を用いて前記測定セルに光を照射して前記第２粒子径分布を測定することを特徴とする方法である。

【0018】

さらに、本発明に係る粒子径分布測定装置用プログラムは、分散媒に分散させた粒子群を収容する測定セルを回転させて粒子を沈降させるとともに前記粒子群に光を照射して透過光を検出し、その透過光強度の変化に基づき第１粒子径分布を測定する遠心沈降式測定機構と、粒子群に光を照射して生じる散乱光を検出し、粒子のブラウン運動によって生じる前記散乱光強度の変化に基づき第２粒子径分布を測定する動的光散乱式測定機構とを具備し、前記遠心沈降式測定機構による前記透過光の検出後に、動的光散乱式測定機構が前記測定セルに光を照射して前記第２粒子径分布を測定するように構成されている粒子径分布測定装置に用いられるプログラムにおいて、前記遠心沈降式測定機構により得られる前記透過光強度に基づいて前記第１粒子径分布の測定が終了したことを判断する第１測定終了判断部と、前記第１測定終了判断部が前記第１粒子径分布の測定が終了したことを判断したあと、前記第２粒子径分布の測定を開始する第２測定開始信号を前記動的光散乱式測定機構に送信する第２測定開始部としての機能をコンピュータに発揮させることを特徴とするプログラムである。

【0019】

このような粒子径分布測定方法や粒子径分布測定装置用プログラムであれば、上述した粒子径分布測定装置と同様の作用効果を発揮させることができる。

【発明の効果】

【0020】

このように構成した本発明によれば、微小粒子径を含む広い範囲の粒子径に対する粒子径分布を短時間で精度良く測定することができる。

【図面の簡単な説明】

【0021】

【図1】本発明の一実施形態における粒子径分布測定装置を示す概略図。

【図2】同実施形態における遠心沈降式測定機構の測定原理を説明するための図。

【図3】同実施形態における第１光源及び第１光検出器を説明するための模式図。

【図4】同実施形態における粒子径分布測定装置の機能を示す機能ブロック図。

【図5】同実施形態における粒子径分布測定装置の動作を示すフローチャート。

【図6】同実施形態における第１粒子径分布及び第２粒子径分布を表示した模式図。

【図7】その他の実施形態における粒子径分布測定装置の動作を示すフローチャート。

【図8】その他の実施形態における測定セルを説明するための模式図。

【図9】その他の実施形態における第１粒子径分布及び第２粒子径分布を表示した模式図。

【符号の説明】

【0022】

１００・・・粒子径分布測定装置
１０ ・・・遠心沈降式測定機構
１１ ・・・回転機構
Ｘ ・・・測定セル
Ｒ ・・・リファレンスセル
２０ ・・・動的光散乱式測定機構
３０ ・・・制御装置
３１ ・・・第１測定開始部
３２ ・・・第１測定終了判断部
３３ ・・・第１測定停止部
３４ ・・・第２測定開始部

【発明を実施するための形態】

【0023】

以下に本発明に係る粒子径分布測定装置の一実施形態について図面を参照して説明する。

【0024】

本実施形態に係る粒子径分布測定装置１００は、医薬品、食品、化学工業品、気泡粒子などの測定対象に含まれる粒子群の粒子径分布を測定するためのものであり、図１に示すように、遠心沈降法を用いて粒子径分布を測定する遠心沈降式測定機構１０と、動的光散乱法を用いて粒子径分布を測定する動的光散乱式測定機構２０と、これら各機構１０、２０を制御する制御装置３０とを備えている。

【0025】

まず、遠心沈降式測定機構１０の測定原理について説明する。
例えば水などの分散媒に粒子群を浮遊させると、粒子は徐々に沈んでいく。この沈降する速度は、粒子径（粒子の直径）が大きいほど速く、粒子及び分散媒の材質が既知であれば、粒子が一定距離を沈降する時間を測定することで、粒子径を算出することができる。具体的には、測定セルＸの測定面に光を照射してその透過光を検出し、その透過光強度や透過光強度から算出される吸光度の時間変化を測定する。これにより、図２（ａ）に示すように、分散している粒子群が全て同じ大きさであれば、これらの粒子は同じ沈降速度で沈降するため、沈降開始からある時間が経つと透過光強度が急激に増加する。実際には、種々の粒子径の粒子が混在しており、この場合は図２（ｂ）に示すように、沈降時間の異なる粒子の透過光強度変化の合成として現われる。
この原理では、小さい粒子は沈降速度が遅く、測定に時間がかかる。そこで遠心沈降式測定機構１０は、粒子を自然重力で沈降させるのではなく、遠心重力を用いて沈降させることで沈降時間の短縮を図ったものである。

