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JP5643156B2 - Fluid measuring instrument and fluid measuring method - Google Patents
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Description

本発明は、流体測定器に関し、特に微小流路の流量や流速、流体中の粒子個数や粒子濃度、粒子径等の測定器として適用することができる流体測定器に関するものである。   The present invention relates to a fluid measuring device, and more particularly to a fluid measuring device that can be applied as a measuring device for the flow rate and flow velocity of a microchannel, the number of particles in a fluid, the particle concentration, the particle diameter, and the like.

微小・集積化化学分析システム、いわゆるμTAS(Micro Total Analysis Systems)は、試薬および試料である液体の流路となる微小流路、反応容器、検出容器が数cm角の1枚のチップに形成され、流体の自発的挙動に基づいて流体の混合や反応を微小流路内で行うシステムである。このようなシステムは、チップの使い捨て化、使用する試薬および試料の節減、分析高速化、測定自動化、装置の持ち運び可能化、低コスト化を可能にするものとして期待されている。   The micro-integrated chemical analysis system, so-called μTAS (Micro Total Analysis Systems), is a micro-channel, reaction vessel, and detection vessel that form a flow channel for liquids that are reagents and samples. This is a system for mixing and reacting fluids in a microchannel based on the spontaneous behavior of fluids. Such a system is expected to make it possible to dispose of the chip, reduce the reagents and samples used, increase the analysis speed, automate the measurement, make the apparatus portable, and reduce the cost.

例えば、牛乳等を試料とする家畜診断用途の分析装置においては、牛舎内でも簡便に使用することができ、また検査に使用したチップは使い捨てにすることができるので、μTASは非常に有用である(非特許文献1,2,3,4)。
このようなμTASを用いたシステムにおいては、流路を流れる流体の状態をモニタするために、実験室においては顕微鏡下で撮影し動画解析することによって流速や流量、粒子の挙動、粒子濃度を観測している。また、何らかの理由で顕微鏡が使用できない状況下では、実験室内での測定結果を基にして推定値を用いている。
For example, in an analysis apparatus for livestock diagnosis using milk or the like as a sample, μTAS is very useful because it can be easily used in a barn and the chip used for the inspection can be disposable. (Non-patent documents 1, 2, 3, 4).
In such a system using μTAS, in order to monitor the state of the fluid flowing through the flow path, the flow rate, flow rate, particle behavior, and particle concentration are observed in the laboratory by photographing under a microscope and analyzing the moving image. doing. In addition, when the microscope cannot be used for some reason, the estimated value is used based on the measurement result in the laboratory.

T.Miura,et al.,“Capillary-Driven Flow Chip for Simple and Quick SPR Measurement”,Pittcon Conference and Expo 2008,360-5,2008T.Miura, et al., “Capillary-Driven Flow Chip for Simple and Quick SPR Measurement”, Pittcon Conference and Expo 2008, 360-5, 2008 Y.Iwasaki,et al.,“Rapid Identification of Pathogens in Food Samples Using Simplified Immunoassay System”,Pittcon Conference and Expo 2008,360-7,2008Y. Iwasaki, et al., “Rapid Identification of Pathogens in Food Samples Using Simplified Immunoassay System”, Pittcon Conference and Expo 2008, 360-7, 2008 岩崎弦ほか,“ユビキタス生体分子センサー”,月刊バイオインダストリー,12月号,p.24-29,2009Gen Iwasaki et al., “Ubiquitous Biomolecular Sensor”, Monthly Bioindustry, December, p.24-29, 2009 “表面プラズモン化学センサ”,NTTマイクロシステムインテグレーション研究所,平成22年12月1日検索、インターネット,<http://www.ntt.co.jp/milab/project/pr09_spr.html>“Surface plasmon chemical sensor”, NTT Microsystem Integration Laboratories, search on December 1, 2010, Internet, <http: // www. ntt. co. jp / milab / project / pr09_spr. html>

流体の流速や流量、粒子の挙動、粒子濃度を観測するために顕微鏡で撮影し動画解析を行う方法では、動画解析に時間がかかり、リアルタイム性にかけるという問題点があった。また、動画解析には計算能力の高いコンピュータを使用する必要があり、コスト高になるという問題点があった。また、顕微鏡を使用しない状況においては、推定値に頼らざるをえないため、測定が不正確になるという問題点があった。   In the method of analyzing the moving image by taking a picture with a microscope in order to observe the flow velocity and flow rate of the fluid, the behavior of the particle, and the particle concentration, there is a problem that it takes time to analyze the moving image and it takes a real time property. In addition, it is necessary to use a computer with high computing power for moving image analysis, and there is a problem that the cost becomes high. Moreover, in the situation where the microscope is not used, there is a problem that the measurement becomes inaccurate because it is necessary to rely on the estimated value.

本発明は、上記課題を解決するためになされたもので、正確かつ安価に粒子の移動速度を短時間で測定することができる流体測定器および流体測定方法を提供することを目的とする。
また、本発明は、正確かつ安価に流体の流量を短時間で測定することができる流体測定器および流体測定方法を提供することを目的とする。
また、本発明は、正確かつ安価に粒子の通過個数と移動速度と進行方向を短時間で測定することができる流体測定器および流体測定方法を提供することを目的とする。
また、本発明は、正確かつ安価に粒子の半径を短時間で測定することができる流体測定器および流体測定方法を提供することを目的とする。
The present invention has been made to solve the above-described problems, and an object of the present invention is to provide a fluid measuring device and a fluid measuring method capable of measuring the moving speed of particles accurately and inexpensively in a short time.
It is another object of the present invention to provide a fluid measuring instrument and a fluid measuring method that can measure the flow rate of fluid accurately and inexpensively in a short time.
It is another object of the present invention to provide a fluid measuring device and a fluid measuring method capable of measuring the number of passing particles, the moving speed, and the traveling direction accurately and inexpensively in a short time.
Another object of the present invention is to provide a fluid measuring device and a fluid measuring method that can measure the radius of particles accurately and inexpensively in a short time.

本発明の流体測定器は、光を散乱する透明板で覆われた流路と、前記透明板を通して前記流路中の流体にレーザ光を照射するレーザ光源と、前記流路の複数箇所に配置され、前記透明板によって散乱された光と前記流体に含まれる粒子によって散乱された光とを受光して電気信号に変換する複数の受光器と、この受光器で得られた電気信号に含まれるビート信号のパワースペクトルを測定するパワースペクトル測定手段と、前記ビート信号の周波数を測定する周波数測定手段と、この周波数測定手段が測定した周波数におけるビート信号のパワーの変化の回数を測定することにより前記粒子の通過個数を導出する計数手段と、前記周波数測定手段が測定したビート信号の周波数から前記粒子の移動速度を算出する速度算出手段と、前記複数の受光器におけるビート信号の発生状況から前記粒子の進行方向を判定する進行方向判定手段とを備えることを特徴とするものである。 The fluid measuring device of the present invention includes a flow channel covered with a transparent plate that scatters light, a laser light source that irradiates laser light to the fluid in the flow channel through the transparent plate, and a plurality of locations in the flow channel. A plurality of light receivers that receive the light scattered by the transparent plate and the light scattered by the particles contained in the fluid and convert them into electrical signals, and are included in the electrical signals obtained by the light receivers The power spectrum measuring means for measuring the power spectrum of the beat signal, the frequency measuring means for measuring the frequency of the beat signal, and the number of changes in the power of the beat signal at the frequency measured by the frequency measuring means Counting means for deriving the number of passing particles, speed calculating means for calculating the moving speed of the particles from the frequency of the beat signal measured by the frequency measuring means, It is characterized in that the occurrence of a beat signal in an optical device and a traveling direction determination means for determining a traveling direction of the particle.

