CN104048906A - 分选装置和分选方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了分选装置和分选方法。所述分选装置包括：流道设备，其包括流道和作用电极部，所述流道用于让含有粒子的流体流过，所述作用电极部致使介电泳力作用于所述流道中的所述粒子；以及控制器，其被构造用于检测出流过所述流道的所述粒子的特性，基于所检测出的所述粒子的特性而通过使用矩形脉冲的脉冲调制来生成电压信号，并且将所述电压信号输出至所述作用电极部。所述分选方法使用上述流道设备来分选粒子，且包括：检测流过流道的粒子的特性；以及基于所检测到的粒子的特性而通过使用矩形脉冲的脉冲调制来生成电压信号，并且将该电压信号输出至作用电极部。本发明通过使用廉价电路就能够轻松地控制输出电压。
Description
技术领域
本发明涉及使用介电泳力(dielectrophoretic force)来分选细胞等的粒子的分选装置和分选方法。
背景技术
过去，作为利用电磁力来分选流体中的粒子的方法，例如存在有下面的两种方法。一种方法是：通过在流道中形成直流(DC)电场来执行带电粒子的电泳。另一种方法是：通过在流道中形成直流电场或交流(AC)电场且对于该电场赋予空间不均一性(即电场强度梯度)从而在依赖于媒介和粒子的复介电常数(complex permittivity)的同时执行粒子的电泳。作为用于执行电泳的后一种方法的示例，在日本专利申请特开No.2012-98075(以下，称为专利文件1)中公开了一种细胞分选装置(细胞分析／分选系统)。
该细胞分选装置包括细胞分选用芯片，该细胞分选用芯片例如具有微流道。当含有细胞的流体流过所述芯片中的预定流道时，该装置测量出所述流道中的复阻抗和复介电常数，然后基于该测量结果来分选所述细胞。所述芯片包括信号检测电极(测量部)，所述信号检测电极用于测量细胞的复阻抗和复介电常数且用于检测信号。所述芯片还包括在所述信号检测电极的下游侧的作用电极(电场施加部)，该作用电极作为细胞分选手段且具有预定形状，该预定形状是为了形成用于向细胞提供适当介电泳力的直流或交流电场而设置的(例如，参见专利文件1的说明书中的第0025段、第0028段等)。
发明内容
在为了控制由介电泳力所引起的粒子的位移量而需要对电压振幅进行控制的时候，由于该电压是高频率的大电压，所以难以控制电压振幅，并因此需要昂贵的电路。
因此，目前存在对如下这样的分选装置和分选方法的需求：利用该分选装置和该分选方法，使用廉价电路就能够轻松地控制对于作用电极的输出电压。
本发明的一个实施例提供了一种分选装置，其包括流道设备和控制器。
所述流道设备包括流道和作用电极部，含有粒子的流体能够流过所述流道，所述作用电极部致使介电泳力作用于所述流道中的所述粒子。
所述控制器被构造用来检测出流过所述流道的所述粒子的特性，基于所检测出的所述粒子的所述特性而通过使用矩形脉冲的脉冲调制来生成电压信号，并且将所述电压信号输出至所述作用电极部。
由于为了通过所述流道中的电场强度梯度引起介电泳力，所述控制器通过所述使用矩形脉冲的脉冲调制来生成所述电压信号，所以脉冲调制电路能够由廉价电路构成，并且能轻松地控制对于作用电极的输出电压。
所述流道设备可以包括测量电极部，所述测量电极部用于测量所述粒子的电气特性。而且，所述控制器可以基于由所述测量电极部获得的信号来检测出所述粒子的所述特性。在这种情况下，所述控制器可以基于由所述测量电极部获得的所述信号来计算出复介电常数，然后基于所述复介电常数来生成所述电压信号。通过使用所述复介电常数，能提高分选精度。
所述控制器可以通过PDM(Pulse Density Modulation，脉冲密度调制)来生成所述电压信号，或者可以通过PWM(Pulse Width Modulation，脉冲宽度调制)来生成所述电压信号。
所述控制器可以使用如下的矩形脉冲：其具有0.1MHz以上且100MHz以下的预定频率范围。所述预定频率范围可以是固定的，或者可以是变化的。
通过利用由所述使用矩形脉冲的脉冲调制生成的所述电压信号来引起所述介电泳力，能够使小流道中的所述粒子产生微小位移。
