JP2003504629A - 誘電泳動装置および方法 - Google Patents
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Abstract
Description
釈または輸送または分離または検出または特徴付け用の配置に関する。
」、RRE CombsおよびD W Robinson編,Gordon &
Breach出版,アムステルダム、Ronald Pethigの11章、
ことに88ないし93頁に記載される。誘電泳動は、不均一電場における粒子の
移動である。電気泳動と違い、粒子それ自身の電荷はその作用を起こすために必
要でなく、DC場よりむしろAC場が利用される。
、通常、それらの構造を規定するその界面で電気的分極を形成する結果として各
粒子中に誘導される。もしその場が不均一であれば、該粒子は、該粒子とそれら
の周囲の媒体の電気的特性に依存した大きさと極性の、誘電泳動力として知られ
る、並進力を受ける。この力は、適用した電場の大きさと周波数の関数でもある
。
chnology Group中に記載され、ここでは粒子−含有液が、異なる
周波数でシグナルが印加される電極の櫛状アレイを越えて流動され;異なる特性
の粒子は、該粒子が特徴付けできるように、該アレイの異なるDEP領域に優先
的に向かって、またはそれから離れて移動する。流動流体が使用される。
される。該技術の一つの使用がWO97/27933、テキサス大学、に記載さ
れ、ここでは粒子−含有液が、進行波DEP、空中浮揚、およびフィールドフロ
ー分画の組合わせによって懸濁した粒子の分離および特徴付けができるように、
異なる相でシグナルが印加される櫛状電極のアレイを越えて平らなセルを通して
流動させる。流動流体が使用される。
いて、図1中に示された型の城郭風の電極を用いることも知られ、ここでの各電
極10は反対側に交互に配列された半円状突出部14を有する直線状バックボー
ン12を含む。あるいは、該突出部は本質的に四角形とすることができる。該電
極アレイにおいて、電極に隣接した該突出部14は、図示したように並べまたは
オフセットにできる。該電極は通常のDEP用に、すなわち非進行場用に使用さ
れる。
微生物、DNA、タンパク質、バイオポリマー、非−生物学的粒子、または液体
中に懸濁させることができ、誘電泳動力が誘導され得る他の粒子を含むように用
いられる。それは液体中に溶解したまたは懸濁した化合物または気体にも適用さ
れる。
も一つの電気的シグナルを印加するための手段とを含み、各電極はその長手方向
に沿って概念的中心軸を有し、該電極は該概念的中心軸からの1つ以上の偏位を
有し、かつ該アレイ中の該電極は、レジスタ中に存在する。
」は「1.曲がりの作用−曲がり状態;曲がりまたはカーブ.2.屈曲の作用、
または直線または通常コースから屈曲されている状況」と定義される。
ある。別な例において、該電極はレジスタにおいてそれらの点を持ったジグザグ
形である。
る。別な例において、該電極の形状は、該アレイに沿って漸次変化する。
子の懸濁物を配置することを含み、粒子が最大の曲率に一致する該電極の領域に
包含され、またはそこから排除されることによって該アレイは規定されかつ該ア
レイに少なくとも1つの電気的シグナルを印加する。あるいは、粒子は最小の電
極曲率に一致する該電極の領域に含まれ、またはそこから排除され得る。
農産品副産物中の顆粒とダストのような分離成分用の電気力学的方法を記載する
。この成分の分離は、電気進行波を生成する平行電極のセット上でそれらを電気
的に荷電することにより達成される。この進行波は、60Hz、3相、高電圧発
生器を用いておよび10,000ボルトまでのおよびそれ以上の電圧を印加され
る該電極にエネルギー付与することによって生成される。米国特許第45348
56号において該成分粒子に作用する力は自然な静電気であり、本発明で記載し
た約1kHzから100MHz間での範囲の高周波シグナル、および1−20ボ
ルトの範囲内の限られた電圧のみが利用される誘電泳動力と言うよりはむしろ、
荷電した物体上の電場の作用に含まれる。
するための装置を記載する。図3は、いわゆる組み合わせた、城郭型の電極配置
を示す。これは、蛇行幾何学的配置ではない。該城郭は、正の誘電泳動力によっ
て該電極城郭端で粒子を急速に捕捉できる高度に不均一な場パターンを作るよう
に設計される。該城郭の効果は、本発明の装置および方法によって達成できる交
通整理または粒子篩効果を得ることはできない。
囲にわたり誘電泳動力に応答するかを特徴付けるための方法を記載する。該粒子