また、本発明の流体測定器は、光を散乱する透明板で覆われた流路と、前記透明板を通して前記流路中の流体にレーザ光を照射するレーザ光源と、前記透明板によって散乱された光と前記流体に含まれる粒子によって散乱された光とを受光して電気信号に変換する受光器と、この受光器で得られた電気信号に含まれるビート信号のパワースペクトルを測定するパワースペクトル測定手段と、前記ビート信号の強度平均値を測定する信号強度平均値測定手段と、前記パワースペクトル測定手段が測定したビート信号のパワースペクトルと前記信号強度平均値測定手段が測定したビート信号の強度平均値とから流体の流量を算出する流量算出手段と、この流量算出手段が算出した流量から前記粒子の半径を算出する粒子半径算出手段とを備えることを特徴とするものである。   The fluid measuring device of the present invention is scattered by the flow path covered with a transparent plate that scatters light, the laser light source that irradiates the fluid in the flow path through the transparent plate with laser light, and the transparent plate. A light receiver that receives the received light and the light scattered by the particles contained in the fluid and converts it into an electrical signal, and a power spectrum that measures the power spectrum of the beat signal contained in the electrical signal obtained by the light receiver Measuring means, signal intensity average value measuring means for measuring the average intensity value of the beat signal, power spectrum of the beat signal measured by the power spectrum measuring means, and intensity of the beat signal measured by the signal intensity average value measuring means A flow rate calculating means for calculating the flow rate of the fluid from the average value, and a particle radius calculating means for calculating the radius of the particles from the flow rate calculated by the flow rate calculating means. The one in which the features.

また、本発明の流体測定方法は、光を散乱する透明板で覆われた流路に対して、レーザ光源から前記透明板を通してレーザ光を照射するレーザ照射ステップと、前記透明板によって散乱された光と前記流路中の流体に含まれる粒子によって散乱された光とを、前記流路の複数箇所に配置された複数の受光器で受光して電気信号に変換する受光ステップと、この受光ステップで得られた電気信号に含まれるビート信号のパワースペクトルを測定するパワースペクトル測定ステップと、前記ビート信号の周波数を測定する周波数測定ステップと、この周波数測定ステップで測定した周波数におけるビート信号のパワーの変化の回数を測定することにより前記粒子の通過個数を導出する計数ステップと、前記周波数測定ステップで測定したビート信号の周波数から前記粒子の移動速度を算出する速度算出ステップと、前記複数の受光器におけるビート信号の発生状況から前記粒子の進行方向を判定する進行方向判定ステップとを備えることを特徴とするものである。   The fluid measurement method of the present invention is a laser irradiation step of irradiating a laser beam from a laser light source through the transparent plate to a flow path covered with a transparent plate that scatters light, and the light is scattered by the transparent plate. A light receiving step of receiving light and light scattered by particles contained in the fluid in the flow path with a plurality of light receivers arranged at a plurality of locations of the flow path and converting them into electrical signals, and the light receiving step A power spectrum measurement step for measuring the power spectrum of the beat signal included in the electrical signal obtained in step (b), a frequency measurement step for measuring the frequency of the beat signal, and the power of the beat signal at the frequency measured in the frequency measurement step. A counting step for deriving the number of passing particles by measuring the number of changes, and a beat signal measured in the frequency measuring step. A speed calculating step for calculating the moving speed of the particles from the frequency of the above, and a traveling direction determining step for determining the traveling direction of the particles from the generation status of beat signals in the plurality of light receivers. is there.

また、本発明の流体測定方法は、光を散乱する透明板で覆われた流路に対して、レーザ光源から前記透明板を通してレーザ光を照射するレーザ照射ステップと、前記透明板によって散乱された光と前記流路中の流体に含まれる粒子によって散乱された光とを受光器で受光して電気信号に変換する受光ステップと、この受光ステップで得られた電気信号に含まれるビート信号のパワースペクトルを測定するパワースペクトル測定ステップと、前記ビート信号の強度平均値を測定する信号強度平均値測定ステップと、前記パワースペクトル測定ステップで測定したビート信号のパワースペクトルと前記信号強度平均値測定ステップで測定したビート信号の強度平均値とから流体の流量を算出する流量算出ステップと、この流量算出ステップで算出した流量から前記粒子の半径を算出する粒子半径算出ステップとを備えることを特徴とするものである。   The fluid measurement method of the present invention is a laser irradiation step of irradiating a laser beam from a laser light source through the transparent plate to a flow path covered with a transparent plate that scatters light, and the light is scattered by the transparent plate. A light receiving step of receiving light and light scattered by particles contained in the fluid in the flow path with a light receiver and converting the light into an electric signal, and the power of the beat signal included in the electric signal obtained in the light receiving step A power spectrum measurement step for measuring a spectrum; a signal intensity average value measurement step for measuring an average intensity value of the beat signal; and a power spectrum of the beat signal measured in the power spectrum measurement step and the signal intensity average value measurement step. The flow rate calculation step that calculates the flow rate of the fluid from the measured intensity average value of the beat signal, and the flow rate calculation step Is characterized in that the flow rate and a particle radius calculation step of calculating the radius of the particle.

本発明によれば、光を散乱する透明板で覆われた流路に対して、透明板を通してレーザ光を照射し、透明板によって散乱された光と流路中の流体に含まれる粒子によって散乱された光とを受光器で受光して電気信号に変換し、電気信号に含まれるビート信号の周波数解析を行うことによって、粒子の移動速度を算出することができる。その結果、本発明では、簡易な構成の測定チップを使って、正確かつ安価に粒子の移動速度を短時間で測定することができる。   According to the present invention, a flow path covered with a transparent plate that scatters light is irradiated with laser light through the transparent plate, and scattered by light scattered by the transparent plate and particles contained in the fluid in the flow path. The moving light of the particles can be calculated by receiving the received light with a light receiver and converting it into an electrical signal and analyzing the frequency of the beat signal included in the electrical signal. As a result, in the present invention, the moving speed of the particles can be measured in a short time accurately and inexpensively using a measuring chip with a simple configuration.

また、本発明では、光を散乱する透明板で覆われた流路に対して、透明板を通してレーザ光を照射し、透明板によって散乱された光と流路中の流体に含まれる粒子によって散乱された光とを受光器で受光して電気信号に変換し、電気信号に含まれるビート信号のパワースペクトルとビート信号の強度平均値とを測定することによって、流体の流量を算出することができる。その結果、本発明では、簡易な構成の測定チップを使って、正確かつ安価に流体の流量を短時間で測定することができる。   In the present invention, a laser beam is irradiated through a transparent plate to a channel covered with a transparent plate that scatters light, and is scattered by light scattered by the transparent plate and particles contained in the fluid in the channel. The received light is received by a light receiver and converted into an electric signal, and the fluid flow rate can be calculated by measuring the power spectrum of the beat signal included in the electric signal and the intensity average value of the beat signal. . As a result, in the present invention, it is possible to measure the flow rate of the fluid accurately and inexpensively in a short time using a measuring chip having a simple configuration.

また、本発明では、光を散乱する透明板で覆われた流路に対して、透明板を通してレーザ光を照射し、透明板によって散乱された光と流路中の流体に含まれる粒子によって散乱された光とを、流路の複数箇所に配置された複数の受光器で受光して電気信号に変換し、電気信号に含まれるビート信号のパワースペクトルとビート信号の周波数とを測定することによって、粒子の通過個数と移動速度と進行方向を測定することができる。その結果、本発明では、簡易な構成の測定チップを使って、正確かつ安価に粒子の通過個数と移動速度と進行方向を短時間で測定することができる。   In the present invention, a laser beam is irradiated through a transparent plate to a channel covered with a transparent plate that scatters light, and is scattered by light scattered by the transparent plate and particles contained in the fluid in the channel. The received light is received by a plurality of light receivers arranged at a plurality of locations in the flow path and converted into an electric signal, and the power spectrum of the beat signal included in the electric signal and the frequency of the beat signal are measured. The number of passing particles, the moving speed, and the traveling direction can be measured. As a result, according to the present invention, it is possible to accurately and inexpensively measure the number of passing particles, the moving speed, and the traveling direction in a short time using a measuring chip having a simple configuration.

