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WO2018190162A1 - 粒子測定装置および粒子測定方法 - Google Patents

粒子測定装置および粒子測定方法 Download PDF

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WO2018190162A1
WO2018190162A1 PCT/JP2018/013933 JP2018013933W WO2018190162A1 WO 2018190162 A1 WO2018190162 A1 WO 2018190162A1 JP 2018013933 W JP2018013933 W JP 2018013933W WO 2018190162 A1 WO2018190162 A1 WO 2018190162A1
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WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
particle
particles
particle size
flow path
specified
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Ceased
Application number
PCT/JP2018/013933
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
郁 近藤
拓哉 田渕
和奈 坂東
加藤　晴久
有祐 松浦
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST
Rion Co Ltd
Original Assignee
National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST
Rion Co Ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Priority claimed from JP2018043634A external-priority patent/JP6549747B2/ja
Application filed by National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST, Rion Co Ltd filed Critical National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST
Priority to US16/604,597 priority Critical patent/US10837890B2/en
Priority to EP18783731.5A priority patent/EP3611492B1/en
Priority to CN201880025094.4A priority patent/CN110573855B/zh
Priority to KR1020197029940A priority patent/KR102482542B1/ko
Publication of WO2018190162A1 publication Critical patent/WO2018190162A1/ja
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Ceased legal-status Critical Current

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    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N15/00—Investigating characteristics of particles; Investigating permeability, pore-volume or surface-area of porous materials
    • G01N15/02—Investigating particle size or size distribution
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
    • G01N21/01—Arrangements or apparatus for facilitating the optical investigation
    • G01N21/03—Cuvette constructions
    • G01N21/05—Flow-through cuvettes
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01P—MEASURING LINEAR OR ANGULAR SPEED, ACCELERATION, DECELERATION, OR SHOCK; INDICATING PRESENCE, ABSENCE, OR DIRECTION, OF MOVEMENT
    • G01P3/00—Measuring linear or angular speed; Measuring differences of linear or angular speeds
    • G01P3/36—Devices characterised by the use of optical means, e.g. using infrared, visible, or ultraviolet light

Definitions

  • the present disclosure relates to a particle measuring apparatus and a particle measuring method.
  • a particle counter using a light scattering phenomenon is widely known.
  • the light scattering phenomenon depends on the relative refractive index between the solvent and the solute (particle). Therefore, for example, using a particle counter calibrated with polystyrene latex particles (PSL particles, refractive index: 1.59) in water (refractive index: 1.33), gold colloidal particles (refracted) having a particle size of 30 nm in water.
  • PSL particles polystyrene latex particles
  • refractive index: 1.533 water
  • gold colloidal particles refracted having a particle size of 30 nm in water.
  • the rate is 0.467-i2.41 (when the light source wavelength is 532 nm)
  • the particle size is estimated to be about 75 nm.
  • a particle measurement method has been proposed in which the particle diameter is obtained from the measured movement amount by paying attention to the movement amount (displacement amount) of the particle by Brownian motion obtained from the Stokes-Einstein equation.
  • the sample fluid is imaged at predetermined time intervals by the imaging unit from a direction perpendicular to the flow direction of the sample fluid using a linear flow cell. And the captured image is analyzed and the particle size is calculated
  • the sample fluid is photographed from a direction substantially perpendicular to the flow direction of the sample fluid.
  • the captured image includes the amount of movement due to the flow rate of the sample fluid in addition to the amount of movement due to the Brownian motion. Therefore, in order to specify the amount of movement of particles due to Brownian motion, the amount of movement due to the flow rate of the sample fluid must be subtracted from the amount of movement of particles in the flow direction of the sample fluid.
  • an object of the present disclosure is to obtain a particle measuring apparatus and a particle measuring method that accurately measure the particle diameter and the number concentration for each particle diameter.
  • a particle measuring apparatus includes a flow cell that forms a flow path of a sample fluid containing particles, a light source that outputs light, an irradiation optical system that irradiates the sample fluid in the flow path with light from the light source, and light.
  • a first imaging unit that captures scattered light from particles in a detection region in the flow path through which the image passes, and a plurality of still images of particles captured at a predetermined frame rate by the first imaging unit
  • a particle size specifying unit that specifies the amount of movement of the particle in the two-dimensional direction by Brownian motion and specifies the particle size of the particle from the amount of movement in the two-dimensional direction.
  • a sample fluid in a flow path formed by a flow cell is irradiated with light from a light source, and scattered light from particles in a detection region in the flow path through which light passes is The amount of movement of the particle in the two-dimensional direction due to Brownian motion based on a plurality of still images of the particle imaged at a predetermined frame rate, and the particle from the amount of movement in the two-dimensional direction Identifying the particle size of the.
  • FIG. 1 is a perspective view showing an optical configuration of the particle measuring apparatus according to the first embodiment of the present disclosure.
  • FIG. 2 is a side view of the particle measuring apparatus shown in FIG.
  • FIG. 3 is a block diagram showing an electrical configuration of the particle measuring apparatus according to the first embodiment of the present disclosure.
  • FIG. 4 is a diagram for explaining the Brownian motion of particles in the XZ plane observed by the imaging unit 4 in the first embodiment.
  • FIG. 5 is a perspective view showing an optical configuration of the particle measuring apparatus according to the second embodiment of the present disclosure.
  • FIG. 6 is a block diagram showing an electrical configuration of the particle measuring apparatus according to the second embodiment of the present disclosure.
  • FIG. 7 is a diagram for explaining the Brownian motion of particles in the XY plane observed by the imaging unit 61 in the second embodiment.
  • FIG. 8 is a perspective view for explaining the configuration of the flow path of the particle measuring apparatus according to the third embodiment.
  • FIG. 9 is a diagram for explaining the flow velocity distribution in the two-dimensional direction
  • Embodiment 1 FIG.
  • FIG. 1 is a perspective view showing an optical configuration of the particle measuring apparatus according to Embodiment 1 of the present disclosure.
  • FIG. 2 is a side view of the particle measuring apparatus shown in FIG.
  • the flow cell 1 is bent in an L shape.
  • the flow cell 1 includes a first channel 1a (Y direction in FIG. 1) and a second channel 1b (Z direction in FIG. 1) through which a sample fluid flows in a straight line.
  • the shape of the cross section of the first flow path 1a (the cross section parallel to the XZ plane) is, for example, a rectangle of about 1 mm ⁇ 1 mm.
  • the cross section of the second flow path 1b (cross section parallel to the XY plane) is also, for example, rectangular.
  • the flow cell 1 is made of synthetic quartz or sapphire.
  • the flow cell 1 may have a crank shape or a U-shape as long as it has an L-shaped bent portion.
  • the light source 2 is a light source that emits irradiation light such as laser light.
  • the irradiation optical system 3 emits the sample fluid from the light source 2 from a direction (X direction in FIG. 1) perpendicular to the traveling direction of the sample fluid (Y direction in FIG. 1) in the first flow path 1a, and Irradiation is performed with laser light shaped into a predetermined shape.
  • the imaging unit 4 includes an image sensor such as a CCD (Charge Coupled Device) or a CMOS (Complementary Metal Oxide Semiconductor) sensor. Using the image sensor, based on the scattered light from the particles in the detection region in the first flow path 1a through which the laser light passes, the particles are aligned in the direction of fluid flow in the extending direction of the first flow path 1a. The image is picked up by the image pickup unit 4 from the corresponding position.
  • the flow cell 1 has an L shape so that the direction of the flow of the sample fluid is changed from the first flow path 1a (Y direction) to the second flow path 1b (Z direction). It is bent.