は、WO98/04355A1の図3中に示したように、電極要素のアレイを含
むチャンバー中に懸濁される。各電極は、広範囲の異なる誘電泳動力を生成する
ために、異なる電気的周波数でエネルギー付与される。この範囲にわたる誘電泳
動応答は、それぞれの電極要素に向かって引き寄せられまたはそれから反発され
るかのいずれかである。WO98/04355A1は、本発明の装置と方法を用
いて達成される進行電場または交通整理効果を用いてはいない。
方法を記載し−進行電場は利用していない。米国特許第5795457A中の中
の図1B(1)(a)では、いわゆる組み合わせた、城郭形デザインと称される
、使用できる電極配置の一つが示される。これはWO97/34689A1の図
3に示されたのと同じ電極幾何図形的配置であり、前記した通り、これは蛇行形
幾何図形的配置ではない。該城郭は、正の誘電泳動力によって電極城郭端で粒子
を急速に捕捉できる高度に不均一な場パターンをもたらすように設計される。該
城郭の効果は、本発明の方法および装置によって達成できる交通整理または粒子
篩効果を生じることはできない。
よってシグナル発生器26に接続された蛇行電極のアレイ22を有する。該基体
20は、保護カバー28(好適には第2のガラス基体)によって被覆でき、該基
体は、図示していないが薄いセルを形成するようにスペーサにより分離されてい
る。好適なスペーサはプラスチック細片である。変形例において(図示せず)、
電極アレイ22は、保護カバー28上に形成し得る。
ン36に結合した光学顕微鏡/ビデオレコーダ32により上方から監視される。
がその場所に置かれる。シグナル発生器26は、該アレイ22中の電極に異なる
相のシグナルを印加するよう配置される。例えば、該シグナル発生器26は、相
対相0°、90°、180°および270°のシグナルを連続的に電極に接続し
、さらに全てのアレイ22と交わるように該サイクルを反復する4相正弦曲線シ
グナル発生器とし得る。周知の通り、そのようなアレイは進行波DEP状態をも
たらす。あるいは、定常DEP力は相対立(0°、180°、0°、180°、
など)において連続して正弦曲線シグナルを隣接電極に印加することにより粒子
に影響を及ぼすことができる。
る。透過において、粒子は明瞭なエリアとして見られるであろうし、さらにその
移動は該スクリーン上で明確に見ることができる。
て、矢印は進行波場の影響下で該粒子の進行の一般的な方向を示し、さらに該場
の中の進行のエリアもまた示す。
サイクルが示され、各々の正弦曲線の最大および最小はレジスタ中に、すなわち
配列中にある。該矢印は、該粒子が進行する領域を示している、これらの周期的
な最大および最小と一致する。3つの矢印は、これら3つの中間の、反対方向を
向いている2つの矢印と共に一方向を指し:該矢印は進行のチャネルを示すと見
なすことができ、さらに反対方向への同時進行が異なる粒子の型によりできるこ
とを示す。該配列は交通整理システムと見なすことができる−反対方向の粒子進
行は衝突ではない。
おいて、全般的な進行波力は該電極に垂直に生じる時間平均並進進行力である。
その力は、電極形状に基づいて該粒子を一定の領域内に「濃縮」し、かつ他の領
域からそれらを消散する。別の手法では、該粒子は幾つかの領域に包含されかつ
該進行場の他の領域から排除される。
うに選択できる。
までの粒子進行の全ては、該矢印の方向において分離したバンドで進行すると見
なすことができる。
までの粒子進行の全ては、該進行場の外側領域から排除される。これは、該場の
端で、物理的な壁がある時、それによって突出または該粒子に対する他のダメー
ジを避け、かつ隣接した壁への粒子粘着のような該プロセスにおける損失を防ぐ
ために有効となり得る。付加的な効果は、結果的に「目詰まり」が減じられるこ
と、すなわち壁表面で凝集と一緒に粘着する複数の粒子の傾向を最小化し得るこ
とである。
する。このアレイにおいて、粒子は曲がった部分(主として最大曲率で)と一致
して進行する。右から左への粒子進行は、該アレイの中心の曲がった部分に相当
するエリアから排除される。該配置は一方向チャネルまたはバルブと見なすこと
ができる。
配置されるようにその近くから僅かにずれたことを除いて図3Bと類似である。
矢印で示された該4つのチャネルは、該配置が前もって可能であるよりも小さい
半径の粒子周囲のコーナーをガイドするために使用できるよう曲げられる。
似である。
る、図3Aの正弦曲線に類似した直線である;または該電極は、平坦化した点を
持つ図3Fのジグザグと見なすことができる。該チャネル中の矢印は、該チャネ
