JP2008039539A - 光散乱検出装置 - Google Patents

Abstract

【課題】幅広い粒径の微粒子の分子量や粒子サイズを一度に測定することで、測定作業を簡単にするとともに時間経過に伴う粒子の結合や乖離等の現象の知見を得易くする。
【解決手段】第１波長を有する第１光源部１の出射光（静的光散乱測定光）と第１波長とは異なる第２波長を有する第２光源部２の出射光（動的光散乱測定光）とを、ビームスプリッタ５で合一させて同軸的に液体試料Ｓを流す試料セル１０に照射する。このとき、静的光散乱測定光の照射面積を広くコヒーレント光である動的光散乱測定光の照射面積は小さく絞る。試料セル１０を取り囲むように、第１波長を選択的に検出する検出器１２と第２波長を選択的に検出する検出器１３とを配置し、検出器１１、１２と検出器１３による検出信号は別々にデータ処理部１５で演算処理することで、試料Ｓに含まれる粒子の分子量や大きさを計算する。
【選択図】図１

Description

本発明は、液体試料中に分散している微粒子の分子量や回転半径等の粒子の大きさを測定するための微粒子検出装置に利用される光散乱検出装置に関する。

従来、液体クロマトグラフィを用いては分離が難しい又は分離が不可能である大きな分子量の成分や不溶性ポリマー或いは微粒子を分離するための手法として、ゲルパーメーションクロマトグラフィ（以下、ＧＰＣと略す）やフィールドフローフラクショネーション（以下、ＦＦＦと略す）などが知られている。ＧＰＣやＦＦＦにより分離された微粒子の検出器として、従来、静的光散乱法の原理に基づく多角度光散乱検出装置が用いられている（特許文献１、２など参照）。多角度光散乱検出装置では、異なる複数の散乱角を以て試料から出て来る光を同時に検出することが可能であり、それら散乱光の強度に基づいてジムプロット（Zimm Plot）法やベリープロット（Berry Plot）法などの演算手法を用いることにより微粒子の分子量や大きさ（回転半径）などを算出することができる（例えば非特許文献１参照）。

上述のような多角度光散乱検出装置は測定対象の微粒子の粒径が１０ｎｍ程度よりも大きい場合には高い精度を有するものの、粒径が１０ｎｍ以下であるような超微粒子の粒径の測定には精度が悪く、また演算が非常に複雑になって測定時間も長くなるという問題が起こる。そこで、こうした超微粒子の粒径に相当する情報を求めるには、静的光散乱法ではなく動的光散乱法が有用である（非特許文献２など参照）。動的光散乱法は、溶液中の微粒子の運動が粒子の大きさに依存するブラウン運動に従うものとしてこれに見合った散乱光の揺らぎを測定し、これから散乱光強度の自己相関係数を求め、さらに粒子の拡散係数を計算して粒子の大きさに関する情報を算出する。静的光散乱法と動的光散乱法とでは散乱光強度に基づく演算方法は異なるものの、装置の構成上、両者の光学系は類似しており、従来、両者を１台の装置に組み込んだ複合型の装置が市販されている（例えば非特許文献３など参照）。

但し、静的光散乱法と動的光散乱法とでは、その測定原理の相違のために試料に照射する光束の条件が相違する。即ち、動的光散乱法では信号強度を上げるために試料に照射される光束を非常に小径にまで絞り、局所に光を集めることで感度を高めている。これに対し、静的光散乱法では測定精度を高める必要から試料に照射される光束を広げ、散乱領域の面積を大きくしている。そのため、従来の複合型の光散乱検出装置では、静的光散乱測定時には大きな口径のアパーチャを光路中に挿入し、動的光散乱測定時には狭く小さなアパーチャのマスクを光路中に挿入することで、試料セルの設置位置における光束のサイズを切り替えている。こうした機械的な切替えには時間が掛かるため、ＧＰＣやＦＦＦから連続的に流出してくる液体試料中の微粒子の検出は、静的光散乱測定又は動的光散乱測定のいずれか一方でしか行えない。

そのため、例えばクロマトグラフ等により時間経過に伴って成分分離された試料を測定する場合のように、測定対象粒子の粒径が小さなものから大きなものまで変化する場合には、静的光散乱測定を行うように装置を設定しておくと小さなサイズの粒子を検出し損ねるおそれがあり、逆に動的光散乱測定を行うように装置を設定しておくと大きなサイズの粒子を検出できないおそれがある。こうしたことから、同一試料に対する測定を静的光散乱測定と動的光散乱測定とで少なくともそれぞれ１回ずつ行う必要があり、作業が煩雑であるばかりでなく、全く同一条件でＧＰＣやＦＦＦが行えるとは限らないために測定精度を上げることが難しいという問題がある。

