特開 2024-146354 微粒子測定装置および微粒子測定方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2024146354

(43)【公開日】2024-10-15

(54)【発明の名称】微粒子測定装置および微粒子測定方法

(51)【国際特許分類】

   G01N 15/13 20240101AFI20241004BHJP

【ＦＩ】

G01N15/12 B

【審査請求】未請求

【請求項の数】4

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2023059199

(22)【出願日】2023-03-31

(71)【出願人】

【識別番号】390005175

【氏名又は名称】株式会社アドバンテスト

(74)【代理人】

【識別番号】100105924

【弁理士】

【氏名又は名称】森下 賢樹

(74)【代理人】

【識別番号】100109047

【弁理士】

【氏名又は名称】村田 雄祐

(74)【代理人】

【識別番号】100109081

【弁理士】

【氏名又は名称】三木 友由

(74)【代理人】

【識別番号】100133215

【弁理士】

【氏名又は名称】真家 大樹

(72)【発明者】

【氏名】今井 康晴

(72)【発明者】

【氏名】鷲津 信栄

(57)【要約】

【課題】少ない粒子数でも粒径を推定可能な装置を提供する。
【解決手段】ポアデバイス１００は、ポア１１２を有する隔壁により隔てられた第１液室１２２および第２液室１２４を有する。測定器２００は、第１液室１２２に設けられた第１電極Ｅ１と第２液室１２４に設けられた第２電極Ｅ２の間に流れる電流信号を測定する。圧力制御装置４００は、測定中に、第１液室１２２の圧力が第２液室１２４の圧力より高い第１状態φ１と、第１液室１２２の圧力が第２液室１２４の圧力より低い第２状態φ１と、を切り替える。
【選択図】図３

【特許請求の範囲】

【請求項1】

ポアデバイスを用いた微粒子測定装置であって、
前記ポアデバイスは、細孔を有する隔壁により隔てられた第１液室および第２液室を有し、
前記微粒子測定装置は、
前記第１液室に設けられた第１電極と前記第２液室に設けられた第２電極の間に流れる電流信号を測定する測定器と、
測定中に、前記第１液室の圧力が前記第２液室の圧力より高い第１状態と、前記第１液室の圧力が前記第２液室の圧力より低い第２状態と、を切り替える圧力制御装置と、
を備えることを特徴とする微粒子測定装置。

【請求項2】

前記第１状態において前記第２液室の圧力は大気圧であり、前記第２状態において前記第１液室の圧力は大気圧であることを特徴とする請求項１に記載の微粒子測定装置。

【請求項3】

前記測定器は、
前記電流信号を電圧信号に変換するトランスインピーダンスアンプと、
前記トランスインピーダンスアンプの出力をデジタル信号に変換するデジタイザと、
を備えることを特徴とする請求項１または２に記載の微粒子測定装置。

【請求項4】

ポアデバイスを用いた微粒子測定方法であって、
前記ポアデバイスは、細孔を有する隔壁により隔てられた第１液室および第２液室を有し、
前記微粒子測定方法は、
前記第１液室の圧力が前記第２液室の圧力より高い第１状態と、前記第１液室の圧力が前記第２液室の圧力より低い第２状態と、を切り替えるステップと、
前記第１状態および前記第２状態それぞれにおいて、前記第１液室に設けられた第１電極と前記第２液室に設けられた第２電極の間に流れる電流信号を測定するステップと、
を備えることを特徴とする微粒子測定方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、ポアデバイスを用いた計測に関する。

【背景技術】

【0002】

電気的検知帯法（コールター原理）と呼ばれる粒度分布測定法が知られている。この測定法では、粒子を含む電解液を、ナノポアと称される細孔を通過させる。粒子が細孔を通過するとき、細孔中の電解液は粒子の体積に相当する量だけ減少し、細孔の電気抵抗を増加させる。したがって細孔の電気抵抗を測定することで、粒子の体積（すなわち粒径）を測定することができる。