【0026】

具体的にこの遠心沈降測定機構は、図１及び図３に示すように、測定セルＸを回転させる回転機構１１と、測定セルＸに光を照射する第１光源１２と、この第１光源１２からの光のうち測定セルＸを透過した透過光を検出する第１光検出器１３と、第１光検出器１３により検出された透過光強度信号を取得して、この透過光強度信号に基づき粒子径分布（以下、第１粒子径分布という）を算出する第１粒子径分布算出部１４とを具備する。

【0027】

回転機構１１は、モータＭと、モータＭの出力軸に固定された回転ディスクＤと、モータＭを制御するモータ制御部１５とを備え、回転ディスクＤがモータＭの出力軸を回転軸として、その面板部が水平な状態で回転するように構成されたものである。
この回転ディスクＤには、測定セルＸがセットされる測定セルホルダと、リファレンスセルＲがセットされるリファレンスセルホルダとが設けられており、リファレンスセルＲには測定セルＸに収容されたものと同じ分散媒（ここでは水）が収容されている。

【0028】

ここでは、回転ディスクＤの位置を検出するエンコーダ等の位置検出器１６を設けてあり、上述したモータ制御部１５が、前記位置検出器１６からの位置検出信号を取得して回転ディスクＤの回転速度を算出するとともに、その回転速度が予め設定された目標回転速度となるようにモータＭをフィードバック制御している。なお、目標回転速度は、一定の回転速度に設定されていても良いし、時間とともに増大するように設定されていても良い。つまり、モータ制御部１５は、回転ディスクＤを定速回転するものであっても良いし、加速回転するものであっても良い。

【0029】

第１光源１２は、分散媒の温度上昇を防ぐべく、赤外を含まない光を射出するものであり、ここでは青色ＬＥＤや緑色ＬＥＤを用いている。なお、第１光源１２としては点光源や面光源であっても良いが、本実施形態では図３に示すように、遠心重力方向、すなわち回転ディスクＤの径方向に沿ったライン光を射出する線光源である。

【0030】

第１光検出器１３は、回転ディスクＤに対して第１光源１２の反対側に設けられており、第１光源１２から射出して測定セルＸやリファレンスセルＲを透過した透過光を検出し、その透過光強度を示す透過光強度信号を第１粒子径分布算出部１４に送信するものである。なお、ここでの第１光検出器１３はラインセンサであるが、単一の光センサであっても良い。

【0031】

本実施形態では、測定セルＸからの透過光とリファレンスセルＲからの透過光を共通の第１光検出器１３で検出するようにしている。このことから、図示しない同期信号発生用ＬＥＤ及びこの同期発生用ＬＥＤからの光を検出する検出器を設けて、前記第１光検出器１３で検出された透過光強度信号がどちらのセルを透過した透過光のものかを区別できるようにしてある。

【0032】

上述した構成により、第１粒子径分布算出部１４は、第１光検出器１３により検出された透過光強度信号の時間変化に基づいて第１粒子径分布を算出する。なお、第１粒子径分布算出部１４は、透過光強度信号を用いて算出される吸光度の時間変化に基づいて第１粒子径分布を算出するように構成されていても良い。

【0033】

ところで、遠心沈降式測定機構１０は、上述したように第１光検出器１３により透過光強度を検出していることから、この透過光強度に基づいて第１粒子径分布に表れる特定の粒子径（以下、特定粒子径という）を有する粒子群の濃度を算出することができる。そこで、本実施形態の遠心沈降式測定機構１０は、第１光検出器１３により検出された測定セルＸを透過した透過光強度に基づいて、特定粒子径を有する粒子群の濃度を算出する濃度算出部１７をさらに備えている。なお、ここでいう特定粒子径を有する粒子群の濃度としては、単位体積当たりに含まれる特定粒子径の粒子の個数を表す個数濃度や、全体に対して特定粒子径の粒子が占める体積を表す体積濃度などが挙げられる。