また、本発明では、光を散乱する透明板で覆われた流路に対して、透明板を通してレーザ光を照射し、透明板によって散乱された光と流路中の流体に含まれる粒子によって散乱された光とを受光器で受光して電気信号に変換し、電気信号に含まれるビート信号のパワースペクトルとビート信号の強度平均値とを測定することによって、粒子の半径を算出することができる。その結果、本発明では、簡易な構成の測定チップを使って、正確かつ安価に粒子の半径を短時間で測定することができる。   In the present invention, a laser beam is irradiated through a transparent plate to a channel covered with a transparent plate that scatters light, and is scattered by light scattered by the transparent plate and particles contained in the fluid in the channel. The received light is received by a light receiver and converted into an electrical signal, and the radius of the particle can be calculated by measuring the power spectrum of the beat signal included in the electrical signal and the average intensity of the beat signal. . As a result, in the present invention, the radius of the particles can be measured in a short time accurately and inexpensively using a measuring chip having a simple configuration.

本発明の第1の参考例に係る流体測定器の動作原理を説明する図である。It is a figure explaining the principle of operation of the fluid measuring device concerning the 1st reference example of the present invention. 本発明の第1の参考例に係る流体測定器の光学部の構成を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the structure of the optical part of the fluid measuring device which concerns on the 1st reference example of this invention. 本発明の第1の参考例に係る流体測定器で用いる演算装置の構成を示すブロック図である。It is a block diagram which shows the structure of the arithmetic unit used with the fluid measuring device which concerns on the 1st reference example of this invention. ビート信号のパワースペクトルの例を示す図である。It is a figure which shows the example of the power spectrum of a beat signal. 本発明の第2の参考例に係る流体測定器で用いる演算装置の構成を示すブロック図である。It is a block diagram which shows the structure of the arithmetic unit used with the fluid measuring device which concerns on the 2nd reference example of this invention. 本発明の第2の参考例における流体の流量の測定結果を示す図である。It is a figure which shows the measurement result of the flow volume of the fluid in the 2nd reference example of this invention. 粒子通過の際に測定されるビート信号のパワースペクトルの例を示す図である。It is a figure which shows the example of the power spectrum of the beat signal measured in the case of particle passage. 本発明の第1の実施の形態に係る流体測定器の光学部の構成を示す平面図および断面図である。It is the top view and sectional drawing which show the structure of the optical part of the fluid measuring device which concerns on the 1st Embodiment of this invention. 本発明の第1の実施の形態に係る流体測定器で用いる演算装置の構成を示すブロック図である。It is a block diagram which shows the structure of the arithmetic unit used with the fluid measuring device which concerns on the 1st Embodiment of this invention. 粒子直径と流量との関係を示す図である。It is a figure which shows the relationship between a particle diameter and a flow volume. 本発明の第2の実施の形態に係る流体測定器で用いる演算装置の構成を示すブロック図である。It is a block diagram which shows the structure of the arithmetic unit used with the fluid measuring device which concerns on the 2nd Embodiment of this invention.

第1の参考例
以下、図面を用いて本発明をより詳細に説明する。図1は本発明の第1の参考例に係る流体測定器の動作原理を説明する図である。流体測定器は、光源1と、受光器2と、光源1および受光器2の下に配置され、光を散乱する不動物体3とを有する。
光源1からの光は、不動物体3に照射されると共に、光源1と受光器2の下にあって移動中の流動物体4(測定対象である流体中の粒子)に照射され、不動物体3と流動物体4のそれぞれによって散乱される。
[ First Reference Example ]
Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to the drawings. FIG. 1 is a diagram for explaining the operation principle of a fluid measuring device according to a first reference example of the present invention. The fluid measuring device includes a light source 1, a light receiver 2, and an inanimate body 3 that is disposed under the light source 1 and the light receiver 2 and scatters light.
The light from the light source 1 is applied to the inanimate body 3 and is also applied to the moving object 4 (particles in the fluid to be measured) moving under the light source 1 and the light receiver 2. And scattered by each of the fluid bodies 4.

不動物体3と流動物体4により散乱された光は、受光器2によって受光され、電気信号に変換される。このとき、受光器2に入射する光には二種類ある。一つは、流動物体4(流体中の動いている粒子)からの散乱光であり、もう一つは不動物体3からの散乱光である。流動物体4からの散乱光は、流動物体4の移動速度に比例したドップラー効果による周波数シフトを生じている。しかし、不動物体3からの散乱光の周波数は不変である。このような光周波数の極めて近い光同士が干渉すると、光周波数の差に反比例した周期のうなり(ビート)が生じる。   The light scattered by the inanimate body 3 and the flowing object 4 is received by the light receiver 2 and converted into an electrical signal. At this time, there are two types of light incident on the light receiver 2. One is scattered light from the flowing object 4 (moving particles in the fluid), and the other is scattered light from the inanimate body 3. Scattered light from the flowing object 4 causes a frequency shift due to the Doppler effect proportional to the moving speed of the flowing object 4. However, the frequency of the scattered light from the inanimate body 3 is unchanged. When such light having very close optical frequencies interfere with each other, a beat with a period inversely proportional to the difference in optical frequencies occurs.

光自身の周波数は数百THzであり、電子回路で直接計測することはできないが、ビートの典型的な周波数は数十kHz以下であるため、受光器2に入射する反射光の強度の振動として測定可能である。光源1における光の周波数をω0、流動物体4の移動速度(すなわち流体の流速)をv、光速度をc、流体の屈折率をnとすると、受光器2で得られるビート信号の周波数ωdsは以下の式で表される。 The frequency of light itself is several hundred THz and cannot be directly measured by an electronic circuit. However, since the typical frequency of a beat is several tens of kHz or less, the intensity of reflected light incident on the light receiver 2 is oscillated. It can be measured. Assuming that the frequency of light in the light source 1 is ω 0 , the moving speed of the flowing object 4 (that is, the flow velocity of the fluid) is v, the speed of light is c, and the refractive index of the fluid is n, the frequency ω of the beat signal obtained by the light receiver 2. ds is expressed by the following equation.

Figure 0005643156
Figure 0005643156

例えば、流速v=0.01[m/s]、波長λ=850nm、光速度c=3×108[m/s]、屈折率n=1.3とすると、ω0=c/λ=353[THz]であるので、ωds=15.3[kHz]となり、電子回路で検出できる範囲の周波数である。 For example, assuming that the flow velocity v = 0.01 [m / s], the wavelength λ = 850 nm, the light velocity c = 3 × 10 8 [m / s], and the refractive index n = 1.3, ω 0 = c / λ = Since 353 [THz], ω ds = 15.3 [kHz], which is a frequency within a range that can be detected by an electronic circuit.

本発明では、流動物体4によって散乱されドップラーシフトを受けて戻ってくる光と、静止している不動物体3によって散乱され戻ってくる光の双方の干渉を利用することから、どちらか一方の光が極端に強く、他方の光が極端に弱いなどの場合ではビート信号も明確に得られないため測定できない。よって、双方の光の強度は比較可能なほどに同程度であることが必要である。   In the present invention, the interference between the light scattered and returned by the moving object 4 and subjected to the Doppler shift and the light scattered and returned by the stationary inanimate body 3 are used, so either one of the lights. If the signal is extremely strong and the other light is extremely weak, the beat signal cannot be clearly obtained, so measurement is impossible. Therefore, it is necessary that the intensity of both lights be comparable so that they can be compared.