所述作用电极部可以包括对向电极和多个电极指。所述电压信号被施加给所述多个电极指，所述多个电极指沿所述流体流动的方向排列着。而且，所述对向电极与所述多个电极指相对。通过将所述多个电极指布置在所述流体流动的所述方向上，就能够在所述多个电极指与所述对向电极之间生成电场强度梯度。
所述对向电极可以围绕所述多个电极指的周围的至少一部分，且使得所述多个电极指的末端与所述对向电极之间的距离为恒定值。利用这种结构，当所述多个电极指被连续地设置于所述流体流动的方向上时，对于所述多个电极指中的各电极指而言，同一状态的电通量密度排列着。因此，所述作用电极部能够向粒子提供在介电泳力作用的方向上每次一点地逐步产生的微小位移。
本发明的另一个实施例提供了一种分选方法，该方法使用流道设备来分选粒子，所述流道设备包括流道和作用电极部，含有所述粒子的流体能够流过所述流道，所述作用电极部致使介电泳力作用于所述流道中的所述粒子。
在该方法中，检测流过所述流道的所述粒子的特性。
然后，基于所检测到的所述粒子的所述特性而通过使用矩形脉冲的脉冲调制来生成电压信号，并且将所述电压信号输出至所述作用电极部。
如上所述，根据本发明的实施例，使用廉价电路就能轻松地控制所述输出电压。
本发明的这些及其它目的、特征和优势将会借助于下面的对如附图所示的本发明最佳方式实施例的详细说明而变得更明显。
附图说明
图1是示出了本发明的第一实施例的分选装置的结构的框图；
图2是流道设备的沿流道的方向所截取的示意性截面图；
图3是第二流道和从第二流道分支出来的分支部的平面图；
图4是示出了作用电极部的一部分的平面图；
图5是沿图4的线A-A所截取的截面图；
图6是示出了作用信号生成部的功能结构的框图；
图7是示出了通过流道设备来分选粒子的状态的图；
图8是示意性地示出了从采用PDM方法的作用信号生成部输出的脉冲波形与介电泳力之间的关系的图；
图9A至图9C是示出了在各设定频率下，从作用信号生成部输出的脉冲波形的图；
图10A至图10C是示出了由示波器(oscilloscope)实际上获得的作用电压信号的脉冲波形的图，这些脉冲波形分别对应于图9A至图9C；
图11是示出了在实验中所使用的流道和作用电极部的照片；
图12是示出了在各设定频率下，在x方向和y方向上合成的粒子位移量(Δy／Δx)的图；
图13是示出了在各设定频率下，y方向上的粒子速度的峰值的图；
图14是示出了关于图12和图13所示的实验在各设定频率下，粒子位移量(Δy／Δx)的平均值和y方向上的粒子速度的峰值的平均值的表格；
图15是示出了本发明的第二实施例的作用信号生成部的功能结构的框图；以及
图16是示意性地示出了从采用PWM方法的作用信号生成部输出的脉冲波形与介电泳力之间的关系的图。
具体实施方式
以下，将参照附图来说明本发明的实施例。
第一实施例
分选装置的结构
图1是示出了本发明的第一实施例的分选装置的结构的框图。该分选装置100包括流道设备50和控制器70。
流道设备50被形成为例如芯片形状，并且包括流道10。含有作为样本的粒子的流体流过流道10。例如，流道10是具有约30μm至200μm的小宽度的微流道。从位于该图的左手边的上游侧开始，流道设备50沿流道10包括测量电极部20、作用电极部40和分支部15。
作为样本的粒子例如是生物细胞，即，白血球和红血球。当粒子是细胞时，生理盐水(normal saline solution)等被选择作为流体。
图2是流道设备50的沿流道10的方向所截取的示意性截面图。流道设备50包括在流道设备50的厚度方向上呈2段式设计的流道10。在图2中，设置于上游侧的第一流道11包括第一入口11a，并且利用移液管(pipette)和泵等(未图示)致使含有粒子C的流体经由第一入口11a而流入第一流道11中。由于在第一流道11中个个粒子是沿流动方向排列着，所以较佳的是，利用注射泵(syringe pump)等致使流体以恒定流量流入第一入口11a。
设置于下游侧的第二流道12包括第二入口12a，并且利用泵或其它装置(未图示)致使不含有粒子的流体经由第二入口12a而流入第二流道12。较佳的是，经由第二入口12a而流入第二流道12的流体的压力是恒定的。
