JPH01182736A - 沈降場流動分画分析方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は、沈降場流動分画の原理を用いた分析方法に関
する。

［従来技術］ 流体中の微粒子は遠心力場に置かれるとその粒子の質量
に応じた力を受け、外壁に向かって沈降しようとする。

粒子がサブミクロン程度に小さいとブラウン連動が可能
で、沈降によって生じた濃度勾配に比例して自己拡散力
が増大し、遠心力と自己拡散力のつりあうところで粒子
雲を形成する。

また、流体は、狭い空隙（チャネル）を流れる時、壁面
に接している部分の流速は中心部より遅くなり空隙の中
心に向かって放物線流速分布をとる。

この空隙に垂直に遠心力場を加えると、流体中の粒子は
、遠心力と自己拡散力のつりあう位置での固有の流速で
空隙中を移動することになる。このような性質を利用し
て流体中の微粒子を分離分画するのがＳ　−Ｆ　Ｆ　Ｆ
　（Ｓ　ｅｄｌｓｅｎｔａｔｉｏｎ　　Ｆ　１ｅｌｄＦ
　ｌｏｗ　Ｆ　ｒａｃｔｌｏｎａｔｌｏｎ）である。

第２図は従来の５−ＦＦＦ用回転カラムの一例を示す図
である。このカラムは、第２図（ａ）に示すように注入
口２３と流出口２４を有し、両者の間で切断されたイン
ナー・リング２１とアウター・リング２２から構成され
る。インナー・リング２１の外周面には、端から端まで
分離溝２５が掘られ、更にこの分離溝２５を包囲するよ
うにシール溝２７が設けられている。このシール溝２７
にシール材２８を埋め込んだ後、インナー・リング２１
は第２図（ｂ）に断面図を示すようにアウター・リング
２２内に挿入される。これにより、インナー・リング２
１とアウター・リング２２で囲まれる分離溝２５の部分
にチャネル２９が形成される。楔３０はインナー・リン
グ２１を押し広げ、インナー・リング２１とアウター・
リング２２を一体化するために用いられる。

上記チャネル２９は、幅Ｗ（２５０μｍ程度）と高さＢ
　（２５ｍｍ程度）が全周（周長例えば５８ｅｓ程度）
にわたり一様である。このチャネル２９の両端で非常に
接近した位置には、流体をチャネルに注入するための注
入口２３及び流体をチャネルから取出すための流出口２
４がある。第２図（ｃ）は、注入口２３．流出口２４９
分離溝２５及びシール溝２７の配置を示している。

第３図はこの回転カラムを含む装置全体の構成図である
。第３図において１は第２図に示した回転カラムで、図
示しない駆動機構により、高速回転される。その回転軸
の部分には１、固定流路と接続するためのロータリージ
ヨイント２が設置されている。ポンプ３によって加圧さ
れた展開液は、４方バルブ４．サンプリングバルブ５及
びロータリージヨイント２を介してカラム１内へ注入さ
れる。そして、カラム１から流出した展開液は、ロータ
リージヨイント２及び４方バルブ４を介してＵＶ検出器
のような検出器６へ送られる。

先に述べたように、カラムのチャネル内を流れる展開液
は、中央が最大で両壁面に向かって減衰する放物線流速
分布をとり、このチャネル内で遠心力を受ける展開液内
微粒子は、その粒子径や密度によって決まる固有の濃度
分布を示し、固有のチャネル内移動速度をもって注入口
から流出口へ移動する。このため、相対密度（展開液と
粒子の密度差）Δρと粒子径ｄｐの３乗の積（相対質量
）が小さいものから順にカラム外へ流れ出て分離され、
これをＵＶ検出器で検出することにより、例えば第４図
に示すようなフラクトグラムが得られる。

相対保持Ｒを粒子の保持容量Ｖｒに対する非保持容量ｖ
ｏの比と定義したとき、Ｇ　ｉｄｄｉｎｇｓ等はＲを次
式で表わした（Ａｎａｌ、　　Ｃｈｅａｐ、　４６．１
９１７（１９７４））。