【0003】

図１は、電気的検知帯法を用いた微粒子測定装置１Ｒのブロック図である。微粒子測定装置１Ｒは、ポアデバイス１００、測定器２００Ｒおよびデータ処理装置３００を備える。

【0004】

ポアデバイス１００の内部は、検出対象の粒子４を含む電解液２が満たされる。ポアデバイス１００の内部は、ポアチップ１０２によって２つの空間に隔てられており、２つの空間には電極１０６と電極１０８が設けられる。電極１０６と電極１０８の間に電位差を発生させると、電極間にイオン電流が流れ、また電気泳動によって粒子４が細孔１０４を経由して、一方の空間から他方の空間に移動する。

【0005】

測定器２００Ｒは、電極対１０６，１０８の間に電位差を発生させるとともに、電極対の間の抵抗値Ｒｐと相関を有する情報を取得する。測定器２００Ｒは、トランスインピーダンスアンプ２１０、電圧源２２０、デジタイザ２３０を含む。電圧源２２０は電極対１０６，１０８の間に電位差Ｖｂを発生させる。この電位差Ｖｂは、電気泳動の駆動源であるとともに、抵抗値Ｒｐを測定するためのバイアス信号となる。

【0006】

電極対１０６，１０８の間には、細孔１０４の抵抗に反比例する微小電流Ｉｓが流れる。
Ｉｓ＝Ｖｂ／Ｒｐ …（１）

【0007】

トランスインピーダンスアンプ２１０は、微小電流Ｉｓを電圧信号Ｖｓに変換する。変換ゲインをｒとするとき、以下の式が成り立つ。
Ｖｓ＝－ｒ×Ｉｓ …（２）
式（１）を式（２）に代入すると、式（３）が得られる。
Ｖｓ＝－Ｖｂ×ｒ／Ｒｐ …（３）
デジタイザ２３０は、電圧信号ＶｓをデジタルデータＤｓに変換する。このように測定器２００Ｒにより、細孔１０４の抵抗値Ｒｐに反比例する電圧信号Ｖｓを得ることができる。データ処理装置３００は、デジタルデータＤｓを処理し、電解液２に含まれる粒子４の個数や粒径分布などを解析する。

【0008】

図２は、測定器２００Ｒにより測定される例示的な微小電流Ｉｓの波形図である。なお本明細書において参照する波形図やタイムチャートの縦軸および横軸は、理解を容易とするために適宜拡大、縮小したものであり、また示される各波形も、理解の容易のために簡略化され、あるいは誇張もしくは強調されている。

【0009】

粒子が通過する短い期間、細孔１０４の抵抗値Ｒｐが増大する。したがって、粒子が通過するごとに電流Ｉｓはパルス状に減少する。個々のパルス電流の振幅は、粒径と相関を有する。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0010】

【特許文献1】特開２０１７－０１６８８１号公報

【特許文献2】特開２０１４－２１９２３５号公報

【特許文献3】特開２０１８－０５４５９４号公報

【特許文献4】国際公開第２００２／０８４３０６号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0011】

理想的には、パルス電流の振幅と粒径は１対１で対応するが、現実的には、粒子の通過経路などによって、同じ粒径の粒子が通過したときのパルス電流の振幅は、ばらつきを持つ。そのため、細孔１０４に多数（たとえば数千個）の粒子を通過させてデータを取得し、統計的な処理によって、粒径を推定する必要がある。

【0012】

粒子の種類によっては、多数の粒子を含む溶液を用意できない場合がある。あるいは、粒子の性質が、溶液中の密度によって変化するような場合には、溶液中の粒子数を任意に増やすことはできない。

【0013】

本開示は係る状況においてなされたものであり、そのある態様の例示的な目的のひとつは、少ない粒子数でも粒径を推定可能な装置の提供にある。

【課題を解決するための手段】

【0014】

本開示のある態様は、ポアデバイスを用いた微粒子測定装置に関する。ポアデバイスは、細孔を有する隔壁により隔てられた第１液室および第２液室を有する。微粒子測定装置は、第１液室に設けられた第１電極と第２液室に設けられた第２電極の間に流れる電流信号を測定する測定器と、測定中に、第１液室の圧力が第２液室の圧力より高い第１状態と、第１液室の圧力が第２液室の圧力より低い第２状態と、を切り替える圧力制御装置と、を備える。

