光学测量装置的制作方法

专利名称：光学测量装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种光学测量装置，该光学测量装置使用光学方法来测量 样品中的粒子的扩散信息，前述粒子可移动地散布在介质中，更具体地涉 及一种光学测量装置，其通过粒子的密度调节形成的瞬态衍射光栅，测量 液体或凝胶体中的当前粒子的扩散信息。本发明的光学测量装置还能够用于生物学、材料发展领域等，基于扩 散系数的测量结果来测量粒子直径。
背景技术：
瞬态衍射光栅方法作为一种用于测量粒子的扩散信息的测量方法。例 如，专利文件1公开一种通过瞬态衍射光栅方法测量扩散常数的方法，因此基于扩散常数的变化来探测蛋白质结合体(protein association)。 根据传统的瞬态衍射光栅方法，具有相同波长的两个脉冲激发光束照射在样品上，例如相互交叉的光束，因此在样品中形成干扰带。当脉冲激发光束形成的干扰带的明亮部分的样品中的分子(粒子)被光激发 (photoexcited)时，干扰带的黑暗部分的样品中的分子(粒子)不被光激发，光激发的分子和没有被光激发的分子以规则布置在形成干扰带的区域交替地出现。如果激发状态的扩散系数不同于非激发状态，在它们的扩散过程中短暂地产生衍射光栅(瞬态衍射光栅)。同样，在与目标分子具有光化反应性的分子混合在一起时，干扰带的明亮部分出现反应。反应的分子应当具有更小的扩散系数，瞬态光栅在它们的扩散过程中产生。当探测光束额外地照射在形成瞬态衍射光栅的区域时，探测光束被瞬态衍射光栅所衍射。在发生光激发过程之后，具有更小扩散系数的分子比另一种状态下的分子更快速地扩散。在第一扩散过程形成瞬态衍射光栅，并且在第二扩散过程消灭瞬态衍射光栅，由瞬态衍射光栅的探测光束产生 的衍射光束的栅格和强度出现和消失，第二扩散过程是由具有更大扩散系 数的分子造成的。在该情况下，衍射光束的强度的衰减曲线或上升曲线表 示具有样品中的每个状态的分子的两个扩散常数(扩散系数)，因此能够 基于所获得的曲线来计算样品中的分子的扩散系数，并进一步获得尺寸 (粒子直径)、形状信息，并基于扩散系数获得与样品中的粒子的溶剂的 相互作用。此外，作为用于测量粒子的扩散信息的方法，本发明的发明人提出 这样的装置和方法，即通过电连接多个电极齿的一端而构造的梳形电极对 被布置在存储样品的容器中，样品具有扩散在介质中的粒子，从而使得相 应电极的电极齿的另一端以小间隔彼此相对，在电极对上施加电压以便在 彼此相对的电极齿之间产生规则分布的电场，因此电泳力作用作用在容器 内的样品中的粒子上，以便产生通过粒子的密度调节形成的衍射光栅，在 产生衍射光栅之后，施加在电极对上的电压被停止以便扩散粒子，因此消 灭了衍射光栅，同步地探测衍射光束的强度，通过照射光束到容器中产生 衍射光栅的部分来获得前述衍射光束，并且基于衍射光栅消灭过程中衍射 光束的强度的时间变化来评价样品中的粒子的扩散信息。专利文献日本专利公开公报No. 2004-85528。发明内容[本发明要解决的技术问题]根据用于测量粒子扩散信息的传统方法中的瞬态衍射光栅方法，因为 为了使具有相同波长的两个激发光束交叉以便产生干扰带，光路长度被设 定成几乎相似的两个激发光束被引导到要测量的区域，具有一定入射角度 的探测光束入射到通过产生的干涉带形成的衍射光栅上。因此需要使两个 激发光束和一个探测光束在一个测量点交叉，并因此需要调节激发光束和 探测光束的三个光轴，因此它们的调节很困难。当蛋白质等分子用作样品时，对于使用激发光束，需要采用具有短波长的大激光源，例如受激准分子激光器光源(excimer laser light source),因此设备的尺寸增加。此外，当例如蛋白质等分子(粒子)用作样品时，蛋白质分子(粒子)自身通常在折射率、吸收系数和激发光束 引起的扩散系数方面不变化，因此需要用光激发的试剂(荧光试剂)来 标记样品材料。然而，由于标记样品，可导致要测量的蛋白质(粒子)的特 征和特性发生变化。此外，通常标记是不可逆的反应，样品中的分子(粒 子)可被损害，因此不能对相同的样品重复测量，并且分子(粒子)不能够 被回收以便用于其它目的。此外，用于形成瞬态衍射光栅的光激发通常是 不可逆的反应，如果样品一旦被测量过，随后样品仅产生微弱信号，因此 造成不能重复测量的问题。此外，当不是能够被容易标记的蛋白质等分子的粒子作为样品时，一 些材料可能不能被标记，激发光束引起的粒子的光激发就困难，利用上述 瞬态衍射光栅的测量就困难。另一方面，根据发明人提出的方法，在通过产生密度调节的均匀电分 布粒子而形成的衍射光栅的消灭过程期间，基于衍射光束的强度的时间变 化，获得介质中的粒子的扩散信息。因此不需要使用激发光束，不需要调 节它们的光轴，也不需要标记样品，因此样品能够被测量和再次测量。然而，根据该方法，通过粒子的密度调节形成的衍射光栅产生在彼此 相对的电极齿的远端之间，电极齿的远端之间的距离长达几十微米，如果 距离超过该距离就不能够形成适当的衍射光栅。结果，通过粒子的密度调 节形成的衍射光栅(光栅长度)的宽度长达几十微米。