Ｒ−Ｖｏ／Ｖｒ　−６λ　（Ｃｏｔｈ（２λ）−１−２
λ）−６λ−１２λ　＋１２λ（ｅλ−１）−１・・・
（１） λ−６ｋＴ／πΔρ・ｄｐ３　・Ｇ−Ｗ　　・・・（２
）ここで、ｋはボルツマン定数、Ｔは絶対温度、Δρは
展開液と粒子の密度差、Ｇは遠心加速度、Ｗはチャネル
幅である。

通常、実際の分析は、Ｗ−２５０μｍのカラムを使用し
、界面活性剤を０．１％程度含む水を展開液として用い
る。そして、サンプリングバルブ５から未知サンプルを
注入してフラクトグラムを求め、このフラクトグラムか
ら着目したピークのＶｏ／Ｖｒ　　（＝　Ｒ）を求め、
このＲの値から（１）。

（２）式に基づいて、着目したピークに対応する粒子の
相対質量Δρ・ｄｐ３を求める。未知試料の密度が既知
であれば、この相対質量から粒子径が求められるし、粒
子径が既知であれば、密度が求められる。又、展開液の
種類を変えて測定を２回行えば、未知試料の密度と粒子
径の両方が求められる。

［発明が解決しようとする問題点］ 上記（１）、（２）式を用いた解析は、Ｒが比較的大き
い領域では実験結果と理論式が非常に良く一致するが、
Ｒの小さい領域では両者の間に大きな単離が発生してし
まう。従って、その領域では求めた粒子の密度や径に大
きな誤差が出てしまうことは避けられなかった。

更に、本発明者は先に、フラクトグラムの分離能を高め
しかも短時間で取得するためには、チャネル幅Ｗを小さ
くすること、及び界面活性剤を含まない純水を展開液と
して使用することが有利であることを見出しているが、
Ｗを小さくし、純水を使用すると上述した実験結果と理
論式との単離が更に拡大してしまい、定量的な解析が不
可能であった。そのため、実質的に高速高分離能の測定
は出来なかった。

本発明は上述した点に鑑みてなさ゛れたものであり、新
たな理論式を導入することにより、上述した問題点を除
くことのできる沈降場流動分画分析方法を提供するもの
である。

Ｃ問題点を解決するための手段］ 上記目的を達成するため、本発明の沈降場流動分画分析
方法は、粒子径ｄｐ及び展開液との密度差Δρが既知の
粒子を標準試料として沈降場流動分画分析を行ってフラ
クトグラムを得、該フラクトグラムから求めた相対保持
Ｒに基づいて下式における定数Ａ及びφを決定し、該決
定したＡ及びφを用い下式に基づいて未知試料のフラク
トグラムからその粒子径又は密度を求めることを特徴と
し＋　（Ａ／ｖ）Ｄ１１４（１＋φλ）　ｅｘｐ（−λ
２　ｖ２１〜１）λ−６ｋＴ／πΔρ・ｄｐ３　　・Ｇ
−Ｗ（ここで、Ｗはカラムのチャネル幅、Ｄは展開液の
拡散係数、ｋはボルツマン定数、Ｔは絶対温度、Ｇは遠
心加速度である。） 以下、図面を用いて本発明を詳説する。

［実施例］ 本発明者は、上述したような理論式からの単離が何に起
因しているか、そして、実験結果をよく記述できる式は
（１）、（２）式にどの様な補正を施すことによって得
られるかを追及すべく、信頼のおける標準試料を用いて
、カラム温度、流速。

回転数などの測定条件に十分な注意を払い実験を重ねた
。

先ず、チャネル幅Ｗ−１２５μｍ１チャネル壁面の材質
がテフロンであるカラムを用い、■純水、■０．１％エ
マルゲンａｐ１５０　　［花王］　（オキシエチレン−
オキシプロピレン共重合体）水溶液、■０．０１％ドデ
シルベンゼンスルフオン酸ソーダ水溶液、■０．０１％
アンヒトール２０ＢＳ　［花王コ　（ラウリルベダイン
）水溶液の４種類の展開液で、流速、カラム回転数をそ
れぞれ１．５＋ａｌ／ｍｉｎ　、　２００　Ｏｒｐｍに
保ち、下表に示す密度及び径を持つＡ−Ｈの５種類の標
準試料（日本合成ゴム社製ポリスチレンラテックス（Ｓ
ＴＡＤＥＸ旧Ｘ　０２９））について測定した。