また、反応や結合凝縮により液体試料中の粒子の大きさが時間経過に伴って大きく且つ急速に変化してゆくような場合、例えばタンパク質の凝縮や会合、タンパク質フォールディングなどでも同様に、大きなサイズ又は小さなサイズの粒子の見逃しの問題が生じる。

また、粒径が未知である粒子が分散した液体試料を測定する場合、静的光散乱法と動的光散乱法とのいずれが適当であるのかは、いずれかの測定法で以て実際に１回測定を行って結果を見てからでないと分からない。したがって、いずれか一方の測定法で測定した結果、その方法が不適当であることが判明すると再度同じ試料を他方の測定法で測定し直さなければならず、作業が煩雑となる。また試料が貴重であったり微量であったりして再測定が行えないような場合には、適切な結果を得られないということが起こり得る。

米国特許第４５４１７１９号明細書 米国特許第５１２９７２３号明細書 日本化学会編、「実験化学講座２６−高分子化学」、丸善（株）、２００５年、p.315-p.323 高分子学会編、「新高分子実験学６」、共立出版（株）、１９９７年、p.299 「ダイナミック光散乱光度計 DLS-8000series」、[online]、大塚電子株式会社、[平成１８年７月２１日検索]、インターネット＜http://www.photal.co.jp/product/dls80_0.html#example＞

本発明は上記課題を解決するために成されたものであり、その目的とするところは、幅広い粒径を有する粒子の分子量や大きさなどの情報を１回の測定で且つ高い精度で以て得ることができる光散乱検出装置を提供することにある。

上記課題を解決するために成された第１発明は、液体状又は気体状の試料中の微粒子を検出するための光散乱検出装置において、
a)試料を保持する透明な試料セルと、
b)第１波長又は第１波長帯域を有する静的光散乱測定用の光を出射する第１光源手段と、
c)前記第１波長又は第１波長帯域とは異なる第２波長又は第２波長帯域を有する動的光散乱測定用の光を出射する第２光源手段と、
d)前記試料セルを中心に取り囲むように配置され、静的光散乱測定用の光の照射に応じて前記試料セルから周囲に異なる散乱角を以て散乱する光を検出するべく第１波長又は第１波長帯域を選択的に検出可能な複数の検出器から成る第１検出手段と、
e)前記試料セルを中心に取り囲むように配置され、動的光散乱測定用の光の照射に応じて前記試料セルから周囲に異なる散乱角を以て散乱する光を検出するべく第２波長又は第２波長帯域を選択的に検出可能な１乃至複数の検出器から成る第２検出手段と、
f)第１光源手段による静的光散乱測定用の光と第２光源手段による動的光散乱測定用の光が同時に前記試料セルに照射されたときに第１検出手段による検出信号と第２検出手段による検出信号とを並行的に受け、前者に基づいて静的光散乱法による演算を実行するとともに後者に基づいて動的光散乱法による演算を実行する演算処理手段と、
を備えることを特徴としている。

また上記課題を解決するために成された第２発明は、液体状又は気体状の試料中の微粒子を検出するための光散乱検出装置において、
a)試料を保持する透明な試料セルと、
b)静的光散乱測定用の光を出射する第１光源手段、
c)動的光散乱測定用の光を出射する第２光源手段と、
d)第１光源手段による静的光散乱測定用の光と第２光源手段による動的光散乱測定用の光とを時分割で前記試料セルに照射する照射光切替え手段と、
e)前記試料セルを中心に取り囲むように配置され、静的光散乱測定用の光又は動的光散乱用の光の照射に応じて前記試料セルから周囲に異なる散乱角を以て散乱する光を検出する複数の検出器から成る検出手段と、
f)前記照射光切替え手段における照射光の時分割切替えに同期して前記検出手段による検出信号を静的光散乱検出信号と動的光散乱検出信号とに分離して、前者に基づいて静的光散乱法による演算を実行するとともに後者に基づいて動的光散乱法による演算を実行する演算処理手段と、
を備えることを特徴としている。

第１発明に係る光散乱検出装置では、波長又は波長帯域の相違する第１、第２なる２つの光源手段を用意し、それら光源手段からの出射光を同時に同軸的又は非同軸的に試料セルに照射する。同軸的に両光束を照射するためには、例えば、第１光源手段による照射光と第２光源手段による照射光とを同一光路に沿って試料セルに導入する光合一手段をさらに備える構成とするとよい。また、一般的に静的光散乱法の場合には、もともと対象とする粒子のサイズが大きい上に多数の粒子に対する散乱光を同時に測定するほうが精度が高まるため、試料セル中の試料に当たる光束の面積を相対的に大きくする。他方、動的光散乱法の場合には、粒子の運動に伴う散乱光の揺らぎつまり変化を検出するため、その変化が相対的に大きく現れるようにするべく光束の面積を小さくするように絞るとよい。これは第２発明でも同様である。