另一方面，需要在 至少几十微米长的光栅上照射光束，以便测量衍射光束的强度，因此需要 在需要的部分上照射宽度上限制成几十微米、长度上限制成几毫米的光 束，以便考虑粒子的密度调节形成的衍射光栅(光栅长度)的宽度、仅在 密度调节形成的衍射光栅上照射光束，因此造成它们对准难的问题。另一方面，如果光束不被限制，即例如具有圆形截面的光通被照射 在包括粒子的密度调节形成的衍射光栅的区域上，还有来自粒子的密度调 节形成的衍射光栅的两侧上设置的电极齿所形成的衍射光栅的探测衍射 光束，因此增加不必要的信号，造成探测灵敏度降低的另一个问题。此外，根据上述方法，除了粒子的密度调节形成的衍射光栅外，以 恒定间隔规则地布置的电极齿还产生衍射光束，被电极齿衍射的光束的出 射方向与通过粒子的密度调节形成的衍射光栅产生的衍射光束的出射方向一致。粒子的密度调节形成的衍射光栅的产生/消灭所引起的衍射光束 的强度的时间变化被测量作为来自电极齿的强衍射光束的量。粒子形成的 衍射光栅的扩散效率通常较低，光电探测器从粒子的密度调节形成的衍射 光栅接收的衍射光束被探测为从电极齿组接收的具有大强度的衍射光束 的光的光量，其与背景一样发生稍微变化。在该情况下，对于光束的探测，由于散粒噪声(shotnoise)，不可 避免地要出现关于光子数量的平方的统计波动，如果背光的强度很强，就 难以探测光量的小变化，因此产生难以增加粒子形成的衍射光栅的衍射光 束的强度的时间变化的测量结果的S/N比率。此外，根据上述提出的技术，用于产生通过粒子的密度调节形成的 衍射光栅的电极对形成在存储样品的容器的内表面上。如果容器是存储样 品的微小容器以便测量微量，因此难以清洗容器的内部。进一步地，根据 该光学测量方法，因为要测量的粒子被强制地俘获在电极的附近以便形成 具有高密度粒子的区域，因此可能出现粒子被吸附到电极附近的现象。如果测量之后容器没有充分地清洗，使用相同容器继续测量不同粒 子时，由于污染，可能会导致测量错误。鉴于前述问题，提出了本发明，本发明的第一目的是提供一种光学 测量装置，其基本上采用本发明的申请人的上述专利申请的方法，该方法 产生通过粒子的密度调节形成的衍射光栅，在衍射光栅的消灭过程期间探 测衍射光束的强度，并获得粒子的扩散信息，解决传统的瞬态衍射光栅方 法的问题，即使使用具有圆截面的通常的光通而不限制照射光束时也能够 获得粒子的密度调节形成的衍射光栅的衍射光束的更多信息，并且增加测 量的灵敏度。此外，本发明的第二个目的是以采用粒子的密度调节形成的衍射光 栅的同样的光学测量装置来选择性地测量粒子的密度调节形成的衍射光 栅的衍射光束，而不与电极齿形成的衍射光栅的衍射光束干涉，因此增加 S/N比率。进一步地，本发明的第三个目的是以采用粒子的密度调节形成的衍 射光栅的同样的光学测量装置来便于存储样品和电极的容器的清洗，因此 防止污染引起的测量错误。[解决技术问题的技术方案]为了实现第一个目的，提供一种根据第一方面的光学测量装置，包 括容器，所述容器存储可移动地散布在介质中的粒子样品；电源，所述 电源以预定图案或任意设定的图案产生电压，所述预定图案包括DC图案、 频率调制图案、和电压调制图案；电极对，所述电极对设置在所述容器中， 并且当所述电源施加电压时，所述电极对在所述容器中产生规则分布的电 场分布；控制装置，所述控制装置控制所述电源在所述电极对上的电压施加以便产生/消灭通过粒子的密度调节形成的衍射光栅，所述粒子的密度调节通过作用在所述容器内的样品中的粒子上的电泳力产生；光源，所述 光源发射光束到所述容器内形成所述衍射光栅的产生区域上；和光电探测 器，所述光电探测器探测被所述衍射光栅衍射的发射光束的衍射光束，其 中基于所述光电探测器探测的衍射光束的强度的时间变化，来评价样品 中的粒子；构成所述电极对的所述相应电极包括彼此平行的多个线性电极 齿和与相应电极齿彼此电连接的连接部分；所述相应电极被布置成在所述 一个电极的电极齿插在所述另一个电极的所述电极齿之间时，所述相应电 极的所述电极齿以恒定的间隔隔离开、彼此平行、并且交替地设置。此外，根据第二个方面的光学测量装置同时获得第一和第二个目的， 其中通过使用下面的电极对来代替第一方面的电极对。艮P,根据第二方面的电极对，构成所述电极对的所述相应电极包括 彼此平行的多个线性电极齿和与相应电极齿彼此电连接的连接部分，并且 所述相应电极被形成为具有交替地布置的电极一齿集中区域和电极一齿 缺少区域，所述电极一齿集中区域具有至少两个彼此相邻布置的所述电极 齿，所述电极一齿缺少区域不具有电极齿；并且所述相应电极被布置成所 述一个电极的电极一齿集中区域布置在所述另一个电极的电极一齿缺少 区域中，并且所述相应电极的所述电极齿彼此平行。此外，根据第三方面的光学测量装置同时获得第一和第二个目的， 其中使用下面的电极对代替第一方面的电极对。艮口，根据第三方法的电极对，构成所述电极对的所述相应电极包括 彼此平行的多个线性的电极齿和与所述相应电极齿彼此电连接的连接部分；所述相应电极被形成为在所述一个电极的所述电极齿插在所述另一个 电极的所述电极齿之间时，所述电极齿彼此平行地布置；在所述相应电极 的彼此相邻的所述电极齿之间是所述另一个电极的所述电极齿和不与所 述梳形电极连接且与所述相应电极齿形状大致相似的浮起电极齿(floating electrode tooth);并且所述浮起电极齿和所述相应电极的 所述电极齿彼此以恒定的间隔布置。