【0015】

本開示の別の態様は、ポアデバイスを用いた微粒子測定方法に関する。ポアデバイスは、細孔を有する隔壁により隔てられた第１液室および第２液室を有する。微粒子測定方法は、第１液室の圧力が第２液室の圧力より高い第１状態と、第１液室の圧力が第２液室の圧力より低い第２状態と、を切り替えるステップと、第１状態および第２状態それぞれにおいて、第１液室に設けられた第１電極と第２液室に設けられた第２電極の間に流れる電流信号を測定するステップと、を備える。

【0016】

なお、以上の構成要素を任意に組み合わせたもの、構成要素や表現を、方法、装置、システムなどの間で相互に置換したものもまた、本発明あるいは本開示の態様として有効である。さらに、この項目（課題を解決するための手段）の記載は、本発明の欠くべからざるすべての特徴を説明するものではなく、したがって、記載されるこれらの特徴のサブコンビネーションも、本発明たり得る。

【発明の効果】

【0017】

本開示のある態様によれば、少ない粒子数でも粒径を推定できる。

【図面の簡単な説明】

【0018】

【図1】電気的検知帯法を用いた微粒子測定装置のブロック図である。

【図2】測定器により測定される例示的な微小電流Ｉｓの波形図である。

【図3】実施形態に係る微粒子測定装置を示す図である。

【図4】図３の微粒子測定装置の動作を説明する図である。

【図5】圧力と通過粒子数の関係を示す図である。

【図6】一実施例に係る測定器のブロック図である。

【図7】一実施例に係る圧力制御装置の構成例を示す図である。

【図8】一実施例に係る圧力制御装置の構成例を示す図である。

【発明を実施するための形態】

【0019】

（実施形態の概要）
本開示のいくつかの例示的な実施形態の概要を説明する。この概要は、後述する詳細な説明の前置きとして、実施形態の基本的な理解を目的として、１つまたは複数の実施形態のいくつかの概念を簡略化して説明するものであり、発明あるいは開示の広さを限定するものではない。この概要は、考えられるすべての実施形態の包括的な概要ではなく、すべての実施形態の重要な要素を特定することも、一部またはすべての態様の範囲を線引きすることも意図していない。便宜上、「一実施形態」は、本明細書に開示するひとつの実施形態（実施例や変形例）または複数の実施形態（実施例や変形例）を指すものとして用いる場合がある。

【0020】

一実施形態に係る微粒子測定装置は、ポアデバイスを利用して微粒子を測定する。ポアデバイスは、細孔を有する隔壁により隔てられた第１液室および第２液室を有する。微粒子測定装置は、第１液室に設けられた第１電極と第２液室に設けられた第２電極の間に流れる電流信号を測定する測定器と、測定中に、第１液室の圧力が第２液室の圧力より高い第１状態と、第１液室の圧力が第２液室の圧力より低い第２状態と、を切り替える圧力制御装置と、を備える。

【0021】

この構成によると、第１状態と第２状態を切りかえることにより、第１液室と第２液室の間を、微粒子を往復させることができる。これにより、微粒子の個数が少ない状況でも、細孔に多くの微粒子を通過させることができ、粒径を推定するのに足りるデータを取得することができる。

【0022】

電気泳動を利用した駆動方法において、電界の向きを反転させることにより、微粒子を往復させる手法も考えられる。しかしながら、この手法では、電界の極性を反転させたときの過渡的な挙動が、電流計測値に現れ、これが粒子径の測定精度を低下させる。また、電解質溶液における電圧－電流特性は、一般的にヒステリシスを描くことが知られている（サイクリックポルタンメトリー）。したがって、電気泳動の電界の極性を反転させる手法では、同じ粒径の粒子に対して測定される電流パルスの振幅が、電界の極性によって異なることとなる。上述の圧力制御による微粒子の駆動方法によれば、このような問題が発生しないという利点がある。

【0023】

（実施形態）
以下、好適な実施の形態について図面を参照しながら説明する。各図面に示される同一または同等の構成要素、部材、処理には、同一の符号を付するものとし、適宜重複した説明は省略する。また、実施の形態は、発明を限定するものではなく例示であって、実施の形態に記述されるすべての特徴やその組み合わせは、必ずしも発明の本質的なものであるとは限らない。