  • the flow direction of the sample fluid is not limited to this.
  • the flow of the sample fluid may be changed from the second channel (Z direction) to the first (Y direction).
  • the imaging unit 4 captures an image from a position opposite to the flow direction in the detection region of the first flow path 1a.
  • the condensing optical system 5 condenses the scattered light from the particles in the detection region in the first flow path 1 a through which the laser light passes, on the image sensor of the imaging unit 4.
  • the condensing optical system 5 is composed of, for example, a spherical lens or an aspheric lens.
  • the condensing optical system 5 has an optical axis in the extension direction (Y direction in FIG. 1) of the fluid flow in the detection region of the first flow path 1a.
  • the optical axis passes through the center of the detection region and the center of the image sensor of the imaging unit. That is, the “detection region” is a region where the laser beam and the range where the light is condensed on the image sensor by the condensing optical system 5 intersect.
  • the depth of field of the imaging unit 4 and the condensing optical system 5 is preferably larger than the width of the laser beam in the optical axis direction described above.
  • a spherical concave portion 1c (concave lens shape) is formed on the inner wall of the flow cell 1 located between the above-described detection region and the condensing optical system 5.
  • the distance from the detection region to the spherical surface can be made substantially the radius of curvature of the spherical surface.
  • the measurement accuracy of the movement amount in the XZ plane can be easily improved.
  • FIG. 3 is a block diagram showing an electrical configuration of the particle measuring apparatus according to the first embodiment of the present disclosure.
  • the signal processing unit 11 acquires a captured image from the imaging unit 4. Based on the captured image, the signal processing unit 11 calculates the particle size of the particles, the number concentration for each particle size, the refractive index of the particles, and the like.
  • the signal processing unit 11 includes an image acquisition unit 21, a particle movement amount specifying unit 22, and a particle size specifying unit 23.
  • the image acquisition unit 21 has been captured by the imaging unit 4 at a predetermined frame rate (the number of still images constituting a moving image per unit time, for example, unit fps: frames per second), for example, 30 (fps).
  • a plurality of frames (still images) are acquired from the imaging unit 4.
  • the particle movement amount specifying unit 22 specifies particles in each frame. Furthermore, the particle movement amount specifying unit 22 associates the same particles in each frame and specifies the movement amount. Further, when the particle movement amount specifying unit 22 specifies a particle, it sends image information to the scattered light intensity specifying unit 31.
  • the particle movement amount specifying unit 22 searches for particles within a predetermined range from the base point in the current frame, for example, using the position of the particle in the frame (still image) one frame before as the base point. Particles found within the predetermined range are identified as the same particles as the previous particle. Thereby, the trajectory of the particle is specified in a plurality of frames. As a result, the movement amounts x and z in the two-dimensional direction due to Brownian motion are specified.
  • the sample fluid flows in a laminar flow state along the Y direction in the vicinity of the detection region in the first flow path 1a. Therefore, there is almost no amount of movement due to the flow rate of the sample fluid in the XZ plane. Therefore, the particle movement amount specifying unit 22 can observe the Brownian motion without correcting the particle movement amount depending on the flow velocity of the sample fluid.
  • the particle size specifying unit 23 specifies the particle size d of each particle from the frame rate and the above-described movement amounts x and z in the two-dimensional direction.
  • the particle size identification unit 23 identifies the diffusion coefficient D according to the following formula.
  • t is a time interval defined by the frame rate.
  • ⁇ a> represents the average of a.
  • the particle size specifying unit 23 moves the particles in the X direction and the Z direction between two consecutive frames based on the position of the particles in N frames (still images) in time order constituting the imaging.
  • the actual movement amount corresponding to is specified.
  • the average of the sum of the square of the movement amount x in the X direction and the square of the movement amount z in the Z direction is calculated as ⁇ x 2 + z 2 >. Is done.
  • the particle size identification unit 23 identifies the particle size d according to the following equation (Stokes-Einstein equation).
  • T is the absolute temperature
  • ⁇ is the viscosity coefficient of the sample fluid.
  • FIG. 4 is a diagram for explaining the Brownian motion of particles in the XZ plane observed by the imaging unit 4 in the first embodiment. Here, a case where three particles are imaged in the detection region is illustrated.
  • FIG. 4 is a diagram showing the trajectory of the amount of movement due to Brownian motion obtained by connecting the positions of the particles specified in each frame with straight lines. The length of each straight line represents the amount of movement for each frame. As described above, when the Brownian motion of particles in the XZ plane is observed, it is not necessary to correct the amount of particle movement depending on the flow velocity of the sample fluid.
  • the signal processing unit 11 includes a scattered light intensity specifying unit 31 that specifies a representative luminance value of the track of each tracked particle by the scattered light.
  • the scattered light intensity specifying unit 31 acquires image information sent when the particle movement amount specifying unit 22 specifies a particle. By using an appropriate method such as binarizing area correction of the average luminance value obtained at each measurement point or the maximum luminance value of the same particle in the trajectory described above, the value corresponding to the scattered light intensity of the particle can be obtained. It is specified by the scattered light intensity specifying unit 31.
  • the analysis unit 35 calculates the number concentration for each particle size based on the particle size specified by the particle size specifying unit 23. Further, the analysis unit 35, for each particle, based on the particle size based on the diffusion coefficient specified by the particle size specifying unit 23 and the scattered light intensity equivalent value specified by the scattered light intensity specifying unit 31 Analyze the characteristics of the particles. For example, particles that have a known particle size and can be regarded as a substantially single particle size can be used as sample particles. Such particles include, for example, polystyrene latex particles. Using such particles as sample particles, the relationship between the known particle size and the relative scattered light intensity with respect to the known refractive index may be obtained in advance. By doing in this way, the refractive index of particle
  • the light source 2 When the particle measuring device starts operation, the light source 2 is turned on.
  • the irradiation optical system 3 irradiates the sample fluid in the first flow path 1 a formed by the flow cell 1 with the laser light from the light source 2.
  • the imaging unit 4 images particles based on scattered light from the particles in the detection region in the first flow path 1a through which the laser light passes. At this time, the scattering that has passed through the bent portion forming the spherical concave portion 1c (concave lens) of the flow cell 1 from the position facing the extending direction (Y direction in FIG. 1) of the fluid flow in the first flow path 1a.
  • Light is imaged by the imaging unit 4 via the condensing optical system 5.
  • the signal processing unit 11 acquires a captured image from the imaging unit 4. Based on a plurality of frames (still images) of particles imaged at a predetermined frame rate (fps), as described above, the movement amounts x and z of the particles in the two-dimensional direction due to the Brownian motion are expressed as signal processing units. 11 is specified. Further, the signal processing unit 11 specifies the particle size of the particle and a representative scattered light intensity equivalent value from the frame rate (fps) and the movement amounts x and z in the two-dimensional direction. In this way, for example, the number concentration for each particle diameter or the refractive index of the particles can be measured.
  • the flow cell 1 includes the flow path 1a for the sample fluid.
  • the irradiation optical system 3 irradiates the sample fluid in the flow path 1 a with light from the light source 2.
  • the imaging part 4 images the scattered light from the particle
  • the particle size identification unit 23 identifies the amount of movement of the particles in the two-dimensional direction due to Brownian motion based on a plurality of still images of the particles imaged at a predetermined frame rate by the imaging unit 4.
  • the particle size specifying unit 23 specifies the particle size of the particles from the specified movement amount in the two-dimensional direction.
  • the sample fluid flows in a laminar flow state along the Y direction in the vicinity of the detection region of the first flow path 1a.
