CN108603852A - 解析装置及分离装置 - Google Patents

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Abstract

解析装置(200)是解析对电介质粒子作用的介电泳力从斥力向引力切换或从引力向斥力切换的交叉频率的解析装置，所述解析装置(200)具备流路(5)、电源部(24)、拍摄部(25)、解析部(26)以及一对电极(22、23)。流路(5)供在介电泳液中含有电介质粒子的试样液流动。电极(22、23)配置于流路(5)，电源部(24)对第一电极(22、23)施加频率调制后的交流电压。拍摄部(25)对在流路(5)中的电极(22、23)之间流动的电介质粒子的移动轨迹进行拍摄。解析部(26)基于对移动轨迹进行拍摄得到的图像，来求出电介质粒子的交叉频率。

Description

解析装置及分离装置
技术领域
本发明涉及解析对细菌、细胞等电介质粒子作用的介电泳力从斥力切换为引力或从引力切换为斥力的交叉频率的解析装置、以及分离电介质粒子的分离装置。
背景技术
已知有利用介电泳来分离细菌、细胞等电介质粒子的分离方法，已知有为了进行这种电介质粒子的分离，解析对电介质粒子作用的介电泳力从斥力切换为引力或从引力切换为斥力的交叉频率的解析方法。
专利文献1公开一种在进行利用了介电泳的粒子状物质的特性分析时，进行所施加的交流电压频率的最佳化的特性分析方法。该特性分析方法包括如下工序：从流体中的粒子状物质选择至少一个粒子状物质；使所选择出的粒子状物质位于一对电极附近；使用包含频率调制后的交流电压的程序化电压信号在一对电极之间产生空间上不均匀的电场；对施加程序化电压信号的期间的粒子状物质的移动动作进行检测，制作与粒子状物质的移动动作相关的时间序列数据；以及基于时间序列数据来解析粒子状物质的特性。时间序列数据是拍摄粒子状物质的移动动作所得到的动画数据，动画数据包含拍摄时间的数据。解析粒子状物质的特性的工序包括如下步骤：使显示器将拍摄时间的数据连同动画数据一起显示；基于显示器所显示的动画数据，求出所选择的粒子状物质在一对电极中的一方电极的前端附近滞留的时间；以及根据求得的时间，算出对所选择的粒子状物质作用的介电泳力从引力切换为斥力的分界频率。
在先技术文献
专利文献
专利文献1：国际公开第2007/091450号
发明内容
发明要解决的课题
在专利文献1公开的特性分析方法中，使电介质粒子(粒子状物质)位于微细的微电极之间的操作繁杂。另外，专利文献1公开的特性分析方法专门用于交叉频率的计测方面，无法直接将计测后的电介质粒子分离。
本发明的目的在于提供能够简易地解析电介质粒子的交叉频率，在解析后也能够利用该电介质粒子的解析装置及分离装置。
用于解决课题的方案
本发明的解析装置是解析对电介质粒子作用的介电泳力从斥力向引力切换或从引力向斥力切换的交叉频率的解析装置，所述解析装置具备第一流路、第一电源部、拍摄部、解析部以及一对第一电极。第一流路供在介电泳液中含有电介质粒子的试样液流动。一对第一电极配置于第一流路，第一电源部对一对第一电极施加频率调制后的交流电压。拍摄部对在第一流路中的一对第一电极之间流动的电介质粒子的移动轨迹进行拍摄。解析部基于对移动轨迹进行拍摄得到的图像，来求出电介质粒子的交叉频率。
本发明的分离装置是进行电介质粒子的分离的分离装置，所述分离装置具备上述解析装置、控制部以及一对第二电极。一对第二电极配置于解析装置的第一流路中的一对第一电极的后级，第二电源部对一对第二电极施加规定频率的交流电压。控制部基于由解析装置针对电介质粒子求出的交叉频率来控制上述规定频率，以便在由解析装置解析后的该电介质粒子通过第一流路中的一对第二电极时，该电介质粒子发生介电泳。
发明效果
采用本发明，能够简易地解析电介质粒子的交叉频率，在解析后也能够利用该电介质粒子。
