JP2009274041A - Sample concentrating device and method - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a sample concentrating device which can concentrate particles to be detected to a high concentration. <P>SOLUTION: The inner wall surface of a passage 14 is negatively charged, and positive ions 30 contained in a sample solution 28 in the passage 14 are adsorbed on the inner wall surface of the passage 14. When an electric field is generated between electrodes 18, 19 for concentration, negatively charged particles 29 in the sample solution 28 in a concentration area between the electrodes 18, 19 for concentration is forced in the reverse direction of the electric field and moved (electrophoresis), and attracted to the electrode 18 for concentration to be flocculated and to be concentrated at the electrode 18 for concentration. The positive ions 30 are moved in the electric field direction by Coulomb force to generate a flow (electroosmotic flow) of the sample solution 28. Consequently, the particles 29 are continuously supplied to the concentration area by the electroosmotic flow, and the supplied particles 29 are concentrated by the electrophoresis. <P>COPYRIGHT: (C)2010,JPO&INPIT

Description

本発明はサンプル濃縮装置及びサンプル濃縮方法に関する。具体的に言えば、細菌、ウィルス、DNA、タンパク質などの生体物質を含んだサンプルを電気泳動法によって濃縮させるためのサンプル濃縮装置と当該装置を用いたサンプル濃縮方法に係るものである。   The present invention relates to a sample concentration apparatus and a sample concentration method. Specifically, the present invention relates to a sample concentrating device for concentrating a sample containing biological materials such as bacteria, viruses, DNA, and proteins by electrophoresis and a sample concentrating method using the device.

(電気泳動法の概観)
バイオセンサ、化学センサの分野では、低濃度物質を検出するためや装置の小型化に伴う検出能力の低下を補うために、センサ感度の向上が求められている。例えば細菌検査では、細菌を数日間培養した後、細菌培養したサンプルを用いて目的とする細菌を検出する方法が用いられている。しかし、この方法では細菌の検出までに数日間要したり、検出感度が細菌の増殖能力に依存したりするため、迅速な検査には対応できない。また、高感度で短時間に検出する方法としてはDNAを分析する方法があるが、この方法では死菌と生菌の区別ができないため、殺菌した菌も検出してしまい、根本的な問題がある。
(Overview of electrophoresis)
In the fields of biosensors and chemical sensors, sensor sensitivity is required to be improved in order to detect low-concentration substances and to compensate for a decrease in detection capability accompanying downsizing of the apparatus. For example, in a bacterial test, a method is used in which a bacterium is cultured for several days and then a target bacterium is detected using a cultivated sample. However, with this method, it takes several days to detect bacteria, and the detection sensitivity depends on the growth ability of the bacteria, so it cannot cope with a rapid test. In addition, there is a method of analyzing DNA as a method of high sensitivity and detection in a short time. However, since this method cannot distinguish between dead bacteria and live bacteria, it also detects sterilized bacteria and has a fundamental problem. is there.

これに対し、電気泳動を用いた濃縮法では、電気泳動による細菌の濃縮と分離が可能であるため、サンプルを濃縮することにより細菌の高感度検出が行えるようになり、さらに生菌を死菌から分離することで生菌の高感度検出が行えるようになることが期待される。特に、キャピラリー電気泳動法では、高い分離能を有し、短い時間で分析を行え、必要とするサンプルや試薬の量が少ないなどの利点によって近年注目されている。   On the other hand, the concentration method using electrophoresis allows the concentration and separation of bacteria by electrophoresis, so that highly sensitive detection of bacteria can be performed by concentrating the sample, and the viable bacteria can be killed. It is expected that viable bacteria can be detected with high sensitivity. In particular, capillary electrophoresis has attracted attention in recent years because of its advantages such as high resolution, analysis in a short time, and a small amount of sample and reagent required.

従来の電気泳動を利用した濃縮システムでは、ゲルや二種類の溶液を用いて濃縮するスタッキングという手法が一般的に用いられてきたが、このシステムでは濃縮サンプルの検出方法が限られてしまったり、サンプル量が限られてしまう欠点がある。また、公知の発明例でも、濃縮についての発明はあるが、濃縮したサンプルを検出する機構まで考えた例は少なく、そのままでは濃縮サンプルを検出するまでに拡散してしまったり、センサ上で検出できなかったりした。   In conventional concentration systems using electrophoresis, a method called stacking that concentrates using a gel or two types of solutions has been generally used. However, in this system, the detection method for concentrated samples is limited, There is a drawback that the sample amount is limited. In addition, although there are inventions regarding concentration even in known invention examples, there are only a few examples considering the mechanism for detecting a concentrated sample, and if it is left as it is, it can be diffused until a concentrated sample is detected, or it can be detected on the sensor. I did not.