【0034】

次に、動的光散乱式測定機構２０の測定原理について説明する。
分散媒に分散させた粒子はブラウン運動しており、そのブラウン運動速度は大きな粒子になるほど遅く、小さな粒子になるほど速くなる。この時、ブラウン運動をしている粒子に光を照射すると、粒子からの散乱光はそれぞれのブラウン運動速度に対応した揺らぎが観測される。
そこで、動的光散乱式測定機構２０は、粒子群に光を照射して、これにより生じる散乱光を検出するとともに、その散乱光の時間的な揺らぎに基づいて自己相関データを生成し、この自己相関データを用いて粒子径分布（以下、第２粒子径分布という）を測定するものである。

【0035】

具体的にこの動的光散乱式測定機構２０は、図１に示すように、測定セルＸに光を照射する第２光源２１と、この第２光源２１から光が測定セルＸ内の粒子で散乱して生じる散乱光を検出する第２光検出器２２と、第２光検出器２２により検出された散乱光強度信号を取得して、この散乱光強度信号に基づき第２粒子径分布を算出する第２粒子径分布算出部２３とを具備する。

【0036】

第２光源２１は、レーザ光を射出する例えば半導体レーザであり、測定セルＸの回転軌跡上に光を照射できるように配置されている。
ここでの第２光源２１は、回転ディスクＤに対して上述した第１光源１２と同じ側に設けられており、第１光源１２からの光が照射される位置にある測定セルＸに、第２光源２１からの光を照射できるように配置されている。
なお、第２光源２１の配置は、第２光源２１の光を回転ディスクＤにセットされた測定セルＸに照射することができれば適宜変更して構わない。

【0037】

第２光検出器２２は、ここでは回転ディスクＤに対して第２光源２１と同じ側に設けられた例えば光電子倍増管である。
なお、第２検出器の配置は、例えば回転ディスクＤに対して第２光源２１の反対側にするなど、測定セルＸ内の粒子による散乱光を検出することのできる位置であれば適宜変更して構わない。

【0038】

上述した構成により、第２粒子径分布算出部２３は、第２光検出器２２により検出された散乱光強度信号の時間的な揺らぎに基づいて自己相関データを生成し、この自己相関データに所定の演算処理を行うことで第２粒子径分布を算出する。

【0039】

制御装置３０は、ＣＰＵ、メモリ、入出力インターフェース等を備えた汎用乃至専用のコンピュータであり、遠心沈降式測定機構１０及び動的光散乱式測定機構２０の動作を制御するものである。なお、本実施形態では、このコンピュータに上述したモータ制御部１５、第１粒子径分布算出部１４、濃度算出部１７、及び第２粒子径分布算出部２３としての機能を備えさせているが、これらの機能を１又は複数の別のコンピュータに備えさせても構わない。

【0040】

然して、本実施形態の制御装置３０は、動的光散乱式測定機構２０が、第１粒子径分布の測定後の測定セルＸに光を照射して第２粒子径分布を測定するように、各機構を制御するように構成されている。

【0041】

具体的にこの制御装置３０は、前記メモリの所定領域に記憶させた所定のプログラムにしたがって、ＣＰＵや周辺機器を協働させることにより、図４に示すように、少なくとも第１測定開始部３１、第１測定終了判断部３２、第１測定停止部３３、第２測定開始部３４としての機能を備える。

【0042】

以下、各部の説明を兼ねて、図５に示すフローチャートを参照しながら本実施形態の粒子径分布測定装置１００の動作について説明する。
以下では説明の便宜上、遠心沈降式測定機構１０により測定する粒子径の測定範囲と、動的光散乱式測定機構２０により測定する粒子径の測定範囲との境界である境界粒子径を例えば１０ｎｍとする。すなわち、１０ｎｍ以上の粒子径分布を第１粒子径分として遠心沈降式測定機構１０により測定し、１０ｎｍ未満の粒子径分布を第２粒子径分布として動的光散乱式測定機構２０により測定しようとした場合について、以下で説明する。なお、境界粒子径は、例えば遠心沈降式測定機構１０の測定精度を担保できる粒子径の下限値や、動的光散乱式測定機構２０の測定精度を担保できる粒子径の上限値に鑑みて定められていることが好ましい。ここでは、例えばストークスの式により算出される境界粒子径の粒子の沈降速度が、例えばストークス・アインシュタインの式により算出される境界粒子径の粒子のブラウン運動速度（平均移動速度）よりも十分小さくなるように、境界粒子径を設定してある。