次に、以上の原理を用いた本参考例の流体測定器の構成を図2に示す。図1で説明したとおり、光源1と受光器2とが隣接して配置されている。光源1と受光器2がそれぞれベアチップだとすると、それぞれの中心間隔の距離は例えば0.5mmから2mm程度である。光源1と受光器2とは、測定チップ5の上に設置される。測定チップ5は、積層構造を有しており、数cm角程度の大きさの基板6と、基板6上に配置された微小流路7と、微小流路7上に配置された例えばガラス製の透明板8と、透明板8上に設置された光源1および受光器2とを備えている。 Next, FIG. 2 shows the configuration of the fluid measuring device of this reference example using the above principle. As described in FIG. 1, the light source 1 and the light receiver 2 are arranged adjacent to each other. If each of the light source 1 and the light receiver 2 is a bare chip, the distance between the centers is, for example, about 0.5 mm to 2 mm. The light source 1 and the light receiver 2 are installed on the measurement chip 5. The measuring chip 5 has a laminated structure, a substrate 6 having a size of about several centimeters square, a microchannel 7 disposed on the substrate 6, and made of, for example, glass disposed on the microchannel 7. The transparent plate 8 and the light source 1 and the light receiver 2 installed on the transparent plate 8 are provided.

微小流路7は、基板6上に積層された平板状の流路形成用部材(不図示)に形成されている。基板6および流路形成用部材の材料としては、例えばシリコンがある。流動物体である粒子9を含む流体が微小流路7内に投入されると、この流体が微小流路7を流れるようになっている。平板状の透明板8は、流路形成用部材の上に積層されている。光源1および受光器2は、微小流路7上の位置に設置されている。   The microchannel 7 is formed in a flat channel-forming member (not shown) stacked on the substrate 6. Examples of the material for the substrate 6 and the flow path forming member include silicon. When a fluid containing particles 9 that are fluid objects is introduced into the microchannel 7, the fluid flows through the microchannel 7. The flat transparent plate 8 is laminated on the flow path forming member. The light source 1 and the light receiver 2 are installed at positions on the microchannel 7.

光源1から粒子9への光の照射および粒子9からの散乱光の受光は、透明板8を介して行われる。すなわち、透明板8は、光源1からの光に対して透明な性質を有する。ただし、この透明板8の全領域のうち少なくとも光源1からの光が照射される領域には、曇りガラス加工が施されており、適度に散乱光が生じるようになっている。この散乱光は、静止している透明板8からの散乱光なので、ドップラーシフトは生じない。すなわち、透明板8は、上記の不動物体3としての働きを有する。   Irradiation of light from the light source 1 to the particles 9 and reception of scattered light from the particles 9 are performed via the transparent plate 8. That is, the transparent plate 8 has a property transparent to the light from the light source 1. However, at least a region irradiated with light from the light source 1 in the entire region of the transparent plate 8 is subjected to frosted glass processing so that scattered light is appropriately generated. Since this scattered light is scattered light from the stationary transparent plate 8, no Doppler shift occurs. That is, the transparent plate 8 functions as the inanimate body 3 described above.

一方、光源1から透明板8を通過して粒子9に照射されて粒子9によって散乱された光は、ドップラーシフトを生じている。このドップラーシフトを生じた光は、透明板8を再度通過する。しかし、前述のとおり、光源1から透明板8の曇りガラス加工部に至り、曇りガラス加工部によって散乱された光は、ドップラーシフトを生じない。透明板8によって散乱された光と粒子9によって散乱された光とは、受光器2によって受光され、電気信号に変換される。以上のように、透明板8に曇りガラス加工を施すことによって不動物体からの散乱光を生成することができ、粒子9によってドップラーシフトを受けた散乱光と比肩できる強度の散乱光を得ることができるので、受光器2で検出可能なビート信号が得られる。   On the other hand, the light that is irradiated from the light source 1 through the transparent plate 8 to the particles 9 and scattered by the particles 9 causes a Doppler shift. The light causing the Doppler shift passes through the transparent plate 8 again. However, as described above, the light from the light source 1 to the frosted glass processed portion of the transparent plate 8 and scattered by the frosted glass processed portion does not cause a Doppler shift. The light scattered by the transparent plate 8 and the light scattered by the particles 9 are received by the light receiver 2 and converted into electrical signals. As described above, it is possible to generate scattered light from an inanimate object by applying frosted glass processing to the transparent plate 8, and to obtain scattered light having an intensity comparable to that of the scattered light subjected to Doppler shift by the particles 9. As a result, a beat signal that can be detected by the light receiver 2 is obtained.

このビート信号の周波数ωdsを求めることができれば、式(1)から粒子9の移動速度vを算出することができる。図3は本参考例の流体測定器で用いる演算装置の構成を示すブロック図である。演算装置10は、周波数測定部11と速度算出部12とを有する。周波数測定部11は、受光器2で得られた電気信号の強度変動の周波数、すなわちビート信号の周波数ωdsを測定する。周波数測定の手法としては例えばFFT(Fast Fourier Transform)がある。後述のパワースペクトルで説明するように、ビート信号の周波数成分は広い周波数範囲にわたって分布しているが、ここでは周波数成分の代表値をビート信号の周波数として採用すればよい。 If the frequency ω ds of the beat signal can be obtained, the moving speed v of the particle 9 can be calculated from the equation (1). FIG. 3 is a block diagram showing the configuration of the arithmetic unit used in the fluid measuring instrument of this reference example . The arithmetic device 10 includes a frequency measurement unit 11 and a speed calculation unit 12. The frequency measuring unit 11 measures the frequency of the intensity fluctuation of the electric signal obtained by the light receiver 2, that is, the frequency ω ds of the beat signal. As a frequency measurement method, for example, there is FFT (Fast Fourier Transform). As will be described in the power spectrum described later, the frequency components of the beat signal are distributed over a wide frequency range, but here, a representative value of the frequency components may be adopted as the frequency of the beat signal.

速度算出部12は、周波数測定部11が測定したビート信号の周波数ωdsから、粒子9の移動速度vを算出する。
こうして、本参考例では、粒子9の移動速度vを短時間で測定することができる。また、従来のμTASような動画解析が不要となるので、従来よりも計算能力の低いコンピュータで測定を実現することができ、流体測定器のコストを低減することができる。
The speed calculation unit 12 calculates the moving speed v of the particles 9 from the frequency ω ds of the beat signal measured by the frequency measurement unit 11.
Thus, in this reference example , the moving speed v of the particles 9 can be measured in a short time. Further, since the conventional moving image analysis such as μTAS is not required, the measurement can be realized with a computer having a lower calculation ability than the conventional one, and the cost of the fluid measuring device can be reduced.

なお、透明板8の曇りガラス加工の代替として、透明ガラス中に散乱粒子を分散して配置したものを透明板8として用いてもよい。光の干渉効果を利用する性質上、発光ダイオードや白熱電球のような発光波長幅の広い光源を使用した場合、上記の効果は得られないため、光源1としてはレーザダイオードを使用する。本参考例では、レーザダイオードからなる光源1とフォトダイオードからなる受光器2とはそれぞれベアチップ(ダイ)を使用している。 As an alternative to the frosted glass processing of the transparent plate 8, a material in which scattering particles are dispersed and arranged in the transparent glass may be used as the transparent plate 8. Due to the property of utilizing the light interference effect, when a light source having a wide emission wavelength width such as a light emitting diode or an incandescent light bulb is used, the above effect cannot be obtained. Therefore, a laser diode is used as the light source 1. In this reference example , a light source 1 made of a laser diode and a light receiver 2 made of a photodiode each use a bare chip (die).

第2の参考例
第1の参考例では、粒子の移動速度の測定方法について説明したが、次に図4を用いて流体の流量の測定方法について述べる。本参考例においても、流体測定器の光学部の構成は図2に示したとおりである。第1の参考例で述べたように、ドップラーシフトがある散乱光とドップラーシフトが無い散乱光のホモダイン干渉の結果得られるビート信号の周波数は、粒子の速度の情報を持っている。
[ Second Reference Example ]
In the first reference example , the method for measuring the moving speed of the particles has been described. Next, the method for measuring the flow rate of the fluid will be described with reference to FIG. Also in this reference example , the configuration of the optical part of the fluid measuring device is as shown in FIG. As described in the first reference example , the frequency of the beat signal obtained as a result of homodyne interference between scattered light with Doppler shift and scattered light without Doppler shift has information on the velocity of the particles.

