JP2005249739A - Electroendosmotic flow cell, insulator sheet, and electroendosmotic flow cell chip - Google Patents

Electroendosmotic flow cell, insulator sheet, and electroendosmotic flow cell chip Download PDF

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博幸 加畑
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To generate a unidirectional electroendomsmotic flow. <P>SOLUTION: In this electroendomsmotic flow cell, at least a bottom face of a flow passage for the electroendomsmotic flow comprises a charged material or a material charge-treated artificially. The flow passage comprises a uniform width of central part, and two end parts serving as the start point and the final point of the flow passage, the central part is continuous from a side part side to the respective end parts, as to its longitudinal direction. The two end parts of a hollow part may be located in the same side or a different side as to the longitudinal direction of the central part, in the electroendomsmotic flow cell. The two flow passage may be formed into a fylfot shape of a crossed type thereof, and the central part may be located nonlinearly between the two end parts. <P>COPYRIGHT: (C)2005,JPO&NCIPI

Description

本発明は、電気浸透流を用いるフローセル、装置及び処理に関する。   The present invention relates to a flow cell, apparatus and process using electroosmotic flow.

電気浸透流(EOF)とは、固体/液体界面に生じる電気二重層内のイオンが、外部から印加された電界により移動することにより生じる流れをいう。ガラス基板の場合、それに接する溶液のpHが3以上の場合には表面のシラノール基の解離により表面が負に帯電し、これに溶液中の陽イオンが引き寄せられて電気2重層が形成される。電気二重層に直流電場を印加すると陽イオンによる電気浸透流が流れ、基板付近に強いせん断流れを生む。   The electroosmotic flow (EOF) is a flow generated by ions in the electric double layer generated at the solid / liquid interface moving by an electric field applied from the outside. In the case of a glass substrate, when the pH of the solution in contact with the glass substrate is 3 or more, the surface is negatively charged due to dissociation of the silanol groups on the surface, and cations in the solution are attracted to the surface to form an electric double layer. When a DC electric field is applied to the electric double layer, an electroosmotic flow due to cations flows, and a strong shear flow is generated near the substrate.

電気浸透流は、旧来の水圧力駆動のマイクロ搬送装置(microfluidic devices)の代替として期待されている[Stroock, A. D., et al., Physical Review Letters 84 (15), 3314 (2000)]。なぜなら、圧駆動には精緻なポンプが必要であるが、電気浸透流には単純な陽極・陰極の電極対と電荷を帯びた表面さえあればよいし、また、電気浸透流は圧駆動では得難いせん断力を発生できるからである。これらの電気浸透流の優位性は、小型化学分析装置(mTAS, micro Total Analysis system、または携帯型医療診断装置)の実現に不可欠である。たとえば、ゲノム解析・改変装置の開発の一環として、Washizuらは、電気浸透流を用いることで、丸まった形状をもつ長鎖DNAを直線状に伸長して展開する(ファイバー化する)試みを行っている[Washizu et al., Journal of Electrostatics. 57 (3), 395 (2003)]。
Stroock, A. D., et al., Physical Review Letters 84 (15), 3314 (2000) Washizu et al., Journal of Electrostatics. 57 (3), 395 (2003)
Electroosmotic flow is expected as an alternative to traditional water pressure driven microfluidic devices [Stroock, AD, et al., Physical Review Letters 84 (15), 3314 (2000)]. This is because a precise pump is required for pressure driving, but a simple anode / cathode electrode pair and a charged surface are required for electroosmotic flow, and electroosmotic flow is difficult to obtain by pressure driving. This is because a shearing force can be generated. The superiority of these electroosmotic flows is indispensable for the realization of a small chemical analyzer (mTAS, micro Total Analysis system, or portable medical diagnostic device). For example, as part of the development of a genome analysis and modification device, Washizu et al. Attempted to expand (and convert to fiber) long DNA with a round shape into a straight line by using electroosmotic flow. [Washizu et al., Journal of Electrostatics. 57 (3), 395 (2003)].
Stroock, AD, et al., Physical Review Letters 84 (15), 3314 (2000) Washizu et al., Journal of Electrostatics. 57 (3), 395 (2003)

先に述べたように、Washizuらは、電気浸透流を用いて長鎖DNAを直線状に伸長して展開することを試みた。ところが、DNAの入れ子である細胞の搬送や、せん断力によるDNAのファイバー化のために不可欠である電気浸透流の一様な向きを再現性良く得るまでには至っていない。   As mentioned earlier, Washizu et al. Attempted to extend and expand long-chain DNA linearly using electroosmotic flow. However, a uniform direction of electroosmotic flow, which is indispensable for the transportation of cells that are nested DNA and the fiber formation of DNA by shearing force, has not yet been achieved with good reproducibility.

この発明の目的は、一様な向きの電気浸透流を発生させることである。   An object of the present invention is to generate a uniformly oriented electroosmotic flow.

本発明に係る第1の電気浸透フローセルは、電気浸透流の流路を形成した電気浸透フローセルであって、少なくとも流路の底面が電荷を帯びた材料または人為的に荷電処理した材料からなる。流路は、一様な幅の中央部と、流路の始点及び終点となる2つの端部とからなり、前記の中央部は、その長手方向に関して側部側から前記の各端部に続く。この電気浸透フローセルにおいて、前記の中空部の2つの端部は、中央部の長手方向に関して同じ側であってもよく、異なる側であってもよい。   A first electroosmotic flow cell according to the present invention is an electroosmotic flow cell in which an electroosmotic flow channel is formed, and is made of a material having at least a bottom surface of the flow channel or an artificially charged material. The flow path is composed of a central portion having a uniform width and two end portions which are a start point and an end point of the flow path, and the central portion continues from the side portion side to the end portions in the longitudinal direction. . In the electroosmotic flow cell, the two end portions of the hollow portion may be on the same side or different sides with respect to the longitudinal direction of the central portion.

第1の電気浸透フローセルにおいて、たとえば、前記の流路を複数備え、複数の流路の中央部を相互に交差させる。   In the first electroosmotic flow cell, for example, a plurality of the flow paths are provided, and the central portions of the plurality of flow paths cross each other.

また、第1の電気浸透フローセルにおいて、たとえば、前記の流路を複数備え、複数の流路の中央部が共通の両端部を備える。   Further, in the first electroosmotic flow cell, for example, a plurality of the flow paths are provided, and the central portions of the plurality of flow paths are provided with common end portions.

本発明に係る第2の電気浸透フローセルは、電気浸透流の流路を備える電気浸透フローセルであって、少なくとも流路の底面が電荷を帯びた材料または人為的に荷電処理した材料からなる。前記の流路は、一様な幅の中央部と、流路の始点及び終点となる2つの端部とからなり、前記の中央部は2つの端部の間で非直線形状で存在する。   The second electroosmotic flow cell according to the present invention is an electroosmotic flow cell having an electroosmotic flow channel, and at least the bottom surface of the flow channel is made of a charged material or an artificially charged material. The flow path includes a central portion having a uniform width and two end portions serving as a start point and an end point of the flow path, and the central portion exists in a non-linear shape between the two end portions.

第2の電気浸透フローセルにおいて、好ましくは、さらに、1以上の柱状部を、前記の底面の上に、かつ、前記の流路の中に設ける。   In the second electroosmotic flow cell, preferably, one or more columnar portions are further provided on the bottom surface and in the flow path.

第2の電気浸透フローセルにおいて、好ましくは、さらに、1以上の壁状部を、前記の底面の上に、かつ、前記の絶縁体シートの中空部の中に設ける。   In the second electroosmotic flow cell, preferably, one or more wall-like portions are further provided on the bottom surface and in the hollow portion of the insulator sheet.

第1または第2の電気浸透フローセルは、たとえば、電荷を帯びた材料または人為的に荷電処理した材料の基板と、前記の基板の表面上に設置される絶縁体シートとからなる。前記の流路は、絶縁体シートの中空部として形成される。または、フローセルの全体が、(電極を除いて)電荷を帯びた材料または人為的に荷電処理した材料からなっていてもよい。   The first or second electroosmotic flow cell includes, for example, a substrate made of a charged material or an artificially charged material, and an insulator sheet placed on the surface of the substrate. The flow path is formed as a hollow portion of the insulator sheet. Alternatively, the entire flow cell may be made of a charged material (excluding electrodes) or an artificially charged material.

第1または第2の電気浸透フローセルにおいて、好ましくは、さらに、前記の2つの端部にそれぞれ電極を設ける。   In the first or second electroosmotic flow cell, preferably, an electrode is further provided at each of the two ends.

第1または第2の電気浸透フローセルにおいて、好ましくは、さらに、試料を流路内に注入する注入口と、試料を流路内から排出する排出口を備える。また、さらに、注入口に試料を注入する注入ポンプと、排出口から試料を排出する排出ポンプを備えてもよい。   The first or second electroosmotic flow cell preferably further includes an inlet for injecting the sample into the channel and an outlet for discharging the sample from the channel. Further, an injection pump for injecting the sample into the injection port and a discharge pump for discharging the sample from the discharge port may be provided.

本発明に係る電気浸透フローセル装置は、上述の第1または第2の電気浸透フローセルと、電気浸透フローセルの各端部に設けた電極に直流定電圧を印加する定電圧電源とを備える。   An electroosmotic flow cell device according to the present invention includes the first or second electroosmotic flow cell described above and a constant voltage power source that applies a DC constant voltage to electrodes provided at each end of the electroosmotic flow cell.