【0024】

本明細書において、「部材Ａが、部材Ｂと接続された状態」とは、部材Ａと部材Ｂが物理的に直接的に接続される場合のほか、部材Ａと部材Ｂが、それらの電気的な接続状態に実質的な影響を及ぼさない、あるいはそれらの結合により奏される機能や効果を損なわせない、その他の部材を介して間接的に接続される場合も含む。

【0025】

同様に、「部材Ｃが、部材Ａと部材Ｂの間に設けられた状態」とは、部材Ａと部材Ｃ、あるいは部材Ｂと部材Ｃが直接的に接続される場合のほか、それらの電気的な接続状態に実質的な影響を及ぼさない、あるいはそれらの結合により奏される機能や効果を損なわせない、その他の部材を介して間接的に接続される場合も含む。

【0026】

また図面に記載される各部材の寸法（厚み、長さ、幅など）は、理解の容易化のために適宜、拡大縮小されている場合がある。さらには複数の部材の寸法は、必ずしもそれらの大小関係を表しているとは限らず、図面上で、ある部材Ａが、別の部材Ｂよりも厚く描かれていても、部材Ａが部材Ｂよりも薄いこともあり得る。

【0027】

図３は、実施形態に係る微粒子測定装置１を示す図である。微粒子測定装置１は、ポアデバイス１００、測定器２００、データ処理装置３００、圧力制御装置４００を備える。

【0028】

ポアデバイス１００は、ポアチップ１１０およびチップケース１２０を備える。ポアチップ１１０にはポア（細孔）１１２が形成されている。ポアチップ１１０は、チップケース１２０の内部に収容され、チップケース１２０の内部空間を、第１液室１２２と第２液室１２４とに区切っている。第１液室１２２と第２液室１２４の間は、ポア１１２を介して連通している。第１液室１２２には第１電極Ｅ１が設けられ、第２液室１２４には第２電極Ｅ２が設けられる。

【0029】

測定時には、チップケース１２０の内部空間は、測定対象の粒子４を含む電解液２で満たされる。

【0030】

測定器２００は、第１電極Ｅ１と第２電極Ｅ２の間に電圧Ｖを加えて、第１電極Ｅ１と第２電極Ｅ２の間に流れるイオン電流Ｉを測定する。測定器２００は、電圧源２０２、電流検出回路２０４、波形キャプチャモジュール２０６を備える。電圧源２０２は、第１電極Ｅ１と第２電極Ｅ２の間に電位差Ｖを発生する。電流検出回路２０４は、第１電極Ｅ１から第２電極Ｅ２に流れるイオン電流Ｉを示す電流検出信号Ｖｃｓを生成する。波形キャプチャモジュール２０６は、電流検出信号Ｖｃｓの波形をキャプチャする。波形キャプチャモジュール２０６が生成した波形データＷＡＶＥは、データ処理装置３００に送信される。データ処理装置３００は、波形データを処理し、粒子４の粒径などを推定する。

【0031】

圧力制御装置４００は、第１液室１２２と第２液室１２４の圧力差を制御する。具体的には圧力制御装置４００は、測定中に、第１液室１２２の圧力ｐ１の方が高い第１状態φ１と、第２液室１２４の圧力ｐ２の方が高い第２状態φ２と、を交互に繰り返す。ｐ１＞ｐ２が成り立つ第１状態φ１では、電解液２は、第１液室１２２から第２液室１２４に向かって移動するため、それに含まれる粒子４も、第１液室１２２から第２液室１２４に向かってポア１１２を通過する。反対に、ｐ１＜ｐ２が成り立つ第２状態φ２では、電解液２は、第２液室１２４から第１液室１２２に向かって移動するため、それに含まれる粒子４も、第２液室１２４から第１液室１２２に向かってポア１１２を通過する。圧力制御装置４００は、第１状態φ１と第２状態φ２を交互に繰り返すことにより、粒子４を、第１液室１２２と第２液室１２４の間で往復させる。