附图说明
图1是表示与介电泳力相关的Clausius-Mossotti因子的频率特性的一例的图。
图2是表示实施方式1的分离装置及解析装置的结构的图。
图3是表示解析装置中的交流电压的频率变化的一例的图。
图4是表示解析装置中的频率调制后的电介质粒子的移动轨迹的一例的图。
具体实施方式
以下，参照附图来说明本发明的解析对电介质粒子作用的介电泳力的交叉频率的解析装置的实施方式、以及基于解析出的交叉频率来分离该电介质粒子的分离装置的实施方式。
0.介电泳的概要
在说明本实施方式之前，对介电泳的概要进行说明。对于包含细菌、细胞等电介质粒子的试样液配置电极，向电极供给频率ω的交流电压，在该情况下，介电泳力作用于试样液中的电介质粒子。该介电泳力FDEP由下式表示。
在上式(1)中，r是电介质粒子的半径，εm是试样液的介质(溶液)的介电常数，E是电场的强度。另外，Re[X]表示复数X的实部。K(ω)是Clausius-Mossotti因子，由下式表示。
K(ω)＝(εp*-εm*)/(εp*+2εm*)…(2)
在上式(2)中，εp*(＝εp+pp/(jω))是粒子的复数介电常数(εp是粒子的介电常数(实部)，ρp是粒子的导电率)。另外，εm*(＝εm+ρm/(jω))是周围介质的复数介电常数(εm是周围介质的介电常数(实部)，ρm是周围介质的导电率)。
图1是表示上述的Re[K(ω)]的频率特性的图。图1示出了不同的2个电介质粒子A、B的Re[K(ω)]。如图1所示，Re[K(ω)]具有频率依赖性。在Re[K(ω)]＞0时，根据上式(1)，相对于电极的设置方向为正的介电泳力FDEP(引力)作用于粒子，粒子被牵引至电极附近。另一方面，在Re[K(ω)]＜0时，负的介电泳力FDEP(斥力)作用于粒子，粒子相对于电极排斥。将该介电泳力FDEP从正向负变化或从负向正变化的分界处的频率、即Re[K(ω)]＝0时的频率称为交叉频率(COF)。
如图1所示，Re[K(ω)]的频率特性根据电介质粒子A、B而不同，交叉频率COF也根据电介质粒子A、B而不同。
(实施方式1)
1.结构
在以下的说明中，说明对血液中所含的癌细胞进行分离的装置。
1-1.分离装置
以下，说明实施方式1的分离装置。图2是表示实施方式1的分离装置100的结构的图。图2所示的分离装置100具备：流路(第一流路)5，其供含有血中循环癌细胞(CTC)1的试样液沿规定方向(液流方向)流动；置换部10；解析部20；以及分离部30。需要说明的是，置换部10和解析部20构成解析装置200。
(1)置换部
置换部10将血液(悬浊液)中的红血球等小型细胞2及溶液置换为DEP液(介电泳液)，并且仅提取血液中所含的癌细胞1及白血球等所期望尺寸以上的细胞。置换部10具备主流路(第二流路)11、废液室13以及多个分支流路12，通过改变主流路11和分支流路12的流路宽度、流路高以及流路长，能够仅将所期望尺寸以上的细胞导入流路5。
主流路11配置于流路5的前级，形成与流路5连续的流路。向主流路11导入DEP液和含有癌细胞1的血液。血液从主流路11的液流方向导入，DEP液从与主流路11的液流方向正交的方向导入。主流路11的宽度为与癌细胞1及白血球等细胞的直径大致同等以上即可。需要说明的是，主流路11的宽度可以为约10μm以上且约100μm以下，更优选的是20μm以上且60um以下。
分支流路12在主流路11中的DEP液的导入部分的后级在液流方向上大致等间隔地配置。分支流路12在主流路11上配置于与DEP液的流入部分相反的一侧。分支流路12的宽度小于主流路11的宽度。