ルの中央で直線部分中の粒子が進行の方向に関係なく、その領域中に残留するで
あろうために、図3Aと3F中の矢印と対照的に、進行の可能性のある両方の方
向を現に指している。電極の「並進」領域中の、すなわちチャネル間の粒子は、
図3Aと3F中に示した通り移動するであろう。図3Aと3Fの配置はそれ故に
好適である。
の異なる曲率、反対方向の曲がり、または曲がった部分および幾つかのケースに
おける直線部分のいずれかを有することである。別の例において、電極アレイは
一連のC−形状電極、すなわち単一湾曲を含むことができる。蛇行電極の他の形
状もまた可能性がある。
行粒子をガイドすること、それらを帯状に形成すること、装置壁のような、液流
を機械的に束縛するものから粒子が離れるようにガイドすること、およびより容
易に丸いコーナーにそれらをガイドすることが、それ故に現に可能である。粒子
は、DEP場の特有なエリア中に包含でき、またはそこから排除できる。これは
、粒子を進行場中に正確に配置することを許容し、それの検出を容易にする。加
えて、該技術は、例えば抗体−被覆した物体または表面に向けて粒子をガイドす
るために使用できる。
アレイ22中の64個の電源曲線電極をフォトリソグラフィーによりスライドガ
ラス20上に形成し、さらに金の層で被覆したクロムの層を含む。各々の電極は
、ほぼ10マイクロメートルの幅であり、電極間の間隔は中央チャネル領域で約
30マイクロメートルである。水中に懸濁した生存酵母細胞の培養物を用い、該
細胞濃度をミリリットル当たり一千二十万細胞とし、懸濁液の伝導性はメートル
当たり10.5mSとしている。該実験の前に、該電極は、それらの清浄化の一
助として一時間にわたり超純水中に浸漬した。該実験において、該粒子の空中浮
揚にのみ150キロヘルツで定常DEPシグナルを印加することにより、負のD
EP力の結果として、並進成分なしで生じることが見出された。
の定常DEPシグナルを、該アレイ22中の全ての電極に印加した。該酵母細胞
懸濁液は、次いで該電極と頂上に配したカバー細片28にわたり供給した。その
150キロヘルツシグナルは、電極上で空中浮揚すると共にに該酵母細胞の粘着
を最小化する該粒子を生じた。数秒後、50キロヘルツ、3ボルトピーク間進行
波DEP場を印加した;該酵母細胞は、該進行波に沿って移動を直ちに開始し、
さらに図4Aから見ることができるようなバンドの形成を始めた。
細胞がバンドを形成するように、それらが一方のチャネルから排除されかつ他に
包含されるような該細胞の局部的な移動を示す。該写真の左側で、5つのチャネ
ルはチャネル番号を各々与えた。
を見ることができ、チャネル2および4中により密集してバンドとなっており、
かつチャネル1,3および5から大部分が排除されている。
行しており、該バンドはチャネル2と4の外に、かつチャネル3と5の中に移動
しているのを見ることができる。図4Dは3または4秒後に撮られたもので、バ
ンドへの移動がより一層顕著である。
動がチャネル3と5中の明確なエリアを離れるように開始されていることを示す
。
ャネルに沿って均一であることを示す。
ような高い細胞濃度で、該細胞の幾らかの粘着は普通に起こり;これはガラス上
の特別なコーティングの使用によって、または界面活性剤またはタンパク質(例
えばカゼイン、変性アルブミン)のような生化学的添加剤のような化学薬剤を用
いること、および基体としてポリマー材料を用いること、またはガラス基体上に
ポリマー材料のフィルムを配置することによって減じることができる。
と、およびそれらのバンドで移動するであろうことを示す。高い粒子濃度で、バ
ンドの進行は、特に有効であることが見出されている。蛇行電極幾何図形的配列
の使用は、かくして誘電泳動技術を用いて以前に可能であったよりもより容易に
、非常に高い粒子濃度の取扱いを許す。
粒子の型の分離を許容することを妨げない反対方向に進行させるように選択でき
る。該技術は低い粒子濃度で行われるが、しかし集合した粒子濃度が、立方セン
チメートル当たり百万または一千万粒子、またはより高いように非常に高い時、
特に有効となることもまた見出されている。有用な潜在的な商業的適用は、唾液
または便から細菌を取り出すこと;血液から幹細胞、胎児細胞またはガン細胞を
取り出すこと;または脊髄液から髄膜炎ウイルスを取り出すこととし得る。これ
らケースの少なくとも幾つかにおいて、除去されるべき粒子の数は、おそらく存
在粒子の数に比較して非常に少なく、高い粒子濃度で働くその能力は、実践的な
時間スケールで有効となり得る分離を可能にする。