第１検出手段を構成する各検出器は例えば第１波長又は第１波長帯域を選択的に透過させる光学フィルタを通常の検出器の前（入射光路上）に設けた構成とし、第２検出手段を構成する各検出器は例えば第２波長又は第２波長帯域を選択的に透過させる光学フィルタを通常の検出器の前（入射光路上）に設けた構成とすることができる。もちろん、検出器自体の感度特性をそれぞれの波長又は波長帯域に適合させたものとしてもよい。

第１光源手段及び第２光源手段による両照射光に対し試料セル中の試料からの散乱光は様々な方向に出射し両者の散乱光は重なっているが、第１検出手段は第１波長又は第１波長帯域の光のみを選択的に検出し、第２検出手段は第２波長又は第２波長帯域の光のみを選択的に検出する。即ち、静的光散乱法のための散乱光強度測定と動的光散乱法のための散乱光強度測定とを同時に行いながら、それぞれの散乱光を分離して検出することができる。そして演算処理手段は、第１検出手段による検出信号に対して静的光散乱法に基づく所定のアルゴリズムに則った演算を実行することにより、比較的大きな粒径を有する粒子の分子量や回転半径などを算出し、第２検出手段による検出信号に対して動的光散乱法に基づく所定のアルゴリズムに則った演算を実行することにより、比較的小さな粒径を有する粒子の大きさなどを算出する。

第１発明に係る光散乱検出装置が波長分割（波長帯域分割）により静的光散乱法のための光と動的光散乱法のための光とを分離していたのに対し、第２発明に係る光散乱検出装置では、時分割制御・処理により静的光散乱法による測定と動的光散乱法による測定とを分離する。そのために、照射光切替え手段は第１光源手段による出射光と第２光源手段による出射光とを周期的に切り替え、この切替えに同期して演算処理手段は検出手段による検出信号を静的光散乱検出信号と動的光散乱検出信号とに分離し、前者に対して静的光散乱法に基づく所定のアルゴリズムに則った演算を実行するとともに後者に対して動的光散乱法に基づく所定のアルゴリズムに則った演算を実行する。

照射光切替え手段は、第１光源手段による照射光と第２光源手段による照射光とを選択して同一光路に沿って、つまり同軸的に試料セルに導入するものとすることができるが、時間的に重ならなければ非同軸的に両光束が試料セルに照射される構成としてもよい。動的光散乱測定の場合、散乱光強度の変化を観測する必要があるが、その変化よりも十分に速い速度で照射光の切替えを行うことにより、動的光散乱測定結果における照射光切替えの影響をなくすことができる。また、このような速度で照射光の切替えを行えば、時分割であっても静的光散乱測定と動的光散乱測定とを実質的に同時に行っているとみなすことができる。

このように第１及び第２発明に係る光散乱検出装置によれば、１ｎｍ程度又はそれ以下の小さな粒径の粒子から数十μｍ程度又はそれ以上の大きな粒径の粒子までの広い範囲に亘って１台の装置で同時に分子量や粒子の大きさに関連する情報を取得することができる。したがって、測定対象の粒子に応じて静的光散乱測定と動的光散乱測定とを使い分ける必要がなく、測定作業が簡便になる。

また、静的光散乱法に適した粒子と動的光散乱法に適した粒子とが同時に混在する場合、或いは測定途中に粒径が大きく変化する場合や粒径が不明である場合でも、粒子の検出の漏れや見逃しがなくなり検出精度の向上が図れる。特に、例えばタンパク質などの粒子が結合して、粒子径、分子量、回転半径などが時間的に変化する状態をリアルタイムで追跡することが可能となるため、構造の変化の知見を得ることができるようになる。また、複数の分子の結合や乖離などの状態も同様にリアルタイムで追跡することが可能となる。さらにまた、従来のように幅広い粒径の粒子の大きさに関する情報を取得するために複数回の測定を行う必要がないため、試料が貴重であったり微量であったりする場合でも、確実に粒子の大きさに関する情報を得ることができる。

なお、動的光散乱法による測定では、照明されている領域内での空間的コヒーレンスがないと散乱光強度の相関が得られない。そのため、第２光源手段による照射光はコヒーレント光である必要があり、コヒーレンスの大きなレーザを出射するレーザ光源を用いるとよい。一方、第１光源手段による照射光は必ずしもコヒーレント光である必要はなく、インコヒーレント光を用いてもよい。但し、ここで言うインコヒーレント光は上記コヒーレント光に比べてコヒーレンスが低い光を意味しており、完全インコヒーレント光のみならず、コヒーレント光と完全インコヒーレント光の中間の状態である部分コヒーレント（パーシャルコヒーレント）光も含むものとする。