根据本发明的相应方面，所述电极对中的至少一个电极被覆盖有薄 膜，以便防止所述电极与所述容器中的样品起反应。此外，为了获得上述第三目的，提供一种根据第五方面的光学测量 装置，包括容器，所述容器存储可移动地散布在介质中的粒子样品；电 源，所述电源以预定图案或任意设定的图案产生电压，所述预定图案包括 DC图案、频率调制图案、和电压调制图案；电极对，所述电极对设置在所 述容器中，并且当所述电源施加电压时，所述电极对在所述容器中产生规 则分布的电场分布；控制装置，所述控制装置控制所述电源在所述电极对 上的电压施加以便产生/消灭通过粒子的密度调节形成的衍射光栅，所述 粒子的密度调节通过作用在所述容器内的样品中的粒子上的电泳力产生； 光源，所述光源向所述容器内的所述衍射光栅的产生区域上发射光束；和 光电探测器，所述光电探测器探测被所述衍射光栅衍射的光束的衍射光 束，其中，基于所述光电探测器探测的衍射光束的强度的时间变化，来评 价样品中的粒子；所述容器的壁的一部分由传输来自所述光源的光束的材 料形成，所述电极对形成在传输来自所述光源的光束的结构上；并且所述结构可拆卸地安装在传输来自所述光源的光束的所述容器的所 述壁上。由于上述容器的结构，可采用这样的构造(根据第六方面)，其上形 成电极对的所述结构可拆卸地安装在所述容器上以便构成传输来自光源 的光束的所述容器的所述壁的一部分。此外，优选地所述容器采用这样的构造(根据第七方面)，所述容器 除了包括上面形成电极对的所述结构外，还包括彼此可拆卸地组装的多个 构件的结构。此外，优选地所述容器采用这样的构造(根据第八方面)，在所述容器和上面形成所述电极对的所述结构之间形成连接机构，以便当其上形成 所述电极对的所述结构安装在所述容器上时，保持它们之间的相互位置关 系。此外，优选地所述容器采用这样的构造(根据第就方面)，为了保持 其上形成所述电极对的所述结构与光源发射的光束的光路之间的相互位 置关系，在所述结构或所述容器和保持构件之间形成连接机构，所述保持 构件保持光学测量装置中的所述结构或所述容器。根据本发明第一至第四方面的发明对上述技术进行了改进，其通过 在容器内设置的电极对上施加电压使容器内的样品中散布的粒子发生电 泳，产生/消灭粒子的密度调节形成的衍射光栅，并基于消灭过程中衍射 光束的强度的时间变化获得粒子的扩散信息，从而实现第一目的，而不在 构成以小间隙彼此相对的电极对的相应电极上形成电极齿，和产生粒子的 密度调节形成的衍射光栅，而是通过在一个电极上形成线性电极齿，以便 插在另一个电极上形成的电极齿之间，并因此产生沿相应线性电极齿的长 度方向通过粒子的密度调节形成的衍射光栅。艮卩，当AC或DC电压施加在相应电极之间时， 一个电极的相应电极 齿插在另一个电极的电极齿之间，具有电极对产生的环形电场形成的高密 度粒子的区域出现在一个电极的电极齿和另一个电极的电极齿之间，沿这 些电极齿它们彼此相邻。即，粒子的密度调节形成的衍射光栅的宽度(光 栅的长度)与相应电极的电极齿的交叉长度大致相同。结果，例如即使照 射在粒子的密度调节形成的衍射光栅上的光束是具有环形截面的光通时， 与获得的整个衍射光束的一部分的衍射光束对应的组分，来自粒子的密度 调节形成的衍射光栅，与现有技术相比，该对应的组分以对应于衍射光栅 宽度的增加量的量增加，结果增加了测量的灵敏度。此外，根据第二和第三方面的发明，目的在于通过使电极齿形成的 衍射光栅的间隔和粒子的密度调节形成的衍射光栅的间隔彼此不同来额 外地实现第二个目的。艮P，根据第二方面的发明，尽管相应电极的电极齿不如上地交替地 布置，相应电极的电极齿不以恒定的间隔布置，但是具有交替地形成的电 极一齿集中区域和电极一齿缺少区域，在电极一齿集中区域中至少两个电极齿相邻地形成，在电极一齿缺少区域没有电极齿形成，并且还设置这样 的布置，即一个电极的至少两个电极齿插在另一个电极的电极一齿缺少区 域。由于该构造，具有通过电极对上施加电压形成的电场分布产生的高密 度粒子的区域仅在一个电极的电极齿与另一个电极的电极齿彼此邻近的 位置形成，并且粒子的密度调节形成的衍射光栅的光栅间隔宽于相应电极 齿的间隔。由于该构造，来自粒子的密度调节形成的衍射光栅的衍射光束的第2m+l级(m是整数)衍射光束的出现方向可被制得不同于来自电极齿形成的衍射光栅的衍射光束的出现方向，因此能够选择性地探测粒子的 密度调节产生的衍射光束。此外，根据第三方面的发明，尽管相应电极的电极齿以恒定间隔形 成，但是相应电极的这些电极齿交替地布置，在相应电极的彼此邻近的电 极齿之间设置另一个电极的电极齿和形状与相应电极齿相似的浮起电极 (假电极)，因此提供与上述构造相似的效果。根据第四方面的发明，目的在于保护上述构造的电极，至少与容器 中存储的样品的粒子和/或散布介质反应的电极被覆盖具有保护功能的薄 膜，以便防止电极腐蚀或氧化，使得电极对具有长寿命。根据第五至第九方面的发明，在容器中产生电极电压分别以便产生/ 消灭粒子的密度调节形成的衍射光栅的电极不与容器整体地形成，容器用 于存储液体或凝胶体样品，样品具有散布在介质中的粒子，电极形成在独 立于容器、并可拆卸的结构上，其上形成电极对的结构被从容器移除以便 清洗，使得能够容易和充分地清洗。