(公知文献例の説明)
公知文献としては、例えば特開2005−127771号公報(特許文献1)がある。この文献に開示されているものは、DNAサンプルのゲル電気泳動用マイクロチップである。このチップでは、流路の途中に中間電極を設け、マイナスに帯電しているDNAをプラスの電圧を印加した中間付近に集める。そして、その後、中間電極の電圧をオープンさせ、その先の電極にプラス電圧を印加することで取り出している。
(Explanation of examples of known literature)
As a known document, for example, there is JP-A-2005-127771 (Patent Document 1). What is disclosed in this document is a microchip for gel electrophoresis of DNA samples. In this chip, an intermediate electrode is provided in the middle of the flow path, and the negatively charged DNA is collected in the vicinity of the middle where a positive voltage is applied. Then, after that, the voltage of the intermediate electrode is opened, and the positive electrode is applied by applying a plus voltage to the electrode beyond that.

しかし、この特許文献1のマイクロチップでは、ゲルを使用する必要があるため、電気浸透流などの流れがある場合には、そのままの機構で濃縮に適用することができない。また、ゲルを用いるため、大腸菌などの大きな粒子のサンプルを濃縮することもできない。さらに、溶液中の粒子をそのまま分析できず、粒子がゲル中に侵入するため検出方法が限られるという難点がある。特に、化学センサやSPRとの相性が悪い。   However, in the microchip of Patent Document 1, since it is necessary to use a gel, when there is a flow such as an electroosmotic flow, it cannot be applied to concentration by the same mechanism. Moreover, since a gel is used, a sample of large particles such as E. coli cannot be concentrated. Furthermore, the particles in the solution cannot be analyzed as they are, and there is a problem that the detection method is limited because the particles penetrate into the gel. In particular, compatibility with chemical sensors and SPR is poor.

また、別な公知文献としては、特表平6−505593号公報(特許文献2)がある。この文献に開示されているのは、サンプルの成分を補助バッファ内にスタックしながら、電気浸透流で毛細管からサンプルバッファを抽出してサンプル濃度を改良するものである。   As another known document, there is JP-A-6-505593 (Patent Document 2). This document discloses the sample concentration being improved by extracting the sample buffer from the capillary with electroosmotic flow while stacking the sample components in the auxiliary buffer.

しかし、特許文献2に記載されている方法では、希釈したサンプル溶液を用いるため、構造が複雑になる。また、全体の構造が大きく、複雑であるという難点がある。さらに、スタッキングによる濃縮であるため、一般的なスタッキング濃縮と同様な課題がある。   However, in the method described in Patent Document 2, since a diluted sample solution is used, the structure becomes complicated. In addition, the overall structure is large and complicated. Furthermore, since concentration is performed by stacking, there are problems similar to general stacking concentration.

一般に、スタッキング濃縮では、泳動液間にサンプル溶液を保持させなければならないので、サンプル溶液の注入量に限界があるという点が最大の短所である。すなわち、サンプル溶液の注入量が増大すると溶液中と泳動液中における電場の強さの違いにより電気浸透流に差が生じて,溶液が混合してしまい、分離できなくなるのである。この短所は、特許文献2の方法でも同様である。   In general, in stacking concentration, since the sample solution must be held between the electrophoresis solutions, the greatest disadvantage is that the injection amount of the sample solution is limited. That is, when the injection amount of the sample solution increases, a difference occurs in the electroosmotic flow due to the difference in electric field strength between the solution and the electrophoresis solution, and the solution is mixed and cannot be separated. This disadvantage is also the same in the method of Patent Document 2.