本発明に係る第1の絶縁体シート(たとえばシリコンゴムシート)は、電荷を帯びた材料または人為的に荷電処理した材料からなる基板の表面上に設置されて電気浸透フローセルを形成するための絶縁体シートであって、流路となる一様な幅の中央部と、流路の始点及び終点となる2つの端部とからなる中空部を備える。中央部は、その長手方向に関して側部側から前記の各端部に続く。   The first insulator sheet according to the present invention (for example, a silicon rubber sheet) is installed on the surface of a substrate made of a charged material or an artificially charged material to form an electroosmotic flow cell. It is a body sheet, and has a hollow portion composed of a central portion having a uniform width to be a flow channel and two end portions to be a start point and an end point of the flow channel. The central portion continues to each of the end portions from the side portion side in the longitudinal direction.

本発明に係る第2の絶縁体シート(たとえばシリコンゴムシート)は、電荷を帯びた材料または人為的に荷電処理した材料の表面上に設置されて電気浸透フローセルを形成するための絶縁体シートであって、流路となる一様な幅の中央部と、流路の始点及び終点となる2つの端部とからなる中空部を備える。中央部は2つの端部の間で非直線形状で存在する。   The second insulator sheet according to the present invention (for example, a silicon rubber sheet) is an insulator sheet for forming an electroosmotic flow cell installed on the surface of a charged material or an artificially charged material. In addition, a hollow portion including a central portion having a uniform width to be a flow path and two end portions to be a start point and an end point of the flow path is provided. The central part exists in a non-linear shape between the two ends.

本発明に係る第1の電気浸透フローセルチップは、電荷を帯びた材料または人為的に荷電処理した材料からなる基板と、前記の基板の表面上に設置される絶縁体層とからなり、前記の絶縁体層は、複数の中空部をマトリクス状に備える。ここで、各中空部は、搬送流路となる一様な幅の中央部と、搬送流路の始点及び終点となる2つの端部とからなり、前記の中央部は、その長手方向に関して側部側から前記の各端部に続く。   A first electroosmotic flow cell chip according to the present invention comprises a substrate made of a charged material or an artificially charged material, and an insulator layer placed on the surface of the substrate, The insulator layer includes a plurality of hollow portions in a matrix. Here, each hollow portion is composed of a central portion having a uniform width serving as a transport channel and two end portions serving as a start point and an end point of the transport channel. It continues to each said edge part from the part side.

本発明に係る第2の電気浸透フローセルチップは、電荷を帯びた材料または人為的に荷電処理した材料からなる基板と、前記の基板の表面上に形成される絶縁体層とからなり、前記の絶縁体層は、複数の中空部をマトリクス状に備え、各中空部の形状は、搬送流路となる一様な幅の中央部と、搬送流路の始点及び終点となる2つの端部とからなり、中央部は、両端部の間で非直線形状で存在する。   A second electroosmotic flow cell chip according to the present invention comprises a substrate made of a charged material or an artificially charged material, and an insulator layer formed on the surface of the substrate. The insulator layer includes a plurality of hollow portions in a matrix shape, and the shape of each hollow portion includes a central portion having a uniform width serving as a transport channel, and two end portions serving as a start point and an end point of the transport channel. And the central portion exists in a non-linear shape between both end portions.

第1または第2の電気浸透フローセルチップにおいて、好ましくは、さらに、前記の中空部の両端部にそれぞれ電極を備える。   In the first or second electroosmotic flow cell chip, preferably, electrodes are further provided at both ends of the hollow portion.

本発明に係る解析方法では、電荷を帯びた材料または人為的に荷電処理した材料上に形成した流路を備える電気浸透フローセルを用意し、DNAまたは直鎖状高分子の一端を流路に固定して液体を流路に導入する。次に、電気フローセルの電極に定電圧を印加して一様な方向に流れる電気浸透流を発生させ、DNAまたは直鎖状高分子を一様な電気浸透流の方向に展開、整列することによって解析する。   In the analysis method according to the present invention, an electroosmotic flow cell having a channel formed on a charged material or an artificially charged material is prepared, and one end of DNA or a linear polymer is fixed to the channel. Then, the liquid is introduced into the flow path. Next, by applying a constant voltage to the electrodes of the electric flow cell to generate an electroosmotic flow that flows in a uniform direction, the DNA or linear polymer is developed and aligned in the direction of the uniform electroosmotic flow. To analyze.

本発明に係る搬送方法では、電荷を帯びた材料または人為的に荷電処理した材料上に形成した流路を備える電気浸透フローセルを用意し、10nmから100μmの大きさの分子を含む液体を流路に導入する。次に、電気浸透フローセルの電極に定電圧を印加して一様な方向に流れる電気浸透流を発生させて、10nmから100μmの大きさの分子を搬送する。   In the transport method according to the present invention, an electroosmotic flow cell having a flow path formed on a charged material or an artificially charged material is prepared, and a liquid containing molecules having a size of 10 nm to 100 μm is flowed. To introduce. Next, a constant voltage is applied to the electrodes of the electroosmotic flow cell to generate an electroosmotic flow that flows in a uniform direction, thereby transporting molecules having a size of 10 nm to 100 μm.

本発明に係る処理方法では、電荷を帯びた材料または人為的に荷電処理した材料上に形成した流路を備え、流路内に複数の柱状部を形成した電気浸透フローセルを用意し、DNAまたは直鎖状高分子の一端を流路に固定して液体を流路に導入する。次に、電気浸透フローセルの電極に定電圧を印加して一様な方向に流れる電気浸透流を発生させ、DNAまたは直鎖状高分子を一様な電気浸透流の方向に展開、整列し、前記の電極に印加する電圧を変化させて印加電場の方向を変化させて電気浸透流の方向を変化して、展開されたDNAまたは直鎖状高分子を柱状部の間に懸架する。
なお、この発明の以上に説明した構成要素は、可能な限り組み合わせることができる。
In the treatment method according to the present invention, an electroosmotic flow cell having a flow path formed on a charged material or an artificially charged material and having a plurality of columnar portions formed in the flow path is prepared. One end of the linear polymer is fixed to the channel, and the liquid is introduced into the channel. Next, a constant voltage is applied to the electrodes of the electroosmotic flow cell to generate an electroosmotic flow that flows in a uniform direction, and the DNA or linear polymer is developed and aligned in the direction of the uniform electroosmotic flow, By changing the voltage applied to the electrode to change the direction of the applied electric field to change the direction of the electroosmotic flow, the developed DNA or linear polymer is suspended between the columnar parts.
In addition, the component demonstrated above of this invention can be combined as much as possible.

本発明に係る電気浸透フローセルにより、一様な向きの電気浸透流を発生できる。
本発明に係る電気浸透フローセルは、蛋白質、細胞(血液)などの搬送装置(アクチュエータ)として使用できる。
本発明に係る電気浸透フローセルは、DNAの操作(伸長など)や改変に使用できる。
本発明に係る電気浸透フローセルは、マイクロ搬送装置、小型化学分析装置などのマイクロ流体装置に組み込むことができる。
The electroosmotic flow cell according to the present invention can generate an electroosmotic flow in a uniform direction.
The electroosmotic flow cell according to the present invention can be used as a transfer device (actuator) for proteins, cells (blood) and the like.
The electroosmotic flow cell according to the present invention can be used for DNA manipulation (elongation, etc.) and modification.
The electroosmotic flow cell according to the present invention can be incorporated in a microfluidic device such as a micro transport device or a small chemical analyzer.

以下、本発明の実施の形態を添付の図面を参照して説明する。なお、図面において、同じ参照記号は同一または同等のものを示す。なお、以下に説明する実施の形態は特許請求の範囲に記載された発明を限定するものではない。   Embodiments of the present invention will be described below with reference to the accompanying drawings. In the drawings, the same reference symbols denote the same or equivalent. The embodiments described below do not limit the invention described in the claims.

図1は、電子浸透フローセル装置の概略を示す。電気浸透フローセルは、たとえば、ガラス基板1と、そのガラス基板の表面上に設置される絶縁体シート2(たとえばシリコンゴムのゴム板)とからなり、絶縁体シート2に、液体試料を導入するための中空部3を形成して流路とする。電気浸透流を発生させるための中空部(流路)は、たとえば、シリコンゴム板を切りこんで作成する。ゴム板をガラス基板などに貼りあわせることで、ゴム板にあらかじめ設けられた切り込み部分が流路として機能する。中空部3が液体試料を導入するチャンバーとなる。ガラス基板1は、透明であり、顕微鏡による観察などに適している。なお、ガラス基板は、電荷を帯びた材料または人為的に荷電処理した材料からなる基板の1例であり、電気二重層による電気浸透流の生成には、ガラス以外の材料(たとえばナフォイン膜やプラズマアッシング処理シリコン)を用いてもよい。   FIG. 1 shows an outline of an electron osmotic flow cell apparatus. The electroosmotic flow cell includes, for example, a glass substrate 1 and an insulator sheet 2 (for example, a rubber plate made of silicon rubber) installed on the surface of the glass substrate. In order to introduce a liquid sample into the insulator sheet 2. The hollow portion 3 is formed as a flow path. The hollow part (flow path) for generating the electroosmotic flow is created by cutting a silicon rubber plate, for example. By attaching the rubber plate to a glass substrate or the like, a cut portion provided in advance in the rubber plate functions as a flow path. The hollow part 3 becomes a chamber for introducing a liquid sample. The glass substrate 1 is transparent and suitable for observation with a microscope. The glass substrate is an example of a substrate made of a charged material or an artificially charged material, and a material other than glass (for example, a naphthoin film or plasma) is used to generate an electroosmotic flow by an electric double layer. Ashing silicon) may be used.