代表的な測定例のビート信号のパワースペクトルを図4に示す。このパワースペクトルの横軸は周波数で縦軸はパワーである。式(1)に示したとおりビート信号の周波数は粒子の速度に比例しているので、図4の横軸は粒子の速度、縦軸はその速度成分を持つ粒子の個数であると見なすことができる。したがって、図4は速度分布関数曲線であるといってもよい。   The power spectrum of the beat signal of a typical measurement example is shown in FIG. The horizontal axis of this power spectrum is frequency, and the vertical axis is power. Since the frequency of the beat signal is proportional to the particle velocity as shown in equation (1), the horizontal axis in FIG. 4 can be regarded as the particle velocity, and the vertical axis as the number of particles having the velocity component. it can. Therefore, it can be said that FIG. 4 is a velocity distribution function curve.

ここで、それぞれの速度成分と粒子の個数との積の総和は、流体の流量に比例する。ただし、ビート信号の強度は光の強度(I(t))に比例しているので、光の強度に依存しないように、上記の総和を信号強度の平均値の二乗(<I(t)>2)で除しておく必要がある。流体の流量Fを求める式を以下に示す。 Here, the sum of products of the respective velocity components and the number of particles is proportional to the flow rate of the fluid. However, since the intensity of the beat signal is proportional to the light intensity (I (t)), the above sum is calculated as the square of the average value of the signal intensity (<I (t)>) so as not to depend on the light intensity. It is necessary to divide by 2 ). An equation for obtaining the flow rate F of the fluid is shown below.

Figure 0005643156
Figure 0005643156

式(2)は、ビート信号の周波数ωと周波数ωにおけるビート信号のパワーP(ω)との積を周波数ωごとに求めて、周波数ωごとに求めた積の総和を求め、この積の総和を、ビート信号の強度平均値の二乗<I(t)>2で除した値を計算すると、流体の流量Fはこの計算結果に比例することを示している。したがって、ビート信号のパワースペクトルと、ビート信号の強度平均値を求めることができれば、式(2)から流体の流量Fを算出することができる。 Equation (2) calculates the product of the frequency ω of the beat signal and the power P (ω) of the beat signal at the frequency ω for each frequency ω, obtains the sum of the products obtained for each frequency ω, and sums up the products. Is divided by the square of the intensity average value of the beat signal <I (t)> 2 , it is shown that the fluid flow rate F is proportional to the calculation result. Therefore, if the power spectrum of the beat signal and the average intensity value of the beat signal can be obtained, the fluid flow rate F can be calculated from the equation (2).

図5は本参考例の流体測定器で用いる演算装置の構成を示すブロック図である。演算装置10aは、パワースペクトル測定部13と、信号強度平均値測定部14と、流量算出部15とを有する。パワースペクトル測定部13は、受光器2で得られた電気信号の強度変動のパワースペクトル、すなわちビート信号のパワースペクトルを測定する。信号強度平均値測定部14は、受光器2で得られた電気信号の変動の強度平均値、すなわちビート信号の強度平均値を測定する。 FIG. 5 is a block diagram showing the configuration of the arithmetic unit used in the fluid measuring instrument of this reference example . The arithmetic device 10 a includes a power spectrum measurement unit 13, a signal intensity average value measurement unit 14, and a flow rate calculation unit 15. The power spectrum measuring unit 13 measures the power spectrum of the intensity fluctuation of the electric signal obtained by the light receiver 2, that is, the power spectrum of the beat signal. The signal intensity average value measurement unit 14 measures the intensity average value of the fluctuation of the electric signal obtained by the light receiver 2, that is, the intensity average value of the beat signal.

流量算出部15は、パワースペクトル測定部13が測定したビート信号のパワースペクトルと、信号強度平均値測定部14が測定したビート信号の強度平均値とから、式(2)により流体の流量Fを算出する。   The flow rate calculation unit 15 calculates the fluid flow rate F from the beat signal power spectrum measured by the power spectrum measurement unit 13 and the beat signal strength average value measured by the signal strength average value measurement unit 14 according to Equation (2). calculate.

参考例の方法を用いて流体の流量Fを測定した結果を図6に示す。図6は微小流路7の断面積が0.5mm2の場合で測定した結果を示している。図6の横軸は流量Fの真値、縦軸は本参考例の測定値である。図6によれば、流量Fが小さいところでは、真値と本参考例の測定値との間に正の相関があることが分かり、本参考例の流体測定器を流量計として使用できることが分かる。 The result of measuring the flow rate F of the fluid using the method of this reference example is shown in FIG. FIG. 6 shows the measurement result when the cross-sectional area of the microchannel 7 is 0.5 mm 2 . The horizontal axis of FIG. 6 is the true value of the flow rate F, and the vertical axis is the measured value of this reference example . According to FIG. 6, it can be seen that there is a positive correlation between the true value and the measured value of this reference example when the flow rate F is small, and that the fluid measuring device of this reference example can be used as a flow meter. .

流量Fが大きいところでは測定値が飽和しているが、測定値が飽和している理由は受光器2の出力を増幅する前置増幅器(不図示)の周波数応答の限界のためであって、本質的な問題ではない。なお、式(2)から得られる測定値を流量Fの真値に換算するためには、測定値に係数を乗じる必要があるが、この係数は、流量Fの真値と式(2)から得られる測定値との関係を求める実験を予め実施しておくことで決定することができる。   The measured value is saturated where the flow rate F is large, but the reason why the measured value is saturated is that the frequency response of a preamplifier (not shown) that amplifies the output of the light receiver 2 is limited. It is not an essential problem. In order to convert the measured value obtained from the equation (2) into the true value of the flow rate F, it is necessary to multiply the measured value by a coefficient. The coefficient is calculated from the true value of the flow rate F and the equation (2). This can be determined by conducting in advance an experiment for obtaining the relationship with the obtained measurement value.

第1の実施の形態
μTASにおいては、流路の分岐等が行われる。その分岐の前後において流速を測定したり、粒子が進行する方向をモニタする必要がある。そこで、一個の光源を流路の分岐点上に配置し、流路の分岐前後に複数の受光器を配置しておくことによって、分岐前後での粒子の流速変化を測定することができる。本実施の形態では、測定チップの基板および流路形成用部材の材料として、シリコンを使っている。シリコンは、安価であり、表面に熱酸化膜を形成しやすく、熱酸化膜の成分はSiOxであるため、測定対象として想定している生体物質や、水に侵され難く、また、逆に流路を流れる物質にも影響を与えない。さらに、市中の半導体プロセス技術を用いれば、容易にフォトダイオードからなる受光器を基板自体に形成することができ、また前置増幅器等の回路を同一チップ上に形成することもできる。
[ First Embodiment ]
In μTAS, the flow path is branched. It is necessary to measure the flow velocity before and after the branching and monitor the direction in which the particles travel. Therefore, by arranging one light source on the branch point of the flow path and arranging a plurality of light receivers before and after branching of the flow path, the change in the flow velocity of the particles before and after branching can be measured. In the present embodiment, silicon is used as the material of the measurement chip substrate and the flow path forming member. Silicon is inexpensive and easily forms a thermal oxide film on its surface, and since the component of the thermal oxide film is SiO x, it is difficult to be affected by biological substances and water that are supposed to be measured, and conversely It does not affect the material flowing in the flow path. Furthermore, if a commercially available semiconductor process technology is used, a light receiver made of a photodiode can be easily formed on the substrate itself, and a circuit such as a preamplifier can be formed on the same chip.