【0043】

まず、例えばユーザが入力手段を用いて測定開始信号を入力すると、第１測定開始部３１がその測定開始信号を受け付け、遠心沈降式測定機構１０に第１測定開始信号を送信して制御し、第１粒子径分布の測定（以下、第１測定という）を開始する（Ｓ１）。
より具体的にこの第１測定開始部３１は、上述したモータ制御部１５に制御信号を出力して回転ディスクＤを回転させるとともに、第１光源１２からの光を測定セルＸに照射させ、第１粒子径分布算出部１４に第１粒子径分布を算出させる。

【0044】

第１粒子径分布の算出についてより詳しく述べると、まず始めにリファレンスセルＲを透過した透過光のリファレンス透過光強度Ｉａを検出する（Ｓ２）。なお、このリファレンス透過光強度Ｉａは少なくとも１度検出すれば良いが、例えば複数回検出した平均値などとしても良い。
次に、回転ディスクＤが１回転する毎に測定セルＸを透過した透過光の測定透過光強度Ｉｂを検出する（Ｓ３）。そして、それぞれの測定透過光強度Ｉｂ及びリファレンス透過光強度Ｉａに基づいて測定セルＸに対する吸光度Ａ（ｔ）を算出して（Ｓ４）、この吸光度Ａ（ｔ）の時間変化に基づき第１粒子径分布を算出する（Ｓ５）。なお、ここでは吸光度Ａ（ｔ）をＡ（ｔ）＝−ｌｏｇ（Ｉａ／Ｉｂ）として算出している。

【0045】

なお、別の算出方法としては、１回転毎にリファレンス透過光強度Ｉａと測定透過光強度Ｉｂとを交互に検出して、各回転毎に測定透過光強度Ｉｂ及びリファレンス透過光強度Ｉａに基づいて測定セルＸに対する吸光度Ａ（ｔ）を算出し、この吸光度Ａ（ｔ）の時間変化に基づき第１粒子径分布を算出しても良い。

【0046】

このように第１粒子径分布が算出された後、第１測定終了判断部３２が、遠心沈降式測定機構１０による第１粒子径分布の測定（以下、第１測定という）が終了したことを判断し（Ｓ６）、第１測定が終了したと判断した場合にはそのことを第１測定停止部３３及び第２測定開始部３４に出力する。
具体的にこの第１測定終了判断部３２は、測定セルＸを透過した透過光強度に基づき第１測定の終了を判断するものであり、ここでは上述した測定セルＸに対する吸光度Ａ（ｔ）を取得して、この吸光度Ａ（ｔ）が所定の閾値以下になった場合に、第１測定が終了したと判断する。

【0047】

上述した閾値は、境界粒子径に基づき算出される値であり、境界粒子径（ここでは１０ｎｍ）の粒子が沈降した際に得られるはずの吸光度Ａ（ｔ）としてある。
これにより、第１測定終了判断部３２が第１測定の終了を判断した時点で、境界粒子径以上の粒子群に対する第１粒子径分布が、第１粒子径分布算出部１４により算出された状態或いは算出可能な状態となる。

【0048】

第１測定が終了したと判断された後、第１測定停止部３３が遠心沈降式測定機構１０を制御して第１測定を停止する（Ｓ７）。より具体的にこの第１測定停止部３３は、少なくとも第１粒子径分布算出部１４に制御信号を出力して第１粒子径分布の算出を停止させ、ここでは第１光源１２をオフして光の照射を停止する。
なお、第１測定停止部３３は、第１測定が終了したと判断された後、直ちに第１測定を停止させる必要はなく、後述する第２測定が開始したあと所定時間経過後に第１測定を停止させるようにしても良い。