此外，其上形成电极对的结构和容器之间的关系可以是插入和固定 到容器的可拆卸结构，以及其上形成电极对的结构形成容器的壁的一部 分，如第六方面的发明公开的。g卩，当安装该结构时实际实现作为容器的 功能的结构能够提供相似效果。此外，对于容器的结构，可采用不可拆卸的结构和能够可拆卸地组 装的多个构件的结构，如根据第七方面的发明所描述。该结构可用于结构 插入和固定到容器的完整容器的构造和结构形成容器的壁的一部分的构 造。对于其上形成电极对的结构能够彼此可拆卸的构造，为了实现它们之间的位置关系的再现性，在它们之间提供连接机构是有效的，以便彼此 连接它们使得它们保持恒定的位置关系，如根据第八方面的发明所述。此外，根据本发明，容器中产生的粒子的密度调节形成的衍射光栅 的位置取决于电极对的位置，因此优选地总是保持电极对的位置，因此保 持其上形成电极对的结构和照射光束(探测光束)到衍射光栅的光源之间 的位置关系。根据第九方面的发明，如上所述，在结构或安装结构的容器 和保持构件之间形成连接机构，保持构件保持装置中的结构或容器。结果， 使得容器中产生的粒子的密度调节形成的衍射光栅和相对于衍射光栅的 探测光束的光路之间总是保持恒定关系。


图1是本发明的一实施例的构造图，其包括显示光学构造的示意图和显示电构造的框图；图2是图1中的容器1的局部剖视图；图3是显示图1中的容器1中设置的电极对的图案的实例图； 图4是显示施加在本发明的实施例的电极对2上的电压的波形的时间变化实例图，和通过粒子的密度调节形成的衍射光栅所发射的衍射光束的强度的时间变化；图5是显示本发明的另一实施例的电极对的图案的图； 图6是显示本发明的又一实施例的电极对的图案的图； 图7是显示本发明的再一实施例的电极对的图案的图； 图8是显示用于本发明的相应实施例的电极对的保护膜的形成的实例图；图9是显示用于本发明的相应实施例的电极对的保护膜的形成的另一 实例图；图10是显示用于本发明的相应实施例的电极对的保护膜的形成的又 一实例图；图11是显示施加在本发明的相应实施例的电极对上的电压的图案的 另一实例图；图12是显示施加在本发明的相应实施例的电极对上的电压的图案的又一实例图；图13是显示施加在本发明的相应实施例的电极对上的电压的图案的 再一实例图；图14是显示施加在本发明的相应实施例的电极对上的电压的图案的 再另一实例图；图15是显示施加在本发明的相应实施例的电极对上的电压的图案的 再又一实例图；图16A和16B显示用于本发明的实施例的容器的特定结构的立体图， 其中图16A显示其上形成电极对的结构200与容器主单元10之间的连接/ 拆卸过程，图16B显示它们彼此连接在一起时的状态；图17是显示用于本发明的另一实施例的容器的特定结构的立体图， 并显示将结构200保持在测量装置的保持机构中使之相对于照射光学系 统4的光轴成一定位置关系的构造；图18A和18B显示用于本发明的又一实施例的容器1的结构的立体 图，其中图18A显示结构200与容器主单元10之间的连接/拆卸过程，图 18B显示它们彼此连接在一起时的状态；和图19A和19B是显示本发明的实例的容器1的容器主单元10具有多 个元件可拆卸地组装起来的结构的实例图，其中图19A显示容器主单元10 的组装过程和结构200的连接/拆卸过程，图19B显示完全组装/连接好时 的状态。参考标记说明1容器10容器主单元11， 12透明材料制的壁(walls made of a transparent material) 2电极对 21， 22 电极21a， 22a电极齿(Electrode tooth)21b， 22b连接部分23a假电极(Du呵electrode)3 电极电源4 照射光学系统5 探测光学系统6 装置控制和数据采集/处理装置 100 主单元部分200 形成电极的结构201 槽具体实施方式
下面将参考附图来说明本发明的实施例。请注意，本发明不限于以下 实施例，其包括在不脱离本发明的目的情况下的各种方式。图1是本发明的一实施例的构造图，其包括显示光学构造的示意图和 显示电构造的框图；图2是图1中的容器1的局部剖视图；和图3是显示 图1中的容器1中设置的电极对的图案的实例图。作为主要元件，装置包括存储样品的容器l，样品具有以媒介形式可移动地扩散的粒子，例如具有以液体形式扩散的粒子的样品或具有以凝胶体形式可移动地扩散的粒子的样品；设置在容器l中的电极电源3，其 给电极对2时间电源；照射光学系统4，其在容器l上照射光束；探测光学系统5，当电压施加在电极对2上时，探测光学系统5探测通过容器1 中的粒子的密度调节形成的衍射光栅发射的衍射光束；和装置控制和数据 采集/处理装置6，其控制整个装置和接收且应用探测光学系统5的输出数 据。本实施例的容器l包括壁ll、 12和电极对2，壁ll、 12至少彼此平 行并且分别由透明材料制成，如图2所示，电极对2形成在一个壁12的 内侧表面上。如图3所示，电极对2包括电极21、 22，电极21、 22分别具有梳子 形状，相应的电极21、 22包括彼此平行的多个线性电极齿21a、 22a和与 相应的电极齿21a、 22a电连接的连接部分21b、 22b。