また、静的光散乱法により分子量や回転半径などを計算するためには試料中の粒子の濃度情報が必要となるが、屈折率計や吸光分光光度計などの濃度測定の可能な装置を別途接続すると装置の大型化・高コスト化を招くのみならず、濃度を散乱光強度と同時に測定できないことによる時間ずれ補正処理が必要となってしまう。そこで、第１及び第２発明に係る光散乱検出装置では、第１光源手段による照射光に対し前記試料セルを透過して来る光を検出する透過光検出手段を備える構成とするとよい。第１光源手段による照射光をインコヒーレント光とした場合、試料を透過してきた光（散乱角度ゼロの散乱光）は試料中の粒子濃度に依存する吸収（散乱）を受けるため、透過光検出手段による検出信号を利用することにより試料中の粒子濃度を算出することができる。そして、これにより算出された濃度値を静的光散乱法による演算に利用して、分子量や粒子の大きさなどを求めることが可能となる。

まず第１発明に係る光散乱検出装置の一実施例である複合型光散乱検出装置について図に基づいて説明する。図１は本実施例の複合型光散乱検出装置の全体構成図、図２は試料セルにおける照射光の状態を示す図である。

本実施例の複合型光散乱検出装置においては、液体試料Ｓが供給される周囲が透明であるフローセル（又は角形セル、試験管様セルなどの液体試料を収容するセルでもよい）である試料セル１０を中心にした円周Ｅ上に、透過光検出器１１と複数の静的光散乱用検出器１２と複数の動的光散乱用検出器１３とが試料セル１０を取り囲むように配置されている。複数の静的光散乱用検出器１２は互いに所定角度間隔θ１であり、複数の動的光散乱用検出器１３は互いに所定角度間隔θ２である。ここでは、透過光検出器１１、静的光散乱用検出器１２、動的光散乱用検出器１３は検出器自体は同一であって、透過光検出器１１及び静的光散乱用検出器１２は、後述するように第１波長を選択的に通過させる光学特性を有する光学フィルタ１２ａをその前方に備え、動的光散乱用検出器１３は、後述するように第２波長を選択的に通過させる光学特性を有する光学フィルタ１３ａをその前方に備える。

試料セル１０に光を照射するために、第１波長の光を出射する第１光源部１と、第１波長とは重ならない（分離可能である）第２波長の光を出射する第２光源部２とを備える。第１光源部はコヒーレント光であるレーザ光を出射するレーザ光源でもよいし、コヒーレンスが相対的に低いインコヒーレント光を出射するインコヒーレント光源でもよい。但し、後述するように透過光検出器１１による検出信号に基づいて試料濃度を求めるには、照射光のコヒーレンスが低いほうが好ましい。したがって、濃度測定を同時に行う場合には、第１光源部１はインコヒーレント光源であるのが好ましい。一方、第２光源部２はコヒーレンスの高いレーザ光を出射するレーザ光源である。

第１光源部１から出射されレンズ３で集光されて光路Ｌ１に沿って進む光と、第２光源部２から出射されてレンズ４で集光されて光路Ｌ２に沿って進む光とは、本発明における光合一手段としてのビームスプリッタ５により重畳され、同一光軸を有する光路Ｌ３へと送られる。光路Ｌ３上には別のビームスプリッタ６が配置され、試料セル１０に照射される光の一部がビームスプリッタ６で分割・反射され、さらに部分反射鏡（又はビームスプリッタ）７で２つに分割されて第１、第２強度モニタ用検出器８、９に導入される。第１強度モニタ用検出器８は光学フィルタ８ａにより選択的に通過された第１波長の光強度を検出するものであり、第２強度モニタ用検出器９は光学フィルタ９ａにより選択的に通過された第２波長の光強度を検出するものである。この強度モニタ用検出器８、９の検出信号は後述するデータ処理部１５に入力され、光源部１、２の発光強度の変動を補正するために利用される。

光路Ｌ３に沿って照射光は試料セル１０の中心に照射される。このとき、第１光源部１による照射光は、散乱に供する体積が比較的大きくなるように、図２に示す如く比較的大きな面積Ｐａで且つ液体試料Ｓに確実に光が当たるようにレンズ３により集光される。これは、静的光散乱測定では散乱体積中の粒子数が多いほど検出信号のＳＮ比が良好になるためである。一方、第２光源部２による照射光は、同じように試料セル１０の中心に合うようにレンズ４により集光されるが、その光束は絞られ、試料セル１０の位置において照射面積Ｐｂは先の面積Ｐａに比較してかなり小さくされている。これは、動的光散乱測定では、照明されている領域が狭いほうが該領域からの信号強度が高くなるためである。