また、第2の参考例においては微小流路中の粒子の濃度がコロイド溶液のように濃い場合を考えたが、本実施の形態では、細胞などのように粒子径が大きく、粒子が断続的に通過する場合を考える。細胞などのように粒子径が大きく、粒子が断続的に通過する場合は、第2の参考例で述べたような推定は成り立たず、むしろ散乱光強度の時間変動を追うことによって、通過する細胞の個数とその速度を測定することができる。 In the second reference example , the case where the concentration of particles in the microchannel is as high as a colloidal solution is considered. However, in this embodiment, the particle diameter is large, such as a cell, and the particles are intermittent. Consider the case of passing through. If the particle size is large and the particles pass intermittently, such as cells, the estimation as described in the second reference example does not hold, but rather the cells that pass by following the time variation of the scattered light intensity. The number and the speed can be measured.

すなわち、図7に示すように細胞が通過するたびに、ビート信号のパワースペクトルの形状が上下に変動するので、その時間変化の回数をカウントすることによって細胞の通過個数を数えることができる。例えば図7の例では、ビート信号の代表的な周波数ω1に着目すると、周波数ω1におけるビート信号のパワースペクトルがP0(ω)からP1(ω)に変動している。したがって、細胞が1個通過したとカウントすることができる。また、その際のビート信号の周波数を測定することによって、通過する細胞の速度を測定することができる。 That is, as shown in FIG. 7, each time a cell passes, the shape of the power spectrum of the beat signal fluctuates up and down, so that the number of passing cells can be counted by counting the number of time changes. For example, in the example of FIG. 7, when attention is focused on a representative frequency omega 1 of the beat signal, the power spectrum of the beat signal at the frequency omega 1 is varied from P 0 (ω) to P 1 (ω). Therefore, it can be counted that one cell has passed. In addition, the velocity of the passing cell can be measured by measuring the frequency of the beat signal at that time.

図8(A)は本実施の形態の流体測定器の光学部の構成を示す平面図、図8(B)は光学部の断面図である。第1の参考例と同様に、測定チップ5aは、積層構造を有しており、基板6と、微小流路7と、微小流路7上に配置された透明板8と、透明板8上に設置された光源1と、微小流路7の下に設置された受光器2−1,2−2,2−3,2−4とを備えている。 FIG. 8A is a plan view showing the configuration of the optical unit of the fluid measuring device of the present embodiment, and FIG. 8B is a cross-sectional view of the optical unit. Similar to the first reference example , the measurement chip 5 a has a laminated structure, and includes a substrate 6, a microchannel 7, a transparent plate 8 disposed on the microchannel 7, and a transparent plate 8. And a light receiver 2-1, 2-2, 2-3, 2-4 installed under the microchannel 7.

本実施の形態では、微小流路7は平面視十字型の形状に加工されている。光源1は、十字型の微小流路7の交差点上の位置に設置されている。一方、受光器2−1〜2−4は、微小流路7の四つ角下の位置に1個ずつ設置されている。それぞれの受光器2−1〜2−4には、信号取得用の配線16−1〜16−4が接続されている。   In the present embodiment, the microchannel 7 is processed into a cross-like shape in plan view. The light source 1 is installed at a position on the intersection of the cross-shaped microchannel 7. On the other hand, the light receivers 2-1 to 2-4 are installed one by one at positions below the four corners of the microchannel 7. Signal receivers 16-1 to 16-4 are connected to the respective light receivers 2-1 to 2-4.

第1の参考例と同様に、透明板8の全領域のうち少なくとも光源1からのレーザ光が照射される領域には、曇りガラス加工が施されており、適度に散乱光が生じるようになっている。この散乱光は、静止している透明板8からの散乱光なので、ドップラーシフトは生じない。一方、光源1から透明板8を通過して粒子9を含む流体に照射され、粒子9によって散乱されたレーザ光は、ドップラーシフトを生じている。透明板8によって散乱された光と粒子9によって散乱された光とは、受光器2−1〜2−4によって受光され、電気信号に変換される。 As in the first reference example , at least the region irradiated with the laser light from the light source 1 in the entire region of the transparent plate 8 is subjected to frosted glass processing so that scattered light is appropriately generated. ing. Since this scattered light is scattered light from the stationary transparent plate 8, no Doppler shift occurs. On the other hand, the laser beam that is irradiated from the light source 1 through the transparent plate 8 to the fluid containing the particles 9 and is scattered by the particles 9 causes a Doppler shift. The light scattered by the transparent plate 8 and the light scattered by the particles 9 are received by the light receivers 2-1 to 2-4 and converted into electrical signals.

十字型の微小流路7の四つ角にある受光器2−1〜2−4からの信号を同時にモニタし比較することにより、粒子9の進行方向と速度とを同時に計測することができる。例えば、図8(A)、図8(B)の右から左へ粒子9が通過する場合、粒子9が微小流路7の交差点を通過する前には右側の2つの受光器2−1,2−2からビート信号が得られ、粒子9が交差点を通過するときには4つの受光器2−1〜2−4からビート信号が得られ、粒子9が交差点を通過した後には左側の2つの受光器2−3,2−4からビート信号が得られる。したがって、粒子9が微小流路7を右から左へ通過したことが分かる。   By simultaneously monitoring and comparing signals from the light receivers 2-1 to 2-4 at the four corners of the cross-shaped microchannel 7, the traveling direction and speed of the particles 9 can be measured simultaneously. For example, when the particles 9 pass from right to left in FIG. 8A and FIG. 8B, the two light receivers 2-1 on the right side before the particles 9 pass through the intersection of the microchannels 7-1. A beat signal is obtained from 2-2, and when the particle 9 passes through the intersection, beat signals are obtained from the four light receivers 2-1 to 2-4. Beat signals are obtained from the devices 2-3 and 2-4. Therefore, it can be seen that the particles 9 have passed through the microchannel 7 from right to left.

また、図8(A)の上から下の方向へ粒子9が通過する場合、粒子9が微小流路7の交差点を通過する前には2つの受光器2−1,2−3からビート信号が得られ、粒子9が交差点を通過するときには4つの受光器2−1〜2−4からビート信号が得られ、粒子9が交差点を通過した後には2つの受光器2−2,2−4からビート信号が得られる。したがって、粒子9が図8(A)の上から下の方向へ通過したことが分かる。   When the particles 9 pass from the top to the bottom in FIG. 8A, the beat signals from the two light receivers 2-1 and 2-3 are passed before the particles 9 pass through the intersection of the microchannels 7. When the particle 9 passes through the intersection, beat signals are obtained from the four light receivers 2-1 to 2-4, and after the particle 9 passes through the intersection, the two light receivers 2-2 and 2-4 are obtained. A beat signal is obtained from. Therefore, it can be seen that the particles 9 have passed from the top to the bottom of FIG.

図9は本実施の形態の流体測定器で用いる演算装置の構成を示すブロック図である。演算装置10bは、パワースペクトル測定部17と、周波数測定部18と、計数部19と、速度算出部20と、進行方向判定部21とを有する。パワースペクトル測定部17は、パワースペクトル測定部13と同様にビート信号のパワースペクトルを測定する。このとき、パワースペクトルの測定に使用する受光器は、受光器2−1〜2−4のうちいずれか1つでよい。周波数測定部18は、周波数測定部11と同様にビート信号の周波数を測定する。このとき、周波数の測定に使用する受光器は、パワースペクトル測定部17が使用する受光器と同じでよい。   FIG. 9 is a block diagram showing a configuration of an arithmetic device used in the fluid measuring device of the present embodiment. The arithmetic device 10 b includes a power spectrum measurement unit 17, a frequency measurement unit 18, a counting unit 19, a speed calculation unit 20, and a traveling direction determination unit 21. The power spectrum measurement unit 17 measures the power spectrum of the beat signal in the same manner as the power spectrum measurement unit 13. At this time, the light receiver used for the measurement of the power spectrum may be any one of the light receivers 2-1 to 2-4. The frequency measurement unit 18 measures the frequency of the beat signal in the same manner as the frequency measurement unit 11. At this time, the light receiver used for frequency measurement may be the same as the light receiver used by the power spectrum measurement unit 17.