この装置を使用するとき、中空部3に液体試料を導入すると、溶液の下側にあるガラス基板1の表面は負に帯電し、これに溶液中の陽イオンが引き寄せられて、固体/液体界面に電気二重層が生じる。いま、流路の両端に設けた1対の電極(たとえば白金箔)の間に、直流定電圧電源装置4により直流電圧を印加すると、電気二重層内の陽イオンが電場により移動して、電気浸透流を生じる。直流定電圧電源装置4の代りに電池を用いることもできる。   When using this apparatus, when a liquid sample is introduced into the hollow portion 3, the surface of the glass substrate 1 on the lower side of the solution is negatively charged, and the cations in the solution are attracted to the solid / liquid interface. An electric double layer is formed. Now, when a DC voltage is applied between a pair of electrodes (for example, platinum foil) provided at both ends of the flow path by the DC constant voltage power supply device 4, the cations in the electric double layer are moved by the electric field, Generates osmotic flow. A battery may be used in place of the DC constant voltage power supply device 4.

本発明では、以下に説明するように、電子浸透フローセルにおいて種々の多様な形状の中空部即ち流路を用いる。図1と図2に示すフローセル(コの字型(シス型)フローセル)では、中空部3は、流路となる一様な幅の矩形の中央部11と、流路の始点及び終点となる2つのたとえば正方形の端部12、13とからなる。中央部11は、その長手方向に関して側部側から各端部12、13に通じる。2つの端部12、13は中央部11の長手方向に関して同じ側にある。電場の方向は中央部では一様である。なお、斜線部は、端部に設けられる電極5の位置の1例を示す。また、図の中の+と−の符号は印加電圧の極性を示し、中央部11内の矢印は電気二重層内の陽イオンの流れる方向を示す。   In the present invention, as described below, hollow portions or flow paths having various shapes are used in the electron permeation flow cell. In the flow cell shown in FIG. 1 and FIG. 2 (a U-shaped (cis-type) flow cell), the hollow portion 3 is a rectangular central portion 11 having a uniform width to be a flow path, and a start point and an end point of the flow path. It consists of two, for example, square ends 12,13. The central portion 11 communicates with the end portions 12 and 13 from the side portion side in the longitudinal direction. The two end portions 12 and 13 are on the same side with respect to the longitudinal direction of the central portion 11. The direction of the electric field is uniform at the center. The hatched portion indicates an example of the position of the electrode 5 provided at the end. Moreover, the sign of + and-in a figure shows the polarity of an applied voltage, and the arrow in the center part 11 shows the direction through which the cation flows in an electric double layer.

また、図3に示すフローセル(トランス型フローセル)では、図2に示す構造と相違しているのは、2つの端部12’、13’が中央部11の長手方向に関して異なる側(反対側)に位置されることである。また、図4に示すフローセルは、図2に示す構造の変形であり、2つの端部12”、13”は、円形部と、それと中央部11との間をつなぐ細長い半円状の接続部とからなる。図2から図4に示す構造では、電気浸透流は+電極から−電極の方に流れる。後で説明するように、この単純な新規の構造により、一様な電気浸透流を保証できる。   Further, the flow cell (transformer type flow cell) shown in FIG. 3 is different from the structure shown in FIG. 2 in that the two end portions 12 ′ and 13 ′ are different in the longitudinal direction of the central portion 11 (opposite side). Is to be located. The flow cell shown in FIG. 4 is a modification of the structure shown in FIG. 2, and the two end portions 12 ″ and 13 ″ are elongated semicircular connecting portions connecting the circular portion and the central portion 11. It consists of. In the structure shown in FIGS. 2 to 4, the electroosmotic flow flows from the positive electrode to the negative electrode. As will be explained later, this simple new structure ensures a uniform electroosmotic flow.

図5に示すフローセル(卍型フローセル)は、2つのトランス型フローセル(図3)を中央部で互いに交差するように組み合わせたものである。2つの中央部21a,21bは互いに直交し、端部22a,23aが中央部21aにつながり、端部22b,23bが中央部21bにつながる。さらに2対の電極を設ける。この卍型フローセルでは、直交する2つの電場を印加できる。図において、a+とa−は、第1の流路に印加される電圧の極性を示し、b+とb−は、第2の流路に印加される電圧の極性を示す。また、図6に示すフローセルでは、端部22a’,22b’,23a’,23b’の構造が、円形部とそれを中央部21a’,21b’につなぐ細長い接続部とからなる。これらのフローセルでは、2対の電極により生じる2つの電場を組み合わせて、流れの方向を連続的に変化できる。たとえば、図5の下側に示すように、斜め方向を含む8方向に電気浸透流を流すことができる。これにより、多方向から物質にせん断力を付与でき、多方向へ物質を搬送できる。小型化学分析装置などに要求される流体回路は、通常、交差する2つの流路の組み合わせからなっているが、図5などに示される多流路のフローセルは、小型化学分析装置などに要求されるそのような流体回路に使用できる。   The flow cell (saddle type flow cell) shown in FIG. 5 is a combination of two transformer type flow cells (FIG. 3) so as to cross each other at the center. The two central portions 21a and 21b are orthogonal to each other, the end portions 22a and 23a are connected to the central portion 21a, and the end portions 22b and 23b are connected to the central portion 21b. Further, two pairs of electrodes are provided. In this vertical flow cell, two orthogonal electric fields can be applied. In the figure, a + and a− indicate the polarity of the voltage applied to the first flow path, and b + and b− indicate the polarity of the voltage applied to the second flow path. Further, in the flow cell shown in FIG. 6, the structures of the end portions 22a ', 22b', 23a ', and 23b' include a circular portion and an elongated connecting portion that connects the central portion 21a 'and 21b'. In these flow cells, two electric fields generated by two pairs of electrodes can be combined to continuously change the direction of flow. For example, as shown on the lower side of FIG. 5, the electroosmotic flow can be made to flow in eight directions including an oblique direction. Thereby, a shearing force can be applied to the substance from multiple directions, and the substance can be conveyed in multiple directions. The fluid circuit required for a small chemical analyzer or the like is usually composed of a combination of two intersecting flow paths. However, the multi-channel flow cell shown in FIG. 5 is required for a small chemical analyzer or the like. Can be used in such fluid circuits.

また、図7に示す例では、中央部31が、一定幅の曲線状である。この例では、中央部31は、半円を2つ組み合わせた形状であり、中央部31の両端に円形の端部32,33が続く。中央部31が曲線状であるので、電気浸透流は非直線的に流れる。   In the example shown in FIG. 7, the central portion 31 has a curved shape with a constant width. In this example, the central portion 31 has a shape in which two semicircles are combined, and circular end portions 32 and 33 continue to both ends of the central portion 31. Since the central portion 31 is curved, the electroosmotic flow flows non-linearly.

また、図8に示す例では、複数の流路を設けるが、その両端部が接続されている。2つの流路は、中央部41a、41bとそれに両側で続く端部42a,42b,43a,43bからなり、また、端部42a,42b及び42a,43bは互いに接続されている。すなわち、複数の流路が共通の端部を備えている。これにより、1対の電極の間に電圧を印加すると、一様な電気浸透流が2つの中央部41a、41bで生じる。なお、流路の数は2つに限らない。   Moreover, in the example shown in FIG. 8, although the some flow path is provided, the both ends are connected. The two flow paths are composed of a central portion 41a, 41b and end portions 42a, 42b, 43a, 43b continuing on both sides thereof, and the end portions 42a, 42b and 42a, 43b are connected to each other. That is, the plurality of flow paths have a common end. Thus, when a voltage is applied between the pair of electrodes, a uniform electroosmotic flow is generated at the two central portions 41a and 41b. Note that the number of flow paths is not limited to two.

また、図9に示す例では、図5に示した構造のフローセルにおいて、さらに、2つの中央部の交差部分に、複数の微小な柱状構造(マイクロピラー)24を設ける。この例では4つの微小柱24を正方形状に配置しているが、微小柱24の数や位置は目的に合わせて変更すればよい。微小柱24はガラス基板上にたとえばフォトリソグラフィによりレジストの微小柱として作成できる。   In the example shown in FIG. 9, in the flow cell having the structure shown in FIG. 5, a plurality of minute columnar structures (micropillars) 24 are further provided at the intersection of two central portions. In this example, four micro pillars 24 are arranged in a square shape, but the number and position of the micro pillars 24 may be changed according to the purpose. The micro pillars 24 can be formed as resist micro pillars on a glass substrate by, for example, photolithography.

また、図10に示す例では、流路は、中空部51とそれに続く端部52,53からなるが、中空部51内で、複数の壁状構造54を流れの方向に平行に設ける。壁状構造54は、ガラス基板上に同様にフォトリソグラフィにより作成できる。したがって、電気浸透流は、複数の壁状構造54により別れて流れていく。   In the example illustrated in FIG. 10, the flow path includes a hollow portion 51 and subsequent end portions 52 and 53, and a plurality of wall-like structures 54 are provided in the hollow portion 51 in parallel with the flow direction. The wall-like structure 54 can be similarly produced on the glass substrate by photolithography. Therefore, the electroosmotic flow flows separately by the plurality of wall-like structures 54.