【0049】

また、第１測定が終了したと判断されると、第２測定開始部３４が、動的光散乱式測定機構２０に第２測定開始信号を送信して制御し、２粒子径分布の測定（以下、第２測定という）を開始する（Ｓ８）。
具体的にこの第２測定開始部３４は、第２光源２１からの光を測定セルＸに照射させ、第２粒子径分布算出部２３に第２粒子径分布を算出される。
より詳細に説明すると、上述した遠心沈降式測定機構１０により、少なくとも境界粒子径以上（ここでは１０ｎｍ以上）の粒子は測定セルＸ内に沈降しているはずであり、測定セルＸ内の分散媒には境界粒子径よりも小さい粒子が分散（浮遊）していることになる。そこで、本実施形態の第２光源２１は、測定セルＸにおいて境界粒子径の粒子が沈降している箇所よりも径方向内側（より具体的には第１光源１２の照射位置、すなわち図２における測定面よりも径方向内側）の部分に光を照射するように配置されている。これにより、第２測定では境界粒子径（ここでは１０ｎｍ）よりも小さい粒子群に対する第２粒子径分布が算出されることになる。

【0050】

第２粒子径分布の算出についてより詳しく述べると、まず始めに第２光源２１からの光をリファレンスセルＲに照射して第２光検出器２２により検出されるバックグラウンド光強度Ｉｄを検出する（Ｓ９）。
次に、回転ディスクＤが１回転する毎に測定セルＸ内の粒子により散乱した測定散乱光強度Ｉｅを検出する（Ｓ１０）。そして、バックグラウンド光強度Ｉｄの時間変化及び測定散乱光強度Ｉｅの時間変化に基づいて相互相関関数を求め（Ｓ１１）、この相互相関関数に所定の演算処理を行うことで第２粒子径分布を算出する（Ｓ１２）。

【0051】

なお、別の算出方法としては、１回転毎にバックグラウンド光強度Ｉｄと測定散乱光強度Ｉｅとを交互に検出して、測定散乱光強度Ｉｅの時間変化に基づき得られた自己相関関数から、バックグラウンド光強度Ｉｄの時間変化に基づき得られた自己相関関数を差し引いた、差分自己相関関数に所定の演算処理を行うことで第２粒子径分布を算出しても良い。
また、バックグラウンド光強度Ｉｄを検出することなく、測定散乱光強度Ｉｅの時間変化に基づき得られた自己相関関数に所定の演算処理を行うことで第２粒子径分布を算出しても良い。

【0052】

上述した相互相関関数や自己相関関数は、第２光検出器２２の所定時間毎の検出値、すなわち第２光検出器２２が所定時間毎に検出した光子（フォトン）の数を所定の演算式によって演算することで得られるものである。
所定時間は、測定セルに光を当て続ける場合であれば、例えばクロック周波数を適宜設定することで変更可能なゲートタイムである。
一方、本実施形態では、上述したように回転ディスクＤが１回転する毎に第２光検出器２２が検出値を用いているので、所定時間は回転ディスクＤの回転速度によって変更することができる。つまり、回転ディスクＤの速度変更が上述したロック周波数やゲートタイムの変更と同様の機能を発揮することとなり、例えば前半は回転ディスクＤの回転速度を速くしておき、後半は回転ディスクＤの回転速度を遅くするなど、所定時間は例えば測定対象Ｘの種類などに応じて適宜変更することが可能である。そして、本実施形態の第２粒子径分布算出部２３は、回転ディスクＤの回転速度を取得するとともに、この回転速度に基づいて上述した相互相関関数又は自己相関関数を算出することができる。

【0053】

上述した第２測定において、第２測定開始部３４は、上述したモータ制御部１５に制御信号を送信して、モータＭを停止させずに回転ディスクＤを回転させる。
より具体的に説明すると、前記第２測定開始部３４は、回転ディスクＤを第１測定よりも遅い第２目標回転速度で回転させるように、前記モータ制御部１５に制御信号を送信する。
この第２目標回転速度は、予め設定された速度であり、少なくとも境界粒子径の粒子が再び浮遊しない程度の速度、言い換えれば境界粒子径の粒子によるブラウン運動速度よりも、境界粒子径の粒子の遠心沈降速度の方が速くなる速度に設定されている。
ここでは、第１測定において回転ディスクＤの回転速度は徐々に増加して目標回転速度に到達することから、第２目標回転速度は第１測定終了時における回転ディスクＤの回転速度、すなわち前記目標回転速度よりも遅い回転速度に設定されている。

【0054】

上述した構成により、第１測定では少なくとも境界粒子径以上（ここでは１０ｎｍ以上）の粒子径分布が第１粒子径分布として測定され、第２測定では境界粒子径以下（ここでは１０ｎｍ以下）の粒子径分布が第２粒子径分布として測定される。