图3是第二流道12和从第二流道12分支出来的分支部15的平面图。第二流道12被形成为比第一流道11长，且实质上被形成为Y形。被形成为Y形的部分是分支部15，其包括多个(例如两个)分支通道16和17。在分支通道16和17的下游端部处，如图1所示，设置有出口16a和17a。需要注意的是，可以设置有用来储集分选后的粒子的池(未图示)以代替出口16a和17a，并且在该池的下游侧可以设置有用于将该池中所储集的粒子取出的一个以上的出口。
如图2和图3所示，第一流道11和第二流道12通过狭窄通道13而彼此连通。如图3所示，狭窄通道13被设置在例如处于如下位置处的线K上：该位置偏离了第二流道12的在作为宽度方向的y方向上的中心(分支基准线J的位置)。
如上所述，通过使流道10分裂为第一流道11和第二流道12，能够在第一流道11和狭窄通道13中以恒定流量促进粒子C的排列，并且能够主要在第二流道12中确定第二流道12内的流体的压力梯度。相应地，由于能够增强狭窄通道13的出口部分处的流体压力的稳定性，所以能够使经过狭窄通道13的流体的流量稳定化。结果，就能提高通过测量电极部20而得到的粒子的电气特性的测量精度。
需要注意的是，术语“上”和“下”与重力方向无关。在本说明书中，术语“上”和“下”是为了方便而使用的。
在图1中，上游侧的第一流道11和下游侧的第二流道12二者沿x方向平行、且在平面图中彼此重叠。然而，该结构并不限于这样的结构，且流道10的方向不是必须平行和／或流道不是必须在平面图中彼此重叠。换句话说，只要第一流道11和第二流道12是通过狭窄通道13而被连接起来的，那么流道10可以沿任意方向形成。在这种情况下，排液通道或排液出口可以只连接至第一流道11。
如图2和图3所示，上述狭窄通道13设置于第一流道11与第二流道12之间的预定位置处。例如，狭窄通道13具有足以让单个粒子流过的流道尺寸，并且流过第一流道11的粒子经过狭窄通道13而流入第二流道12。
如图2和图3所示，测量电极部20包括将狭窄通道13夹在中间的测量电极21和22。测量电极21和22是用于测量当粒子经过狭窄通道13时的电气特性的电极。例如，测量电极21和22分别设置于如图2所示层叠起来的树脂膜3至7之中的中央树脂膜5的上表面和下表面上，并且构成平行板电容器。交流电源25连接至测量电极21和22，从而能够施加几百mV量级的预定交流电压。测量电极22是公共电极。
作用电极部40设置于分支部15的上游侧，具体地，正好处在分支部15之前，并且形成了具有预定电场强度梯度的电场，从而向流过流道10的粒子提供介电泳力。图4是示出了作用电极部40的一部分的平面图，且图5是沿图4的线A-A所截取的截面图。
作用电极部40包括作用电极41和42。如图5所示，作用电极41和42设置于第二流道12的底面(树脂膜3的上表面)上。如图3所示，交流电源45连接至作用电极41和42，从而交流电压(作用电压)被施加于作用电极41与42之间。作用电极41是被施加作用信号的信号电极，且作用电极42是保持为接地电位的公共电极。需要注意的是，作用电极42可以是信号电极，且作用电极41可以是公共电极。
如图3所示，作用电极41被形成为梳形，并且包括基部41a和多个电极指(electrode finger)41b，所述多个电极指41b以从基部41a突出到第二流道12内的方式伸长。电极指41b沿x方向排列着，并且这些电极指41b的包括末端部的部分突出到第二流道12侧。
作用电极42也被形成为梳形，并且它的电极指42b与作用电极41的电极指41b沿x方向交替地排列着。作用电极42是与作用电极41的电极指41b相对的对向电极。在电极指42b之间分别设置有边缘部42a，各边缘部42a是在x-y平面内以至少围绕电极指41b的末端部的周围的形状而形成的。电极指42b的末端部设置于第二流道12的外部，并且每一个边缘部42a在第二流道12内均是由实质上的半圆和与该半圆延续的直线形成。这些边缘部42a是沿一条线而被形成的，以使得各边缘部42a与作用电极41的电极指41b的末端部之间的距离尽可能为等距离，这里边缘部42a各者均包括了例如沿半圆加工成形的部分。边缘部42a不局限于这样的半圆，也可以使用沿椭圆形或多边形形成的形状。
作为如上所述的流道设备50的制造方法，例如存在有如下的方法。
