測定原理

バイオ医薬品凝集性評価システム Aggregates Sizer

なぜレーザ回折・散乱法で濃度(μg/mL)としての粒子径分布が測定できるのか?

濃度の異なる同一サンプルを測定したときの回折・散乱光の光強度分布データです。パターン(検出素子番号と光強度の関係)は,濃度に依存せず相似形になっていますが,WingセンサIIの個々の検出素子で得られる光強度は濃度に比例しています。

しかし測定結果としての粒子径分布は全体を100%として正規化を行っているため,従来の粒子径分布測定では,濃度が異なっていても測定結果はほとんど変化しません。

光強度の情報(大きさは濃度に比例)

「相対粒子量としての粒子径分布(合計は100%)」のデータでは,サンプルAとサンプルBの粒子径分布に違いはありませんが,これに散乱光強度の情報を加味すると,「濃度の違いを反映した粒子径分布」が得られます。ただし,この段階では,粒子量に単位がありません。 そこで濃度が既知なPSL(ポリスチレンラテックス)標準粒子で校正を行い,比例定数を決めておけば,これを用いて濃度(単位:μg/mL)としての粒子径分布を求めることができます。

レーザー回折・散乱法(Laser Diffraction Method)の測定原理

● 粒子径と光強度分布パターンの間には,1対1の関係があります。

「粒子による回折・散乱現象」と「粒子径と光強度分布パターンの関係」


粒子にレーザービームを照射すると,その粒子からは前後・上下・左右とあらゆる方向に光が発せられます。これが「回折・散乱光」です。回折・散乱光の強さは,散乱角度とともに変化し,空間的な強度分布パターンを描きます。これが「光強度分布パターン」です。
粒子径が大きい場合,粒子から発せられる回折・散乱光は前方(レーザビームの進行方向)に集中し,図では表現できないほどの狭い角度範囲で激しく変動します。前方の光に比べると,それ以外の方向の光は非常に弱いものとなります。粒子径が小さくなるにつれ,回折・散乱光のパターンは前方方向から周辺へ広がっていきます。 粒子径がさらに小さくなると,側方光や後方光も強くなってきます。このとき,光強度分布パターンは,まるで「マユ」や「ひょうたん」のような形になってあらゆる方向に広がっていきます。このように粒子径と光強度分布パターンの間には,1対1の対応関係が存在しています。つまり,光強度分布パターンを検出すれば粒子径を計算する事が可能となります。

● 青紫色レーザーを採用すると,より小さな粒子が正確に測定できます。

粒子径が小さくなると,粒子径が変化しても光強度分布パターンがほとんど変化しなくなります。これがレーザ回折式粒子径分布測定装置において測定下限が存在する理由です。青紫色レーザを用いると赤色レーザの場合に比べて,より小さい粒子でも光強度分布パターンの差が明確に現れます。

● 測定対象は粒子群です。

実際の粒子径分布測定では,測定対象は単一の粒子ではなく多数の粒子からなる「粒子群」です。 粒子群には大きさの異なる多数の粒子が混在しており,発せられる光強度分布パターンはそれぞれの粒子からの回折・散乱光の重ね合わせとなります。この重ねあわされた光強度分布パターンを検出して解析することで,「どれくらいの大きさの粒子がどれくらいの割合で含まれているか(粒子径分布) 」を求めることができます。

Aggregates Sizer の光学系

● Aggregates Sizer の光学系

光源(半導体レーザー)から発せられたレーザービームはコリメータによって少し太い平行ビームに変換され,粒子群に照射されます。粒子群から発せられた広角60度までの前方散乱光(回折・散乱光)はレンズによって集光され,焦点距離の位置にある検出面に同心円状の回折・散乱像を結びます。これは,同心円状に受光素子が配置されたWingセンサⅡで検出されます。側方や後方の散乱光も側方および後方散乱光センサで検出されます。このようにして検出された全ての方向の光強度データが「光強度分布データ」となります。

光強度の検出とデータ処理の流れ

● 光強度の検出とデータ処理の流れ

バイオ医薬品凝集性評価システム Aggregates Sizer では,この光強度分布データに基づいて粒子径分布を計算しています。検出およびデータの流れを左図に示します。測定の場合には,回折・散乱光の光強度分布パターンの検出から粒子径分布の計算までが一度に実行され粒子径分布データが出力されます。

従来の「レーザー回折・散乱法」に基づく粒子径分布測定装置では,全体を100%とする相対粒子量としての粒子径分布が求められますが, Aggregates Sizer では,PSL標準粒子を用いた校正に基づいて回折・散乱光強度レベルより濃度(単位:μg/mL)としての粒子径分布が出力されます。

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