なお、フローセルは小型化できる。図11は、マイクロチップの1例を示す。この例では、ガラス基板の上に絶縁体層が形成され、次に、フォトリソグラフィにより複数のフローセル用の流路に対応する部分がエッチングにより除去される。また、図示しないが電極が形成される。得られた複数のフローセルの各流路は、中央部61と2つの端部62、63とからなる。また、ガラス基板をフォトリソグラフィによりエッチングすることによっても流路を作成できる。   The flow cell can be downsized. FIG. 11 shows an example of a microchip. In this example, an insulator layer is formed on a glass substrate, and then portions corresponding to the flow paths for a plurality of flow cells are removed by etching by photolithography. Although not shown, an electrode is formed. Each flow path of the obtained plurality of flow cells includes a central portion 61 and two end portions 62 and 63. The flow path can also be created by etching the glass substrate by photolithography.

次に、フローセルの具体例と、それを用いた電気浸透流の観察について説明する。   Next, a specific example of a flow cell and observation of electroosmotic flow using the flow cell will be described.

1例として、図2に示すシス型フローセルを、絶縁体シート2として、厚さ1mmの市販のシリコンゴムをカッターで切り抜いて製作した。たとえば、中空部3の中央部11は23×10mmであり、端部12,13は12×12mmであり、端部12から中央部11へ続く部分の幅は5mmであり、中央部11から端部13へ続く部分の幅は7mmである。なお、工作精度は粗くてもよかった。ガラス基板1として、マツナミ社のNo. 1、カバースリップ52mm×76mm×0.1mm(0.12−0.17mm)を使用した。電極5として白金箔を用いた。後に説明するフローマーカーの試料を作成して中空部に入れた。そして、試料に電場を印加し、SITカメラにより電気浸透流の画像を取得し、リアルタイムで観察した。   As an example, the cis-type flow cell shown in FIG. 2 was manufactured by cutting out a commercially available silicon rubber having a thickness of 1 mm as a dielectric sheet 2 with a cutter. For example, the central portion 11 of the hollow portion 3 is 23 × 10 mm, the end portions 12 and 13 are 12 × 12 mm, the width of the portion continuing from the end portion 12 to the central portion 11 is 5 mm, and the end portion from the central portion 11 is The width of the part leading to the part 13 is 7 mm. In addition, the machining accuracy may be rough. As the glass substrate 1, No. 1 of Matsunami, cover slip 52 mm × 76 mm × 0.1 mm (0.12-0.17 mm) was used. A platinum foil was used as the electrode 5. A sample of a flow marker described later was prepared and placed in the hollow portion. Then, an electric field was applied to the sample, and an image of electroosmotic flow was obtained with a SIT camera and observed in real time.

フローマーカーの1例としてビーズ粒子を用いた。ビーズ粒子として、Polysciences Inc社から商品名「Fluoresbrite plain YG 1.0 micron microspheres (2.6% Solids-Latex)」の蛍光マイクロビーズを購入し、これを純水で1000倍に希釈した懸濁液を使用した。   Bead particles were used as an example of a flow marker. As the bead particles, fluorescent microbeads having a trade name of “Fluoresbrite plain YG 1.0 micron microspheres (2.6% Solids-Latex)” were purchased from Polysciences Inc, and a suspension obtained by diluting the microbeads 1000 times with pure water was used.

測定手順は以下のとおりである。
1)ガラス基板(未洗浄)に流路形状の中空部を設けたシリコンゴム板を貼り付けてから、0.8 mlのビーズ懸濁液でフローセル内を満した。シリコンゴム板のガラス基板への吸着に容易であり、液漏れは生じない。
2)倒立型の位相差蛍光顕微鏡のステージにフローセルを置き、2枚の白金箔(電極)をステージ付属の板ばねで挟むことによりフローセルの末端部分に固定した。2枚の白金箔をそれぞれ陽極と陰極とし、定電圧電源装置に接続した。
3)油浸100倍の対物レンズを用いてフローセル内のビーズ粒子が発する蛍光(blue励起)をカラーCCDカメラまたは白黒SITカメラで可視化し、フローマーカーとした。
4)定電圧15−30Vを白金箔の電極に印加することでフローセル表面に電気浸透流を発生させ、電気浸透流で搬送されるフローマーカーの運動を1粒子毎に追跡した。
The measurement procedure is as follows.
1) A silicon rubber plate provided with a channel-shaped hollow portion was attached to a glass substrate (unwashed), and then the inside of the flow cell was filled with 0.8 ml of the bead suspension. It is easy to adsorb the silicon rubber plate to the glass substrate, and no liquid leakage occurs.
2) The flow cell was placed on the stage of an inverted type phase contrast fluorescence microscope, and two platinum foils (electrodes) were sandwiched between leaf springs attached to the stage, and fixed to the end portion of the flow cell. Two platinum foils were used as an anode and a cathode, respectively, and connected to a constant voltage power supply device.
3) The fluorescence (blue excitation) emitted from the bead particles in the flow cell was visualized with a color CCD camera or a black-and-white SIT camera using an oil immersion 100 × objective lens, and used as a flow marker.
4) A constant voltage of 15-30 V was applied to the platinum foil electrode to generate an electroosmotic flow on the surface of the flow cell, and the movement of the flow marker carried by the electroosmotic flow was tracked for each particle.

測定結果とその考察は以下のとおりである。   The measurement results and the considerations are as follows.

図12と図13は、それぞれ、従来の矩形型セルと図2のシス型セルについて、蛍光マイクロビーズを用いた電気浸透流の解析を示す。図の中ほどに、図の上側に示した流路において○で示した部分を拡大して示し、その下に、その部分におけるビーズの移動方向を→印で示す。また、図14と図15は、上述の2つのセルについて任意の各ビーズの+極から−極方向にそった位置の経時変化(相対値)を示す。   12 and 13 show the electroosmotic flow analysis using fluorescent microbeads for the conventional rectangular cell and the cis cell of FIG. 2, respectively. In the middle of the figure, the part indicated by a circle in the flow path shown in the upper part of the figure is enlarged, and the moving direction of the beads in that part is indicated by the → mark below. FIG. 14 and FIG. 15 show the change with time (relative value) of the position along the + pole direction from the + pole direction of each arbitrary bead for the two cells described above.

フローセルの陽極と陰極の付近では、1)電圧が高いとき、そして、2)溶液の導電率が高いとき、気泡の発生や電極の侵食といった電極反応が観察された。   In the vicinity of the anode and cathode of the flow cell, electrode reactions such as bubble formation and electrode erosion were observed when 1) the voltage was high and 2) when the conductivity of the solution was high.

従来の矩形型セルでは、電極反応により電気浸透流が乱れる(ひいては、電気浸透流による搬送や剪断が阻害される)と想定してきたが、図12と図14に示すように、確かに従来の矩形型フローセルでは電気浸透流の乱れが観察された。電気浸透流の乱れの一因として、counter flowが同定された。これは、電気浸透流がフローセルの末端で折り返す(波が防波堤の岸壁で反射することと同じ機構であると思われる)現象である。counter flowによってフローマーカーの分布に密な領域と疎な領域の界面が生じ(図12の左下側と右上側)、本来電場の向き(矢印)と平行であるべき電気浸透流の方向は領域毎にランダムであり、逆流すら発生していた)。   In the conventional rectangular cell, it has been assumed that the electroosmotic flow is disturbed by the electrode reaction (as a result, the conveyance and shearing by the electroosmotic flow are hindered). However, as shown in FIGS. Disturbance of electroosmotic flow was observed in the rectangular flow cell. Counter flow was identified as a cause of disturbance of electroosmotic flow. This is a phenomenon in which the electroosmotic flow turns back at the end of the flow cell (it seems to be the same mechanism that waves are reflected at the quay of the breakwater). Counter flow creates an interface between dense and sparse areas in the flow marker distribution (lower left and upper right in FIG. 12), and the direction of electroosmotic flow that should be essentially parallel to the direction of the electric field (arrow) It was random, and it was generated when it was backflowed).

これに対し、図13と図15に示すように、コの字型フローセル(図2)の場合、従来の矩形型フローセルで観察された上記の電気浸透流の乱れは解消され、どの領域においても電場の方向に平行で一様な流れ、かつ、電圧の大小で制御可能な流れを有した電気浸透流が実現された。また、2つの端部がフローセルを挟んで反対側に配されたトランス型フローセル(図3)であっても、コの字型フローセルと同様の理想的な電気浸透流をもたらしたことが観察された。このような優位性をもたらすメカニズムは不明であるが、counter flowが生じる部分がフローセルの中央部から離れているため、または、電極反応で生じた気泡がコの字の終端部分に捕捉されてフローセルの中央部に侵入しないためと考えられる。以上の考察から、一様な電気浸透流を流す中央部に接続される端部としては、端部に設けられる電極により生じる電極反応の影響を分離できるものであればよい。したがって、その形状や位置は電極反応の影響を分離できるように適当に設計すればよい。上述の種々の形状の流路はこの観点から作成されたものである。   On the other hand, as shown in FIGS. 13 and 15, in the case of the U-shaped flow cell (FIG. 2), the disturbance of the electroosmotic flow observed in the conventional rectangular flow cell is eliminated, and in any region. An electroosmotic flow having a uniform flow parallel to the direction of the electric field and a flow that can be controlled by the magnitude of the voltage was realized. It was also observed that the transformer type flow cell (Fig. 3) with the two ends arranged on the opposite side across the flow cell produced the same ideal electroosmotic flow as the U-shaped flow cell. It was. The mechanism that provides such an advantage is unknown, but the flow cell is generated because the part where the counter flow occurs is away from the center of the flow cell, or the bubbles generated by the electrode reaction are trapped at the end of the U-shape. This is thought to be because it does not enter the center. From the above considerations, the end connected to the central portion through which the uniform electroosmotic flow flows may be any one that can separate the influence of the electrode reaction caused by the electrode provided at the end. Therefore, the shape and position may be appropriately designed so that the influence of the electrode reaction can be separated. The flow paths having various shapes described above are created from this viewpoint.