相应电极齿21a、 22a之间的间隔是相同的，电极21、 22被布置成使得电极21的电极齿21a 插在电极22的电极齿22a之间，即，电极21、 22的相应电极齿21a、 22a彼此以一定长度、交替且平行地相互交叉。电极电源3在电极对2上施加电压，电压的施加在容器1中存储的样 品内产生电场分布，并且电场分布使样品中的粒子产生电泳(稍后说明)，并且粒子的密度调节形成衍射光栅。电极电压3的输出电压，即施加在电 极对2上的电压被装置控制和数据采取/处理装置6所控制(稍后说明)。照射光学系统4发射大致的单色光束(monochromatic light beam), 该单色光束形成为大致平行的光通量，并且发射的光束照射在容器1的形 成电极对2的表面上。作为照射光学系统4的光源，尽管可简单地采用仅 发射单色光束的光源(例如激光光源或LED)，但也可采用发射准单色光 束(quasi-monochromatic light beam)的光源，通过带通滤波器或分光 镜能够从连续波场光源获得前述准单色光束，光谱带宽在可见波长区域内 例如可以是几十毫微米或更小。探测光学系统5在通过容器1中的粒子的密度调节形成的衍射光栅所 衍射的光束的发射方向上被设置，例如来自照射光学系统4的光束中的第 一级衍射光束。探测光学系统5由针孔5a和光电探测器5b构成。探测光 学系统5测量通过容器1中的粒子的密度调节所形成的衍射光栅发射的 衍射光束的强度的时间变化。当AC电压作用在构成上述构造中的电极对2的相应电极21、 22之间 时，电场的分布形成在与电极图案对应的容器l中的样品内，基于电场的 分布，通过介电电泳产生粒子的密度调节。即，根据图3中的电极对的图 案，在电极21的电极齿21a和电极22的电极齿22a之间的每个间隙中 产生具有高密度的粒子的区域P。该粒子的高密度区域P与电极齿21a、 22a平行地形成，并且形成为以与电极齿21a或22a的布置齿距相同的齿 距空间循环重复，粒子的多个高密度区域P形成衍射光栅。在衍射光栅的 产生状态下，例如，如果电极对2上施加的电压被停止时，粒子的扩散开 始，样品中的粒子的空间密度变得均匀，并且通过粒子的密度调节形成的 衍射光栅最后消失。如果来自照射关学系统5的光束照射在通过粒子的密度调节形成的衍射光栅上时，光束被衍射光栅衍射，并且随着衍射光栅的消失，衍射光束 的强度降低。图4是显示施加在本发明的实施例的电极对2上的电压的波形的时间变化实例图，和通过粒子的密度调节形成的衍射光栅所发射的衍 射光束的强度的时间变化。在该实例中，具有峰值一峰值电压V。的正弦波 形式的AC电压施加在电极对2上，介电电泳力作用在粒子上以便产生衍 射光栅，并且电压的施加被停止以便停止介电电泳力的施加。在通过粒子的密度调节形成的衍射光栅的消失过程期间，衍射光束的 密度的时间变化取决于粒子的扩散系数，并且能够获得样品中的粒子的扩 散信息，例如根据时间变化的测量结果的扩散系数。然后能够根据扩散系 数计算粒子直径。上述实施例的特别显著的地方在于通过粒子的密度调节形成的衍射光栅的宽度大致等于构成电极对2的电极21、 22的相应电极齿21a、 22a 彼此相互交叉的部分的长度，与提出的传统技术相比，即使来自照射光学 系统5的光束是具有圆形截面的光通量，也能够极大地增加对应于衍射光 束的部分，前述对应于衍射光束的部分包括在获得的整个衍射光束中并来 自通过粒子的密度调节形成的衍射光栅，因此增加探测灵敏度。尽管电极对2使用这样的构造，即一个电极21的电极齿21a和另一 个电极22的电极齿22a在上述实施例中交替地布置的构造，但是通过粒 子的密度调节形成的衍射光栅的间隔和通过相应电极齿21a、 22a形成的 衍射光栅的间隔是相同的，这些相应的衍射光栅产生的衍射光束的形成方 向彼此一致，通过粒子的密度调节形成的衍射光栅的产生/消失所造成的 衍射光束的强度的时间变化被测量作为电极齿造成的强衍射光束的量，这 造成了关于S/N比率(S/N ratio)的问题。图5显示用于解决该问题的电极对2的构造的实例。根据图5所示实 例，构成电极对2的电极21、 22分别具有这样的形式，即两个线性电极 齿21a或22a彼此靠近设置的电极一齿集中区域 (electrode-tooth-concentrating)和没有电极齿的电极一齿缺少区域 (electrode-tooth-absent area)交替地形成。电极齿集中区域中的两 个电极齿21a或22a被插入到另一个电极齿缺少区域，因此提供了相应的 电极齿21a和22a以恒定间隔彼此平行交替地设置的整体构造。由于具有该图案的电极对2，当电压施加在电极21和22之间时，粒子的高密度区域P仅形成在极性彼此相对的电极齿彼此靠近的区域中，即如图示， 一个电极21的电极齿21a和另一个电极22的电极齿22a彼此靠 近。因此，粒子的高密度区域P形成的衍射光栅的光栅间隔比电极齿21a、 22a形成的衍射光栅的光栅间隔宽两倍，造成两个光栅常量之间的差。在 粒子的密度调节形成的衍射光栅的衍射光束中，粒子的密度调节形成的衍 射光栅的光栅常数所确定的特定等级的衍射光束在由电极齿形成的衍射 光栅产生的衍射光束不出现的方向上出现。