表　　　　１ 得られたフラクトグラムから、相対保持Ｒを保持容量Ｖ
ｒに対する非保持容量Ｖｏの比として求め、その対数を
横軸に、そして展開液の密度を０゜９９８２ｇ／ｃｍ”
とし、各粒子径及び密度を用いて相対質量Δρ・ｄｐ３
を求め、この相対質量の対数を縦軸にとって実験結果を
プロットしたのが第５図である。第５図中、破線は、先
にのべたＧ　１ｄｄ１ｎｇＳｄ与えた（１）、（２）の
理論式に基づく曲線である。

この第５図から明らかなように、実験結果は、Ｒが大き
いところで展開液の種類に関係な゛く理論式とほぼ一致
するが、Ｒの小さいところで理論式からの単離が生じ、
特に純水の場合最も単離が大きくなっていることが再確
認された。また、界面活性剤の種類と濃度により、分離
挙動が変わることが分かる。

界面活性剤の種類と濃度による分離挙動の変化は、チャ
ネルの粒子蓄積壁面と展開液間の界面張力に依存する現
象と思われたため、表面張力が水の約３分の１の２２　
、　５　ｄｙｎｅ／ｃ＋＋のメタノールを展開液とし、
臨界表面張力が１８　ｄｙｎｅ／ｃａ＋のテフロンと、
約４０　ｄｙｎｅ／ｃｍのポリイミドを粒子蓄積壁面の
材質に選んで実験を行った。その結果、粒子蓄積壁面の
材質が展開液（メタノール）によって濡れる場合（ポリ
イミド）も、濡れない場合（テフロン）も、分離挙動は
（１）、（２）の理論式からやはり単離することか分り
、その単離と界面張力との直接的因果関係は否定された
。

そこで、（１）、（２）式の導出過程にたちかえって検
討を加えた。即ち、（１）、（２）式は、第６図（ａ）
に示すように流速分布が壁面に至るまで放物線分布を保
ち、壁面上で流速がゼロになるという仮定に基づいて導
出されている。この仮定は、多くの場合不都合を生じな
い。しかしながら、沈降場流動分画における保持が顕著
に現れるのは、粒子雲が壁面近傍に留まるときである。

例えば、Ｗ−１２５μｍでＲ−０，１では、粒子雲は平
均圧Ｍｌのところに留まる。流速１５００μｌ／ｌ１ｌ
Ｉｎで実験するとき、壁面から２μｍの位置の粒子の線
速度は約９７μｍ／ｓｅｅである。一方、展開液の拡散
による移動速度は、純水の場合で８６μｍとなる。従っ
て、壁面のご（近傍では、拡散の寄与を無視できず、拡
散を考慮すると、実際の流速分布は第６図（ｂ）に示す
ようなものとなり、壁面での流速はゼロではないとしな
ければならないことが分った。

そこで、拡散係数りが、２５℃においてｐ−０゜５１２
　Ｘ　１０−０−５ａ／ｓｅｅと２．３２Ｘ１０−５ｃ
霞２／ｓｅｅと大きく異なるｎプロパツールとメタノー
ルを展開液とし、上記試料Ａ−ＥについてＷ−２５０μ
ｍと１２５μｍの２種類のカラムで実験を行った。

その結果をプロットしたのが第７図で、０（２５０μｍ
）と・（１２５μｍ）がメタノール、Δ（２５０μｍ）
とム（１２５μｍ）がｎブロノくノールを夫々示す。こ
の図から、相対保持ＲがＷとＤに顕著に依存しているこ
とが確認された。

以上の実験結果に基づき、本発明者は、従来の理論式（
１）に補正項Ｒｄを加えた次式により、これまでの実験
結果を矛盾なく説・明できることを見出した。

Ｒ−Ｒｏ　＋Ｒｄ　　　　　　　　　　　　−（３）Ｒ
ｄ関 （Ａ／Ｖ）Ｄ１１４（１＋φλ）　ｅｘｐ（−λ　　ｗ
　　／２（Ｕ＞・・・（４） ここで、ＲＯは従来からの項、λも従来通りで、下式で
表わされる。

Ｒｏ−６λ−１２λ　＋１２λ（ｅλ−１）−１λ−６
ｋＴ／πΔρ・ｄｐ３　・Ｇ−Ｗ上記（４）式において
、Ａ、φは実験条件で決まる定数である。本発明者が用
いた装置では、純水、メタノール、ｎプロパツールの系
では　Ｋ　−１、φ−３であった。