マイクロビーズについて一様な流れが実現できることを説明したが、同様に、蛍光標識した蛋白質(たとえばRNAポリメラーゼや、抗体など)分子おのおのが電気浸透流で搬送される状況が観察された。したがって、電気浸透フローセルは、細胞(血液)などのポンプ(搬送装置)として使用できる。電気浸透フローセルは、一般的に、遺伝子チップや小型化学分析装置などで扱われている10nmから100μmの大きさの分子を含む液体の搬送に有用である。すなわち、電気浸透フローセルにおいて、10nmから100μmの大きさの分子を含む液体を流路に導入し、次に、電気浸透フローセルの電極に定電圧を印加して一様な方向に流れる電気浸透流を発生させる。これにより、10nmから100μmの大きさの分子を搬送できる。なお、10nmは、蛋白質1分子の大きさである。また、たまにフローマーカー粒子同志が巨大なかたまりを形成することがあり、そのかたまりが電気浸透流で搬送される様子が可視化されるが、100μmは、そのような蛍光ビーズ粒子の凝集物の径に相当する。   Although it has been explained that a uniform flow can be realized with respect to microbeads, similarly, it has been observed that each fluorescently labeled protein (for example, RNA polymerase, antibody, etc.) molecule is transported by electroosmotic flow. Therefore, the electroosmotic flow cell can be used as a pump (conveyance device) for cells (blood) or the like. The electroosmotic flow cell is generally useful for transporting a liquid containing molecules having a size of 10 nm to 100 μm, which is handled by a gene chip or a small chemical analyzer. That is, in the electroosmotic flow cell, a liquid containing molecules having a size of 10 nm to 100 μm is introduced into the flow path, and then a constant voltage is applied to the electrodes of the electroosmotic flow cell to cause an electroosmotic flow flowing in a uniform direction. generate. Thereby, molecules having a size of 10 nm to 100 μm can be transported. Note that 10 nm is the size of one protein molecule. In addition, the flow marker particles sometimes form a huge mass, and it is visualized that the mass is conveyed by electroosmotic flow, but 100 μm is the diameter of the aggregate of such fluorescent bead particles. Equivalent to.

また、図5に示す卍型のフローセルでは、直交する2つの電場の入り切りに応答して電気浸透流の向きが制御されることがフローマーカービーズの運動の観察から実証された。   In addition, in the saddle type flow cell shown in FIG. 5, it was demonstrated from the observation of the movement of the flow marker beads that the direction of the electroosmotic flow is controlled in response to turning on and off of two orthogonal electric fields.

フローマーカーの他の例として染色体を用いた。DNAの染色にはインターカレーター蛍光色素YO-PRO-1(Molecular probes)を用いた。1例として、分裂酵母972 h-株のプロトプラストを浸透化処理してから、以下のように、当該フローセル内に吸着固定して電気浸透流で展開した。   Chromosome was used as another example of the flow marker. Intercalator fluorescent dye YO-PRO-1 (Molecular probes) was used for DNA staining. As an example, protoplasts of fission yeast 972 h-strain were permeabilized and then adsorbed and fixed in the flow cell as described below and developed by electroosmotic flow.

1つの細胞内にある1セットのDNAを扱い、かつ、流体力による断片化を防ぐ目的で、Washizuらによる方法を用いて、人為的に補強した細胞骨格を、DNAを入れる容器として使い、伸長時に、基板上でその容器を破壊してDNAを取り出す方法を用いた。   For the purpose of handling a set of DNA in one cell and preventing fragmentation due to fluid force, the artificially reinforced cytoskeleton is used as a container for DNA, using the method of Washizu et al. Occasionally, a method was used in which the container was destroyed on the substrate to remove the DNA.

具体的には、まず酵素により細胞壁を消化し、プロトプラスト化する。プロトプラストは、浸透圧ショックを受けると容易に破壊されてしまい、操作が難しいため、架橋剤グルタルアルデヒドを用いて細胞骨格を補強する。さらに、補強された細胞骨格(以下、かご構造という)に閉じこめられたDNAを得る。このかご構造は,DNAのような長大な高分子は保持し、タンパク質や薬剤は透過するような適度のメッシュサイズを持つ。また、かご構造を製作した後でRNAをRNaseAにより消化することが染色体の伸長のために有効である。   Specifically, the cell wall is first digested with an enzyme to produce a protoplast. Protoplasts are easily destroyed when subjected to osmotic shock and are difficult to manipulate, so the cross-linking agent glutaraldehyde is used to reinforce the cytoskeleton. Furthermore, DNA confined in a reinforced cytoskeleton (hereinafter referred to as cage structure) is obtained. This cage structure has an appropriate mesh size that retains long macromolecules such as DNA and allows proteins and drugs to permeate. In addition, digestion of RNA with RNase A after the cage structure is produced is effective for chromosome elongation.

かご構造化された細胞からの染色体DNAの伸長の手順を説明すると、まず、細胞懸濁液を乾燥させることにより、細胞をガラス基板の上に固定した後、タンパク分解酵素と界面活性剤によりかご構造を部分的に破壊する。これにより、内部のDNAが露出するとともに、残存しているヒストンなども分解され、染色体が弛緩される。ここで、DNAの一部がかご構造を介して基板に固定されているので、電気浸透流によりかご構造からDNAが引き出されて、伸長される。   The procedure for elongation of chromosomal DNA from cage-structured cells is described. First, cells are fixed on a glass substrate by drying the cell suspension, and then the cage is used with a protease and a surfactant. Partially destroy the structure. As a result, the internal DNA is exposed, the remaining histones and the like are decomposed, and the chromosome is relaxed. Here, since a part of the DNA is fixed to the substrate via the cage structure, the DNA is pulled out of the cage structure by the electroosmotic flow and is elongated.

染色体をフローマーカーとするときは、あらかじめ染色体を蛍光染料Yo-Pro-1(Molecular Probe社)で染色してからファイバー化し、ビーズの場合の測定手順の項目3と同様にblue励起で可視化した。電気浸透流によってファイバーがたなびく様子をカメラで観察した。   When the chromosome was used as a flow marker, the chromosome was previously stained with a fluorescent dye Yo-Pro-1 (Molecular Probe) and then made into fiber, and visualized by blue excitation in the same manner as in item 3 of the measurement procedure for beads. The state of the fiber fluttering by electroosmotic flow was observed with a camera.

図16は、この装置を用いた酵母(S. Pombe)の染色体DNAの伸長例を示す。伸長DNAが顕微鏡の1視野に入りきらないため、この写真は複数のフレームをつなげて示してある。写真中、左右方向に伸びている輝度の高いファイバー状のものがDNAであり、伸長の長さは約800μmである。中央左よりのところは両端に比べて輝度が高いが、これはDNAが凝縮している部分であると考えられる。得られた伸長の長さは従来のメニスカスフォースを用いたDNA伸長法で得られる700kb=約230μmの3倍に相当する。写真の下側に、伸長され展開されている染色体を示す。また、基板表面に対物レンズの焦点を合わせたところから焦点を移動させ伸長DNAに合わせたときの焦点の移動距離が約2μmであることから、伸長DNAはガラス基板に吸着することなく、一方を基板に固定され多状態で、基板から2μm離れた位置に浮かんでいることがわかる。また、図10に示すような複数の壁状構造を設けたフローセルでは、2つの壁の間に細胞を固着することにより、異なるDNA試料を同時に分離して伸長できる。   FIG. 16 shows an example of elongation of chromosomal DNA of yeast (S. Pombe) using this apparatus. Since the stretched DNA does not fit in one field of view of the microscope, this picture is shown with multiple frames connected. In the photograph, a fiber having a high brightness extending in the left-right direction is DNA, and the length of extension is about 800 μm. The brightness from the center left is higher than that at both ends, which is considered to be a portion where DNA is condensed. The length of the extension obtained corresponds to three times 700 kb = about 230 μm obtained by the DNA extension method using the conventional meniscus force. Below the photo is the expanded and unfolded chromosome. In addition, since the focal point moves when the focal point of the objective lens is focused on the substrate surface and is aligned with the extended DNA, the distance of the focal point is about 2 μm. It can be seen that it is fixed to the substrate and floats at a position 2 μm away from the substrate in multiple states. Further, in the flow cell provided with a plurality of wall-like structures as shown in FIG. 10, different DNA samples can be separated and extended simultaneously by fixing the cells between the two walls.