計数部19は、周波数測定部18が測定した周波数におけるビート信号のパワーの変化の回数を測定することによって、粒子9の通過個数を導出する。
速度算出部20は、速度算出部12と同様に周波数測定部18が測定したビート信号の周波数から粒子9の移動速度を算出する。
The counting unit 19 derives the number of passing particles 9 by measuring the number of beat signal power changes at the frequency measured by the frequency measuring unit 18.
Similar to the velocity calculator 12, the velocity calculator 20 calculates the moving velocity of the particles 9 from the frequency of the beat signal measured by the frequency measuring unit 18.

進行方向判定部21は、各受光器2−1〜2−4におけるビート信号の発生状況から、粒子9の進行方向を判定する。
こうして、本実施の形態では、粒子9の通過個数と移動速度と進行方向とを同時に測定することができる。
The traveling direction determination unit 21 determines the traveling direction of the particles 9 from the generation state of the beat signal in each of the light receivers 2-1 to 2-4.
Thus, in the present embodiment, the number of passing particles 9, the moving speed, and the traveling direction can be measured simultaneously.

第2の実施の形態
コロイド懸濁液のような粒子含有流体においては全体的な流れが無い場合でも、ブラウン運動があるため、散乱光のドップラーシフトが無くなることは無い。ブラウン運動は粒子に対して、流体の分子(例えば水分子)が熱運動によってあらゆる方向から衝突することによって、生じる粒子の乱雑な運動である。一定時間一方向に運動するものではないため、速度の概念では表されない。熱運動しているため、温度が高いほど水分子の衝突は激しくなり、また、粒子の形状が小さいほど水の抵抗が減るのでブラウン運動による粒子のゆらぎの激しさは増す。ゆらぎの激しさは拡散係数として表わされる。ブラウン運動の拡散係数Dは下記の式で表される。
[ Second Embodiment ]
Even when there is no overall flow in a particle-containing fluid such as a colloidal suspension, the Doppler shift of scattered light is not lost due to Brownian motion. Brownian motion is a random motion of particles that occurs when fluid molecules (eg, water molecules) collide with particles from all directions due to thermal motion. Since it does not move in one direction for a certain period of time, it is not expressed in terms of speed. Because of the thermal motion, the higher the temperature, the more intense the collision of water molecules, and the smaller the particle shape, the less water resistance, so the intensity of particle fluctuation due to Brownian motion increases. The intensity of fluctuation is expressed as a diffusion coefficient. The diffusion coefficient D of Brownian motion is expressed by the following equation.

Figure 0005643156
Figure 0005643156

ここで、kBはボルツマン定数、Tは温度、ηは水の粘性係数、rは粒子の半径である。ここで流量は粒子の運動によるドップラー効果の指標となり、ブラウン運動のゆらぎの激しさとして表されるため、流量は粒子の直径と関係がある。図10に直径60nm−3000nmのポリスチレンラテックス粒子の流量値を第2の参考例の方法によって測定した結果を示す。水温は25度で一定である。粒子径と流量値のそれぞれのデータのフィッティングによって、経験則として以下の式(4)の関係があることが分かった。 Here, k B is the Boltzmann constant, T is the temperature, η is the viscosity coefficient of water, and r is the radius of the particle. Here, the flow rate is an index of the Doppler effect due to the motion of the particles, and is expressed as the intensity of the Brownian motion fluctuation, so the flow rate is related to the diameter of the particles. FIG. 10 shows the result of measuring the flow rate value of polystyrene latex particles having a diameter of 60 nm to 3000 nm by the method of the second reference example . The water temperature is constant at 25 degrees. As a rule of thumb, it has been found that there is a relationship of the following equation (4) by fitting the data of the particle diameter and the flow rate value.

Figure 0005643156
Figure 0005643156

ここで、αは装置依存の比例係数で、α=11400である。この経験則を用いて、流量Fを測定することによって粒子半径を求めることができる。図10に示した結果は摂氏25度で測定した結果であるが、式(3)から分かるように流量Fと粒子径との間には温度依存性があるため、温度一定の条件下で比較する必要がある。逆に、粒子径が既知の場合は温度や流体の粘性係数を推定することもできる。   Here, α is a device-dependent proportional coefficient, and α = 11400. Using this rule of thumb, the particle radius can be determined by measuring the flow rate F. The result shown in FIG. 10 is a result measured at 25 degrees Celsius. As can be seen from the equation (3), the flow rate F and the particle diameter are dependent on temperature, so comparison is made under a constant temperature condition. There is a need to. Conversely, when the particle diameter is known, the temperature and the viscosity coefficient of the fluid can be estimated.

本実施の形態においても、流体測定器の光学部の構成は図2に示したとおりである。図11は本実施の形態の流体測定器で用いる演算装置の構成を示すブロック図である。演算装置10cは、パワースペクトル測定部13と、信号強度平均値測定部14と、流量算出部15と、粒子半径算出部22とを有する。パワースペクトル測定部13と信号強度平均値測定部14と流量算出部15の動作は第2の参考例で説明したとおりである。
粒子半径算出部22は、流量算出部15が算出した流量Fから、式(4)により粒子9の半径rを算出する。
Also in the present embodiment, the configuration of the optical unit of the fluid measuring device is as shown in FIG. FIG. 11 is a block diagram showing a configuration of an arithmetic device used in the fluid measuring device of the present embodiment. The computing device 10 c includes a power spectrum measurement unit 13, a signal intensity average value measurement unit 14, a flow rate calculation unit 15, and a particle radius calculation unit 22. The operations of the power spectrum measurement unit 13, the signal intensity average value measurement unit 14, and the flow rate calculation unit 15 are as described in the second reference example .
The particle radius calculation unit 22 calculates the radius r of the particle 9 from the flow rate F calculated by the flow rate calculation unit 15 using Equation (4).

第1、第2の参考例および第1、第2の実施の形態で説明した演算装置10,10a,10b,10cは、例えばCPU、記憶装置およびインタフェースを備えたコンピュータとこれらのハードウェア資源を制御するプログラムによって実現することができる。各演算装置10,10a,10b,10cのCPUは、記憶装置に格納されたプログラムに従って第1、第2の参考例および第1、第2の実施の形態で説明した処理を実行する。 The arithmetic devices 10, 10a, 10b, and 10c described in the first and second reference examples and the first and second embodiments include, for example, a computer including a CPU, a storage device, and an interface, and hardware resources thereof. It can be realized by a program to be controlled. The CPUs of the arithmetic devices 10, 10a, 10b, and 10c execute the processes described in the first and second reference examples and the first and second embodiments in accordance with a program stored in the storage device.

本発明は、家畜・医療診断用の測定チップや、薬品応答性検出用の測定チップにおいて、試薬や試料等の流体の動態を測定するために有用である。また、本発明は、測定チップを用いて分析を行うμTASに使用することができる。例えば、唾液、尿、血液等の生体試料の分析用μTASに使用することができる。本発明に係る流体測定器および流体測定方法によると、簡易な構成の測定チップにおいて、流速、流量、粒子通過個数、粒子濃度、粒子径の測定を行うことができるので、特に使い捨て用の測定チップに適用すると有用である。   INDUSTRIAL APPLICABILITY The present invention is useful for measuring the dynamics of a fluid such as a reagent or a sample in a measurement chip for livestock / medical diagnosis or a measurement chip for chemical response detection. Further, the present invention can be used for μTAS that performs analysis using a measurement chip. For example, it can be used for μTAS for analyzing biological samples such as saliva, urine, blood and the like. According to the fluid measuring instrument and the fluid measuring method according to the present invention, the measurement speed, flow rate, number of passing particles, particle concentration, and particle diameter can be measured with a simple measuring chip. It is useful to apply to.