第７図における実線と破線は、２０℃におけるメタノー
ルおよびｎプロパツールの拡散係数りを夫’ｒ２１２０
μｍ２／ｓｅｅ、４２０μｍ２／ｓｅｅとし、Ｗ＝１２
５μｍとＷ−２５０μ’ｍのカラムについて（３）、（
４）式による計算結果をプロットしたもので、実線はＷ
−１２５μｍ１破線はＷ〜２５０μｍの場合を夫々示す
。ドツト（０゜・：メタノール、Δ、ム；ｎプロパツー
ル）で示した実験結果と、Ｗ−１２５μｍの場合も２５
０μｍの場合も良く一致していることが分る。

第１図は、このような新しい式を用いた本発明の沈降場
流動分画分析方法を実施するための流れ図の一例を示す
。以下、この流れ図にしたがって一実施例を説明する。

■先ず、粒子径、密度既知の標準試料を複数種類用意す
る。

■この標準試料及び未知試料の分散に適した展開液（例
えば純水）を用意する。

■複数種類の標準試料を混合し、所定回転数でフラクト
グラムを測定する。

■得られたフラクトグラムに基づき、少なくとも２つの
試料ピークについて相対保持Ｒを求め、Ｒ１、Ｒ２を得
る。

■このＲ１，Ｒ２と、（３）、（４）、（１）。

（２）式から定数Ａ及びφを決定し、（３）。

（４）式を確定させる。

■未知の試料についてフラクトグラムを求める。

■未知試料のピークについて相対保持Ｒｘを求める。

■Ｒｘを用いて（３）、（４）、（１）、（２）式から
未知試料の相対質量Δｐ−ｄｐ３を求める。

■Δρが既知であれば、この相対質量からｄｐを求め、
ｄｐが既知であれば、相対質量からΔρを求める。

尚、定数Ａ及びφの確度を向上させるためには、標準試
料の数を多くしたり、回転数を幾種類かに変えて測定を
したりしてデータ数を増すことが好ましい。

［効果］ 以上詳述した如く、本発明によれば、Ｒの小さな領域に
おいても正確な測定を行うことのできる沈降場流動分画
分析方法が提供される。

又、界面活性剤を使用せず、純水を用い、Ｗを従来から
の２５０μｍよりも小さくしても、実験結果と理論式が
合致し正確な測定結果が得られるため、高速且つ高分離
能の測定が可能となる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明にかかる方法を実施するための流れ図の
一例を示す図、第２図は従来の５−ＦＦＦ用回転カラム
の一例を示す図、第３図はこの回転カラムを含む装置全
体の構成図、第４図はフラクトグラムの一例を示す図、
第５図は従来の理論式に基づく曲線と、４種類の展開液
を使用し５種類の標準試料について求めたフラクトグラ
ムに基づく曲線との単離を示す図、第６図はチャネル内
を流れる展開液の流速分布を示す図、第７図は拡散係数
りの異なるｎプロパツールとメタノールを展開液とし、
試料Ａ−ＨについてＷ−２５０μｍと１２５μｍの２種
類のカラムで実験を行った結果と、本発明で新たに導入
された理論式に基づく曲線との比較図である。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. （１）粒子径ｄｐ及び展開液との密度差Δρが既知の粒
   子を標準試料として沈降場流動分画分析を行ってフラク
   トグラムを得、該フラクトグラムから求めた相対保持Ｒ
   に基づいて下式における定数Ａ及びφを決定し、該決定
   したＡ及びφを用い下式に基づいて未知試料のフラクト
   グラムからその粒子径又は密度を求めることを特徴とす
   る沈降場流動分画分析方法。 Ｒ＝６λ−１２λ＾２＋１２λ（ｅ＾λ−１）＾−＾１
   ＋（Ａ／Ｗ）Ｄ＾１＾／＾４（１＋φλ）ｅｘｐ（−λ
   ＾２Ｗ＾２／２√Ｄ）λ＝６ｋＴ／πΔρ・ｄｐ＾３・
   Ｇ・Ｗ （ここで、Ｗはカラムのチャネル幅、Ｄは展開液の拡散
   係数、ｋはボルツマン定数、Ｔは絶対温度、Ｇは遠心加
   速度である。）