したがって、電気浸透フローセルは、DNAまたは直鎖状高分子の解析方法に使用できる。すなわち、電気浸透フローセルにおいて、DNAまたは直鎖状高分子の一端を流路に固定して液体を流路に導入し、電気フローセルの電極に定電圧を印加して一様な方向に流れる電気浸透流を発生させる。これにより、一様な剪断力が生じるので、DNAまたは直鎖状高分子を、一様な電気浸透流の方向に展開、整列することによって解析する。   Therefore, the electroosmotic flow cell can be used for a DNA or linear polymer analysis method. That is, in an electroosmotic flow cell, one end of DNA or a linear polymer is fixed to a flow channel, a liquid is introduced into the flow channel, and a constant voltage is applied to the electrode of the electric flow cell to flow in a uniform direction. Generate a flow. Thereby, since a uniform shearing force is generated, DNA or linear polymer is analyzed by developing and aligning in the direction of uniform electroosmotic flow.

一方、比較例として、図17に、従来の矩形型フローセルで発生された電気浸透流による酵母染色体DNAの伸長展開の試みが失敗した状況を示す。写真の下側に展開不全の染色体分子群を図式的に示す。   On the other hand, as a comparative example, FIG. 17 shows a situation where an attempt to extend and expand yeast chromosomal DNA by electroosmotic flow generated in a conventional rectangular flow cell has failed. A chromosomal molecule group with poor development is schematically shown on the lower side of the photograph.

上述のように、かご構造からのDNAの伸長により、一端だけが固定され、他方が電気浸透流によりたなびいている伸長DNAが得られるが、しかし、この状態は、電圧を印加し続けなければ維持できない。そこで、電圧を切った後にも伸長状態が保持できるように、基板上に設けた微小柱状構造に伸長DNAを固定する。すなわち、ガラス基板上に複数対の電極と、その間に置かれた柱状構造を設け、その近傍に細胞をおく。ある1対の電極に電圧を印加し、細胞から引き出されたDNAが伸長したところで、別の電極対に電圧を印加することにより、電気浸透流の向きを変え、微小柱にDNAを吸着させ、または、巻き付けることにより固定する。このDNA処理を用いると、各DNAを長さにより分離することが可能になる。   As described above, the extension of the DNA from the cage structure yields an extended DNA that is fixed at one end only and is oscillated at the other end by electroosmotic flow, but this state is maintained unless voltage is continuously applied. Can not. Therefore, the extended DNA is fixed to a micro-columnar structure provided on the substrate so that the extended state can be maintained even after the voltage is turned off. That is, a plurality of pairs of electrodes and a columnar structure placed therebetween are provided on a glass substrate, and cells are placed in the vicinity thereof. When a voltage is applied to a certain pair of electrodes and the DNA extracted from the cell is stretched, a voltage is applied to another pair of electrodes to change the direction of the electroosmotic flow and adsorb the DNA to the micropillars. Or fix by winding. When this DNA treatment is used, each DNA can be separated by length.

1例として、図5に示す卍型フローセルの流路に、たとえばフォトレジストSU-8(MicroChem Corp)を使用してフォトリソグラフィにより高さ10μm、直径10μmの微小柱を6mm×6mmの領域に100μmの間隔で作成した。そして、柱群の存在する領域内に細胞を置き、卍型フローセルを用いて1つの方向(たとえば右方向)の浸透流を作り、DNAを伸長する。電気浸透流により引き出されたDNAは、基板から約2μm離れた位置で伸長されるため、DNAはガラス基板に接触することなく、2つの微小柱24をまたがって吊り橋状に懸架される。図18は、懸架されている酵母染色体DNAの写真であり、図19は、その状況を図式的に示す。まず、図20に示すように、a+からa−の間に電圧を印加して、基板上に片端が固定されたDNAを2つの微小柱24に並行に伸長する。次に、図21に示すように、これに直交する方向に電圧を印加して、伸長DNAを微小柱24に宙吊りして固定させる。また、3つの微小柱を備えるセルにおいて、電場の方向を変えていくことにより、伸長DNAを3つの微小柱の周りに巻きつけることができる。このように、卍型フローセルでは、基板上に片端が固定された直鎖状高分子(染色体DNA)の配向を、あたかも方位磁石の針を磁力で操作するが如く、制御できる。これらの結果は、卍型フローセルが、物質を多方向(定電圧印加の場合に取り得る最も単純な組み合わせで8方向)へ搬送することができること、さらには物質に多方向から剪断力を与えることができることを示している。   As an example, a micro pillar having a height of 10 μm and a diameter of 10 μm is applied to a flow path of the vertical flow cell shown in FIG. 5 using a photoresist SU-8 (MicroChem Corp), for example, in a 6 mm × 6 mm area of 100 μm. Created at intervals. Then, the cells are placed in the region where the column group exists, and the osmotic flow cell is used to create an osmotic flow in one direction (for example, right direction), thereby extending the DNA. Since the DNA extracted by the electroosmotic flow is extended at a position about 2 μm away from the substrate, the DNA is suspended in a suspension bridge shape across the two micropillars 24 without contacting the glass substrate. FIG. 18 is a photograph of the suspended yeast chromosomal DNA, and FIG. 19 schematically shows the situation. First, as shown in FIG. 20, a voltage is applied between a + and a−, and DNA having one end fixed on the substrate is extended in parallel to two micropillars 24. Next, as shown in FIG. 21, a voltage is applied in a direction orthogonal to this, and the extended DNA is suspended in the micropillar 24 and fixed. In a cell having three micropillars, the extended DNA can be wound around the three micropillars by changing the direction of the electric field. As described above, in the vertical flow cell, the orientation of the linear polymer (chromosomal DNA) having one end fixed on the substrate can be controlled as if the azimuth magnet needle is operated by a magnetic force. These results indicate that the vertical flow cell can transport the material in multiple directions (8 directions with the simplest possible combination when applying a constant voltage), and further apply shear force to the material from multiple directions. It shows that you can.

したがって、本発明の流路内に複数の柱状部を形成した電気浸透フローセルを用いて、DNAまたは直鎖状高分子を柱状部の間に懸架できる。すなわち、電気浸透フローセルにおいて、DNAまたは直鎖状高分子の一端を流路に固定して液体を流路に導入し、電気浸透フローセルの電極に定電圧を印加して一様な方向に流れる電気浸透流を発生させ、DNAまたは直鎖状高分子を一様な電気浸透流の方向に展開、整列する。さらに、電極に印加する電圧を変化させて印加電場の方向を変化させて電気浸透流の方向を変化して、展開されたDNAまたは直鎖状高分子を柱状部の間に懸架する。   Therefore, DNA or a linear polymer can be suspended between the columnar parts using the electroosmotic flow cell in which a plurality of columnar parts are formed in the flow path of the present invention. That is, in an electroosmotic flow cell, one end of DNA or a linear polymer is fixed to a flow channel, a liquid is introduced into the flow channel, and a constant voltage is applied to the electrode of the electroosmotic flow cell to flow in a uniform direction. Osmotic flow is generated, and DNA or linear polymer is developed and aligned in the direction of uniform electroosmotic flow. Further, by changing the voltage applied to the electrodes to change the direction of the applied electric field to change the direction of the electroosmotic flow, the developed DNA or linear polymer is suspended between the columnar parts.

図22は、全開放系の電気浸透フローセル装置を示す。この装置は、図1と図2に示すコの字型(シス型)フローセルと同様であるが、さらに、中央部11に、流れの方向に試料を注入する注入口14と、流れの方向に試料を排出する排出口15が設けられる。端部12,13の電極(図示しない)に定電圧が印加され、中央部11で一様な電気浸透流が流れる状況で、注入口14から注入された試料は中央部で一様に流れた後、排出口15から出て行く。また、図23は、注入口14に注入用ポンプ(たとえば注射器)16を設置し、排出口15に排出用ポンプ(たとえば注射器)17を設置した例を示す。   FIG. 22 shows a fully open electroosmotic flow cell device. This apparatus is similar to the U-shaped (cis-type) flow cell shown in FIGS. 1 and 2, but further has an inlet 14 for injecting a sample in the flow direction in the central portion 11, and a flow direction. A discharge port 15 for discharging the sample is provided. In a situation where a constant voltage was applied to the electrodes (not shown) at the end portions 12 and 13 and a uniform electroosmotic flow flowed in the central portion 11, the sample injected from the injection port 14 flowed uniformly in the central portion. After that, it goes out from the discharge port 15. FIG. 23 shows an example in which an injection pump (for example, a syringe) 16 is installed at the injection port 14 and a discharge pump (for example, a syringe) 17 is installed at the discharge port 15.

なお、注入口14と排出口15は、複数あってもよく、また、それらの立体配置は、図に示すように基板表面に対して平行であってもよく、また、垂直であってもよく、また、平行と垂直の組み合わせでもかまわない。また、それらの位置は、中央部11であっても端部12,13であってもよい。また、フローセル装置の流路の形状は、コの字型フローセルに限られないことはいうまでもない。   There may be a plurality of inlets 14 and outlets 15, and their three-dimensional arrangement may be parallel to the substrate surface as shown in the figure, or may be vertical. Also, a combination of parallel and vertical may be used. Further, the position may be the central portion 11 or the end portions 12 and 13. Needless to say, the shape of the flow path of the flow cell apparatus is not limited to the U-shaped flow cell.