  • particles are imaged from the extending direction of the first flow path 1a. Therefore, almost no amount of movement due to the flow velocity of the sample fluid is observed on the XZ plane. Therefore, it is not necessary to correct the amount of particle movement depending on the flow rate of the sample fluid. As a result, the amount of movement of particles is measured with high accuracy, and consequently the particle size is measured with high accuracy.
  • the particle motion is imaged from the direction perpendicular to the flow direction of the sample fluid.
  • the effective depth in the optical axis direction of the imaging system depends on the depth of field of the light receiving system. As a result, it is difficult to determine the particle detection region.
  • the depth of field of the imaging system does not affect the determination of the particle detection area. This facilitates the determination of the particle detection area. As a result, the particle diameter and the number concentration can be measured with high accuracy.
  • FIG. 5 is a perspective view showing an optical configuration of the particle measuring apparatus according to the second embodiment of the present disclosure.
  • FIG. 6 is a block diagram showing an electrical configuration of the particle measuring apparatus according to the second embodiment of the present disclosure.
  • the particle measuring apparatus includes an imaging unit 61 (second imaging unit), a condensing optical system 62, an image acquisition unit 71, and a particle movement amount specifying unit 72.
  • an imaging unit 61 second imaging unit
  • a condensing optical system 62 condensing optical system
  • an image acquisition unit 71 image acquisition unit
  • a particle movement amount specifying unit 72 particle movement amount specifying unit
  • the imaging unit 61 includes an image sensor such as a CCD or a CMOS. And the imaging part 61 uses the image sensor, based on the scattered light from the particle
  • the imaging unit 4 and the imaging unit 61 desirably have the same frame rate (for example, 30 frames / second), and can switch frames in synchronization with each other.
  • the aspects of the imaging unit 4 and the imaging unit 61 are not limited to this.
  • any imaging unit 4 and imaging unit 61 can be used as long as the imaging time can be matched for each frame (still image).
  • the image acquisition unit 71 acquires a plurality of frames imaged by the imaging unit 61 from the imaging unit 61.
  • the particle movement amount specifying unit 72 detects particles in the detection region in each frame acquired by the image acquisition unit 71. Then, the particle movement amount specifying unit 72 specifies the position of the particle in the two-dimensional direction (XY plane) in each frame. In this way, the particle movement amount specifying unit 72 specifies each movement amount x, y.
  • the particle size specifying unit 23 is specified by the movement amounts x and z in the two-dimensional direction (XZ plane) specified by the particle movement amount specifying unit 22 and the particle movement amount specifying unit 72. Based on the respective movement amounts x, y in the two-dimensional direction (XY plane) and the movement amounts x, y, z in the three-dimensional direction of the particles due to Brownian motion, the particle diameter d of the particles is determined. Identify.
  • the particle size identification unit 23 identifies the diffusion coefficient D according to the following formula.
  • t is a time interval defined by the frame rate.
  • the particle size identification unit 23 moves the particles in the x direction, the y direction, and the z direction between two consecutive captured images based on the positions of the particles in the N captured images in the order of photographing time ( The actual distance), and (N ⁇ 1) pieces of the X-direction movement amount x squared, the Y-direction movement amount y squared, and the Z-direction movement amount z squared.
  • the average of the sum is calculated as ⁇ x 2 + y 2 + z 2 >.
  • the particle size identification unit 23 identifies the particle size d according to the above-described Stokes-Einstein equation.
  • the particle size identification unit 23 has a common direction (here, the plane (XZ plane) imaged by the imaging unit 4 and the plane imaged by the imaging unit 61 (XY plane)).
  • An image of particles having the same amount of movement in the (X direction) is specified as an image of particles obtained by imaging one particle.
  • the particle size identification unit 23 treats the movement amount in the X direction obtained from the frame (still image) of the imaging unit 4 as it is as the movement amount in the X direction by Brownian motion, and performs imaging.
  • the amount of movement in the Z direction obtained from the frame of the unit 4 is handled as it is as the amount of movement in the Z direction due to Brownian motion.
  • the particle size identification unit 23 subtracts the movement amount due to the flow velocity of the sample fluid from the movement amount in the Y direction obtained from the captured image of the imaging unit 61 to identify the movement amount in the Y direction due to Brownian motion.
  • FIG. 7 is a diagram for explaining the Brownian motion of particles in the XY plane observed by the imaging unit 61 in the second embodiment.
  • FIG. 7A shows a trajectory of the amount of particle movement in a predetermined number of frames.
  • FIG. 7B shows the flow velocity distribution in the Y direction of the sample fluid.
  • FIG. 7C shows a trajectory of the amount of movement due to the Brownian motion of particles in a predetermined number of frames.
  • the flow velocity distribution of the sample fluid can be specified, for example, by fitting a flow velocity model (simulation) or by measuring in advance through experiments.
  • the flow velocity distribution in the Y direction of the sample fluid in the detection region of the first flow path 1a is expressed as shown in FIG. 7B, for example.
  • the amount of movement of the sample fluid is greatest at the center of the detection region and decreases as the distance from the center increases. Based on this flow velocity distribution and the position of the particles in the X direction, the amount of movement due to the flow velocity of the sample fluid in the Y direction is specified.
  • each amount of movement x, y in the two-dimensional direction due to the Brownian motion of the particles in the XY plane is identified.
  • the light source 2 When the particle measuring device starts operation, the light source 2 is turned on.
  • the irradiation optical system 3 irradiates the sample fluid in the first flow path 1 a included in the flow cell 1 with the laser light from the light source 2.
  • the imaging unit 4 Based on the scattered light from the particles in the detection region in the first flow path 1a through which the laser light passes, the imaging unit 4 corrects the particles in the fluid flow direction (Y direction in FIG. 1) of the first flow path 1a. An image is taken from the opposite position.
  • the imaging unit 61 images the particles from a direction (Z direction in FIG. 1) perpendicular to the fluid flow direction of the flow path 1a based on the scattered light from the particles in the detection region.
  • the imaging unit 4 and the imaging unit 61 capture images at a constant frame rate (fps) by synchronizing the frames with each other.
  • the signal processing unit 11 acquires a captured image from the imaging units 4 and 61. Then, based on a plurality of frames (still images) of particles imaged at a predetermined frame rate (fps), as described above, each movement amount x, y, z of the particles in the three-dimensional direction due to Brownian motion is a signal. It is specified by the processing unit 11. In this way, the particle size of the particles can be specified from the movement amounts x, y, z in the three-dimensional direction.
  • the imaging unit 61 causes the particles of the first flow path 1a to be dispersed based on the scattered light from the particles in the detection region in the first flow path 1a through which light passes.
  • An image is taken from a direction perpendicular to the fluid flow direction.
  • the particle size specifying unit 23 performs Brownian motion based on a plurality of frames of particles captured at a predetermined frame rate by the imaging unit 4 and a plurality of frames of particles captured by the imaging unit 61 at a predetermined frame rate. The amount of movement of the particles in the three-dimensional direction is specified.
  • the particle size of the particles is determined by the particle size specifying unit 23. Identified.
  • the three-dimensional movement amount corresponds to the movement amount of the true particle. Therefore, the particle diameter of the particles in the sample fluid can be measured with higher accuracy.
  • FIG. 8 is a perspective view illustrating the configuration of the flow path of the particle measuring apparatus according to the third embodiment.
  • FIG. 9 is a diagram illustrating the flow velocity distribution in the two-dimensional direction used in the third embodiment.
  • Embodiment 3 the flow velocity distribution was evaluated by fluid simulation that directly calculates the Naviestokes equation. The purpose is to verify whether the influence of the flow rate of the sample fluid should be taken into account in detecting the amount of movement of the particles flowing in the flow cell bent in the L shape due to Brownian motion. This fluid simulation was performed using an existing method.