また、別な公知文献としては、特表2002−517751号公報(特許文献3)がある。この文献に開示されているものは、マイクロチップあるいは毛細管を用いて、その入口に電極を形成しておき、溶液の流れと電極による電気泳動のバランスにより、入口付近に成分物質を濃縮させる方法である。この溶液の流れには、圧力流、電気浸透流などが含まれる。   As another known document, there is JP-T-2002-517751 (Patent Document 3). What is disclosed in this document is a method in which a microchip or a capillary is used to form an electrode at the inlet, and a component substance is concentrated near the inlet by a balance between the flow of the solution and electrophoresis by the electrode. is there. This solution flow includes pressure flow, electroosmotic flow and the like.

しかしながら、特許文献3の方法では、入口の電極に14kVという非常に高い高電圧をかけているので、使用上の安全面で問題があり、用途も限定される。また、流路の外部に電極を設けているため、成分物質を電気泳動させる領域が広くなり、そのため濃縮効率が悪く、低電圧では使用できないと考えられる。また、流路の外部で濃縮するため、成分物質の濃縮位置が正確に定まらず、検出が不正確になる恐れがある。さらに、流路内にセンサ部を設けた場合には、成分物質をセンサ部まで移動させるために、何らかの手段が必要になる。   However, in the method of Patent Document 3, since a very high voltage of 14 kV is applied to the entrance electrode, there is a problem in terms of safety in use, and the application is also limited. In addition, since the electrode is provided outside the flow path, the region in which the component substance is electrophoresed is widened, so that the concentration efficiency is poor, and it cannot be used at a low voltage. In addition, since the concentration is performed outside the flow path, the concentration position of the component substance is not accurately determined, and the detection may be inaccurate. Furthermore, when a sensor unit is provided in the flow path, some means is required to move the component substances to the sensor unit.

また、別な公知文献としては、特開2005−87868号公報(特許文献4)がある。ここに開示されているものは、導電率の異なる2種類の溶液をT字型流路の両端から電気浸透流により送液し、溶液界面にて目的とする粒子をいずれかに寄せて分離するという方法である。   Another known document is JP-A-2005-87868 (Patent Document 4). What is disclosed here is that two types of solutions having different electrical conductivities are fed from both ends of a T-shaped channel by electroosmotic flow, and target particles are brought to either side and separated at the solution interface. It is a method.

しかし、この方法では、2種類の溶液を用いる必要があり、簡便性に欠ける。また、なによりも、この方法は粒子の分離方法であって、濃縮方法ではない。   However, in this method, it is necessary to use two types of solutions, which is not convenient. Above all, this method is a particle separation method, not a concentration method.

また、別な公知文献としては、特開2002−233792号公報(特許文献5)がある。ここに開示されているものでは、流路の内面に流路方向に沿って複数の電極を配置してあり、流路断面方向に配置した電極に電界を与え、粒子を電極に寄せて捕捉している。   Another known document is JP-A-2002-233792 (Patent Document 5). In what is disclosed here, a plurality of electrodes are arranged along the flow path direction on the inner surface of the flow path, an electric field is applied to the electrodes arranged in the cross section direction of the flow path, and the particles are attracted to the electrodes and captured. ing.

しかし、特許文献5に開示されているものも粒子分離機構であって、粒子を濃縮するものではない。また、補足した粒子を検出する点や、補足した粒子を移動させる点については記載されていない。   However, the one disclosed in Patent Document 5 is also a particle separation mechanism and does not concentrate the particles. Moreover, it does not describe the point of detecting the supplemented particles or the point of moving the supplemented particles.

また、別な公知文献としては、特開2001−504937号公報(特許文献6)がある。ここに開示されているのは、流路の外側から電界を与え、荷電している粒子を流路壁に寄せ、pHを調製して目的とする粒子の等電点とすることで、目的の粒子のみを粒子壁に寄せることなく通過させ、これによって粒子を分離するものである。   Another known document is JP-A-2001-504937 (Patent Document 6). What is disclosed here is that an electric field is applied from the outside of the flow channel, charged particles are brought to the flow channel wall, and the pH is adjusted to be the isoelectric point of the target particle. Only particles are allowed to pass through without approaching the particle wall, thereby separating the particles.

しかし、特許文献6に開示されている方法も、粒子の分離方法であって、粒子を濃縮する方法ではない。また、この方法では、物質毎にpHを調整する必要があり、実施に手間が掛かる。   However, the method disclosed in Patent Document 6 is also a method for separating particles, and is not a method for concentrating particles. Moreover, in this method, it is necessary to adjust pH for every substance, and it takes time and effort.