胞で達成されている。用いた電極は、中央チャネル領域で17μmの電極間隔を
持った8μm幅のものであった。実験は、ミリリットル当たり約5x108細胞
の濃度の(すなわち、立方センチメートル当たり5億個細胞)、全血の10倍の
希釈による非常に高い細胞濃度で達成した。多相シグナルを該電極に接続し、該
血液細胞をTWD力で移動させた。全血の20倍希釈液(すなわち、ミリリット
ル当たり約2.5x108細胞の濃度)が、粒子の正確な移動というよりはむし
ろ分離が望まれる場合、特に分離するべき細胞間に大きな濃度の相違がある場合
に好適であることが見出されている。細胞濃度間の相違はかなりの、白血球細胞
について約700の赤血球細胞となっていた。
示されるシグナルスーパーポジションの技術およびそれに基づいた、およびこの
出願と同時に提出した国際出願に含まれる。
管中に採取し、そして15mS/mの伝導率の最終懸濁液を与えるように、1時
間以内にショ糖、ブドウ糖、ヘパリンおよび塩化カルシウムを含むリン酸緩衝化
食塩水で40倍に希釈した。該蛇行電極は、それらが試験チャンバー中に導入さ
れる時、電極平面上に血液細胞が空中浮揚するように20kHz、0.6Vrm
s定常DEPシグナルでエネルギー付与した。このDEPシグナルは、次いで除
去され、さらに2つのTWDシグナル、一方は50kHz、0.32Vrms前
進進行波を、かつ他方は400kHz、0.64Vrms逆進進行波を含んでい
る、を印加した。血液細胞の大部分は、主に50kHzシグナルの作用の下で、
図4fで示したケースに類似してチャネル3と5に沿って急速に移動した。該血
液細胞の、全数の5%以下のオーダーの少数は、電極上に捕捉されること、また
は図4a中に示したケースに類似してチャネル2と4に沿ってゆっくりと移動す
ることが見出された。x40対物レンズを用いた顕微鏡精査は、白血球細胞につ
き約20−25赤血球細胞がチャネル2と4中の捕捉され、または移動していた
。20kHz定常DEPシグナルの再印加において、捕捉された赤血球細胞はチ
ャネル3と5内に導かれ、白血球細胞は放出されるとともにチャネル2と4に沿
って移動した。これらの細胞は、主に好中球であると思われ、かつ毎秒15ミク
ロンオーダーの速度でチャネル2と4に沿って移動した。400kHzから15
0kHzまで低下させた逆進TWDシグナルの周波数の減少によって、より小さ
い白血球細胞が電極から放出され、チャネル2と4に沿って進行した。この希釈
血液のための細胞分離システムは、異なるレベルの血液希釈と懸濁媒体組成で繰
り返されており、それは、各々のケースにおいて重畳したDEPとTWDシグナ
ル用の上記引用した特有の周波数と電圧値が前記した結果を達成するために適合
されたことを予期できる。
いて使用できることである。これは、分離した副−集団(標的)細胞を採集後、
主要TWDシグナルがチャネル3と5に沿って細胞の主な塊と一緒に押し流され
得る何れかの標的細胞を篩い分けするために逆転される操作のサイクルを通して
達成される。チャネル2と4に沿って逆進方向へのこれらの細胞塊の押出しによ
って、最初の分離プロセスで漏洩しているであろう標的細胞は、分離されかつチ
ャネル3と5に沿って進行する機会を得る。このプロセスは、標的細胞回収のた
めの望ましい効率および分離の純度を達成するために要求される回数繰り返すこ
とができる。
pln.Phys.29、2198−2203頁(1996)において、Tal
aryらは、TWD電極を用いて生育可能なおよび生育不可能な酵母細胞の分離
を記載する。該酵母細胞は、血液細胞と同じオーダーのサイズであり、かつml
当たり約1x104細胞の濃度が、幅10μmおよび10μmの電極間隔の通常
の電極を用いるTWD力にかけられた。該公知文献中に含まれた図面から、ml
当たり約1x104細胞オーダーの濃度が通常の電極配列を持つTWDを用いる
細胞の有効な操作と分離のための上限に近いと見られることが理解できる。これ
は、ml当たり25,000倍以上の増加を表している、図3a中の配列の蛇行
電極を用いてのml当たり2.5x108細胞の細胞濃度と比較できる。さらに
、Talaryによる公知文献において、異なる細胞型の同様の比率(すなわち
生育可能および生育不可能な酵母)が、白血球細胞に対する赤血球細胞の比率が
700:1のオーダーであった(かなりより複雑な分離)、蛇行TWD電極を用
いる全血細胞の操作におけると同じく操作された。このように本発明によって、
かなり大きい粒子濃度およびより大きい粒子型相違が取扱いでき、かつ該粒子が