  • the flow velocity distribution in the flow path having an L-shaped shape as shown in FIG. 8 was calculated.
  • Simulation of the flow velocity distribution on the inflow path side in the vicinity of the coupling portion between the first flow path 81 as the inflow path (Y direction) serving as the bent portion of the flow path and the second flow path 82 as the outflow path (Z direction). was conducted under the following conditions. That is, the cross section of the first flow path 81 is a square of 1 mm ⁇ 1 mm. And the cross section of the 2nd flow path 82 is a rectangle of 2.6 mm x 0.8 mm.
  • the sample fluid is an incompressible fluid (water) having a density of 1 g / mL and a viscosity of 1 mPa ⁇ s. Furthermore, the flow rate of this sample fluid is 0.3 mL / min. In this case, the average flow velocity in the first flow path 81 is 5.0 mm / s.
  • a two-dimensional flow velocity vector in the cross section) is shown.
  • 9A shows the case of 0.25 mm
  • FIG. 9B shows the case of 0.5 mm
  • FIG. 9C shows the case of 0.75 mm.
  • the two-dimensional flow velocity vector in the cross section represents the maximum value of the flow velocity in the plane, that is, the magnitude normalized by the in-plane average flow velocity of 5.0 mm / s.
  • a flow velocity component in the bending direction (Z direction) perpendicular to the first flow path 81 appeared near the center of the first flow path 81. Further, it was found that the flow velocity component perpendicular to the first flow path 81 attenuates as the distance from the bent portion of the first flow path 81 decreases, that is, a flow along the first flow path 81 is formed.
  • the flow velocity component in the bending direction in the flow velocity is an average at a position that is 1 mm or more which is the width of the first flow path 81 (the width in the X direction or the width in the Z direction in FIG. It was found to reduce to less than 1% of the flow rate.
  • the detection region when the detection region is within a predetermined range from the bending position of the flow path (a range where the distance from the bending position is less than 1 mm as described above), The position of the detection region in the first channel 81 (that is, along the first channel 81 in FIG. 8) by the above-described fluid simulation based on the channel shape of the particle measuring device and the fluid characteristics of the sample fluid.
  • the flow velocity component of the sample fluid in the two-dimensional direction (X direction and Z direction) in the cross section (XZ plane in FIG. 8) at the position in the Y direction is specified.
  • the imaging part 83 similar to the above-mentioned imaging part 4 images the scattered light from the particle
  • the particle size identification unit 23 then includes a plurality of still images of particles imaged at a predetermined frame rate by the imaging unit 83, and the flow velocity component of the sample fluid in the two-dimensional direction in the detection region previously identified by the fluid simulation. Based on the above, the amount of movement of the particle in the two-dimensional direction by Brownian motion is specified. In this way, the particle size of the particles can be specified from the corrected two-dimensional movement amount.
  • the particle size identification unit 23 determines the X direction and the Z direction of the particles between two consecutive frames based on the position of the particles in N frames (still images) in time order constituting the imaging. The actual amount of movement corresponding to the amount of movement is specified. Then, by subtracting the movement amount due to the flow velocity component of the sample fluid in the two-dimensional direction specified in advance by the fluid simulation from the actual movement amount, the movement amount in the two-dimensional direction of the particles due to the Brownian motion becomes the particle size. It is specified by the specifying unit 23. In the same manner as in the first embodiment, the particle diameter is specified from the movement amount of the particles in the two-dimensional direction due to Brownian motion.