例如，制备多个树脂膜(绝缘体膜)，例如5个树脂膜3、4、5、6和7(参见图2)。例如，在这5个树脂膜3至7之中的树脂膜5上形成包括测量电极21和22的电极，而在这5个树脂膜3至7之中的树脂膜3上形成包括作用电极41和42的电极。此外，为了形成流道10、分支通道16和17、狭窄通道13以及树脂膜上的入口和出口，视需要在预定位置处形成例如槽和孔。电极、槽和孔等可以通过光刻(photolithography)和光蚀刻(photo-etching)来形成，或者可以通过激光加工来形成。其上已经形成有电极、槽和孔的这5个树脂膜3至7被定位、层叠且经受热压粘合，结果就形成了如图2所示的流道设备50。
测量电极21和22以及作用电极41和42可以由例如铜、银、金、铂、镍、锌、钛或不锈钢形成，或者可以通过在它们上执行各种类型的镀层处理而形成。
作为树脂膜3至7的材料，使用聚酰亚胺膜、热塑性聚酰亚胺膜、PDMS(聚二甲硅氧烷或二甲聚硅氧烷)、丙烯酸树脂、PES(聚醚砜)、聚碳酸酯、聚丙烯、聚苯乙烯、聚酰亚胺、COP(环烯烃聚合物)、COC(环烯烃共聚物)等。在本实施例中，选择上述材料中的一种材料作为用于形成树脂膜3、5和7的共同材料，而选择与树脂膜3、5和7的材料不同的材料作为用于形成树脂膜4和6的共同材料。
接下来，将说明控制器70。如图1所示，控制器70电气连接至测量电极部20和作用电极部40，基于由测量电极部20获得的测量信号而生成作用信号，然后将对应于该信号的作用电压输出至作用电极部40。具体地，控制器70包括测量设备71、测量数据生成部72、判定部73和作用信号生成部60。控制器70典型地由计算机构成。
诸如测量设备71和测量数据生成部72等构件具有用于检测粒子的特性的功能，在本实施例中，粒子的特性是电气特性。具体地，测量设备71向测量电极21和22施加在预定频率范围内的任意频率的交流电压。当粒子经过狭窄通道13时，测量电极21与22之间的电阻值发生改变。测量设备71检测出在测量电极21与22之间流动的电流。测量数据生成部72从该电流值计算出复阻抗。具体地，测量数据生成部72针对流过狭窄通道13的一个一个的细胞、计算出在发生介电弛豫现象的交流电压频率范围(例如，0.1MHz至50MHz)内的多点频率(3点以上，典型地约为10至20点或更多点)下的复介电常数(该复介电常数依赖于那些细胞)作为电气特性。
需要注意的是，实际上，测量数据生成部72基于如上所述计算出来的复阻抗通过已知的电气变换表达式来计算出复介电常数，然后获得包括该复介电常数在内的数据作为测量数据。
作为与复介电常数在电气方面等效的量，存在有复阻抗、复导纳(complex admittance)、复电容、复电导等，这些都能通过上述已知的单纯的电气量变换(electric amount conversion)而相互变换。此外，复阻抗或复介电常数的测量也包括仅有实部或仅有虚部的测量。
判定部73获取从测量数据生成部72输出的测量数据，然后基于该测量数据而判定是否要将粒子分选，即，是否要将粒子引导至分支部15的预定的一个分支通道(本实施例中为分支通道16)中。具体地，判定部73通过将关于复介电常数的数据的判定条件与上述测量数据核对来执行判定处理，所述判定条件是为了分选所期望的粒子而预先已在存储器中任意地设定的。
当要将测量对象粒子分选时(这里，对于要被引导至分支通道16的粒子)作用信号生成部60生成作用信号，反之就不生成作用信号。也可以的是：在要将测量对象粒子分选时作用信号生成部60不生成作用信号，反之就生成作用信号。
图6是示出了作用信号生成部60的功能结构的框图。作用信号生成部60是主要通过使用矩形脉冲的脉冲调制来生成作用电压信号的装置，在本实施例中，该脉冲调制是PDM(Pulse Density Modulation，脉冲密度调制)。具体地，作用信号生成部60包括矩形脉冲振荡器64、计数器65、开关66、驱动器67和AC耦合电容器68。
矩形脉冲振荡器64生成用于引起介电泳力的较佳频率的矩形脉冲。该较佳频率是0.1MHz以上且100MHz以下。该频率可以是固定的或是变化的。作为矩形脉冲振荡器64，例如，使用了PLL(Phase Locked Loop，锁相环路)振荡器或DDS(Direct Digital Synthesizer，直接数字合成器)振荡器，该PLL振荡器使用了晶体振荡器。