根据该结构，血液中的红血球等细胞2及溶液向分支流路12分流，癌细胞1及白血球等所期望尺寸以上的细胞及DEP液在主流路11中流动。由此，在主流路11中，血液中的红血球等细胞2及溶液被置换为DEP液，生成在DEP液中含有癌细胞1及白血球等所期望尺寸以上的细胞的试样液。主流路11将试样液中的癌细胞1及白血球等细胞逐个依次地从主流路11向上述流路5导出。
废液室13是储存向分支流路12分流的红血球等细胞2、溶液等的腔室。
(2)解析部
解析部20解析对在流路5中流动的试样液中的癌细胞1及白血球等细胞作用的介电泳力的交叉频率。解析部20具备电源部(第一电源部)24、拍摄部25、控制部(解析部)26以及一对电极(第一电极)22、23。
电极22、23在流路5中在与流路5的液流方向正交的方向上对置地配置。电极23接地，从电源部24向电极21供给交流电压。
电源部24例如由函数发生器构成。电源部24在控制部26的控制下产生频率调制后的交流电压，并向电极22、23之间供给所产生的交流电压。图3是表示交流电压的频率的变化的一例的图。如图3所示，电源部24生成使频率在从fmin到fmax的频率范围内周期性地变化的交流电压。
根据这样的结构，对通过电极22、23之间的癌细胞1及白血球等细胞作用的介电泳力周期性地变化。
拍摄部25具备相机和光学显微镜模块，该相机具有CCD图像传感器、CMOS图像传感器等拍摄元件。光学显微镜模块既可以是相位差显微镜，也可以是落射显微镜。另外，光学显微镜模块也可以构成为能够通过例如镜头更换等方式在相位差显微镜和落射显微镜之间切换。另外，在进行荧光观察的情况下，适当地使用荧光滤镜。拍摄部25拍摄通过一对电极22、23之间的癌细胞1及白血球等细胞，并向控制部26输出拍摄图像。拍摄部25的拍摄动作可以由控制部26控制。
控制部26例如由个人计算机构成。控制部26具备HDD、SSD等存储部、CPU等控制器，控制器执行存储部中存储的程序，由此实现各种功能。例如，控制部26进行对拍摄部25的拍摄图像的图像解析，求出通过一对电极22、23之间的癌细胞1及白血球等细胞的移动轨迹。需要说明的是，控制部26也可以将拍摄部25的拍摄图像积存于存储部，对积存的拍摄图像进行图像解析。另外，控制部26也可以具备液晶显示器或有机EL显示器，来显示拍摄部25的拍摄图像或显示根据图像解析求出的移动轨迹。
(3)分离部
分离部30在流路5中设于解析部20的后级，基于由解析部20解析出的癌细胞1及白血球等细胞的交叉频率来分离该癌细胞1。分离部30具备电源部(第二电源部)34、收集部6、7以及一对电极(第二电极)32、33。
电极32、33分别具有等间隔地排列的梳齿形状。2个电极32、33的梳齿形状中的多个凸部在流路5的液流方向上交替地隔开规定间隔地排列。电极32、33的各凸部以与液流方向成例如10°以上且60°以下的锐角的角度的方式沿与液流方向斜向交叉的方向延伸。
电源部34例如由函数发生器构成。电源部34在解析部20的控制部26的控制下，在癌细胞1通过电极32、33时，产生如下交流电压并向电极32、33之间供给所产生的交流电压，所述交流电压具有比由解析部20针对该癌细胞1求出的交叉频率大且位于由解析部20针对该癌细胞1以外的白血球等细胞求出的交叉频率附近的频率。
由此，正的介电泳力(引力)作用于癌细胞1，癌细胞1一边被电极32、33牵引一边沿着电极32、33的延伸方向在流路5中流动，并被收集到收集部6。另一方面，不对白血球等细胞作用介电泳力，或者，即使有正或负的介电泳力(引力或斥力)进行作用，该介电泳力也比较小。因此，白血球等细胞借助流路5中的液流进行流动，并被收集到收集部7。
需要说明的是，收集部6是用于对经由流路5流过来的癌细胞1进行分离、收集的构件，收集部7是用于收集不需要的白血球等的构件。
2.动作