分離できる。
比較してコントロールの増加したレベルをもって取扱い、および粒子の操作、特
徴付けおよび分離し得る。本発明は、たとえ適用においてその有利性が高い濃度
を取り扱う時に最も顕著となり得るとしても、効果について粒子濃度の全ての範
囲に適用し得る。
Pの以前の欠点を克服する−その「集中効果」は、そのような漂流を最小化する
本発明により達成される。DEP場下の移動は、比較的十分な漂流を生じ得る、
流体力学的な液流とは現に区別することができる。流体力学的な液流は、電気場
によって生じた加熱効果により誘導できる。
。条件は、該粒子が反対方向の進行により同じ進行場に対応するように選択され
る;これは、例えば印加した電圧シグナルの特性、または懸濁液の誘電率または
電気的誘電率の変更、または懸濁液の温度の変更または化合物の一様な添加によ
り達成できる。
線の2つのサイクルの形状であるが、しかし該図の下部で、該電極は大部分が直
線によって分離された2つのサイクルの形状であり、該電極形状は一方から他方
まで漸次変更されている。
たは全体の電極アレイ上に直接配置できる。高い濃度の粒子は、中央チャネルに
おいて該図の頂部に向かって移動するように配置され、一方低濃度の粒子は2つ
の外側チャネルに沿って下流に移動されると共にに、該アレイの中央エリアから
離れて分岐される。
それらを上方に搬送する。これは、低い濃度の粒子について進行波DEPの効果
と反対であり、さらに結果的にそれらはそれ自身フリーとなり要求の通り2つの
外側チャネル内に移動する−該中央チャネルの基本的な長さ、例えば0.5ない
し5cmは、この可能性を最大にする。捕捉からのこの離脱をさらに促進するた
め、該進行波場は、一時的に停止してよく、該粒子がそれらバンドに分散するの
が少なくなり、従って低い濃度の粒子の離脱が促進される。同じく「転移」効果
は、場の方向を一時的に逆転することにより達成できる。この「転移」効果は、
血液細胞のように、一緒に凝固する傾向にある粒子で実行する時にことに有効で
ある。
サンプル中の細菌を分離すること、または血液からガン細胞を分離することにお
いて適用し得る。この転移効果を用いる細胞分離は、図3Aまたは3Bのそれの
ような他の蛇行電極幾何図形的配列を用いてもまた達成できる。
釈すること、および第2の型の粒子を捨てることの要求がある時、図6の配列が
使用できる。該電極は、太線、真っ直ぐまたは曲がった、として示されるが、各
々の電極は実際には図3A中に示したそれのように蛇行電極である。
し、さらに該軸が平行かつ該図を交差している、中央エリアA−拡大視で示した
ように−および蛇行電極の軸が「U」字形である外側エリアB。外側エリアBは
、従って電極軸が真っ直ぐである2つの側腕B1,B2と、電極軸が曲がった中
央接続部分B3を有する。
その分離は3つの工程で行われる:
かつ第2希望型の粒子が上方に進行して外側電極エリアBを越えて移動するよう
にシグナルが中央エリアA中の電極に印加される。適当な電極形状の選択によっ
て、該粒子は異なるチャネルに沿って反対方向に進行する。
Aに向けて進行し、他の型の粒子が他方に進行しエリアBの端から離れるように
外側エリアBに印加され、そして停止される。
対するシグナルが停止され、エリアAに再接続される。
い絶縁層により分離された、それらの端で積層される;粒子が捕捉物となり得る
エリアはなくなる。粒子操作の多用途性を増加するために、電極エリアAとBの
異なるエリアが別個に制御され得る。
の選択は、それらが更なるDEP解析によって、または光学、超音波、電気的、
磁気的、PLR、FISH等のようないずれかの他の技術によって解析または特
徴付けできる位置に導くことができる。
物を配置することで行われている。第1の代替例において、該懸濁物は、その反
対面上に電極アレイを持った基体上に配置し得る。第2の代替例において、該懸
濁液は該電極アレイ上にまたは近接して最初に配置され、そして該粒子は後方に
導入し得る;例えば、図5のアレイにおいて、該粒子は該図の底で中央エリアに
導入できる。第3の代替例において、該懸濁物は分離平面基体上または環状基体
上に形成した2つ以上の対向電極アレイの間に配置し得る。しかしながら、通常
のDEPで用いられるそれのような液流の配置に基づく配置ではない。液流は使
用し得るが、しかしそれは必須ではない。
示された電極間隔は一定であったが、しかし該変形例において、該マーク/間隔
比w/s(式中wは電極の幅である)は図示の通り電極アレイに沿って増加する
。
したマーク/間隔比の結果は、ラインLで示した、該電極アレイ上の粒子の空中