在图5所示实例中，粒子的密度调节形成的衍射光栅的第2m+l级(m 是整数)的衍射光束在电极齿形成的衍射光栅的衍射光束不出现的方向上 出现，如果探测光学系统5设置在该方向上时，包括在探测光学系统5 探测的光束中的背光光束(background light beams)仅是包括散射光束 的背光光束，散粒噪声(shot noise)能够被限制得较低，能够以优异的 S/N比率来测量粒子的密度调节形成的衍射光栅的衍射光束。根据上述实施例，尽管显示了相应电极21、 22的两个电极齿21a、 22a集中在一起的实例，但是集中的电极齿的数量不限于两个，例如，如 图6所示，相应电极21、 22的三个电极齿21a、 22a集中在一处。在该情 况下，粒子的高密度区域P以三倍于电极齿21a、 22a的齿距的宽度距离 形成，粒子的高密度区域P形成的折射光栅的衍射光束的第3m+l级和第 3m+2(m是整数)级衍射光束在电极齿形成的衍射光栅的衍射光束不存在的 方向上出现。此外，如果使用图7中所示的假电极23a时，获得相似效果。图7所 示实例的特征在于构成电极对2的电极21、 22的两个电极齿21a、 22a以 恒定的间隔形成，相应电极21、 22被布置成这些电极齿21a、 22a交替地 出现，在一个电极21的电极齿21a之间设置另一个电极22的电极齿22a 以及假电极23a，假电极23a不连接到电极21或22并且是电地浮起的， 相应电极21、 22的假电极23a和电极齿21a、 22a以恒定间隔布置。当使 用具有这种图案的电极对2时，粒子的高密度区域P相应地仅形成在电极 齿21a和22a之间，高密度区域P的齿距比电极齿21a、 22a的齿矩宽三 倍，如同图7中的实例所示的假电极23a，实现了与图6中的实例的相似 的效果。此外，如果需要防止电子在电极21、 22和电极21或22吸引的粒子/液体之间被直接地接收/供应，因此当具有多重偏移电压的AC电压或DC电压用作施加在电极对2上的电压(稍后说明)时，防止电极21、 22被 腐蚀或氧化，电极21和/或电极22可被具有保护性功能的薄膜IO覆盖， 如图8 — 10中所示。作为薄膜的材料，优选地使用Ta20s作为高介电常数 膜，和使用Si02作为绝缘膜。图8显示仅一个电极22被具有保护性功能的薄膜10覆盖的实例，图 9显示整个电极对2被具有保护性功能的薄膜10覆盖的实例。图10显示 电极21、 22分别被具有保护性功能的薄膜10覆盖的实例。施加在电极对2上的电压不限于上述的正弦AC电压，通过电压施加 产生的粒子的密度调节形成的衍射光栅的消失不限于上述电压施加的停 止。艮P，如图11所示，例如在正弦AC电压施加在电极对2上以便产生通 过粒子的密度调节形成的衍射光栅之后，能够将AC电压的幅度从V。减小 到V，以便消灭通过粒子的密度调节形成的衍射光栅。此外，介电电泳力(dielectrophoretic force)取决于正弦电压的 频率，在具有产生大介电电泳力的频率f。的电压施加在电极对2上以便产 生通过粒子的密度调节形成的衍射光栅之后，频率变化成频率f，频率f 不产生介电电泳力或产生小的介电电泳力，以便消灭通过粒子的密度调节 形成的衍射光栅，如图12所示。此外，如图13所示，通过在正弦AC电压上叠加偏移电压Vn能够预先在一个电极上吸引和固定带电粒子，该带电粒子的移动性比要测量的粒 子更高，因此将聚集和扩散受介电电泳控制的粒子限制成中性粒子。进一步地，电压的波形不限于正弦波形，如图14所示，脉冲图案的 电压独立地产生脉冲负载比(pulse duty ratio)的、作为正弦电压的介 电电泳力，并能够如上述相应实例地测量。此外，本发明中使用的电泳力(phoretic force)不必须是介电电泳 力，例如，可使用通过在电极对2上施加DC电压所造成的介电电泳现象， 如图15所示。在该情况下，偏移电压V,可叠加在DC电压V。上。散布在液体中的粒子和散布在凝胶体中的粒子被稍微充电，因此能够收集粒子以便 通过电泳形成高密度区域P。当DC电压以这种方式施加或偏移电压叠加在图13所示的施加电压上时，为了防止电子在吸引靠近电极的带电粒子和 电极之间被直接地接收/供应，需要利用保护膜覆盖电极，前述保护膜由 前述具有绝缘功能的薄膜制成。下面将说明用于本发明的实施例的容器1的特定构造。图16A和16B 是显示容器1的特定结构的立体图。图16A显示其上形成电极对2的结构 200与容器主单元10之间的连接/拆卸过程，图16B显示它们彼此连接在 一起时的状态。容器l是容器主单元10和板形结构200的组合件，电极对200形成 在板形结构200的一个表面上。容器主单元10包括壁11、 12，壁11、 12彼此平行并分别由透明材料制成，容器1具有这样的构造，即透明材料 制成的板形结构200的、形成电极对2的表面沿一个壁12可拆卸地插入， 同时其上形成电极对2的表面面向容器主单元10的内侧。优选地，紧固地连接结构200的槽(未图示)形成在容器主单元10 上，因此总是将结构200安装成与容器主单元10具有一定的位置关系。