  • the movement amount of the particle in the two-dimensional direction due to the Brownian motion is accurately specified, and as a result The particle size is specified.
  • the analysis unit 35 may calculate the number concentration by counting the number of particles having the particle size for each particle size specified by the particle size specifying unit 23. Good.
  • the particle size identification unit 23 can further calculate the particle size distribution of the number concentration for each arbitrary particle size interval.
  • the particle measuring apparatus and the particle measuring method of the present disclosure can be applied to, for example, the measurement of the particle diameter of the particles contained in the sample fluid or the number concentration for each particle diameter.

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Abstract

粒径を精度良く測定する粒子測定装置および粒子測定方法が提供されることを目的とする。フローセル（１）は、試料流体の流路（１ａ）を含む。照射光学系（３）は、流路（１ａ）内の試料流体を、光源（２）からの光で照射する。撮像部（４）は、上述の光が通過する、流路（１ａ）内の検出領域における粒子からの散乱光を、流路（１ａ）の延長方向から撮像する。粒径特定部は、撮像部（４）により所定のフレームレートで撮像された粒子の複数の静止画像に基づいて、ブラウン運動による粒子の２次元方向の移動量を特定して、２次元方向の移動量から粒子の粒径を特定する。

Description

粒子測定装置および粒子測定方法
　本開示は、粒子測定装置および粒子測定方法に関するものである。
　光散乱現象を利用したパーティクルカウンタが広く知られている。しかし、光散乱現象は、溶媒と溶質（粒子）との相対屈折率に依存する。そのため、例えば、水（屈折率：１．３３）中のポリスチレンラテックス粒子（ＰＳＬ粒子、屈折率：１．５９）によって校正されたパーティクルカウンタを用いて、水中の粒径３０ｎｍの金コロイド粒子（屈折率：０．４６７－ｉ２．４１（光源波長５３２ｎｍの場合））を測定すると、その粒径は約７５ｎｍと評価されてしまう。
　他方、ストークス・アインシュタインの式から求まるブラウン運動による粒子の移動量（変位量）に着目して、測定した移動量から粒径を求める粒子測定方法が提案されている。この測定方法では、直線形状のフローセルを用いて、試料流体の流れ方向に対して垂直方向から、撮像部により、所定の時間間隔で試料流体を撮像する。そして、その撮像画像を解析して、粒子のブラウン運動による粒子の移動量に基づき、粒径を求めている（例えば特許文献１参照）。
国際公開第２０１６／１５９１３１号
　上述の粒子測定方法では、試料流体の流れ方向に対して、概ね垂直方向から試料流体を撮影している。そのため、撮影画像には、ブラウン運動による移動量の他に、試料流体の流速による移動量が含まれる。そのため、ブラウン運動による粒子の移動量を特定するためには、試料流体の流れ方向における粒子の移動量から、試料流体の流速による移動量分を減算しなければならない。しかしながら、フローセル内の正確な流速分布を正確に知ることは容易でない。そのため、ブラウン運動による粒子の移動量、ひいては、粒径の測定値に誤差が生じやすい。
　本開示の粒子測定装置および粒子測定方法は、上記の問題に鑑みて完成されたものである。すなわち、本開示は、粒径と、粒径ごとの個数濃度と、を精度良く測定する粒子測定装置および粒子測定方法を得ることを目的とする。
　本開示に係る粒子測定装置は、粒子を含む試料流体の流路を形成するフローセルと、光を出力する光源と、光源からの光で、流路における試料流体を照射する照射光学系と、光が通過する流路内の検出領域における粒子からの散乱光を、流路の延長方向から撮像する第１撮像部と、第１撮像部により所定のフレームレートで撮像された粒子の複数の静止画像に基づいて、ブラウン運動による粒子の２次元方向の移動量を特定して、２次元方向の移動量から、粒子の粒径を特定する粒径特定部とを含む。
　本開示に係る粒子測定方法は、フローセルにより形成される流路における試料流体に光源からの光を照射することと、光が通過する流路内の検出領域における粒子からの散乱光を、流路の延長方向から撮像することと、所定のフレームレートで撮像した粒子の複数の静止画像に基づいて、ブラウン運動による粒子の２次元方向の移動量を特定して、２次元方向の移動量から粒子の粒径を特定することとを含む。
　本開示によれば、粒径を精度良く測定する粒子測定装置および粒子測定方法が得られる。
図１は、本開示の実施の形態１に係る粒子測定装置の光学的な構成を示す斜視図である。 図２は、図１に示す粒子測定装置の側面図である。 図３は、本開示の実施の形態１に係る粒子測定装置の電気的な構成を示すブロック図である。 図４は、実施の形態１において、撮像部４により観測されるＸ－Ｚ平面での粒子のブラウン運動を説明する図である。 図５は、本開示の実施の形態２に係る粒子測定装置の光学的な構成を示す斜視図である。 図６は、本開示の実施の形態２に係る粒子測定装置の電気的な構成を示すブロック図である。 図７は、実施の形態２において、撮像部６１により観測されるＸ－Ｙ平面での粒子のブラウン運動を説明する図である。 図８は、実施の形態３に係る、粒子測定装置の流路の構成を説明する斜視図である。 図９は、実施の形態３において使用される、２次元方向の流速分布を説明する図である。
　以下、図に基づいて本開示の実施の形態を説明する。
実施の形態１．
　図１は、本開示の実施の形態１に係る粒子測定装置の光学的な構成を示す斜視図である。図２は、図１に示す粒子測定装置の側面図である。
　図１において、フローセル１は、Ｌ形に屈曲している。フローセル１は、直線状で試料流体を流す第１流路１ａ（図１ではＹ方向）と、第２流路１ｂ（図１ではＺ方向）と、を含む。第１流路１ａの断面（Ｘ－Ｚ平面に平行な断面）の形状は、例えば１ｍｍ×１ｍｍ程度の矩形である。第２流路１ｂの断面（Ｘ－Ｙ平面に平行な断面）も、例えば、矩形形状である。例えば、フローセル１は、合成石英製またはサファイヤ製である。なお、フローセル１は、Ｌ形の屈曲部分を有する限り、クランク状、あるいは、コの字状などの形状でもよい。
　光源２は、例えばレーザ光などの照射光を出射する光源である。照射光学系３は、第１流路１ａにおける試料流体の進行方向（図１ではＹ方向）に対して垂直な方向（図１ではＸ方向）から、試料流体を、光源２から出射され、かつ、所定の形状に整形されたレーザ光で照射する。