计数器65对从矩形脉冲振荡器64输入过来的脉冲数进行计数，然后在当脉冲数达到预定的计数量时的时刻输出该脉冲。换句话说，执行的是脉冲-计数图(pulse-count drawing)输出。结果，对每单位时间的输出脉冲数进行调整。
开关66是用于使上述输出在开启(ON)与关断(OFF)之间切换的门电路。
驱动器67将TTL(Transistor-Transistor Logic，晶体管-晶体管逻辑电路)、CMOS(Complementary Metal-Oxide Semiconductor，互补金属氧化物半导体)等的标准逻辑电平信号转变成在引起介电泳力时所必需的几十伏特(V)的正／负电压脉冲信号。驱动器67是由例如互补型MOSFET(Field Effect Transistor，场效应晶体管)构成的高速高耐压型开关元件。
AC耦合电容器68从作用信号生成部60的输出电压信号中去除了直流分量，从而不将直流电压施加到作用电极部40。
由作用电极部形成的电场
图7是示出了将粒子分选时的状态的图。在图7中，虚线表示利用从作用信号生成部60输出的交流电压而由作用电极部40生成的电场。在由于电力线集中到作用电极41的电极指41b上因而电通量密度变高的同时，从作用电极41到作用电极42的边缘部42a电通量密度是变小的。介电泳力是由电场强度梯度(即，电力线密度(或电通量密度)的变化)支配的，那么粒子受到从具有大的电通量密度的区域指向具有小的电通量密度的区域的力。这点不同于在沿着电力线的方向上生成的电泳力。换句话说，介电泳力未必在沿着电力线的方向上生成。
这里，如图3所示，狭窄通道13位于线K上的位置处，该位置在第二流道12的宽度方向上是偏的。在线K的位于下游侧的延伸部分上，设置了其中由作用电极部40形成的电场进行作用的区域。
如图7所示，通过如上所述的由作用电极部40生成的电场强度梯度，沿y方向的介电泳力被施加给已经流入到设置有作用电极部40的区域中的粒子C。此外，流体的流动力沿x方向也被施加给粒子C。于是，从狭窄通道13沿线K流动的粒子C能够改变其自身的轨迹从而流向分支通道16。
取决于对象粒子大小、结构、流体媒介、流道结构等的参数，本实施例的介电泳力可以取各种各样的值。
根据具有上述这样结构的作用电极部40，由于电极指41b和边缘部42a是沿流体流动的方向连续地设置的，所以对于各个电极指41b而言，同一状态的电通量密度沿该流动方向排列着。因此，作用电极部40能使粒子每次一点地沿y方向逐步产生的微小位移。
分选装置的操作
含有粒子C的流体通过第一入口11a而流入第一流道11中，然后流过第一流道11。另一方面，不含有粒子的流体流过第二流道12。流过第一流道11的粒子C经过狭窄通道13而汇入第二流道12的流中。
在使分选装置100正在操作的同时，向测量电极21和22施加预定交流电压，然后当粒子经过狭窄通道13时，测量数据生成部72如上所述计算出复介电常数，且将其作为测量数据而输出。如上所述，判定部73基于所获取的测量数据而判定是否要将粒子引导至分支通道16。
当判定要将粒子引导至分支通道16时，作用信号生成部60生成预定的作用电压，然后在流过第二流道12的粒子即将到达作用电极部40时向作用电极部40施加该作用电压。结果，如图7所示，通过作用电极部40形成了电场，并且粒子C通过对应于该电场的介电泳力而改变其自身的轨迹，从而如符号C1所示流入到分支通道16。
需要注意的是，由于预先确定了含有粒子的流体的速度以及狭窄通道13与作用电极部40之间的距离，所以控制器70能够检测出粒子即将到达作用电极部40时的时刻。
当判定要将粒子引导至分支通道17时，作用信号生成部60不生成作用电压。因此，没有生成由电场引起的介电泳力，并且粒子沿线K按原样移动，然后如符号C2所示流入分支通道17。
通过如上所述的分选装置100的操作，例如，能够将正常细胞与死细胞彼此区分开，或者将正常细胞与癌细胞彼此区分开。
使用通过PDM方法输出的作用电压而生成介电泳力
图8是示意性地示出了从采用PDM方法的作用信号生成部60输出的脉冲波形与介电泳力之间的关系的图。在该PDM中，脉冲振幅和脉冲宽度均是恒定的，并且输出电压是通过调整每单位时间的脉冲数而被控制的。随着脉冲密度增大，作用电压变大，于是要被施加给粒子的介电泳力也随之变大。