同軸的に同時に試料セル１０中の液体試料Ｓに照射された第１光源部１による照射光（静的光散乱測定光）と第２光源部２による照射光（動的光散乱測定光）とに対し、液体試料Ｓ中の散乱粒子からの散乱光はそれぞれの照射光の波長のものが、粒子の大きさ（回転半径、流体半径など）、形状、或いは屈折率などの特性を反映した強度や角度を以て周囲に出射する。その散乱光の中で、透過光検出器１１及び複数の静的光散乱用検出器１２は第１光源部１による照射光に対応した散乱光のみを選択的に検出し、複数の動的光散乱用検出器１３は第２光源部２による照射光に対応した散乱光のみを選択的に検出する。

透過光検出器１１及び複数の静的光散乱用検出器１２による検出信号はデータ処理部１５に機能として含まれる静的光散乱演算処理部１６に入力され、一方、複数の動的光散乱用検出器１３による検出信号は同じくデータ処理部１５に機能として含まれる動的光散乱演算処理部１７に入力されている。静的光散乱演算処理部１６及び動的光散乱演算処理部１７はそれぞれ入力された検出信号に基づいて所定のアルゴリズムに則った演算処理を実行し、その結果として粒子の分子量や大きさなどに関する情報を算出して出力する。

例えば図示しないＧＰＣやＦＦＦにより成分分離された液体試料が所定流量で以て試料セル１０に供給されるとき、同時刻に試料セル１０内に存在する液体試料Ｓに対する静的光散乱測定のための散乱光強度と動的光散乱のための散乱光強度とを取得することができる。また、両散乱光は波長により完全に分離されているため、検出器１２では第１光源部１による照射光に由来する散乱光のみを、検出器１３では第２光源部２による照射光に由来する散乱光のみを検出することができる。

静的光散乱演算処理部１６で実行される演算処理の詳細については、特許文献１、２、非特許文献１、２などに開示されているように周知のものであるが、概略的に説明すると、複数の散乱角度θに対し、溶媒の影響を除いた粒子のみの散乱、即ち過剰（excess）レーリー比ΔＲ（θ）は次の(1)式で表される。
Ｋ・Ｃ／ΔＲ（θ）＝１／Ｍ・Ｐ（θ）＋２Ａ・Ｑ（θ）・Ｃ＋Ｏ（Ｃ^２) …(1)
ここで、Ｋは実験的に決まる定数、Ｃは粒子の濃度、Ｍは粒子の分子量、Ａは粒子の回転半径、Ｐ（θ）は分子内干渉因子、Ｑ（θ）は分子間干渉因子である。過剰レーリー比ΔＲ（θ）は、上述のような通常の散乱光の検出により次の(2)式から求まるレーリー比Ｒ（θ）から溶媒の影響を除いたものである。
Ｒ＝Ｉ・ｒ^２／Ｉ_０・Ｖ …(2)
ここで、Ｉ_０：入射光強度、ｒ：試料セルから検出器までの距離、Ｉ：散乱光強度、Ｖ：散乱体積である。

上記(1)、(2)式により複数の散乱角度θの過剰レーリー比ΔＲ（θ）が求まるから、濃度ゼロ（Ｃ＝０）と角度ゼロ（θ＝０）をジムプロット（Zimm Plot）やべーリープロット（Berry Plot）などの既存の手法を用いて外挿することで分子間干渉又は分子内干渉の効果を消し、次の(3)、(4)式に従って分子量Ｍや回転半径Ａを算出する。
Ｋ・Ｃ／ΔＲ（Ｃ＝０）＝１／Ｍ・Ｐ（０）＝１／Ｍ …(3)
ＫＣ／ΔＲ（θ＝０）＝１／Ｍ＋２Ａ・Ｃ …(4)

なお、上記演算のために濃度Ｃの値が必要となるが、照射光がインコヒーレント光である場合に透過光検出器１１で得られた散乱角度ゼロの散乱光（実質的に透過光）強度は散乱体積中に存在する粒子の数に依存したものとなるため、これから濃度を求めることができる。そして、これにより求めた濃度値を上記のような粒子の分子量や回転半径の算出に利用することができる。もちろん、この濃度値は別に設けた屈折率計や吸光分光光度計による検出結果を利用して求めたものでもよい。