本容器结构的特别显著的特点是，容器l由容器主单元10和板形结 构200构成，板形结构200上形成电极对2，并且结构200可拆卸地安装 在容器主单元10上。结果，在使用容器1执行测量之后，结构200和容 器主单元IO可独立地清洗，同时结构200从容器主单元IO上拆卸下来， 测量之后，粒子等能够确实地从容器主单元10和结构200上冲洗掉，因 此消除了随后测量中的污染原因。除了形成电极对2的结构200简单地插入容器主单元10的构造外， 通过设置在测量装置上的保持机构，容器主单元io被保持成与照射学系 统4的光轴之间具有一定的位置关系，可设置这样一种构造，即结构200 被构造成通过测量装置的保持机构被保持成与照射光学系统4的光轴之 间具有一定位置关系，并且容器主单元10连接在保持机构保持的结构 200之上，如图17所示。此外，尽管上述实施例被构造成形成电极对2的结构200插在容器主 单元IO的内部，但是也可采用这样的构造，即结构200形成容器1的壁 的一部分，它的连接/拆卸过程如图18A所示，并且图18B显示它的安装 状态。艮P，在该实例中，通过去除上述实施例的容器主单元IO的彼此平行并由透明材料制成的壁11和12中的一个壁12，使容器主单元IO具有U 型截面，当安装结构200时，结构200实际上形成上述实施例的壁12。 在结构200上形成槽201，该槽201与容器主单元IO连接，通过沿这些 槽201插入容器主单元10，结构200和主单元10总是被连接成彼此之间 具有一定的位置关系。请注意，当采用该构造时，如果需要，在容器主单元10和结构200 之间的连接部分内置密封元件，例如密封圈。此外，当采用该构造时，通 过夹持机构(例如带)使容器主单元10和结构200相互形成整体的构造 可便于它们的处理。此外，可设置这样的构造，即容器主单元10由多个部件可拆卸地组 装。图19A和19B显示它们的实例。图19A显示容器主单元10与结构200 的组装/连接过程，图19B显示完全组装/连接好时的状态。在该实例中，容器l由容器主单元IO形成，容器主单元IO包括壁 IIO和主单元部分100，壁110是透明材料制成的并具有板形，主单元部 分100由任意材料制成并呈大致U型，主单元部分IOO形成两个侧壁和 一个底板，结构200是板形的，由透明材料制成，在结构200上形成电极 对2。具有组装/拆卸结构的容器主单元10显著地增加了清洗的操作性能， 并且容器主单元IO的内侧能够可靠地被清洗，因此更确定地防止可能产 生的污染。工业应用性根据权利要求1的本发明，通过在存储样品的容器中的电极对上施加 电压形成具有环形分布的电场，样品具有可移动地散布在介质中的粒子， 通过应用粒子上的电场产生的电泳力(phoretic force),产生通过粒子 的密度调节形成的衍射光栅，在衍射光栅消灭过程期间，基于衍射光束的 强度的时间变化，粒子的扩散信息被获取。结果，与传统的瞬态衍射光栅 方法相比，不需要激发光束，因此不需要光轴调节等。此外，要测量的粒 子的标记也不需要，粒子能够被测量和再次使用。进一步地，意味一个电极的电极齿插在另一个电极的电极齿之间，即相应电极的电极齿在交叉区 域平行交替地布置，由电极对的电场产生的粒子的密度调节所形成的衍射 光栅的宽度能够等于电极齿的交叉长度的尺寸，因此增加来自衍射光栅的 衍射光束的组成，前述衍射光栅通过光电探测器探测的衍射光束的粒子的 密度调节形成。根据权利要求2和3的本发明，除了上述效果之外，因为通过粒子的 密度调节形成的衍射光栅的光栅间隔能够被制成不同于由电极齿形成的 衍射光栅的光栅间隔，因此能够在不同于从电极齿形成的衍射光栅出来的 衍射光束的出现方向上，探测来自通过粒子的密度调节形成的衍射光栅的 衍射光束，因此选择性地探测通过粒子的密度调节形成的衍射光栅出来的 衍射光束，结果实现了测量的S/N比率的增加。根据权利要求5 — 9的本发明，因为设置了用电极对在容器中产生电 场分布的构造，因此产生通过粒子的密度调节形成的衍射光栅的电极对形 成在独立于容器的结构上，因此结构可拆卸地安装在容器上，因此容器和 电极的清洗很容易，清洗能够被充分地执行，当利用相同容器/电极对测 量不同粒子时，能够可靠地防止前次测量的残余粒子引起的污染所造成的 测量错误。
权利要求
1.一种光学测量装置，包括容器，所述容器存储可移动地散布在介质中的粒子样品；电源，所述电源以预定图案或任意设定的图案产生电压，所述预定图案包括DC图案、频率调制图案、和电压调制图案；电极对，所述电极对设置在所述容器中，并且当所述电源施加电压时，所述电极对在所述容器中产生规则分布的电场分布；控制装置，所述控制装置控制所述电源在所述电极对上的电压施加以便产生/消灭通过粒子的密度调节形成的衍射光栅，所述粒子的密度调节通过作用在所述容器内的样品中的粒子上的电泳力产生；光源，所述光源发射光束到所述容器内形成所述衍射光栅的产生区域上；和光电探测器，所述光电探测器探测被所述衍射光栅衍射的发射光束的衍射光束，其中基于所述光电探测器探测的衍射光束的强度的时间变化，来评价样品中的粒子；构成所述电极对的所述相应电极包括彼此平行的梳形电极齿和与相应电极齿彼此电连接的连接部分；并且所述相应电极被布置成在所述一个电极的电极齿插在所述另一个电极的所述电极齿之间时，所述相应电极的所述电极齿以恒定的间隔隔离开、彼此平行、并且交替地设置。