本发明的发明人向作用电极部40施加了处于PDM控制下的作用电压，然后实际测量了粒子(细胞)的位移量。图9A至图9C是示出了在实验中在各设定频率下从作用信号生成部60输出的脉冲波形的图。
在图9A中频率是5MHz，在图9B中频率是2.5MHz，且在图9C中频率是1MHz，即，设定了3种模式的脉冲密度。在这3种模式的频率中，脉冲宽度被设定为恒定的50ns，且正／负总振幅(Vpp)被设定为20V。对于图9A至图9C所示的频率，粒子沿x方向(流体流动的方向)的位移量Δx分别是620μm、520μm和520μm。
图10A至图10C是示出了由示波器实际上获得的作用电压信号的脉冲波形的图，这些脉冲波形分别对应于图9A至图9C。
图11是示出了在实验中所使用的流道和作用电极部的照片(沿z方向观察的)。
流道的z方向高度：17.1μm
流道的y方向宽度：200μm
粒子直径：12μm
流量：1.2μL／min
平均流动速度：5848.0μm／s
此外，参照图4，在实验中所使用的作用电极部40的尺寸a、b和c如下。
作用电极41的电极指41b的宽度a：10μm
从作用电极41的电极指41b的末端部至边缘部42a的距离b：40μm
作用电极42的边缘部42a的宽度c：10μm
图12是示出了在各设定频率下，在x方向和y方向上的合成的粒子位移量(Δy／Δx)的图。x方向是流体流动的方向，同时y方向是介电泳力作用的方向。流体的流动速度为约7mm／s。随着频率变高，即，随着脉冲密度增大，粒子在y方向上的位移量增大。从实验中发现：能通过PDM控制来控制介电泳力，因此，能控制粒子的该位移量。
图13是示出了在各设定频率下，y方向上的粒子速度的峰值的图。如上所述，x方向是流体流动的方向，同时y方向是介电泳力作用的方向。流体的流动速度为约7mm／s。随着频率变高，即，随着脉冲密度增大，粒子在y方向上的位移量增大。从实验中发现：能通过利用PDM方法而输出的电压来控制介电泳力，因此，能够控制y方向上的粒子速度。
图14是示出了关于图12和图13所示的实验在各设定频率下，粒子位移量(Δy／Δx)的平均值和y方向上的粒子速度的峰值的平均值的表格。
在分选装置中，为了保持细胞或生物物质的生存，必须在诸如生理盐水等电解质溶液中对粒子的电气特性进行测量。然而，在上述的由直流电场引起的电泳或低频率的介电泳(小于0.1MHz)中，发生了电化学反应(电解)，并且电极的损坏和气体的生成成为了问题。因此，为了通过电磁力而获得在流体内的细胞或生物物质的电泳效果，频率为0.1MHz以上且振幅为几十伏特的正弦波交流电就成为必要的。然而，为了获得频率为0.1MHz以上且振幅为几十伏特的正弦波交流电，就需要高频电源电路，且该结构就会变得复杂而昂贵。
相比之下，根据本实施例，由于通过使用矩形脉冲的脉冲调制来生成电压信号，所以作用信号生成部60能够由处于数字控制下的廉价电路构成。因此，能使用廉价电路来轻松地执行用于将输出电压输出至作用电极部40的控制。
具体地，本发明具有下面的效果(1)至(3)。
(1)在正弦波驱动的情况下，模拟放大器是必要的，但是在脉冲方法中，只有诸如MOSFET等开关元件的开启／关断操作是必要的。
(2)由于能够通过数字控制电路来灵活地控制脉冲的开启／关断操作，所以对介电泳力的控制也变得灵活。
(3)由于信号调制被完全数字化，所以能够通过由例如FPGA(FieldProgrammable Gate Array，现场可编程门阵列)或CPLD(ComplexProgrammable Logic Device，复杂可编程逻辑器件)生成控制信号来使用简易且小型的电路结构。
此外，本实施例的分选装置在不使用复杂而昂贵的装置(诸如可编程函数发生器和可编程合成器)的前提下就能够生成所期望频率范围内的所期望交流电压。
一般的脉冲调制电路和本发明的脉冲调制电路之间的差别
一般地，脉冲调制电路可以被用于交流电动机的驱动或者用于作为电源的开关式调节器。这些装置通过电压振幅向对象提供能量。关于这点，本发明的分选装置也是向粒子提供被称作介电泳力的能量的装置，且因此与交流电动机或电源一样。