次に、図24と図25は、大きな電気浸透フローセル(大セル)と小さな電気浸透フローセル(小セル)を入れ子式に組み合わせた半開放系のフローセル装置の斜視図と平面図である。小セルは、中央部61と2つの端部62,63からなる。端部62,63は、それぞれ、矩形部62a,63aとそれを中央部の側部側につなぐ接続部62b,63bとからなり、また、矩形部62aは図示しない電極を備える。また、大セルは、中央部61に続く2つの端部64,65を備え、端部64,65は、それぞれ、矩形部64a,65aとそれを中央部の側部側につなぐ接続部64b,65bとからなり、また、矩形部64a,65aは図示しない電極を備える。接続部64b,65bは途中で折れ曲がっており、電気浸透流は、細長い接続部64bから幅の広い中央部61を経て細長い接続部64bへと直線的に流れる。図において、+と−は印加直流電圧の極性を示す。(なお、図24と図25においてガラス基板の図示が省略され、また、図24では大セルの壁面の図示を省略している。)大セルの矩形部64aは、試料注入口とポンプの両方の機能を兼ね備え、大セルのもう1つの矩形部65aは、試料排出口とポンプの両方の機能を兼ね備える。このフローセル装置において、大セルによって搬送された物質が小セルに運ばれる。物質の搬送は、2対の電極に印加する電圧により制御される。なお、フローセル装置の流路の形状は、コの字型フローセルに限られないことはいうまでもない。   Next, FIGS. 24 and 25 are a perspective view and a plan view of a semi-open flow cell device in which a large electroosmotic flow cell (large cell) and a small electroosmotic flow cell (small cell) are combined in a nested manner. The small cell includes a central portion 61 and two end portions 62 and 63. The end portions 62 and 63 include rectangular portions 62a and 63a and connecting portions 62b and 63b that connect the rectangular portions 62a and 63a to the side of the central portion, respectively, and the rectangular portion 62a includes an electrode (not shown). Further, the large cell includes two end portions 64 and 65 following the central portion 61, and the end portions 64 and 65 are respectively connected to the rectangular portions 64a and 65a and the connecting portions 64b and 64b that connect the side portions to the central portion. The rectangular portions 64a and 65a include electrodes (not shown). The connecting portions 64b and 65b are bent in the middle, and the electroosmotic flow linearly flows from the elongated connecting portion 64b to the elongated connecting portion 64b through the wide central portion 61. In the figure, + and-indicate the polarity of the applied DC voltage. (Note that the glass substrate is not shown in FIGS. 24 and 25, and the wall surface of the large cell is omitted in FIG. 24.) The rectangular portion 64a of the large cell is both a sample inlet and a pump. The other rectangular portion 65a of the large cell has both functions of a sample discharge port and a pump. In this flow cell apparatus, the substance conveyed by the large cell is conveyed to the small cell. Material transport is controlled by the voltage applied to the two pairs of electrodes. Needless to say, the shape of the flow path of the flow cell device is not limited to the U-shaped flow cell.

以上に説明したように、本発明の各種フローセルは、DNAなどの操作、改変に使用できるが、さらに他の機能と組み合わせることもできる。小型化学分析装置(携帯型医療診断装置を含む)とは、チップ上にポンプ、バルブ、センサなどを小型化・集積化した化学分析システムである。また、さらにリアクターなどさまざまな機能を微小化、集積化させ化学合成などを行うシステムも研究されている。そのような装置やシステムにおいて、本発明のフローセルを用いたマイクロ搬送装置を組み込んで物質を搬送できる。また、本発明の複数方向に流れを制御可能なフローセルを組み込んで、物質を多方向へ搬送する操作を行える。また、フローセルの流路の近傍にセンサを配置することにより、流れている物質について分析することができる。   As described above, the various flow cells of the present invention can be used for manipulation and modification of DNA and the like, but can also be combined with other functions. A small chemical analyzer (including a portable medical diagnostic device) is a chemical analysis system in which pumps, valves, sensors, and the like are miniaturized and integrated on a chip. In addition, systems that perform chemical synthesis by miniaturizing and integrating various functions such as reactors are also being studied. In such an apparatus or system, a substance can be transferred by incorporating a micro transfer apparatus using the flow cell of the present invention. Further, the flow cell capable of controlling the flow in a plurality of directions according to the present invention can be incorporated to carry out the operation of transporting the substance in multiple directions. Moreover, the substance which flows can be analyzed by arrange | positioning a sensor in the vicinity of the flow path of a flow cell.

電子浸透フローセル装置の概略図Schematic diagram of electron osmosis flow cell device コの字型(シス型)フローセルの中空部の図Hollow section of U-shaped (cis) flow cell トランス型フローセルの中空部の図Hollow section of transformer type flow cell シス型フローセルの変形例の中空部の図Figure of the hollow part of a modification of the cis type flow cell 卍型フローセルの中空部の図Figure of hollow part of vertical flow cell 卍型フローセルの変形例の中空部の図Figure of the hollow part of the modification of the vertical flow cell 非直線状フローセルの中空部の図Figure of hollow part of non-linear flow cell 多流路のフローセルの中空部の図Figure of hollow part of multi-channel flow cell 微小柱を備えるフローセルの中空部の図Figure of hollow part of flow cell with micro pillar 壁状構造を備えるフローセルの中空部の図Illustration of hollow part of flow cell with wall-like structure フローセルのマイクロチップの図Flow cell microchip diagram 従来の矩形型セルについて、蛍光マイクロビーズを用いた電気浸透流の解析を示す図Diagram showing analysis of electroosmotic flow using fluorescent microbeads for a conventional rectangular cell シス型セルについて、蛍光マイクロビーズを用いた電気浸透流の解析を示す図Diagram showing analysis of electroosmotic flow using fluorescent microbeads for cis type cell 従来の矩形型セルについて、任意の各ビーズの+極から−極方向にそった位置の経時変化(相対値)を示す図The figure which shows the time-dependent change (relative value) of the position along the + pole direction from the + pole of each arbitrary bead about the conventional rectangular cell. シス型セルについて、任意の各ビーズの+極から−極方向にそった位置の経時変化(相対値)を示す図The figure which shows the time-dependent change (relative value) of the position along the + pole direction from the + pole of each arbitrary bead about a cis type cell. シス型セルで発生された電気浸透流による酵母染色体DNAの伸長展開の図Diagram of elongation and development of yeast chromosomal DNA by electroosmotic flow generated in cis-type cells 従来の矩形型フローセルで発生された電気浸透流による酵母染色体DNAの伸長展開の失敗例の図Diagram of an example of unsuccessful extension of yeast chromosomal DNA by electroosmotic flow generated in a conventional rectangular flow cell 懸架されている酵母染色体DNAの図Illustration of suspended yeast chromosomal DNA 懸架されている酵母染色体DNAの状況を図式的に示す図Diagram showing the situation of suspended yeast chromosomal DNA 酵母染色体DNAの懸架の状況を図式的に示す図Diagram showing the situation of yeast chromosomal DNA suspension 酵母染色体DNAの懸架の状況を図式的に示す図Diagram showing the situation of yeast chromosomal DNA suspension 全開放系フローセル装置の斜視図Perspective view of a fully open flow cell device 全開放系フローセル装置の斜視図Perspective view of a fully open flow cell device 半開放系フローセル装置の斜視図Perspective view of semi-open flow cell device 半開放系フローセル装置の平面図Plan view of a semi-open flow cell device

符号の説明Explanation of symbols

1 ガラス基板、 2 絶縁体シート2、 3 中空部、 4 直流定電圧電源装置、 11、21,31,41,41,51 中央部、 12、13、22,23,32,33,42,43,52,53 端部、 14 注入口、 15 排出口、 24 柱状構造、 54 壁状構造。
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Glass substrate, 2 Insulator sheet 2, 3 Hollow part, 4 DC constant voltage power supply device 11, 21, 21, 31, 41, 41, 51 Center part, 12, 13, 22, 23, 32, 33, 42, 43 , 52, 53 edge, 14 inlet, 15 outlet, 24 columnar structure, 54 wall structure.