　撮像部４（第１撮像部）は、ＣＣＤ（Charge Coupled Device）、あるいは、ＣＭＯＳ（Complementary Metal Oxide Semiconductor）センサなどのイメージセンサを備える。そのイメージセンサを使用して、レーザ光が通過する第１流路１ａ内の検出領域における粒子からの散乱光に基づき、粒子が、第１流路１ａの延長方向で、流体の流れ方向に正対する位置から、撮像部４により撮像される。本開示の実施の形態１では、試料流体の流れの向きが、第１流路１ａ（Ｙ方向）から第２流路１ｂ（Ｚ方向）に変更されるように、フローセル１は、Ｌ形に屈曲している。ただし、試料流体の流れの向きは、これに限定されることはない。例えば、第２流路（Ｚ方向）から第１（Ｙ方向）に、試料流体の流れが変更されてもよい。この場合、撮像部４は、第１流路１ａの検出領域内の流れ方向とは反対の位置から撮像することになる。
　集光光学系５は、レーザ光が通過する第１流路１ａ内の検出領域における粒子からの散乱光を、撮像部４のイメージセンサに集光する。集光光学系５は、例えば球面レンズあるいは非球面レンズで構成される。集光光学系５は、第１流路１ａの検出領域内の流体の流れの延長方向（図１ではＹ方向）の光軸を有する。そして、この光軸は、検出領域の中心および撮像部のイメージセンサの中心を通る。つまり、「検出領域」は、レーザ光と、集光光学系５によりそのイメージセンサ上へ集光される範囲と、が交差する領域である。ここで、検出領域として、撮像部４および集光光学系５の被写界深度は、好ましくは、上述の光軸方向のレーザ光の幅より大きい。
　なお、図２に示すように、上述の検出領域と集光光学系５との間に位置するフローセル１の内壁には、球面状の凹部１ｃ（凹レンズ形状）が形成されている。このようにして、検出領域から球面（凹部１ｃ）までの距離をほぼ球面の曲率半径とすることができる。その結果、検出領域からフローセル１の内壁に入射する散乱光の屈折を抑制することができる。さらに、Ｘ－Ｚ平面における移動量の測定精度を容易に向上することができる。なお、凹部１ｃを設ける代わりに、演算処理で補正してもよい。
　図３は、本開示の実施の形態１に係る粒子測定装置の電気的な構成を示すブロック図である。図３において、信号処理部１１は、撮像部４から撮像画像を取得する。その撮像画像に基づいて、信号処理部１１は、上述の粒子の粒径、粒径ごとの個数濃度、及び粒子の屈折率などを計算する。
　信号処理部１１は、画像取得部２１、粒子移動量特定部２２、および粒径特定部２３を含む。
　画像取得部２１は、撮像部４により、所定のフレームレート（動画像を構成する静止画像の単位時間当たりの撮像数、例えば、単位ｆｐｓ：ｆｒａｍｅｓ　ｐｅｒ　ｓｅｃｏｎｄ）、例えば３０（ｆｐｓ）で撮像された複数のフレーム（静止画像）を、撮像部４から取得する。
　粒子移動量特定部２２は、各フレームにおいて、粒子を特定する。さらに、粒子移動量特定部２２は、各フレームにおける同一粒子の関連付け、および移動量の特定を行う。また、粒子移動量特定部２２は、粒子であることを特定した場合、画像情報を散乱光強度特定部３１へ送る。
　粒子移動量特定部２２は、例えば１フレーム前のフレーム（静止画像）における粒子の位置を基点として、現フレームにおいて基点から所定範囲内にある粒子を探索する。その所定範囲内で発見された粒子は、１フレーム前の粒子と同一の粒子として特定される。これにより、複数フレームにおいて、粒子の軌跡が特定される。その結果、ブラウン運動による２次元方向の各移動量ｘ，ｚが特定される。
　試料流体は、第１流路１ａ内の検出領域付近では、Ｙ方向に沿って層流状態で流れている。そのため、Ｘ－Ｚ平面では、試料流体の流速による移動量がほとんどない。従って、粒子移動量特定部２２は、試料流体の流速に依存した粒子の移動量の補正をすることなく、ブラウン運動を観測できる。
　粒径特定部２３は、各粒子について、フレームレートおよび上述の２次元方向の各移動量ｘ，ｚから粒子の粒径ｄを特定する。
　例えば、粒径特定部２３は、次式に従って、拡散係数Ｄを特定する。ここで、ｔはフレームレートで規定される時間間隔である。
　Ｄ＝＜ｘ２＋ｚ２＞／（４・ｔ）
　ここで、＜ａ＞は、ａの平均を示す。
　つまり、粒径特定部２３は、撮像を構成する時間順のＮ枚のフレーム（静止画像）における粒子の位置に基づいて、連続する２つのフレーム間での粒子のＸ方向およびＺ方向の移動量に対応する実際の移動量を特定する。このようにして、最大（Ｎ－１）個の、Ｘ方向の移動量ｘの２乗と、Ｚ方向の移動量ｚの２乗と、の和の平均が、＜ｘ２＋ｚ２＞として計算される。
　そして、粒径特定部２３は、次式（ストークス・アインシュタインの式）に従って、粒径ｄを特定する。
　ｄ＝ｋＢ・Ｔ／（３π・η・Ｄ）
　ここで、ｋＢは、ボルツマン定数であり、Ｔは、絶対温度であり、ηは、試料流体の粘性係数である。
　図４は、実施の形態１において、撮像部４により観測される、Ｘ－Ｚ平面での粒子のブラウン運動を説明する図である。ここでは、検出領域において、３つの粒子が撮像された場合が図示されている。図４は、夫々の粒子において、各フレームで特定された粒子の位置を直線で結んで得られる、ブラウン運動による移動量の軌跡を示す図である。それぞれ直線の長さは、フレームごとの移動量を表す。上述したように、Ｘ－Ｚ平面での粒子のブラウン運動が観測される場合、試料流体の流速に依存した粒子の移動量の補正をしなくて済む。
　さらに、信号処理部１１は、追跡された各粒子の散乱光による軌跡の、代表的な輝度値を特定する散乱光強度特定部３１を含む。
　散乱光強度特定部３１は、粒子移動量特定部２２において粒子であることが特定された場合に送られる画像情報を取得する。上述の軌跡における、各測定点で得られた輝度の平均値、または、同一粒子における最大輝度値、を二値化の面積補正など適切な手法を用いることで、粒子の散乱光強度相当値が、散乱光強度特定部３１により特定される。
　解析部３５は、粒径特定部２３により特定された粒径に基づき、粒径ごとの個数濃度を算出する。また、解析部３５は、粒子ごとに、粒径特定部２３により特定された拡散係数に基づく粒径と、散乱光強度特定部３１により特定された散乱光強度相当値と、に基づいて、粒子ごとに粒子の特性を解析する。例えば、既知の粒径を有し、かつ、ほぼ単一粒径と見なせる粒子を、試料粒子として用いることができる。このような粒子には、例えば、ポリスチレンラテックス粒子がある。このような粒子を試料粒子として、既知の粒径と、既知の屈折率に対する相対的な散乱光強度と、の関係を、予め求めてもよい。このようにすることで、粒子の屈折率を特定する、あるいは、粒子と気泡とを区別することができる。そして、それらの結果は、不図示の、例えば、記憶部、表示部、または外部出力装置に出力される。
　次に、実施の形態１に係る粒子測定装置の動作について説明する。
　粒子測定装置が動作を開始すると、光源２が点灯される。そして、照射光学系３は、フローセル１により形成される第１流路１ａにおける試料流体を、光源２からのレーザ光で照射する。撮像部４は、レーザ光が通過する第１流路１ａ内の検出領域における粒子からの散乱光に基づき、粒子を撮像する。このとき、第１流路１ａの流体の流れの延長方向（図１ではＹ方向）に正対する位置から、フローセル１の球面状の凹部１ｃ（凹レンズ）を形成している屈曲部分を通過した散乱光が、集光光学系５を介して、撮像部４により撮像される。
　そして、信号処理部１１は、撮像部４から撮像画像を取得する。そして、所定のフレームレート（ｆｐｓ）で撮像した粒子の複数のフレーム（静止画像）に基づいて、上述のように、ブラウン運動による粒子の２次元方向の各移動量ｘ，ｚが、信号処理部１１により、特定される。さらに、信号処理部１１は、そのフレームレート（ｆｐｓ）および２次元方向の各移動量ｘ，ｚから、粒子の粒径、および、代表的な散乱光強度相当値を特定する。このようにして、例えば、粒径ごとの個数濃度、あるいは、粒子の屈折率を測定することができる。
　以上のように、上記実施の形態１によれば、フローセル１は、試料流体の流路１ａを含む。照射光学系３は、流路１ａにおける試料流体を、光源２からの光で照射する。撮像部４は、上述の光が通過する流路１ａ内の検出領域における粒子からの散乱光を、流路１ａの延長方向から撮像する。粒径特定部２３は、撮像部４により所定のフレームレートで撮像された粒子の複数の静止画像に基づいて、ブラウン運動による粒子の２次元方向の移動量を特定する。特定された２次元方向の移動量から、粒子の粒径が、粒径特定部２３により、特定される。
　これにより、試料流体内の粒子の粒径が精度良く測定される。
　つまり、試料流体は、第１流路１ａの検出領域付近では、Ｙ方向に沿って層流状態で流れている。その結果、粒子が第１流路１ａの延長方向から撮像される。そのため、Ｘ－Ｚ平面では、試料流体の流速による移動量がほとんど観測されない。したがって、試料流体の流速に依存した粒子の移動量の補正をする必要がない。その結果、粒子の移動量が精度良く測定され、ひいては、粒径が精度良く測定される。