然而，被用于驱动交流电动机的脉冲调制电路的驱动频率是约几kHz至几百kHz。此外，即使在利用相对较小的电力进行操作的装置中，被用于开关式调节器的脉冲调制电路的驱动频率也是约几十kHz。在需要大电力的装置的情况下，该频率会变低。
如上所述，在电动机和开关式调节器中，几百kHz的驱动频率是最大值，而如在本发明中那样，能够生成具有0.1MHz以上且100MHz以下的预定频率范围的矩形脉冲。在通信领域中，当然存在有使用MHz量级的频率或高于MHz量级的频率来执行脉冲调制的情况。然而，通信装置中的该调制是用于通信的调制，而不是通过电压振幅向对象提供能量的调制。
换句话说，本发明的分选装置使用了这样的特殊技术：该技术用于生成具有0.1MHz以上且100MHz以下的预定频率范围的矩形脉冲并且用于引起微小的介电泳力。通过在这样的高频范围内引起微小的介电泳力，就能够在诸如流道10等微流道中使粒子产生微小位移。
第二实施例
图15是示出了本发明的第二实施例的作用信号生成部的功能结构的框图。在下面的说明中，将简化或省略对与第一实施例的分选装置100的构件、功能等相同的构件、功能等的说明，同时将会主要说明不同点。
作用信号生成部160包括用于执行PWM(脉冲宽度调制)的脉冲宽度调制器69，脉冲宽度调制器69用于代替作用信号生成部60的计数器65。脉冲宽度调制器69能够在将脉冲周期控制为恒定的同时，设定所期望的占空比并且输出脉冲。当然，脉冲周期不局限于是固定的周期，也可以是变化的。
需要注意的是，在本实施例的情况下，0％的占空比起到了开关66的关断作用。因此，开关66不是必要的。
图16是示意性地示出了从采用PWM方法的作用信号生成部160输出的脉冲波形与介电泳力之间的关系的图。在该PWM中，介电泳力随着脉冲宽度的增大而增大。
其它实施例
本发明不局限于上述各实施例，并且还能实现各种其它的实施例。
作用电极部40的形状不局限于图3和图4所示的形状，仅仅必要的是信号电极包括第一表面积而公共电极包括与第一表面积不同的第二表面积。较佳的是，确保这两个表面积之间存在足够的差别。于是，生成了电场强度梯度，从而引起介电泳力。
上面各实施例的测量电极部和作用电极部是被设置于与流道10中的流体会发生接触的位置处，但是它们也可以被设置于例如不会与流体发生接触的位置处。例如，作用电极41和42可以被夹在两个树脂膜(未图示)之间，并且流道可以设置于这两个膜之中处于上侧的那个膜的上表面上。
上面各实施例的控制器70是通过使用测量电极部20和测量设备71的电气测量来检测出粒子特性(电气特性)。然而，本发明也适用于如下这样的装置：该装置通过在致使粒子流过流道设备的同时照射激光并且检测从已被照射了该激光的粒子发射的散射光或荧光，来检测粒子特性(粒子的类型和大小)。在这种情况下，分选装置同样只需要基于所检测出的粒子特性而通过使用矩形脉冲的脉冲调制来生成电压信号，然后将该电压信号输出至作用电极部。
需要注意的是，关于如上所述的使用激光的粒子分析装置，本申请人已经提出了日本专利申请特开No.2009-063462、日本专利申请特开No.2010-286341、日本专利申请特开No.2011-095105和许多其它的专利申请。
在上面说明的各实施例的特征部分中，至少两个特征部分能够组合起来。
本发明还可以采取下面的实施方案。
(1)一种分选装置，其包括：
流道设备，它包括流道和作用电极部，含有粒子的流体能够流过所述流道，所述作用电极部致使介电泳力作用于所述流道中的所述粒子；以及
控制器，它被构造用来检测出流过所述流道的所述粒子的特性，基于所检测出的所述粒子的所述特性而通过使用矩形脉冲的脉冲调制来生成电压信号，并且将所述电压信号输出至所述作用电极部。
(2)根据(1)所述的分选装置，其中，
所述流道设备包括测量电极部，所述测量电极部用于测量所述粒子的电气特性，并且
所述控制器基于由所述测量电极部获得的信号来检测出所述粒子的所述特性。
(3)根据(2)所述的分选装置，其中，所述控制器基于由所述测量电极部获得的所述信号来计算出复介电常数，然后基于所述复介电常数来生成所述电压信号。
(4)根据(1)至(3)中的任一者所述的分选装置，其中，所述控制器通过PDM(Pulse Density Modulation，脉冲密度调制)来生成所述电压信号。