【0055】

これらの第１粒子径分布及び第２粒子径分布は、ある粒子径の粒子が全体に対してどの程度含まれているかを、一方の軸を粒子径とし、他方の軸をパーセンテージ（割合や頻度を表す）としたグラフ上に表示されるものである。すなわち、この粒子径分布は、ある粒子径の粒子の相対的な粒子数を示したものである。

【0056】

ここで本実施形態の制御装置３０は、図４に示すように、分布合成部３５及び分布変換部３６としての機能をさらに備えている。

【0057】

分布合成部３５は、第１粒子径分布算出部１４により算出された第１粒子径分布を示す第１粒子径分布データと、第２粒子径分布算出部２３により算出された第２粒子径分布を示す第２粒子径分布データとを取得して、図６に示すように、第１粒子径分布及び第２粒子径分布を合成して同一のグラフに表示される合成粒子径分布を作成する（Ｓ１３）。
ここでは、第１粒子径分布における特定粒子径の他方の軸の値（パーセンテージ）と、第２粒子径分布における特定粒子径の他方の軸の値（パーセンテージ）とが一致するように、これらの第１粒子径分布及び第２粒子径分布を合成して合成粒子径分布としている。

【0058】

分布変換部３６は、合成粒子径分布を各粒子径の粒子数を相対的に表した分布から、各粒子径の粒子数を絶対的に表した分布に変換するものであり、粒子数を相対的に表した分布における他方の軸を、パーセンテージ（頻度）から濃度に変換する（Ｓ１４）。なお、ここでいう「粒子数を絶対的に表した分布」とは、表された濃度が求められる精度（例えば桁が合う程度）で実際の濃度と一致している分布であり、表された濃度が実際の濃度と完全に一致している分布に限るものではない。
具体的にこの分布変換部３６は、上述した濃度算出部１７から特定粒子径の粒子群の濃度を取得するとともに、特定粒子径に対する他方の軸の濃度が、濃度算出部１７により算出された特定粒子径の濃度と一致するように合成粒子径分布の分布形状を変形させる。
なお、他方の軸は濃度に限らず、測定対象Ｘ全体に含まれる特定粒子径の全粒子数や、測定対象Ｘに含まれる特定粒子径の粒子群の濁度などであっても構わない。

【0059】

このように構成された本実施形態に係る粒子径分布測定装置１００によれば、まず遠心沈降式測定機構１０により比較的広い範囲の粒子径に対する粒子径分布を第１粒子径分布として測定することができる。
次いで、遠心沈降式測定機構１０によって比較的大きい粒子を微小粒子から分離させた状態において、動的散乱式測定機構により微小粒子に対する粒子径分布を第２粒子径分布として測定することができる。
これにより、微小粒子径を含む広い粒子径範囲の粒子径分布を精度良く測定することが可能となる。

【0060】

また、第２測定において測定セルＸを回転させているので、遠心沈降式測定機構１０により沈降させた粒子の浮き上がりを抑えつつ、第２粒子径分布を測定することができる。

【0061】

さらに、第１測定終了判断部３２の判断基準となる閾値が境界粒子径に基づいて設定されているので、この境界粒子径を、遠心沈降式測定機構１０の測定精度を担保できる粒子径の下限値や、動的光散乱式測定機構２０の測定精度を担保できる粒子径の上限値に鑑みて定めることで、遠心沈降式測定機構１０及び動的光散乱式測定機構２０の両方で精度良く粒子径分布を測定することができる。

【0062】

加えて、第２測定において、測定散乱光強度Ｉｅの時間変化及びバックグラウンド光強度Ｉｄの時間変化に基づき第２粒子径分布を算出しているので、測定セルＸを回転させることによる測定散乱光強度Ｉｅへの影響（例えば測定セルＸを回転させることにより生じる振動影響や測定セルからの迷光による影響など）を除くことができ、第２粒子径分布をより精度良く算出することができる。

【0063】

なお、本発明は前記実施形態に限定されるものではない。

【0064】

例えば、前記実施形態では、第２測定において、測定セルの回転速度を第１測定よりも遅くしていたが、第１測定における測定セルの回転速度を変更することなく第２測定を行っても良いし、測定セルの回転を停止させた状態で第２測定を行っても良い。