　また、先行事例では、試料流体の流れ方向に垂直な方向から、粒子運動が撮像される。撮像系の光軸方向の有効深さは、受光系の被写界深度に依存する。そのため、結果として粒子の検出領域の確定が困難である。本開示では、撮像系の被写界深度は、粒子の検出領域の確定には影響しない。そのため、粒子の検出領域の確定が容易となる。結果として、精度良く、粒径および個数濃度を測定することができる。
実施の形態２．
　図５は、本開示の実施の形態２に係る粒子測定装置の光学的な構成を示す斜視図である。図６は、本開示の実施の形態２に係る粒子測定装置の電気的な構成を示すブロック図である。
　図５および図６に示すように、実施の形態２に係る粒子測定装置は、撮像部６１（第２撮像部）、集光光学系６２、画像取得部７１、および粒子移動量特定部７２をさらに含む。
　撮像部６１は、ＣＣＤあるいはＣＭＯＳなどのイメージセンサを含む。そして、撮像部６１は、そのイメージセンサを使用して、上述の検出領域における粒子からの散乱光に基づき、粒子を、第１流路１ａの検出領域内の流体の流れ方向（図５ではＹ方向）に対して垂直な方向（図５ではＺ方向）から、撮像する。
　撮像部４および撮像部６１は、望ましくは、同一のフレームレート（例えば３０フレーム／秒）を有し、かつ、互いに同期してフレームを切替えることができる。ただし、撮像部４および撮像部６１の態様は、これに限られない。例えば、フレーム（静止画像）ごとに、撮像時刻を一致させることができれば、どのような撮像部４および撮像部６１でも用いることができる。
　画像取得部７１は、撮像部６１により撮像された複数のフレームを、撮像部６１から取得する。
　粒子移動量特定部７２は、画像取得部７１により取得された各フレームにおいて、検出領域内の粒子を検出する。そして、各フレームにおける２次元方向（Ｘ－Ｙ平面）の粒子の位置が、粒子移動量特定部７２により、特定される。このようにして、粒子移動量特定部７２は、各移動量ｘ，ｙを特定する。
　実施の形態２では、粒径特定部２３は、粒子移動量特定部２２で特定された２次元方向（Ｘ－Ｚ平面）の各移動量ｘ，ｚと、粒子移動量特定部７２で特定された２次元方向（Ｘ－Ｙ平面）の各移動量ｘ，ｙと、に基づいてブラウン運動による粒子の３次元方向の各移動量ｘ，ｙ，ｚを特定して、粒子の粒径ｄを特定する。
　例えば、粒径特定部２３は、次式に従って、拡散係数Ｄを特定する。ここで、ｔはフレームレートで規定される時間間隔である。
　Ｄ＝＜ｘ２＋ｙ２＋ｚ２＞／（６・ｔ）
　つまり、粒径特定部２３は、撮影時間順のＮ枚の撮像画像における粒子の位置に基づいて、連続する２つの撮像画像間での粒子のｘ方向、ｙ方向、およびｚ方向の移動量（実際の距離）を特定し、（Ｎ－１）個の、Ｘ方向の移動量ｘの２乗と、Ｙ方向の移動量yの２乗と、Ｚ方向の移動量zの２乗と、の和の平均を、＜ｘ２＋ｙ２＋ｚ２＞として計算する。
　そして、粒径特定部２３は、上述のストークス・アインシュタインの式に従って、粒径ｄを特定する。
　なお、例えば、撮像部４および撮像部６１が撮像したフレームにおいて、複数の粒子が検出されることがある。この場合、粒径特定部２３は、撮像部４により撮像される平面（Ｘ－Ｚ平面）と、撮像部６１により撮像される平面（Ｘ－Ｙ平面）と、に共通する方向（ここでは、Ｘ方向）における移動量が一致する粒子の像を、１つの粒子を撮像した粒子の像として特定する。
　このとき、粒径特定部２３は、実施の形態１と同様に、撮像部４のフレーム（静止画像）から得られるＸ方向の移動量をそのまま、ブラウン運動によるＸ方向の移動量として取り扱い、撮像部４のフレームから得られるＺ方向の移動量をそのまま、ブラウン運動によるＺ方向の移動量として取り扱う。一方、粒径特定部２３は、撮像部６１の撮像画像から得られるＹ方向の移動量から、試料流体の流速による移動量を減算して、ブラウン運動によるＹ方向の移動量を特定する。
　図７は、実施の形態２において撮像部６１により観測されるＸ－Ｙ平面での粒子のブラウン運動を説明する図である。図７（ａ）は、所定フレーム数における、粒子の移動量の軌跡を示す。図７（ｂ）は、試料流体のＹ方向の流速分布を示す。図７（ｃ）は、所定フレーム数における、粒子のブラウン運動による移動量の軌跡を示す。
　試料流体の流速分布は、例えば、流速モデル（シミュレーション）をフィッティングする、あるいは、予め実験で測定することにより、特定することができる。第１流路１ａの検出領域での試料流体のＹ方向の流速分布は、例えば、図７（ｂ）のように表される。試料流体の移動量は、検出領域のセンターでもっとも大きく、そして、センターから離れるにつれて小さくなる。そして、この流速分布と、Ｘ方向における粒子の位置と、に基づいて、Ｙ方向の試料流体の流速による移動量が特定される。例えば、撮像画像から得られるＹ方向の粒子の移動量から、試料流体の流速による移動量を減算することにより、Ｘ－Ｙ平面での粒子のブラウン運動による２次元方向の各移動量ｘ，ｙが特定される。
　次に、実施の形態２に係る粒子測定装置の動作について説明する。
　粒子測定装置が動作を開始すると、光源２が点灯される。照射光学系３は、フローセル１に含まれる第１流路１ａにおける試料流体を、光源２からのレーザ光で照射する。撮像部４は、レーザ光が通過する第１流路１ａ内の検出領域における粒子からの散乱光に基づき、粒子を、第１流路１ａの流体の流れ方向（図１におけるＹ方向）に正対する位置から、撮像する。それとともに、撮像部６１は、その検出領域における粒子からの散乱光に基づき、粒子を、流路１ａの流体の流れ方向に対して垂直な方向（図１におけるＺ方向）から撮像する。このとき、撮像部４および撮像部６１は、互いにフレームを同期させて一定のフレームレート（ｆｐｓ）で撮像する。
　そして、信号処理部１１は、撮像部４，６１から撮像画像を取得する。そして、所定のフレームレート（ｆｐｓ）で撮像した粒子の複数のフレーム（静止画像）に基づいて、上述のように、ブラウン運動による粒子の３次元方向の各移動量ｘ，ｙ，ｚが、信号処理部１１により特定される。このようにして、３次元方向の各移動量ｘ，ｙ，ｚから粒子の粒径を特定することができる。
　なお、実施の形態２に係る粒子測定装置のその他の構成および動作は、実施の形態１と同様である。よって、その説明を省略する。
　以上のように、上記実施の形態２によれば、撮像部６１は、光が通過する第１流路１ａ内の検出領域における粒子からの散乱光に基づき、粒子を、第１流路１ａの流体の流れ方向に対して垂直な方向から撮像する。粒径特定部２３は、撮像部４により所定のフレームレートで撮像された粒子の複数のフレーム、および、撮像部６１により所定のフレームレートで撮像された粒子の複数のフレームに基づいて、ブラウン運動による粒子の３次元方向の移動量を特定する。そして、上述の３次元方向の移動量、および、代表的な散乱光強度相当値から、例えば、粒子の粒径、粒径ごとの個数濃度、または粒子の屈折率が、粒径特定部２３により特定される。
　これにより、３次元の移動量は、すなわち真の粒子の移動量に相当する。よって、より高精度で試料流体内の粒子の粒径などを精度良く測定することができる。
実施の形態３．
　図８は、実施の形態３に係る粒子測定装置の流路の構成を説明する斜視図である。図９は、実施の形態３において使用される２次元方向の流速分布を説明する図である。
　実施の形態３では、ナヴィエストークス方程式を直接計算する流体シミュレーションによって、流速分布が評価された。その目的は、Ｌ形に屈曲したフローセル中を流動する粒子のブラウン運動による移動量の検出において、試料流体の流速の影響を考慮すべきかどうかを検証することである。なお、この流体シミュレーションは、既存の方法を用いて行われた。
　この流体シミュレーションでは、図８に示すようなＬ形に屈曲した形状を有する流路中での、流速分布が計算された。流路の屈曲部となる流入路（Ｙ方向）としての第１流路８１と、流出路（Ｚ方向）としての第２流路８２と、の結合部の近傍における流入路側の流速分布のシミュレーションが、以下の条件で行われた。すなわち、第１流路８１の断面は、１ｍｍ×１ｍｍの正方形である。そして、第２流路８２の断面は、２．６ｍｍ×０．８ｍｍの長方形である。
　また、このシミュレーションにおいて、試料流体は、密度１ｇ／ｍＬ、粘度１ｍＰａ・ｓの非圧縮性流体（水）である。さらに、この試料流体の流量は０．３ｍＬ／ｍｉｎである。なお、この場合の第１流路８１内の平均流速は、５．０ｍｍ／ｓである。