(5)根据(1)至(3)中的任一者所述的分选装置，其中，所述控制器通过PWM(Pulse Width Modulation，脉冲宽度调制)来生成所述电压信号。
(6)根据(1)至(5)中的任一者所述的分选装置，其中，所述控制器使用的所述矩形脉冲具有0.1MHz以上且100MHz以下的预定频率范围。
(7)根据(1)至(6)中的任一者所述的分选装置，其中，所述作用电极部包括：
多个电极指，所述电压信号被施加给所述多个电极指，所述多个电极指沿所述流体流动的方向排列着，以及
对向电极，其与所述多个电极指相对。
(8)根据(7)所述的分选装置，其中，所述对向电极围绕所述多个电极指的周围的至少一部分，且使得所述多个电极指的末端与所述对向电极之间的距离为恒定值。
(9)一种分选方法，其使用流道设备来分选粒子，所述流道设备包括流道和作用电极部，含有所述粒子的流体能够流过所述流道，所述作用电极部致使介电泳力作用于所述流道中的所述粒子，所述方法包括：
检测流过所述流道的所述粒子的特性；以及
基于所检测到的所述粒子的所述特性而通过使用矩形脉冲的脉冲调制来生成电压信号，并且将所述电压信号输出至所述作用电极部。
本领域技术人员应当理解，依据设计要求和其他因素，可以在本发明随附的权利要求或其等同物的范围内进行各种修改、组合、次组合以及改变。
相关申请的交叉参考
本申请要求2013年3月13日提交的日本优先权专利申请JP2013-050316的优先权，因此将该日本优先权申请的全部内容以引用的方式并入本文中。
Claims (10)
1.一种分选装置，其包括：
流道设备，它包括流道和作用电极部，所述流道用于让含有粒子的流体流过，所述作用电极部致使介电泳力作用于所述流道中的所述粒子；以及
控制器，它被构造用于检测出流过所述流道的所述粒子的特性，基于所检测出的所述粒子的所述特性而通过使用矩形脉冲的脉冲调制来生成电压信号，并且将所述电压信号输出至所述作用电极部。
2.根据权利要求1所述的分选装置，其中，
所述流道设备包括测量电极部，所述测量电极部用于测量所述粒子的电气特性，并且
所述控制器基于由所述测量电极部获得的信号来检测出所述粒子的所述特性。
3.根据权利要求2所述的分选装置，其中，所述控制器基于由所述测量电极部获得的所述信号来计算出复介电常数，并且基于所述复介电常数来生成所述电压信号。
4.根据权利要求1所述的分选装置，其中，所述控制器通过脉冲密度调制来生成所述电压信号。
5.根据权利要求1所述的分选装置，其中，所述控制器通过脉冲宽度调制来生成所述电压信号。
6.根据权利要求1至5任一项所述的分选装置，其中，所述控制器使用的所述矩形脉冲具有在0.1MHz以上且100MHz以下范围内的预定频率。
7.根据权利要求6所述的分选装置，其中，所述预定频率是固定的或者是变化的。
8.根据权利要求1至5任一项所述的分选装置，其中，所述作用电极部包括：
多个电极指，所述电压信号被施加给所述多个电极指，所述多个电极指沿所述流体流动的方向排列着；以及
对向电极，其与所述多个电极指相对。
9.根据权利要求8所述的分选装置，其中，所述对向电极围绕所述多个电极指各者的周围的至少一部分，且使得所述多个电极指的末端与所述对向电极之间的距离为恒定值。
10.一种分选方法，其使用流道设备来分选粒子，所述流道设备包括流道和作用电极部，所述流道用于让含有所述粒子的流体流过，所述作用电极部致使介电泳力作用于所述流道中的所述粒子，所述方法包括：
检测流过所述流道的所述粒子的特性；以及
基于所检测到的所述粒子的所述特性而通过使用矩形脉冲的脉冲调制来生成电压信号，并且将所述电压信号输出至所述作用电极部。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C02 | Deemed withdrawal of patent application after publication (patent law 2001) | ||
| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |
Application publication date: 20140917 |