一方、動的光散乱演算処理部１７で実行される演算処理の詳細についても、非特許文献１、２などに開示されているように周知のものである。概略的に説明すると、時刻ｔ_０及び時刻ｔ_０＋ｔでの散乱光強度Ｉ（ｔ_０）及びＩ（ｔ_０＋ｔ）を用いて、自己相関関数Ｇ（ｔ）は次の(5)式で表される。
Ｇ（ｔ）＝＜Ｉ（ｔ_０）・Ｉ（ｔ_０＋ｔ）＞_ｔ０／＜Ｉ（ｔ_０）＞_ｔ０ ^２ …(5)
ここで＜…＞_ｔ０はｔ_０に関する長時間（散乱光の揺らぎに対して長時間）平均を表す。自己相関係数Ｇ（ｔ）からは並進相互拡散係数が求まり、この並進相互拡散係数が粒子の流体力学的半径に依存するため、相関関数を求めることにより、これから流体力学的半径つまり粒子の大きさを算出することができる。また、粒子の大きさにより散乱角度が相違するため、複数の検出器１３で得られる検出信号を解析することにより、異なる粒子の大きさを同時に測定することができる。

以上のように本実施例による複合型光散乱検出装置によれば、実質的に同時に幅広い粒径の粒子の分子量や大きさ（回転半径、流体力学的半径など）に関する情報を得ることができる。

ところで、動的光散乱測定では、照明されている領域内での散乱光の空間的コヒーレンスがないと散乱光強度の相関が得られないため、散乱のための照明領域内でのコヒーレンスの高さは不可欠である。即ち、散乱領域内の両端の２点でコヒーレンスが検出器の検出面全面において高くなるようにしておく必要があり、いまコヒーレンスを少なくとも０．８８とするには、検出面の対角長をＬｃとすると、次の(6)式の条件を満たす必要がある。
Ｌｃ＝λ・ｒ／２π・ρ＝０．１６λ・ｒ／ρ …(6)
ここで、ｒ：試料セル１０から検出器１３までの距離、ρ：試料Ｓにおいて照明された領域の半径、である。上記(6)式より、
ρ・Ｌｃ＝０．１６・λ・ｒ
であるから、ρを十分に小さくするか、或いはｒを大きくとることが必要となる。

即ち、動的光散乱測定のためには試料セル１０から検出器１３までの距離ｒを大きくすることが望ましく、静的光散乱測定と動的光散乱測定とでは演算は独立であるため、試料セル１０から検出器１２までの距離と試料セル１０から検出器１３までの距離は同一である必要はない。そこで、上記実施例による複合型光散乱検出装置の光学系の構成は図３に示すように変形することができる。この変形例では、透過光検出器１１と複数の静的光散乱用検出器１２は試料セル１０を取り囲むように円周Ｅ１上に配置され、複数の動的光散乱用検出器１３は同じく試料セル１０を取り囲むように、円周Ｅ１と同心であって半径が大きな円周Ｅ２上に配置されている。これにより、試料セル１０から検出器１３までの距離が長くなり、散乱光のコヒーレンスを高くすることができる。

また、上記実施例では、波長の相違する２つの照射光を同軸的に試料セル１０に照射していたが、必ずしも同軸的である必要はない。図４は入射光学系を変形した複合型光散乱検出装置の構成を示す図である。試料セル１０に対し、第１光源部１による照射光は光路Ｌ１に沿って、第２光源部２による照射光は光路Ｌ２に沿って別々に入射する。この構成でも、上記実施例と同様の測定が行えることは言うまでもない。

また、図１、図３、図４の構成では、光源部１、２と試料セル１０と検出器１１、１２、１３とは同一平面上に配置されるようにしている。これにより、装置の構成上、光学設計や製造が容易になり、また演算処理部１６、１７での演算アルゴリズムをたてる上での理論計算も容易になるが、上記各部材を同一平面上に配置することは必須ではない。また、照射光の電気ベクトルの偏光方向は、上記平面に垂直な方向でも該平面内にあってもよい。もちろん、それぞれに応じて演算処理のための理論計算を変更する必要がある。さらには、計算は複雑になるものの、静的光散乱の場合、散乱角度θさえ決まれば、試料セル１０と各検出器１２との間の距離は異なる（つまり同一半径の円周上にない）ようにしてもよい。同様に、動的光散乱の場合も、コヒーレンス条件さえ満たせば、それぞれの検出器１３と試料セル１０との間の距離が相違していても大きな影響は及ぼさない。

また、動的光散乱測定の場合、複数の散乱角度で散乱光強度を検出するのではなく、１個の検出器のみで散乱光を検出して粒子の大きさを計算することも可能ではある。但し、その場合には、上述のように多角度で検出する場合に比べれば、高い精度で算出可能な粒子の大きさの範囲が狭くなる。