【0065】

また、前記実施形態の第１測定終了判断部は、測定セルＸに対する吸光度Ａ（ｔ）が閾値以下になった場合に第１測定が終了したと判断していたが、測定透過光強度Ｉｂやリファレンス透過光強度Ｉａと測定透過光強度Ｉｂとの差分が所定の閾値以上になった場合や、透過光強度を用いて算出される吸光度が所定の閾値以下になった場合に第１測定が終了したと判断しても良い。
さらに、第１測定終了判断部は、第１測定を開始してから所定時間経過後に第１測定が終了したと判断しても良い。この場合の所定時間は、境界粒子径から例えばストークスの式などの算出式を用いて算出することが好ましく、具体的には境界粒子径の粒子が沈降する時間を前記所定時間とすることが考えられる。

【0066】

そのうえ、前記実施形態では、回転ディスクをその面板部が水平な状態で回転させていたが、面板部が水平方向から傾いた状態（例えば、鉛直方向に起立した状態）で回転ディスクを回転させるようにしても良い。

【0067】

加えて、前記実施形態では、第１粒子径分布を算出した後に第２測定を開始していたが、図７に示すように、第２測定を開始した後に第１粒子径分布の算出しても良い。つまり、遠心沈降式測定機構によりリファレンス透過光強度や測定透過光強度を検出した後に第２測定を開始するようにすれば、第１粒子径分布を算出するタイミングは適宜変更して構わない。

【0068】

また、前記実施形態では測定セルに分散媒として水を収容させている場合について説明したが、測定セルＲは、図８に示すように、沈降方向に沿って積層された互いに密度の異なる複数種類の分散媒を収容したものであっても良い。この分散媒は、例えば濃度によって密度が変わるものであり、具体的にはショ糖水溶液などである。
このような測定セルＲを用いれば、測定セルＲ内の分散媒に密度勾配が生じるので、種々の粒子径の粒子を、粒子径の揃った層状の粒子群として順次沈降させることができ、遠心沈降式測定機構１０による分解能を向上させることができる。また、分散媒を洗い流す際には、測定セルＲを測定セルホルダから取り外して洗浄すれば良いので簡単である。

【0069】

加えて、本発明に係る粒子径分布測定装置１００は、図８に示すように、分散媒を測定セルに流し入れる例えばチューブなどの分散媒流入管４を備えていても良い。この分散媒流入管４は、一端開口４１が測定セルＸ内に連通し、他端開口４２が回転ディスクの回転軸上に設けられ軸方向に開口している。このように他端開口を回転ディスクの回転軸上において軸方向に開口させることにより、回転ディスクＤを回転させても他端開口４２の位置は変わらないので、この他端開口４２に分散媒を流し入れることで、測定セルＲを回転ディスクＤから取り外すことなく、分散媒を簡単に測定セルＲに流入させることができる。

【0070】

さらに加えて、本発明に係る粒子径分布測定装置は、遠心沈降式測定機構により測定された第１粒子径分布に基づき、所定の粒子径以上の粒子群が全体に対して占める割合から、前記所定の粒子径よりも小さい粒子群が全体に占める割合を推定する微小粒子割合推定部をさらに備えてもよい。
これにより、前記所定の粒子径を例えば境界粒子径（ここでは１０ｎｍ）とすることで、遠心沈降式測定機構による第１測定を終了した時点で、動的光散乱式測定機構による第２測定を行うことなく、境界粒子径より小さい微小粒子が全体に占める割合を推定することができる。

【0071】

また、前記実施形態では、第１粒子径分布及び第２粒子径分布を合成して同一のグラフに表示する態様を説明したが、図９（ａ）に示すように、第１粒子径分布及び第２粒子径分布を合成せずに同じ又は別々の画面に表示しても良いし、図９（ｂ）に示すように、第１粒子径分布及び第２粒子径分布を合成せずに同一のグラフに表示しても良い。さらに、第２粒子径分布は必ずしも表示する必要はなく、例えば第２粒径分布の平均粒子径、すなわち境界粒子径以下の粒子の平均粒子径を数値で表示しても良い。

【0072】

その他、本発明は前記各実施形態に限られないし、その各部分構成を組み合わせても良く、その趣旨を逸脱しない範囲で種々の変形が可能であるのは言うまでもない。

【産業上の利用可能性】

【0073】

本発明によれば、微小粒子径を含む広い粒子径範囲の粒子径分布を精度良く測定することができる。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】