2. —种光学测量装置，包括容器，所述容器存储可移动地散布在介质中的粒子样品；电源，所述电源以预定图案或任意设定的图案产生电压，所述预定图案包括DC图案、频率调制图案、和电压调制图案；电极对，所述电极对设置在所述容器中，并且当所述电源施加电压时，所述电极对在所述容器中产生规则分布的电场分布；控制装置，所述控制装置控制所述电源在所述电极对上的电压施加 以便产生/消灭通过粒子的密度调节形成的衍射光栅，所述粒子的密度调 节通过作用在所述容器内的样品中的粒子上的电泳力产生；光源，所述光源向所述容器内的所述衍射光栅的产生区域发射光束；和光电探测器，所述光电探测器探测被所述衍射光栅衍射的发射光束 的衍射光束，其中基于所述光电探测器探测的衍射光束的强度的时间变化，来评价样 品中的粒子；构成所述电极对的所述相应电极包括彼此平行的梳形电极齿和与相 应电极齿彼此电连接的连接部分，并且所述相应电极被形成为具有交替地 布置的电极一齿集中区域和电极一齿缺少区域，所述电极一齿集中区域具 有至少两个彼此相邻布置的所述电极齿，所述电极一齿缺少区域不具有电 极齿；并且所述相应电极被布置成所述一个电极的电极一齿集中区域布置在所 述另一个电极的电极一齿缺少区域中，并且所述相应电极的所述电极齿彼 此平行。
3. —种光学测量装置，包括容器，所述容器存储可移动地散布在介质中的粒子样品；电源，所述电源以预定图案或任意设定的图案产生电压，所述预定 图案包括DC图案、频率调制图案、和电压调制图案；电极对，所述电极对设置在所述容器中，并且当所述电源施加电压 时，所述电极对在所述容器中产生规则分布的电场分布；控制装置，所述控制装置控制所述电源在所述电极对上的电压施加 以便产生/消灭通过粒子的密度调节形成的衍射光栅，所述粒子的密度调 节通过作用在所述容器内的样品中的粒子上的电泳力产生；光源，所述光源向所述容器内的所述衍射光栅的产生区域发射光束;和光电探测器，所述光电探测器探测被所述衍射光栅衍射的发射光束的衍射光束，其中基于所述光电探测器探测的衍射光束的强度的时间变化，来评价样 品中的粒子；构成所述电极对的所述相应电极包括彼此平行的梳形电极齿和与所 述相应电极齿彼此电连接的连接部分；并且所述相应电极被布置成在所述一个电极的所述电极齿插在所述另一 个电极的所述电极齿之间时，所述电极齿彼此平行地布置；在所述相应电极的彼此相邻的所述电极齿之间是所述另一个电极的 所述电极齿和不与任一所述梳形电极连接且与所述相应电极齿形状大致 相似的浮起电极齿；并且所述浮起电极齿和所述相应电极的所述电极齿彼此以恒定的间隔布置。
4. 根据权利要求1 — 3中任一项所述的光学测量装置，其中所述电 极对中的至少一个电极被覆盖有薄膜，以便防止所述电极与所述容器中的 样品起反应。
5. 根据权利要求1一4中任一项所述的光学测量装置，其中 所述容器的壁的一部分由传输来自所述光源的光束的材料形成； 所述电极对形成在传输来自所述光源的光束的结构上；并且 所述结构可拆卸地安装在与传输来自所述光源的光束的所述容器的所述壁对应的位置处。
6. 根据权利要求5所述的光学测量装置，其中其上形成电极对的所 述结构可拆卸地安装在所述容器上以便构成传输来自光源的光束的所述 容器的所述壁的一部分。
7. 根据权利要求5或6所述的光学测量装置，其中所述容器除了包 括上面形成电极对的所述结构外，还包括彼此可拆卸地组装的多个构件的结构。
8. 根据权利要求5 — 7中任一项所述的光学测量装置，其中在所述 容器和上面形成所述电极对的所述结构之间形成连接机构，以便当其上形 成所述电极对的所述结构安装在所述容器上时，保持它们之间的相互位置关系。
9. 根据权利要求5 — 8中任一项所述的光学测量装置，其中为了保 持其上形成所述电极对的所述结构与光源发射的光束的光路之间的相互 位置关系，在所述结构或所述容器和保持构件之间形成连接机构，所述保 持构件保持光学测量装置中的所述结构或所述容器。
全文摘要
通过在设置在容器(1)内的电极对(2)上施加电压，在存储样品的容器(1)中产生规则分布的电场分布，因此产生由容器(1)内的样品中粒子的密度调节形成的衍射光栅，基于通过在通过粒子的密度调节形成的衍射光栅上照射光束而获得的衍射光束的强度的消灭过程的时间变化，获得粒子的扩散信息，构成电极对2的电极(21、22)被构成具有多个彼此平行的线性电极齿(21a、22a)，电极(21、22)被布置成一个电极(21)的电极齿(21a)插在另一个电极齿(22a)之间，因此增加了通过粒子的密度调节形成的衍射光栅的宽度，并且包括在整个衍射光束中的衍射光栅的衍射光束的部分的比率增加，以便增加测量的敏感度。结果，设置了光学测量装置，其能够以高敏感度和优良的S/N比率来测量可移动地散布在介质中的粒子的扩散信息。
文档编号G01N15/02GK101223433SQ20068002633
公开日2008年7月16日 申请日期2006年1月17日 优先权日2005年7月20日
发明者井上藤男, 十时慎一郎, 南云雄三, 和田幸久, 坂内尚史, 森谷直司, 田洼健二, 竹部雅博 申请人:株式会社岛津制作所