1…光源、2,2−1〜2−4…受光器、3…不動物体、4…流動物体、5,5a…測定チップ、6…基板、7…微小流路、8…透明板、9…粒子、10,10a,10b,10c…演算装置、11,18…周波数測定部、12,20…速度算出部、13,17…パワースペクトル測定部、14…信号強度平均値測定部、15…流量算出部、16−1〜16−4…配線、19…計数部、21…進行方向判定部、22…粒子半径算出部。   DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Light source, 2, 2-1 to 2-4 ... Light receiver, 3 ... Inanimate body, 4 ... Flowing object, 5, 5a ... Measuring chip, 6 ... Substrate, 7 ... Micro flow path, 8 ... Transparent plate, 9 ... Particles, 10, 10a, 10b, 10c ... Arithmetic unit, 11, 18 ... Frequency measurement unit, 12, 20 ... Speed calculation unit, 13, 17 ... Power spectrum measurement unit, 14 ... Signal intensity average value measurement unit, 15 ... Flow rate calculation unit, 16-1 to 16-4 ... wiring, 19 ... counting unit, 21 ... traveling direction determination unit, 22 ... particle radius calculation unit.

Claims (4)

光を散乱する透明板で覆われた流路と、
前記透明板を通して前記流路中の流体にレーザ光を照射するレーザ光源と、
前記流路の複数箇所に配置され、前記透明板によって散乱された光と前記流体に含まれる粒子によって散乱された光とを受光して電気信号に変換する複数の受光器と、
この受光器で得られた電気信号に含まれるビート信号のパワースペクトルを測定するパワースペクトル測定手段と、
前記ビート信号の周波数を測定する周波数測定手段と、
この周波数測定手段が測定した周波数におけるビート信号のパワーの変化の回数を測定することにより前記粒子の通過個数を導出する計数手段と、
前記周波数測定手段が測定したビート信号の周波数から前記粒子の移動速度を算出する速度算出手段と、
前記複数の受光器におけるビート信号の発生状況から前記粒子の進行方向を判定する進行方向判定手段とを備えることを特徴とする流体測定器。
A channel covered with a transparent plate that scatters light,
A laser light source for irradiating the fluid in the flow path with laser light through the transparent plate;
A plurality of light receivers that are disposed at a plurality of locations in the flow path, receive light scattered by the transparent plate and light scattered by particles contained in the fluid, and convert the light into electrical signals;
Power spectrum measuring means for measuring the power spectrum of the beat signal included in the electrical signal obtained by the light receiver;
Frequency measuring means for measuring the frequency of the beat signal;
Counting means for deriving the number of passages of the particles by measuring the number of changes in the power of the beat signal at the frequency measured by the frequency measuring means,
Speed calculating means for calculating the moving speed of the particles from the frequency of the beat signal measured by the frequency measuring means;
A fluid measuring device, comprising: a traveling direction determination unit that determines a traveling direction of the particles from a generation state of beat signals in the plurality of light receivers.
光を散乱する透明板で覆われた流路と、
前記透明板を通して前記流路中の流体にレーザ光を照射するレーザ光源と、
前記透明板によって散乱された光と前記流体に含まれる粒子によって散乱された光とを受光して電気信号に変換する受光器と、
この受光器で得られた電気信号に含まれるビート信号のパワースペクトルを測定するパワースペクトル測定手段と、
前記ビート信号の強度平均値を測定する信号強度平均値測定手段と、
前記パワースペクトル測定手段が測定したビート信号のパワースペクトルと前記信号強度平均値測定手段が測定したビート信号の強度平均値とから流体の流量を算出する流量算出手段と、
この流量算出手段が算出した流量から前記粒子の半径を算出する粒子半径算出手段とを備えることを特徴とする流体測定器。
A channel covered with a transparent plate that scatters light,
A laser light source for irradiating the fluid in the flow path with laser light through the transparent plate;
A light receiver that receives light scattered by the transparent plate and light scattered by particles contained in the fluid and converts the light into an electrical signal;
Power spectrum measuring means for measuring the power spectrum of the beat signal included in the electrical signal obtained by the light receiver;
A signal intensity average value measuring means for measuring an average intensity value of the beat signal;
A flow rate calculating means for calculating a flow rate of the fluid from the power spectrum of the beat signal measured by the power spectrum measuring means and the intensity average value of the beat signal measured by the signal intensity average value measuring means;
A fluid measuring instrument comprising: a particle radius calculating means for calculating a radius of the particle from the flow rate calculated by the flow rate calculating means.
光を散乱する透明板で覆われた流路に対して、レーザ光源から前記透明板を通してレーザ光を照射するレーザ照射ステップと、
前記透明板によって散乱された光と前記流路中の流体に含まれる粒子によって散乱された光とを、前記流路の複数箇所に配置された複数の受光器で受光して電気信号に変換する受光ステップと、
この受光ステップで得られた電気信号に含まれるビート信号のパワースペクトルを測定するパワースペクトル測定ステップと、
前記ビート信号の周波数を測定する周波数測定ステップと、
この周波数測定ステップで測定した周波数におけるビート信号のパワーの変化の回数を測定することにより前記粒子の通過個数を導出する計数ステップと、
前記周波数測定ステップで測定したビート信号の周波数から前記粒子の移動速度を算出する速度算出ステップと、
前記複数の受光器におけるビート信号の発生状況から前記粒子の進行方向を判定する進行方向判定ステップとを備えることを特徴とする流体測定方法。
A laser irradiation step of irradiating a laser beam from a laser light source through the transparent plate to a flow path covered with a transparent plate that scatters light;
Light scattered by the transparent plate and light scattered by particles contained in the fluid in the flow path are received by a plurality of light receivers arranged at a plurality of locations in the flow path and converted into electrical signals. A light receiving step;
A power spectrum measurement step for measuring the power spectrum of the beat signal included in the electrical signal obtained in this light receiving step;
A frequency measurement step for measuring the frequency of the beat signal;
A counting step for deriving the number of passages of the particles by measuring the number of changes in the power of the beat signal at the frequency measured in this frequency measurement step;
A speed calculating step for calculating the moving speed of the particles from the frequency of the beat signal measured in the frequency measuring step;
A fluid direction measuring method comprising: a traveling direction determination step of determining a traveling direction of the particles from a generation state of beat signals in the plurality of light receivers.
光を散乱する透明板で覆われた流路に対して、レーザ光源から前記透明板を通してレーザ光を照射するレーザ照射ステップと、
前記透明板によって散乱された光と前記流路中の流体に含まれる粒子によって散乱された光とを受光器で受光して電気信号に変換する受光ステップと、
この受光ステップで得られた電気信号に含まれるビート信号のパワースペクトルを測定するパワースペクトル測定ステップと、
前記ビート信号の強度平均値を測定する信号強度平均値測定ステップと、
前記パワースペクトル測定ステップで測定したビート信号のパワースペクトルと前記信号強度平均値測定ステップで測定したビート信号の強度平均値とから流体の流量を算出する流量算出ステップと、
この流量算出ステップで算出した流量から前記粒子の半径を算出する粒子半径算出ステップとを備えることを特徴とする流体測定方法。
A laser irradiation step of irradiating a laser beam from a laser light source through the transparent plate to a flow path covered with a transparent plate that scatters light;
A light receiving step of receiving light scattered by the transparent plate and light scattered by particles contained in the fluid in the flow path with a light receiver and converting the light into an electrical signal;
A power spectrum measurement step for measuring the power spectrum of the beat signal included in the electrical signal obtained in this light receiving step;
A signal intensity average value measuring step for measuring an average intensity value of the beat signal;
A flow rate calculating step for calculating a fluid flow rate from the power spectrum of the beat signal measured in the power spectrum measuring step and the intensity average value of the beat signal measured in the signal intensity average value measuring step;
A fluid measurement method comprising: a particle radius calculation step of calculating a radius of the particle from the flow rate calculated in the flow rate calculation step.
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