【0032】

以上が微粒子測定装置１の構成である。続いてその動作を説明する。

【0033】

図４は、図３の微粒子測定装置１の動作を説明する図である。圧力制御装置４００によって、第１状態φ１と第２状態φ２が交互に繰り返される。第１状態φ１では、第１液室１２２から第２液室１２４に向かって粒子４が流れる。粒子４がポア１１２を通過するとき、イオン電流Ｉがパルス状に減少する。イオン電流Ｉの振幅は、粒子４の径と相関を有する。

【0034】

第１状態φ１の間、いくつかの粒子４がポア１１２を通過し、通過するたびにイオン電流Ｉにパルス状の変化（単にパルスという）が現れる。第１状態φ１が続くと、第１液室１２２内の電解液２の量が少なくなり、第２液室１２４側の電解液２の量が多くなる。第１液室１２２側の電解液２の量がある程度減少すると、第１状態φ１から第２状態φ２に切り替えられる。

【0035】

第２状態φ２に切りかえた直後、第２液室１２４側の電解液２の量が多くなっている。第２状態φ２では、第２液室１２４から第１液室１２２に向かって電解液２が送り込まれ、電解液２に含まれる粒子４がポア１１２を通過するたびに、イオン電流Ｉにパルスが現れる。第２状態φ２が続くと、第２液室１２４内の電解液２の量が減少し、第１液室１２２側の電解液２の量が増加する。

【0036】

このように、実施形態に係る微粒子測定装置１では、第１液室１２２と第２液室１２４の間で、電解液２を往復させる。これにより、電解液２に含まれる粒子４の個数が少ない場合であっても、多くのパルスを含む波形データを取得することができる。こうして得られた波形データを処理することで、統計処理の確からしさが高まるため、粒径の推定の精度を改善できる。

【0037】

第１状態φ１と第２状態φ２の切りかえは、ポア１１２を通過した粒子４の個数が所定数に達する度に、言い換えると波形データに所定数のパルスが現れる度に行ってもよい。あるいは、所定のタイムインターバルで、第１状態φ１と第２状態φ２の切りかえを行ってもよい。

【0038】

なお、ポア１１２の形状やメンブレンの材質によっては、電流信号に発生するパルスの立ち上がり、立ち下がりの形状が、粒子の通過方向によって異なる場合がある。しかしながらその場合であっても、粒子４がポア１１２を通過することによる最大抵抗値は変わらないため、検出されるパルスの振幅は変わらない。そのため粒子径分布ヒストグラムを生成するためのデータとしては、第１状態と第２状態とで得られた波形データは、同等に扱うことができる。

【0039】

電気泳動を利用して粒子４の向きを反転させる場合、電圧-電流特性のヒステリシスによって、粒径の推定精度が低下する。これに対して、実施形態では、第１状態φ１と第２状態φ２とで、第１電極Ｅ１と第２電極Ｅ２に印加される電圧の極性が常に一定である。そのため、電圧-電流特性のヒステリシスの影響を受けないため、正確な粒径推定が可能となる。

【0040】

図５は、圧力差と通過粒子数の関係を示す図である。横軸は時間であり、縦軸は、波形データ中に現れる累積パルス数、すなわち粒子数である。傾きは、単位時間当たりの通過粒子の個数を表す。したがって圧力差を大きくするほど、単位時間当たりの通過粒子の個数を増やすことができる。

【0041】

続いて、測定器２００の構成例を説明する。

【0042】

図６は、一実施例に係る測定器２００Ａのブロック図である。測定器２００Ａは、トランスインピーダンスアンプ２１０、電圧源２２０、デジタイザ２３０を含む。電圧源２２０は、上述の電圧源２０２に対応する。またトランスインピーダンスアンプ２１０は、上述の電流検出回路２０４に対応する。またデジタイザ２３０は上述の波形キャプチャモジュール２０６に対応する。

【0043】

トランスインピーダンスアンプ２１０は、オペアンプＯＡ１および抵抗Ｒ１を含む。オペアンプＯＡ１の反転入力端子は、第１電極Ｅ１と接続され、非反転入力端子は接地される。抵抗Ｒ１は、オペアンプＯＡ１の反転入力端子と出力端子の間に接続される。