Claims (21)

電気浸透流の流路を形成した電気浸透フローセルであって、
少なくとも流路の底面が、電荷を帯びた材料または人為的に荷電処理した材料からなり、
流路は、一様な幅の中央部と、流路の始点及び終点となる2つの端部とからなり、前記の中央部は、その長手方向に関して側部側から前記の各端部に続くことを特徴とする電気浸透フローセル。
An electroosmotic flow cell having a flow path for electroosmotic flow,
At least the bottom surface of the flow path is made of a charged material or an artificially charged material,
The flow path is composed of a central portion having a uniform width and two end portions which are a start point and an end point of the flow path, and the central portion continues from the side portion side to the end portions in the longitudinal direction. An electroosmotic flow cell characterized by that.
前記の中空部の2つの端部は中央部の長手方向に関して同じ側にあることを特徴とする請求項1に記載された電気浸透フローセル。 The electroosmotic flow cell according to claim 1, wherein the two end portions of the hollow portion are on the same side with respect to the longitudinal direction of the central portion. 前記の中空部の2つの端部は中央部の長手方向に関して異なる側にあることを特徴とする請求項1に記載された電気浸透フローセル。 The electroosmotic flow cell according to claim 1, wherein the two end portions of the hollow portion are on different sides with respect to the longitudinal direction of the central portion. 前記の流路を複数備え、複数の流路の中央部が相互に交差することを特徴とする請求項1に記載された電気浸透フローセル。 The electroosmotic flow cell according to claim 1, wherein a plurality of the flow paths are provided, and central portions of the plurality of flow paths intersect each other. 前記の流路を複数備え、複数の流路の中央部が共通の両端部を備えることを特徴とする請求項1に記載された電気浸透フローセル。 2. The electroosmotic flow cell according to claim 1, wherein a plurality of the flow paths are provided, and a central portion of the plurality of flow paths is provided with common end portions. 電気浸透流の流路を備える電気浸透フローセルであって、
少なくとも流路の底面が電荷を帯びた材料または人為的に荷電処理した材料からなり、
前記の流路は、一様な幅の中央部と、流路の始点及び終点となる2つの端部とからなり、前記の中央部は2つの端部の間で非直線形状で存在することを特徴とする電気浸透フローセル。
An electroosmotic flow cell comprising an electroosmotic flow channel,
At least the bottom of the channel is made of a charged material or artificially charged material,
The flow path is composed of a central portion having a uniform width and two end portions serving as a start point and an end point of the flow path, and the central portion exists in a non-linear shape between the two end portions. An electroosmotic flow cell characterized by.
さらに、1以上の柱状部を、前記の底面の上に、かつ、前記の流路の中に設けることを特徴とする請求項1〜6のいずれか1項に記載された電気浸透フローセル。 The electroosmotic flow cell according to claim 1, wherein one or more columnar portions are provided on the bottom surface and in the flow path. さらに、1以上の壁状部を、前記の底面の上に、かつ、前記の絶縁体シートの中空部の中に設けることを特徴とする請求項1〜6のいずれか1項に記載された電気浸透フローセル。 Furthermore, one or more wall-shaped parts are provided on the said bottom face, and in the hollow part of the said insulator sheet, It was described in any one of Claims 1-6 characterized by the above-mentioned. Electroosmotic flow cell. 電荷を帯びた材料または人為的に荷電処理した材料の基板と、前記の基板の上に設置される絶縁体シートとからなり、前記の流路は、前記の絶縁体シートの中空部として形成されていることを特徴とする請求項1から8のいずれか1項に記載された電気浸透フローセル。 It consists of a substrate of a charged material or an artificially charged material and an insulator sheet placed on the substrate, and the flow path is formed as a hollow portion of the insulator sheet. The electroosmotic flow cell according to any one of claims 1 to 8, wherein the electroosmotic flow cell is provided. さらに、前記の端部にそれぞれ電極を備えることを特徴とする請求項1〜9の中のいずれか1項に記載された電気浸透フローセル。 The electroosmotic flow cell according to any one of claims 1 to 9, further comprising an electrode at each of the end portions. さらに、試料を流路内に注入する注入口と、試料を流路内から排出する排出口を備えることを特徴とする請求項1〜10のいずれか1項に記載された電気浸透フローセル。 The electroosmotic flow cell according to claim 1, further comprising an inlet for injecting the sample into the channel and an outlet for discharging the sample from the channel. さらに、注入口に試料を注入する注入ポンプと、排出口から試料を排出する排出ポンプを備えることを特徴とする請求項11に記載された電気浸透フローセル。 The electroosmotic flow cell according to claim 11, further comprising an injection pump for injecting the sample into the injection port and a discharge pump for discharging the sample from the discharge port. さらに、各端部に設けた電極に直流定電圧を印加する定電圧電源を備えることを特徴とする請求項10に記載された電気浸透フローセル装置。 The electroosmotic flow cell device according to claim 10, further comprising a constant voltage power source that applies a DC constant voltage to electrodes provided at each end. 電荷を帯びた材料または人為的に荷電処理した材料の表面上に設置されて電気浸透フローセルを形成するための絶縁体シートであって、流路となる一様な幅の中央部と、流路の始点及び終点となる2つの端部とからなる中空部を備え、前記の中央部は、その長手方向に関して側部側から前記の各端部に続くことを特徴とする絶縁体シート。 An insulating sheet for forming an electroosmotic flow cell installed on the surface of a charged material or an artificially charged material, and having a central portion with a uniform width as a flow path, and a flow path An insulating sheet comprising: a hollow portion including two end portions serving as a start point and an end point of the substrate, wherein the central portion continues from the side portion side to the end portions with respect to the longitudinal direction. 電荷を帯びた材料または人為的に荷電処理した材料の表面上に設置されて電気浸透フローセルを形成するための絶縁体シートであって、流路となる一様な幅の中央部と、流路の始点及び終点となる2つの端部とからなる中空部を備え、前記の中央部は2つの端部の間で非直線形状で存在することを特徴とする絶縁体シート。 An insulating sheet for forming an electroosmotic flow cell installed on the surface of a charged material or an artificially charged material, and having a central portion with a uniform width as a flow path, and a flow path An insulator sheet comprising: a hollow portion including two end portions serving as a start point and an end point of the substrate, wherein the central portion exists in a non-linear shape between the two end portions. 電荷を帯びた材料または人為的に荷電処理した材料からなる底面を備える複数の流路を形成した電気浸透フローセルチップであって、
各流路は、一様な幅の中央部と、流路の始点及び終点となる2つの端部とからなり、前記の中央部は、その長手方向に関して側部側から前記の各端部に続くことを特徴とする電気浸透フローセルチップ。
An electroosmotic flow cell chip having a plurality of flow paths provided with a bottom surface made of a charged material or an artificially charged material,
Each flow path is composed of a central portion having a uniform width and two end portions serving as a start point and an end point of the flow channel, and the central portion extends from the side to the end portions with respect to the longitudinal direction. An electro-osmotic flow cell chip, which is continued.
電荷を帯びた材料または人為的に荷電処理した材料からなる底面を備える複数の流路を形成した電気浸透フローセルチップであって、
各流路は、一様な幅の中央部と、流路の始点及び終点となる2つの端部とからなり、中央部は、両端部の間で非直線形状で存在することを特徴とする電気浸透フローセルチップ。
An electroosmotic flow cell chip having a plurality of flow paths provided with a bottom surface made of a charged material or an artificially charged material,
Each flow path is composed of a central portion having a uniform width and two end portions serving as a start point and an end point of the flow path, and the central portion exists in a non-linear shape between both end portions. Electroosmotic flow cell chip.
さらに、前記の中空部の両端部にそれぞれ電極を備えることを特徴とする請求項16または17に記載された電気浸透フローセルチップ。 The electroosmotic flow cell chip according to claim 16 or 17, further comprising electrodes at both ends of the hollow portion. 電荷を帯びた材料または人為的に荷電処理した材料上に形成した流路を備える電気浸透フローセルを用意し、
DNAまたは直鎖状高分子の一端を流路に固定して液体を流路に導入し、
電気フローセルの電極に定電圧を印加して一様な方向に流れる電気浸透流を発生させ、DNAまたは直鎖状高分子を一様な電気浸透流の方向に展開、整列することによって解析する解析方法。
Prepare an electroosmotic flow cell with a channel formed on a charged or artificially charged material,
One end of DNA or linear polymer is fixed to the flow channel, and a liquid is introduced into the flow channel,
Analyzing by applying a constant voltage to the electrodes of an electric flow cell to generate an electroosmotic flow that flows in a uniform direction, and then deploying and aligning DNA or linear polymers in the direction of the uniform electroosmotic flow Method.
電荷を帯びた材料または人為的に荷電処理した材料上に形成した流路を備える電気浸透フローセルを用意し、
10nmから100μmの大きさの分子を含む液体を流路に導入し、
電気浸透フローセルの電極に定電圧を印加して一様な方向に流れる電気浸透流を発生させて、10nmから100μmの大きさの分子を搬送する搬送方法。
Prepare an electroosmotic flow cell with a channel formed on a charged or artificially charged material,
Introducing a liquid containing molecules having a size of 10 nm to 100 μm into the flow path;
A transport method for transporting molecules having a size of 10 nm to 100 μm by applying a constant voltage to electrodes of an electroosmotic flow cell to generate an electroosmotic flow that flows in a uniform direction.
電荷を帯びた材料または人為的に荷電処理した材料上に形成した流路を備え、流路内に複数の柱状部を形成した電気浸透フローセルを用意し、
DNAまたは直鎖状高分子の一端を流路に固定して液体を流路に導入し、
電気浸透フローセルの電極に定電圧を印加して一様な方向に流れる電気浸透流を発生させ、DNAまたは直鎖状高分子を一様な電気浸透流の方向に展開、整列し、
前記の電極に印加する電圧を変化させて印加電場の方向を変化させて電気浸透流の方向を変化して、展開されたDNAまたは直鎖状高分子を柱状部の間に懸架する処理方法。
An electroosmotic flow cell having a flow path formed on a charged material or an artificially charged material and having a plurality of columnar portions formed in the flow path is prepared.
One end of DNA or linear polymer is fixed to the flow channel, and a liquid is introduced into the flow channel,
Applying a constant voltage to the electrodes of the electroosmotic flow cell to generate an electroosmotic flow that flows in a uniform direction, deploying and aligning DNA or linear polymer in the direction of the uniform electroosmotic flow,
A treatment method in which the voltage applied to the electrode is changed to change the direction of the applied electric field to change the direction of the electroosmotic flow, and the developed DNA or linear polymer is suspended between the columnar parts.
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