以下，说明分离装置100的动作。如图2所示，分离装置100在置换部10中将血液中的红血球等细胞2及溶液置换为DEP液，并且仅提取血液中所含的癌细胞1及白血球等所期望尺寸以上的细胞。解析部20解析对提取出的癌细胞1及白血球等细胞作用的介电泳力的交叉频率。分离部30基于由解析部20解析出的癌细胞1及白血球等细胞的交叉频率来分离该癌细胞1。以下，详细说明分离装置100的动作。
首先，从主流路11的液流方向向置换部10的主流路11导入含有癌细胞1及白血球等细胞的血液，同时从与主流路11的液流方向正交的方向向置换部10的主流路11导入DEP液。血液中的红血球等细胞2及溶液向分支流路12分流，癌细胞1及白血球等所期望尺寸以上的细胞及DEP液在主流路11中流动。像这样，置换部10进行溶液置换(缓冲剂置换)，生成在DEP液中含有癌细胞1及白血球等所期望尺寸以上的细胞的试样液，并将试样液从主流路11向流路5导出。此时，置换部10将癌细胞1及白血球等细胞逐个依次地从主流路11向流路5导出。
如图3所示，解析部20的电源部24在控制部26的控制下生成使频率在从fmin到fmax的频率范围内周期性地变化的交流电压，并向电极22、23之间供给生成的交流电压。由此，对流路5中的电极22、23之间施加周期性地进行了频率调制后的交流电压。由此，在流路5中流动的癌细胞1及白血球等细胞通过电极22、23之间时，癌细胞1及白血球等细胞受到介电泳力的作用。
此时，拍摄部25对通过电极22、23之间的癌细胞1及白血球等细胞进行拍摄。控制部26进行对拍摄部25的拍摄图像的图像解析，求出通过电极22、23之间的癌细胞1及白血球等细胞的移动轨迹。控制部26基于求出的移动轨迹，来解析介电泳力从斥力向引力切换的时机，并根据该时机下对电源部24进行控制的控制信息，来求出该时机下的电源部24的交流电压的频率，将求出的频率作为交叉频率(COF)求得。关于该解析处理的详细内容，将在后面进行叙述。
之后，由解析部20解析后的癌细胞1及白血球等细胞向分离部30流动。控制部26控制电源部34，以便在解析后的癌细胞1及白血球等细胞通过分离部30的电极32、33时，产生具有比通过与该癌细胞1对应的解析求出的交叉频率大且位于通过与该癌细胞1以外的白血球等细胞对应的解析求出的交叉频率附近的频率的交流电压。关于解析后的癌细胞1及白血球等细胞通过分离部30的电极32、33的时机，例如能够根据电极22、23与电极32、33之间的距离和在流路5中流动的试样液的流量来大概算出。电源部34生成具有基于控制部26的控制得到的频率的交流电压，并向电极32供给生成的交流电压。由此，在流路5中，对电极32、33之间施加具有该频率的交流电压。此时，正的介电泳力(引力)作用于癌细胞1，癌细胞1一边被电极32、33牵引一边沿着电极32、33的延伸方向在流路5中流动，并被收集到收集部6。另一方面，不对不需要的白血球等细胞作用介电泳力，或者，即使有正或负的介电泳力(引力或斥力)进行作用，该介电泳力也比较小。因此，白血球等细胞借助流路5中的液流进行流动，并被收集到收集部7。
2-1.交叉频率解析处理
以下，对解析部20中的交叉频率的解析处理进行说明。图4是表示一对电极22、23之间的癌细胞1的移动轨迹的一例的图。以下，对癌细胞1的交叉频率解析处理进行说明，但癌细胞1以外的白血球等细胞的交叉频率解析处理也与以下内容同样。在图4中，轨迹P1、P2、P3、P4是图3中的时刻t1、t2、t3、t4下的癌细胞1的位置。如图3及图4所示，在施加于电极22、23之间的交流电压的频率比交叉频率COF低时，负的介电泳力(斥力)作用于癌细胞1，癌细胞1相对于电极22、23排斥，一边远离电极22、23一边在流路5中流动(例如，区间T1、T3)。另一方面，在施加于电极22、23之间的交流电压的频率比交叉频率COF高时，正的介电泳力(引力)作用于癌细胞1，癌细胞1一边被电极22、23牵引一边在流路5中流动(例如，区间T2)。