【0044】

電圧源２２０は、第１電極Ｅ１に電圧Ｖを印加する。オペアンプＯＡ１の仮想接地により、反転入力端子、すなわち第１電極Ｅ１の電位は、接地（０Ｖ）となる。したがって、第１電極Ｅ１と第２電極Ｅ２間には、電圧Ｖが印加される。

【0045】

第１電極Ｅ１から第２電極Ｅ２に流れるイオン電流Ｉは、トランスインピーダンスアンプ２１０に流れ込む。トランスインピーダンスアンプ２１０の電圧Ｖｃｓは、
Ｖｃｓ＝－Ｉ×Ｒ１
となり、イオン電流Ｉに比例した電圧となる。したがって、イオン電流Ｉは、
Ｉ＝Ｖｃｓ／Ｒ１
として求めることができる。

【0046】

デジタイザ２３０は、Ａ／Ｄコンバータ２３２、メモリ２３４、インタフェース回路２３６を含む。Ａ／Ｄコンバータ２３２は、電流検出信号Ｖｃｓを所定のサンプリング周期で、デジタル信号に変換する。メモリ２３４は波形データを格納する。インタフェース回路２３６は、メモリ２３４に格納された波形データを、データ処理装置３００に送信する。

【0047】

測定器２００Ａの構成は、図６のそれに限定されず、第１電極Ｅ１と第２電極Ｅ２間のインピーダンスを測定できる構成であればよい。図６の測定器２００Ａは、電圧印加電流センス（ＶＦＩＳ：Voltage Force Current Sense）方式であるが、電流印加電圧センス（ＩＦＶＳ：Current Force Voltage Sense）方式であってもよい。この場合、電圧源２０２に代えて電流源を設け、電流検出回路２０４に代えて電圧検出回路を設ければよい。

【0048】

図７は、一実施例に係る圧力制御装置４００Ａの構成例を示す図である。圧力制御装置４００は、空気圧ポンプ４０２，４０４、バルブＶ１～Ｖ４、コネクタＣＮ１，ＣＮ２を備える。圧力を急激に切り替えるとポアチップ１１０が破損するおそれがあるため、緩衝用のエアベントを設けることが好ましい。

【0049】

第１状態φ１では、バルブＶ２，Ｖ３が導通状態、バルブＶ１，Ｖ４が遮断状態となる。第１状態φ１では、第１液室１２２が空気圧ポンプ４０２によって加圧され、第２液室１２４が大気に開放される。

【0050】

第２状態φ２では、第２液室１２４が空気圧ポンプ４０４によって加圧され、第１液室１２２が大気に開放される。

【0051】

図８は、一実施例に係る圧力制御装置４００Ｂの構成例を示す図である。圧力制御装置４００は、図７の空気圧ポンプ４０４を省略して、バルブＶ２とＶ４を両方、空気圧ポンプ４０２と接続したものである。

【0052】

以上、実施の形態について説明した。この実施の形態は例示であり、それらの各構成要素や各処理プロセスの組み合わせにいろいろな変形例が可能なこと、またそうした変形例も本発明の範囲にあることは当業者に理解されるところである。以下、こうした変形例について説明する。

【0053】

本明細書では微粒子測定器について説明したが本発明の用途はそれに限定されず、ＤＮＡシーケンサをはじめとするポアデバイスを用いた微小電流計測を伴う計測器に広く用いることができる。

【0054】

実施の形態にもとづき本発明を説明したが、実施の形態は、本発明の原理、応用を示しているにすぎず、実施の形態には、請求の範囲に規定された本発明の思想を逸脱しない範囲において、多くの変形例や配置の変更が認められる。

【符号の説明】

【0055】

１ 微粒子測定装置
２ 電解液
４ 粒子
１００ ポアデバイス
１１０ ポアチップ
１１２ ポア
１２０ チップケース
１２２ 第１液室
１２４ 第２液室
Ｅ１ 第１電極
Ｅ２ 第２電極
２００ 測定器
２０２ 電圧源
２０４ 電流検出回路
２０６ 波形キャプチャモジュール
２１０ トランスインピーダンスアンプ
２２０ 電圧源
２３０ デジタイザ
２３２ Ａ／Ｄコンバータ
２３４ メモリ
２３６ インタフェース回路
３００ データ処理装置
４００ 圧力制御装置

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】