また場合によっては、液体試料Ｓから蛍光やラマン光などが散乱光の検出に障害となる程度の強度で出る場合がある。第１光源部１による出射光と第２光源部２による出射光とのより長い波長の側が影響を受けるが、通常、ラマン散乱光はレーリー散乱光よりも数桁以上強度が低く問題となることはないものの、蛍光は、含まれる蛍光発光体の濃度が高い場合に問題となる可能性がある。その影響を受けないようにするためには、天然に存在する蛍光励起波長を避け、比較的蛍光体の少ない波長を選択するのが実用的である。また、後述するように第１光源部１と第２光源部２とによる光の照射を同時ではなく時分割で行うようすれば、一般に蛍光の寿命は数ｎ秒と短いので、一方の照射光で励起された蛍光が他方の測定に影響を及ぼすことはなくなる。

次に第２発明に係る光散乱検出装置の一実施例である複合型光散乱検出装置について図５、図６に基づいて説明する。図５は本実施例の複合型光散乱検出装置の全体構成図、図６はセクタ鏡の概略正面図である。上記実施例と同じ又は相当する構成要素には同一符号を付して特に要しない限り説明を省略する。

この実施例の複合型光散乱検出装置では上記実施例と異なり波長分割ではなく時分割で静的光散乱測定と動的光散乱測定とを実行する。したがって、円周Ｅ上に配置された検出器１１、１２は光学フィルタを備えず、感度特性も同等である。但し、照射光によって、試料から誘起される蛍光（長波長側に出る）を除去する目的で、それぞれの光源の波長のみを透過する狭帯域フィルタを用いる。一方、第１光源部１からの出射光と第２光源部２からの出射光との波長は重なっていてもよいが、第２光源部２はレーザ光源であり、第１光源部１はインコヒーレント光源又はレーザ光源である点は上記実施例と同じである。

第１光源部１から出射され光路Ｌ１に沿って進む静的光散乱用の光と、第２光源部２から出射されて光路Ｌ２に沿って進む動的光散乱測定用の光とは、本発明における照射光切替え手段としてのセクタ鏡２０により交互に選択されて、試料セル１０に向かう同一光軸を有する光路Ｌ３へと送られる。セクタ鏡２０は図６に示すように、回転軸２０ａの周囲に等角度α範囲の反射部２０ｂと透過部２０ｃとが交互に配置された構成を有し、回転軸２０ａはモータ等の駆動機構２１により所定速度で同一方向に回転駆動される。光路Ｌ１と光路Ｌ２との交差部に透過部２０ｃが来るタイミングでは静的光散乱測定用の照射光が光路Ｌ３に送られ、反射部２０ｂが来るタイミングでは動的光散乱測定用の照射光が光路Ｌ３に送られるように切り替えられる。

駆動機構２１は制御部２２の制御の下にセクタ鏡２０を一定周期で回転駆動し、制御部２２はそのセクタ鏡２０の回転位置を把握しているため、制御部２２からデータ処理部１５に対し、いずれの照射光が試料セル１０に照射されている期間であるのかを示すタイミング制御信号が送られる。そして、データ処理部１５において信号振分け部１８は、上記タイミング制御信号に基づいて複数の検出器１１、１２による検出信号を静的光散乱演算処理部１６と動的光散乱演算処理部１７とに交互に振り分ける。即ち、試料セル１０に第１光源部１による光（静的光散乱測定光）が照射されている期間では、複数の検出器１１、１２で検出される散乱光強度は静的光散乱演算処理部１６に入力され、試料セル１０に第２光源部２による光（動的光散乱測定光）が照射されている期間では、複数の検出器１１、１２で検出される散乱光強度は動的光散乱演算処理部１７に入力される。

静的光散乱演算処理部１６と動的光散乱演算処理部１７とはそれぞれ上記と同様に散乱光強度に基づいて粒子の分子量や大きさに関する情報を計算により求める。試料セル１０への照射光の導入とそれに応じた散乱光の検出とは、静的光散乱測定と動的光散乱測定とで時分割であるが、例えば試料セル１０に一定流量で以て液体試料Ｓが供給されるような場合であっても、その流量よりも十分に速い速度でセクタ鏡２０を回転させることにより、実質的に静的光散乱測定と動的光散乱測定とを同時に、つまりは同一試料に対して両測定を行っているものとみなすことができる。

なお、このような時分割処理の場合でも、図５に示したように同軸的に両照射光を試料セル１０に導入するのではなく、非同軸的に照射光を導入するようにすることができる。

また、上記実施例はいずれも本発明の一例にすぎないから、上記記載以外の点について本発明の趣旨の範囲で適宜に修正、変更、追加などを行っても、本願特許請求の範囲に包含されることは明らかである。例えば上記実施例では測定対象が液体試料中の粒子であるが、本発明に係る装置は気体試料中の粒子に対しても適用可能である。