控制部26基于例如如图4所示那样变化的移动轨迹，来求出介电泳力从斥力向引力切换的癌细胞1的位置P2、P4，并根据该位置P2、P4来求出介电泳力从斥力向引力切换的时机t2、t4。控制部26根据时机t2、t4下对电源部24进行控制的控制信息，来求出时机t2、t4下的电源部24的交流电压的频率作为交叉频率。通过以上那样，能够求出癌细胞1的交叉频率(COF)。
3.总结
如以上那样，置换部10和解析部20构成解析装置200。本实施方式的解析装置200是解析对血中循环癌细胞(电介质粒子)1及白血球等细胞作用的介电泳力从斥力向引力切换或从引力向斥力切换的交叉频率的解析装置，所述解析装置具备流路(第一流路)5、电源部(第一电源部)24、拍摄部25、控制部(解析部)26以及一对电极(第一电极)22、23。流路5供在介电泳液中含有癌细胞1及白血球等细胞的试样液流动。一对电极22、23配置于流路5，电源部24将频率调制后的交流电压施加于一对电极22、23。拍摄部25对在流路5中的一对电极22、23之间流动的癌细胞1及白血球等细胞的移动轨迹进行拍摄。控制部26基于对移动轨迹进行拍摄所得到的图像，来求出癌细胞1及白血球等细胞的交叉频率。
另外，本实施方式的分离装置100是进行癌细胞1与其他的白血球等细胞之间的分离的分离装置，所述分离装置具备上述解析装置200、电源部(第二电源部)34、控制部26以及一对电极(第二电极)32、33。一对电极32、33配置于解析装置200的流路5中的一对电极22、23的后级，电源部34对一对电极32、33施加规定频率的交流电压。控制部26基于由解析装置200针对该电介质粒子求出的交叉频率来控制上述规定频率，以便在由解析装置200解析后的癌细胞1及白血球等细胞通过流路5中的一对电极32、33时，该癌细胞1发生介电泳。
根据本实施方式，在含有癌细胞1及白血球等细胞的试样液被导入的流路5中，进行对癌细胞1及白血球等细胞的交叉频率的解析，因此，无需如以往那样进行将电介质粒子配置于微细的微电极之间的操作，能够简易地解析癌细胞1及白血球等细胞的交叉频率，在该解析及分离后也能够利用解析及分离所使用过的癌细胞1(非破坏解析)。
另外，本实施方式的解析装置200还具备置换部10，该置换部10具有：流路(第二流路)11，其配置于流路5的前级，DEP液(介电泳液)和含有癌细胞1及白血球等细胞的悬浊液被导入该流路(第二流路)11；以及分支流路12，其从流路11分支，该置换部10通过使悬浊液中的溶液向分支流路12分流，从而将悬浊液中的溶液置换为DEP液来生成试样液。置换部10将试样液中的癌细胞1及白血球等所期望尺寸以上的细胞逐个依次地从流路11向流路5导出。
由此，通过将DEP液和含有癌细胞1及白血球等细胞的悬浊液导入形成有分支流路12的流路11，从而将悬浊液中的溶液置换为DEP液，生成在DEP液中含有癌细胞1及白血球等细胞的试样液，因此能够通过利用DEP液单独进行导电率调整来进行试样液的导电率调整。
因此，与例如通过将悬浊液与DEP液混合并进行试样液的浓度调整来进行试样液的导电率调整的以往的溶液置换(缓冲剂置换)相比，能够缩短试样液的导电率调整的时间，能够降低由溶液置换所引起的癌细胞1及白血球等细胞的交叉频率的随时间的变动。
另外，与上述以往的溶液置换相比，能够容易且高精度地进行试样液的导电率调整，能够降低与试样液的导电率不均相伴的交叉频率的解析不均。
(其他实施方式)
在上述实施方式中，作为本系统的检查对象，例示了细菌、细胞。本系统的检查对象不限于细菌、细胞，只要是电介质粒子即可，例如也可以是微生物、真菌、芽胞、病毒。
另外，在上述实施方式中，对利用介电泳力从斥力向引力切换的时机(例如，图3中的t2、t4)来解析交叉频率的控制部26进行了说明，但控制部26也可以利用介电泳力从引力向斥力切换的时机(例如，图3中的t1、t3)解析交叉频率。