浮揚高さが増加することである。粒子pにかかる力、すなわち上方への空中浮揚
力l(進行波DEP力の実数部分)、並進力tw(進行波DEP力の虚数部分)
、および重力gが示される。該粒子が右に移動するにつれ、該並進力はマーク/
間隔比の増加の結果として減少する;粒子の空中浮揚高さが増加すると同時に、
該粒子が該電極42からさらになされるように並進力の更なる減少が起こる。ラ
インLに沿う幾つかのポイントで、粒子サイズ、誘電泳動力の相対成分、電気場
強度、および電極幾何図形的配列に基づいて、該進行力は、更なる進行が起こら
ないように、ゼロとなるであろう。異なる特性の粒子は、従って異なる間隔に進
行し、そして異なる位置に存在する。粒子分離は、従って可能である。
、または該粒子が並進力を受けていない周波数でTWD場に印加されることによ
ってのいずれかでもたらされる。
一度粒子が分離されると、それの選択性を除去できることが望ましい。図8は、
変化したマーク/間隔比電極44のアレイ、このケースにおいて通常の線状電極
、粒子の選択的な除去のため図3B中に示した(すなわち、一定のマーク/間隔
比の)型の蛇行電極46のアレイに近接した、を示す。該電極のアレイは、多層
技術を用い形成され、または対向基体面状に形成されるいずれかとしてよい。異
なる幾何図形的配列を組み合わせたこれら2つの電極アレイの利用は、異なる特
性の結果として粒子分離、そして分離した粒子の選択的除去を与える。
は、電極44のアレイに沿って異なる間隔を進行し、異なる位置に存在するであ
ろう。これらの粒子は、電極46によりチャネル「a」ないし「h」に沿って除
去され得る。
在する。図3と5のいずれかの電極デザイン、またはそれの変形が使用し得る。
電極幾何図形的配列の選択は、適用の選択に依存されるだろう。該電極のマーク
/間隔比の変化の割合の変更は、分離されるべき粒子に効果的に依存させること
ができる。例えば、マーク/間隔比の線形または非−線形増加が使用できる。こ
れら変形例の使用によって、非常に希薄な相違を持った粒子が分離および選択的
に除去できる。
ないし8に関して前記した全ての例は、進行波誘電泳動に関係する。図9に現に
言及している、定常誘電泳動用に好適な一連の蛇行電極が示される。該電極48
は、「V」字形であり、対間ギャップPより実質的により大きくされている電極
間ギャップEを持った平行な対の中に配置される。対における各々の電極は、電
気的コネクタ50,52に接続を形成する対がシグナル源54の反対側に結合し
た他の電極を越えて一方の側状に突出する。
クロンの電極間ギャップEを持った名目上40ミクロン厚の金電極とし得るなら
ば、フォトリソグラフィーによってガラス側上に形成されるだろう。対間ギャッ
プPは名目上200−1000μmである。電極を持つスライドは、典型的には
図にに示すようにスペーサとカバーとともにセル内に形成されるであろうし、該
チャンバー高さは50から300ミクロンの間となっているだろう。しかしなが
ら、定常誘電泳動用に、周知であるように、図9A中に矢印により示したように
移動を生じさせるようフロー系が粒子懸濁液により提供される必要がある。その
ようなフロー系は、機械的なシステムとしてよく、また流れは該電極アレイに適
当な電気的信号を印加する周知の電気流体力学効果によりもたらし得る。
力が存在するセルを通って流れるそのような周波数で該電極にシグナルが印加さ
れたなら、そのような粒子は電極48の最大曲率の領域に向かって濃縮されるで
あろうし、一方電極を越えて流れる他の粒子およびより弱い力を受けている粒子
は相対的に影響を受けないであろう。粒子富化はそれ故に達成される。
合、図3Aの配置は交通整理システムをさす。図4Aないし4Fは、図3Aの配
置の電極を示す。これらの電極は非常に浅いまたは平坦な正弦曲線の形状である
。あるいは、より明白かつ急激な正弦極性は、図10中に示されるように使用し
得る。図10から、より急激な正弦曲線電極の結果がより明確な転移領域、すな
わち該チャネル間の領域であることが明白に見られる。電極間ギャップが、それ
らが転移領域中にあるよりも該チャネルの中央において顕著により大きいことも
また明白に見られる。
配である。チャネル領域において、粒子はより高く空中浮揚するであろう一方、
転移領域において、それらはより低い高さに空中浮揚するであろう。チャネル中
央において、該粒子は最も高く空中浮揚するであろう一方、転移領域の中央にお
いて、それらは最も低く空中浮揚するであろう。この効果は分離のために非常に
有効性を高め得る。