　図９は、第１流路８１と第２流路８２との結合部の屈曲位置（図８におけるＹ＝０）から、第１流路８１側に、それぞれ０．２５ｍｍ、０．５ｍｍ、および０．７５ｍｍ離れた位置（図８において、Ｙ＝－０．２５ｍｍ，－０．５ｍｍ，－０．７５ｍｍ）における第１流路８１の断面（第１流路８１の軸方向に対して垂直な断面）内の２次元流速ベクトルを示している。図９（ａ）は、０．２５ｍｍの場合、図９（ｂ）は、０．５ｍｍの場合、図９（ｃ）は、０．７５ｍｍの場合を示している。なお、当該断面内の２次元流速ベクトルは、面内での流速の最大値、すなわち、面内平均流速５．０ｍｍ／ｓで規格化した大きさを表す。いずれの結果においても、第１流路８１の中央付近において、第１流路８１に垂直な屈曲方向（Ｚ方向）の流速成分が現れていた。また、第１流路８１の屈曲部分から離れるに従って、第１流路８１に垂直な流速成分は減衰すること、すなわち、第１流路８１に沿った流れが形成されていることが分かった。このシミュレーションの結果から、第１流路８１の幅（図９におけるＸ方向の幅またはＺ方向の幅）である１ｍｍ以上、屈曲位置から離れた位置では、流速における屈曲方向の流速成分は、平均流速の１％未満まで低減することが分かった。
　したがって、図８に示すような形状のＬ形流路の屈曲部分近傍における粒子のブラウン運動を流入路方向（Ｙ方向）から観察して、粒子の粒径をブラウン運動から特定するプロセスにおいては、第１流路８１に垂直な屈曲方向（図９におけるＺ方向）の流速成分を考慮して補正することが好ましい。
　実施の形態３では、上述した知見を踏まえ、上述の検出領域が、流路の屈曲位置から所定範囲（上述のように屈曲位置からの距離が１ｍｍ未満である範囲）内にある場合には、当該粒子測定装置の流路形状、および、試料流体の流体特性、に基づく上述の流体シミュレーションによって、第１流路８１内の当該検出領域の位置（つまり、図８における第１流路８１に沿ったＹ方向での位置）での断面（図８におけるＸ－Ｚ平面）における２次元方向（Ｘ方向とＺ方向）の試料流体の流速成分が特定される。
　そして、実施の形態３では、上述の撮像部４と同様の撮像部８３が、その検出領域における粒子からの散乱光を、検出領域における流体の流れ方向に正対する位置から撮像する。そして、粒径特定部２３は、撮像部８３により所定のフレームレートで撮像された粒子の複数の静止画像と、流体シミュレーションによって予め特定されている検出領域での２次元方向の試料流体の流速成分と、に基づいて、ブラウン運動による粒子の２次元方向の移動量を特定する。このようにして、補正した２次元方向の移動量から粒子の粒径を特定することができる。
　具体的には、粒径特定部２３は、撮像を構成する時間順のＮ枚のフレーム（静止画像）における粒子の位置に基づいて、連続する２つのフレーム間での粒子のＸ方向およびＺ方向の移動量に対応する実際の移動量を特定する。そして、その実際の移動量から、流体シミュレーションによって予め特定されている２次元方向の試料流体の流速成分による移動量を減算することにより、ブラウン運動による粒子の２次元方向の移動量が、粒径特定部２３により特定される。そして、実施の形態１と同様にして、ブラウン運動による粒子の２次元方向の移動量から、粒径が特定される。
　なお、実施の形態３に係る粒子測定装置のその他の構成および動作は、実施の形態１または実施の形態２と同様である。そのため、その説明を省略する。
　以上のように、上記実施の形態３によれば、検出領域が流路の屈曲部分近傍にある場合においても、正確に、ブラウン運動による粒子の２次元方向の移動量が特定され、ひいては、正確に粒径が特定される。
　なお、上述の実施の形態に対する様々な変更および修正は、当業者にとって明らかである。そのような変更および修正は、本実施形態の趣旨および技術的範囲から離れることなく、かつ、意図された利点を弱めることなく行われてもよい。つまり、そのような変更および修正は、本実施形態の技術的範囲に含まれることが意図されている。
　例えば、実施の形態１，２，３において、解析部３５は、粒径特定部２３により特定された粒径ごとに、その粒径を有する粒子数を計数して、個数濃度を算出してもよい。この場合、さらに、任意の粒径区間ごとの、その個数濃度の粒径分布を、粒径特定部２３により算出することができる。
　本開示の粒子測定装置および粒子測定方法は、例えば、試料流体に含まれる粒子の粒径、あるいは、粒径ごとの個数濃度の測定に、適用可能である。
１ａ　第１流路
１ｂ　第２流路
２　光源
３　照射光学系
４　撮像部（第１撮像部の一例）
２２　粒子移動量特定部
２３　粒径特定部
３１　散乱光強度特定部
３５　解析部
６１　撮像部（第２撮像部の一例）

Claims (9)

  1. 　粒子を含む試料流体の流路を含むフローセルと、
    　光を出力する光源と、
    　前記流路における前記試料流体を、前記光源からの前記光で照射する照射光学系と、
    　前記光が通過する、前記流路内の検出領域における前記粒子からの散乱光を、前記流路の延長方向から撮像する第１撮像部と、
    　前記第１撮像部により所定のフレームレートで撮像された前記粒子の、複数の静止画像に基づいて、ブラウン運動による前記粒子の２次元方向の移動量を特定して、前記２次元方向の移動量から、前記粒子の粒径を特定する粒径特定部と、
    を含む粒子測定装置。
  2. 　前記光が通過する、前記流路内の検出領域における粒子からの散乱光を、前記流路の延長方向に対して垂直な方向から撮像する第２撮像部をさらに含み、
    　前記粒径特定部は、前記第１撮像部により所定のフレームレートで撮像された前記粒子の複数の静止画像、および、前記第２撮像部により前記所定のフレームレートで撮像された前記粒子の複数の静止画像に基づいて、ブラウン運動による前記粒子の３次元方向の移動量を特定して、前記３次元方向の移動量から前記粒子の粒径を特定する、請求項１記載の粒子測定装置。
  3. 　前記第１撮像部および前記第２撮像部は、同一のフレームレートを有し、互いに同期してフレームを切替え、
    　前記粒径特定部は、同一の粒子についての、前記第１撮像部により撮像された静止画像と、前記第２撮像部により撮像された静止画像と、を特定して、ブラウン運動による前記粒子の３次元方向の移動量を特定し、さらに、前記３次元方向の移動量から前記粒子の粒径を特定する、請求項２記載の粒子測定装置。
  4. 　前記粒子の画像から、前記粒子の散乱光強度相当値を特定する散乱光強度特定部と、
    　前記粒径特定部により特定された前記粒径、および、前記散乱光強度特定部により特定された散乱光強度相当値に基づいて、前記粒子の特性を解析する解析部と、をさらに含む、請求項１記載の粒子測定装置。
  5. 　前記フローセルは、Ｌ形に屈曲した形状を有し、
    　前記第１撮像部は、前記検出領域における流体の流れ方向に正対する位置から撮像する、請求項１記載の粒子測定装置。
  6. 　前記フローセルは、Ｌ形に屈曲した部分に球面状の凹部を有し、
    　前記第１撮像部は、前記凹部を介して、前記検出領域における前記粒子からの散乱光を撮像する、請求項５記載の粒子測定装置。
  7. 　前記粒径特定部により特定された粒径ごとに、その粒径を有する粒子数を計数して個数濃度を算出して、任意の粒径区間ごとの前記個数濃度の粒径分布を算出する解析部をさらに含む、請求項１記載の粒子測定装置。
  8. 　粒子を含む試料流体の流路を含むフローセルと、
    　光を出力する光源と、
    　前記流路における前記試料流体を、前記光源からの前記光で照射する照射光学系と、第１撮像部と、粒径特定部と、を含み
    　前記第１撮像部は、前記光が通過する、前記流路の屈曲位置から所定範囲内の検出領域における、前記粒子からの散乱光を、前記検出領域における流体の流れ方向に正対する位置から撮像し、
    　粒径特定部は、前記第１撮像部により所定のフレームレートで撮像された前記粒子の複数の静止画像、および、前記検出領域における前記試料流体の２次元方向の流速成分に基づいて、ブラウン運動による前記粒子の２次元方向の移動量を特定して、前記２次元方向の移動量から前記粒子の粒径を特定し、前記粒子の前記粒径を特定する際に、流体運動による２次元方向の粒子の移動量の影響を除く補正をする、粒子測定装置。
  9. 　フローセルに含まれている流路内の試料流体を、光源からの光で照射することと、
    　前記光が通過する、前記流路内の検出領域における粒子からの散乱光を、前記流路の延長方向から撮像することと、
    　所定のフレームレートで撮像した前記粒子の複数の静止画像に基づいて、ブラウン運動による前記粒子の２次元方向の移動量を特定して、前記２次元方向の移動量から前記粒子の粒径を特定することと、を含む粒子測定方法。
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