另外，在上述实施方式中，对如下这样的分离部30进行了说明，该分离部30对电极32、33施加具有比由解析部20解析出的交叉频率高的频率的交流电压，使正的介电泳力(引力)作用于通过电极32、33的癌细胞1，从而分离癌细胞1，但分离部30不限定于此。也可以是，分离部30对电极32、33施加具有比由解析部20解析出的交叉频率低的频率的交流电压，使负的介电泳力(斥力)作用于通过电极32、33的癌细胞1，从而分离癌细胞1。在该情况下，在图2中，癌细胞1相对于电极32、33排斥并远离电极32、33，同时沿着电极32、33的延伸方向在流路5中流动并被收集到收集部6。
另外，也可以是，分离部30对电极32、33施加具有与由解析部20解析出的交叉频率相同的频率的交流电压，不使介电泳力作用于通过电极32、33的癌细胞1。在该情况下，在图2中，癌细胞1不会发生介电泳而在流路5中流动，并到达收集部6与收集部7之间。在该情况下，在收集部6与收集部7之间设置收集部即可。
另外，在上述实施方式中，对如下这样的分离部30进行了说明，该分离部30对电极32、33施加具有比由解析部20针对癌细胞1解析出的交叉频率大且位于由解析部20针对癌细胞1以外的白血球等细胞解析出的交叉频率附近的频率的交流电压，使正的介电泳力(引力)作用于通过电极32、33的癌细胞1，从而将癌细胞1分离。与此相对，也可以是，分离部30对电极32、33施加具有比由解析部20针对癌细胞1以外的白血球等细胞解析出的交叉频率小且位于由解析部20针对癌细胞1解析出的交叉频率附近的频率的交流电压，使负的介电泳力(斥力)作用于通过电极32、33的癌细胞1以外的白血球等细胞，从而将癌细胞1和癌细胞1以外的细胞分离。此时，负的介电泳力(斥力)作用于癌细胞1以外的白血球等细胞，白血球等细胞相对于电极32、33排斥并远离电极32、33，同时沿着电极32、33的延伸方向在流路5中流动并被收集到收集部6。另一方面，不对癌细胞1作用介电泳力，或者，即使有正或负的介电泳力(引力或斥力)进行作用，该介电泳力也比较小。因此，癌细胞1借助流路5中的液流进行流动，并被收集到收集部7。

Claims (3)

1.一种解析装置，其是解析对电介质粒子作用的介电泳力从斥力向引力切换或从引力向斥力切换的交叉频率的解析装置，其中，
所述解析装置具备：
第一流路，其供在介电泳液中含有所述电介质粒子的试样液流动；
一对第一电极，它们配置于所述第一流路；
第一电源部，其对所述一对第一电极施加频率调制后的交流电压；
拍摄部，其对在所述第一流路中的所述一对第一电极之间流动的所述电介质粒子的移动轨迹进行拍摄；以及
解析部，其基于对所述移动轨迹进行拍摄得到的图像，来求出所述电介质粒子的交叉频率。
2.根据权利要求1所述的解析装置，其中，
所述解析装置还具备置换部，该置换部具有：第二流路，其配置于所述第一流路的前级，所述介电泳液和含有所述电介质粒子的悬浊液被导入该第二流路；以及分支流路，其从所述第二流路分支，所述置换部使所述悬浊液中的溶液向所述分支流路分流，由此将所述悬浊液中的溶液置换为所述介电泳液而生成所述试样液，
所述置换部将所述试样液中的所述电介质粒子逐个依次地从所述第二流路向所述第一流路导出。
3.一种分离装置，其是进行电介质粒子的分离的分离装置，其中，
所述分离装置具备：
权利要求1或2所述的解析装置；
一对第二电极，它们配置于所述解析装置的所述第一流路中的所述一对第一电极的后级；
第二电源部，其对所述一对第二电极施加规定频率的交流电压；以及
控制部，其基于由所述解析装置针对电介质粒子求出的交叉频率来控制所述规定频率，以便在由所述解析装置解析后的该电介质粒子通过所述第一流路中的一对第二电极时，该电介质粒子发生介电泳。
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