れる場合に進行DEP場が適用されるなら、該粒子は電極および基体の上に空中
浮揚するであろう。これは、基体から離れた粒子を維持するため、および粒子粘
着および凝固を最小化するために有効である。実際に、該粒子の適用の前にその
ような場を適用することが好ましい。図10の電極へのそのような場の印加およ
び、数秒後にそれらにわたって粒子の配置は、該粒子が限局空中浮揚勾配のため
チャネル領域の外に移動するならば、粒子は該チャネル間の転写領域に濃縮され
ると見ることができる。より強い空中浮揚力を受けている粒子はより迅速に移動
するであろう。該粒子が転移領域中に濃縮されている後、印加されているTWD
場は、それらのそれぞれのチャネルの中に、および沿って移動している強いTW
D並進力を受ける粒子をもたらすであろう。限局空中浮揚勾配の結果として、該
チャネルは優先的に粒子フリーとなり、滞っていないそれに沿って自由に進行す
ることを、強い並進TWD力下の粒子に許し、分離効率を改善するであろう。
浮揚力を受ける粒子は、誘電泳動セルに沿って依然として移動するであろうが、
しかし並進TWD力は該空中浮揚勾配に打ち勝つために不十分であろう。該粒子
は、こうして転移領域内に移動するのを制限されるだろう。これは、該チャネル
中で強い並進TWD力を受けている粒子の迅速な移動からこれら粒子を維持する
ことに使用できる。これは、衝突するのを避ける反対方向へ進行している粒子で
あるばかりでなく、速くおよび遅く移動している粒子も互いに分離される二次交
通整理システムとして見なすことができる。異なる電極幾何図形的配列は、これ
を増強するか、または最小化するために選択できる。更なる変形例として、この
限局空中浮揚勾配は、液流との結合に使用できる。少量の液流は、非常に弱く並
進力TWD力を受けるか、または受けていない粒子を移動するためチャネル中に
適用し得る。該液流は、誘電泳動セル外部のソースから印加でき、またはより好
ましくは、シグナルは、周知であるように、液流を誘導するTWD電極に印加し
得る。その結果は、弱い液流は強いTWD並進力を受ける粒子への作用を最小限
にするであろうし、一方非常に弱いか、または並進TWD力を受けていない粒子
は転移領域内に誘電泳動セルに沿って移動し、かくして該チャネル中に移動する
粒子は混乱しないであろう。流体力学的液流を伴うそのような手法における粒子
の移動は、いずれかの電極配置で、およびTWD力でまたはそれ無しで保証され
得る。
、TWD場において反対方向に該粒子が進行されるように選択できるならば、そ
れは目的の分離において有効となる。このケースにおいて、図3A,3F,4お
よび10の電極を修飾することが有効となり得る。示した図において、反対方向
に進行する粒子のためのチャネルは同じ幅である。該チャネルの幅は、それらに
進行する粒子の濃度において分離により密接に反映するように変更し得る。これ
は、粒子移動および分離のために電極アレイの使用をより有効とするであろうし
、取り扱うより高い濃度の許容を促進し得る。
チャンバーのエリアまたは領域から粒子を富化するおよび/または排除するおよ
び/または包含する両方のために定常および進行電場の両方を使用できることが
示されている。これは、粒子の群または個別の粒子を特徴付ける、分離する、お
よび/または同定するための多くの適用を有している。定常流体または液流の両
方が、使用される外部力として、電極アレイと結合において使用できる。正のお
よび負の誘電泳動力の両方が、電極に利用し得る。非常に高濃度の粒子の継続分
離は可能である。これら電極アレイと優先的な負のDEP力の利用によって、細
胞捕捉無しに用いられ、且つそのように相対的に少ない電極アレイは、結果とし
て得られるサンプルの富化に関して、非常に大きい粒子濃度と非常に大きい容積
を取扱うために使用できる。
を示す。
離の連続写真である。
ましいTWD電極のアレイを示す。
に適当な電気的接続をそれぞれ示す。
Claims (27)
- 【請求項1】 細長い電極のアレイと、該電極に少なくとも1つの電気的シ
グナルを印加するための手段とを含み、粒子を特徴付け、操作および分離できる
誘電泳動セルであり、各電極はその長手方向に沿って概念的中心軸を有し、該電
極は該概念的中心軸からの1つ以上の偏位を有し、および該アレイ中の該電極は
レジスタ中にある、誘電泳動(DEP)セル。 - 【請求項2】 該電極が蛇行形状である請求項1に記載のDEPセル。
- 【請求項3】 該蛇行電極が正弦曲線形状である請求項2に記載のDEPセ
ル。 - 【請求項4】 該蛇行電極が半正弦曲線形状である請求項2に記載のDEP