第１発明に係る光散乱検出装置の一実施例である複合型光散乱検出装置の全体構成図。 図１に示した複合型光散乱検出装置での試料セルにおける照射光の状態を示す図。 第１発明の他の実施例による複合型光散乱検出装置の全体構成図。 第１発明の他の実施例による複合型光散乱検出装置の全体構成図。 第２発明に係る光散乱検出装置の一実施例である複合型光散乱検出装置の全体構成図。 図５に示した複合型光散乱検出装置でのセクタ鏡の概略平面図。

符号の説明

１…第１光源部
２…第２光源部
３、４…レンズ
５、６…ビームスプリッタ
７…部分反射鏡
８…第１強度モニタ用検出器
９…第２強度モニタ用検出器
１０…試料セル
Ｓ…液体試料
１１…透過光検出器
１２…静的光散乱用検出器
１３…動的光散乱用検出器
８ａ、９ａ、１２ａ、１３ａ…光学フィルタ
１５…データ処理部
１６…静的光散乱演算処理部
１７…動的光散乱演算処理部
１８…信号振分け部
２０…セクタ鏡
２０ａ…回転軸
２０ｂ…反射部
２０ｃ…透過部
２１…駆動機構
２２…制御部

Claims (8)

1. 液体状又は気体状の試料中の微粒子を検出するための光散乱検出装置において、
   a)試料を保持する透明な試料セルと、
   b)第１波長又は第１波長帯域を有する静的光散乱測定用の光を出射する第１光源手段と、
   c)前記第１波長又は第１波長帯域とは異なる第２波長又は第２波長帯域を有する動的光散乱測定用の光を出射する第２光源手段と、
   d)前記試料セルを中心に取り囲むように配置され、静的光散乱測定用の光の照射に応じて前記試料セルから周囲に異なる散乱角を以て散乱する光を検出するべく第１波長又は第１波長帯域を選択的に検出可能な複数の検出器から成る第１検出手段と、
   e)前記試料セルを中心に取り囲むように配置され、動的光散乱測定用の光の照射に応じて前記試料セルから周囲に異なる散乱角を以て散乱する光を検出するべく第２波長又は第２波長帯域を選択的に検出可能な１乃至複数の検出器から成る第２検出手段と、
   f)第１光源手段による静的光散乱測定用の光と第２光源手段による動的光散乱測定用の光が同時に前記試料セルに照射されたときに第１検出手段による検出信号と第２検出手段による検出信号とを並行的に受け、前者に基づいて静的光散乱法による演算を実行するとともに後者に基づいて動的光散乱法による演算を実行する演算処理手段と、
   を備えることを特徴とする光散乱検出装置。
2. 液体状又は気体状の試料中の微粒子を検出するための光散乱検出装置において、
   a)試料を保持する透明な試料セルと、
   b)静的光散乱測定用の光を出射する第１光源手段、
   c)動的光散乱測定用の光を出射する第２光源手段と、
   d)第１光源手段による静的光散乱測定用の光と第２光源手段による動的光散乱測定用の光とを時分割で前記試料セルに照射する照射光切替え手段と、
   e)前記試料セルを中心に取り囲むように配置され、静的光散乱測定用の光又は動的光散乱用の光の照射に応じて前記試料セルから周囲に異なる散乱角を以て散乱する光を検出する複数の検出器から成る検出手段と、
   f)前記照射光切替え手段における照射光の時分割切替えに同期して前記検出手段による検出信号を静的光散乱検出信号と動的光散乱検出信号とに分離して、前者に基づいて静的光散乱法による演算を実行するとともに後者に基づいて動的光散乱法による演算を実行する演算処理手段と、
   を備えることを特徴とする光散乱検出装置。
3. 第１光源手段及び第２光源手段による照射光はともにコヒーレント光であることを特徴とする請求項１又は２に記載の光散乱検出装置。
4. 第１光源手段による照射光はインコヒーレント光であり、第２光源手段による照射光はコヒーレント光であることを特徴とする請求項１又は２に記載の光散乱検出装置。
5. 前記試料セルにおいて第１光源手段による照射光の光束のサイズは第２光源手段による照射光の光束のサイズよりも大きいことを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載に光散乱検出装置。
6. 前記第１光源手段による照射光と前記第２光源手段による照射光とを同一光路に沿って前記試料セルに導入する光合一手段をさらに備えることを特徴とする請求項１に記載の光散乱検出装置。
7. 前記照射光切替え手段は、前記第１光源手段による照射光と前記第２光源手段による照射光とを選択して同一光路に沿って前記試料セルに導入するものであることを特徴とする請求項２に記載の光散乱検出装置。
8. 第１光源手段による照射光に対し前記試料セルを透過して来る光を検出する透過光検出手段を備えることを特徴とする請求項１〜７のいずれかに記載の光散乱検出装置。
   
   

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