セル。 - 【請求項5】 該蛇行電極が細長い「C」形状である請求項2に記載のDE
Pセル。 - 【請求項6】 該蛇行電極が直線側腕間が結合した片半正弦曲線形状である
請求項2に記載のDEPセル。 - 【請求項7】 該電極がジグザグ形状である請求項1に記載のDEPセル。
- 【請求項8】 該電極が正弦曲線に近い直線である請求項1に記載のDEP
セル。 - 【請求項9】 一方の側の概念的中心軸からの偏位の曲率が他方の側の偏位
の曲率と異なり、それによって異なる幅の粒子輸送チャネルが提供される請求項
2,3,7または8のいずれか1に記載のDEPセル。 - 【請求項10】 各電極の最大曲率の位置が直線配列中に配置される請求項
1〜9のいずれか1に記載のDEPセル。 - 【請求項11】 各電極の最大曲率の位置が非−直線配列中に配置される請
求項1〜8のいずれか1項に記載のDEPセル。 - 【請求項12】 各電極の最大曲率の位置が曲線に沿って配置される請求項
11に記載のDEPセル。 - 【請求項13】 該電極が蛇行形であると共に各々が2つの正弦曲線を含み
、かつ該正弦曲線の最大曲率の位置が発散曲線に沿って配置される請求項12に
記載のDEPセル。 - 【請求項14】 正弦曲線または半正弦曲線電極の第1の中心アレイ、該電
極の該軸は真っ直ぐかつ平行になっており、および正弦曲線または半正弦曲線電
極の第2の外側アレイ、該電極の該軸は嵌め合わされた「U」字形になっており
、を含み、該第1および第2のアレイとは独立して異なる相の電気的シグナルを
印加する手段が設けられている請求項1〜4のいずれか1記載のDEPセル。 - 【請求項15】 該アレイ中の電極間隔が該アレイに沿って変化する請求項
1〜12のいずれか1記載のDEPセル。 - 【請求項16】 該電極が、対間の間隔よりも実質的に大きくされている電
極間隔で対をなして配置される請求項1〜12のいずれか1記載のDEPセル。 - 【請求項17】 該セルの少なくとも一部が透明材料で形成されている請求
項1〜15のいずれか1記載のDEPセル;該セルを照らすための手段;および
該セルを透過したまたは反射した光を受けるための手段を含む誘電泳動システム
。 - 【請求項18】 延長した電極のアレイの近傍に液体中粒子の懸濁液を配置
させ、ここで各電極はその長手方向に沿って概念的中心軸を有し、該電極は該概
念的中心軸からの1つ以上の偏位を有しており、次いで該アレイに少なくとも1
つの電気的シグナルを印加し、それにより、粒子が最大または最小の電極曲率に
一致する該電極の領域に包含されまたはそこから排除されることを特徴とする誘
電泳動方法。 - 【請求項19】 該電気的シグナルの周波数が該懸濁液中の選択された粒子
型において負の誘電泳動応答を生じるように選択されると共に該電極アレイを交
差した懸濁液の流れをもたらすための手段がさらに設けられている請求項18に
記載の方法。 - 【請求項20】 該懸濁液の流れをもたらす手段が電極アレイに印加した電
極シグナルである請求項19に記載の方法。 - 【請求項21】 異なる相の電気的シグナルが該電極に印加され、それによ
り、進行波電場が該粒子に進行波DEP力を誘導し、該力の実数部分が該粒子を
空中浮揚させ、さらにそれの虚数部分が該進行場の中心領域に該粒子を移動させ
る請求項18に記載の方法。 - 【請求項22】 該電極アレイに電気的シグナルを印加し、それにより、静
的なDEP場を該粒子の最初の空中浮揚をもたらすように発生させる最初の工程
をさらに含む請求項21に記載の方法。 - 【請求項23】 該電極アレイに電気的シグナルを印加し、それにより、該
粒子が最初に空中浮揚するが並進力を受けないような周波数で進行波電場が発生
する最初の工程をさらに含む請求項21に記載の方法。 - 【請求項24】 該懸濁液が粒子の第1および第2の型の懸濁液を含み、粒
子の型の濃度が少なくとも1000のファクターで相違しており、および電極の
アレイの形状が該粒子の型が分離されるように選択される請求項18に記載の方
法。 - 【請求項25】 電極のアレイの形状が、液流を機械的に束縛するものと粒
子との接触を防ぐように選択される請求項24に記載の方法。 - 【請求項26】 粒子の懸濁液の濃度がミリリットル当たり百万セルよりも
大きい請求項18に記載の方法。 - 【請求項27】 実質的に添付した図面の図2,3,5,6,7,8,9ま
たは10のいずれか1つに関して前記した進行波誘電泳動セル。
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