特開2005−127771号公報JP 2005-127771 A 特表平6−505593号公報JP-T 6-505593 特表2002−517751号公報Special table 2002-517751 gazette 特開2005−87868号公報Japanese Patent Laying-Open No. 2005-87868 特開2002−233792号公報JP 2002-233792 A 特開2001−504937号公報JP 2001-504937 A

本発明は、上記のような技術的課題に鑑みてなされたものであって、その主な目的とするところは、電気泳動と電気浸透流を利用することにより、簡単な構造により、検出しようとする成分物質を高濃度に濃縮することのできるサンプル濃縮装置を提供することにある。   The present invention has been made in view of the technical problems as described above, and the main object of the present invention is to detect with a simple structure by utilizing electrophoresis and electroosmotic flow. It is an object of the present invention to provide a sample concentrator capable of concentrating component substances to be concentrated at a high concentration.

本発明のサンプル濃縮装置は、サンプル溶液の供給部と回収部を結ぶ流路を有し、検出目的とするサンプル溶液の帯電した成分物質を濃縮させるための少なくとも2つの電極を前記流路に備え、前記成分物質と同じ極性で前記流路の内壁面が帯電していることを特徴としている。   The sample concentrator of the present invention has a flow path connecting a sample solution supply section and a recovery section, and includes at least two electrodes for concentrating charged component substances of the sample solution to be detected. The inner wall surface of the flow path is charged with the same polarity as the component substance.

サンプル溶液の帯電した成分物質を濃縮させるための少なくとも2つの電極とは、当該電極間に電界を発生させることによって帯電した成分物質をいずれかの電極に吸引して濃縮(凝集)させるための電極である。なお、成分物質の濃度を高めるためには、成分物質を吸引して濃縮させる電極は1つであることが望ましい。   The at least two electrodes for concentrating the charged component substance of the sample solution are electrodes for concentrating (aggregating) the charged component substance by sucking the charged component substance by generating an electric field between the electrodes. It is. In order to increase the concentration of the component substance, it is desirable that one electrode is used to suck and concentrate the component substance.

本発明のサンプル濃縮装置にあっては、流路の内壁面が成分物質と同じ極性(プラス又はマイナス)で帯電しているので、サンプル溶液中の成分物質と逆極性のイオンは流路の内壁面に吸着される。従って、濃縮用の電極間に電界を発生させると、帯電している成分物質は電界と同じ方向、あるいは逆方向へ吸引され、ある濃縮用の電極に集められて濃縮される。また、流路の内壁面に吸着しているイオンは電界によって成分物質と反対方向へ力を受けて移動し、それによってサンプル溶液に流れを生じさせる。よって、成分物質が電極に吸引されて成分物質が少なくなったサンプル溶液は濃縮エリアから排出されて成分物資を含んだ新しいサンプル溶液が濃縮エリアに送り込まれる。そのため、サンプル溶液によって連続的に成分物質が濃縮エリアへ供給されてさらに濃縮されることになり、成分物質を高い濃度に濃縮することが可能になる。   In the sample concentrator of the present invention, since the inner wall surface of the flow path is charged with the same polarity (plus or minus) as the component substance, ions having the opposite polarity to the component substance in the sample solution Adsorbed on the wall. Therefore, when an electric field is generated between the electrodes for concentration, the charged component substances are attracted in the same direction as the electric field or in the opposite direction, and are collected and concentrated on a certain electrode for concentration. Further, the ions adsorbed on the inner wall surface of the flow path are moved by receiving a force in the direction opposite to the component substance by the electric field, thereby causing a flow in the sample solution. Therefore, the sample solution in which the component substance is sucked by the electrode and is reduced in quantity is discharged from the concentration area, and a new sample solution containing the component material is sent to the concentration area. Therefore, the component substance is continuously supplied to the concentration area by the sample solution and further concentrated, so that the component substance can be concentrated to a high concentration.

本発明にかかるサンプル濃縮装置のある実施態様においては、前記流路の断面が、その幅よりも高さが小さな扁平形状をしていることを特徴としている。かかる実施態様においては、流路の高さが低いので、イオンの移動によって流路内のサンプル溶液を均一に流動させることができる。一方、流路の幅が広くなっているので、流路にながれるサンプル溶液の流量を大きくすることができる。   An embodiment of the sample concentrator according to the present invention is characterized in that the cross section of the flow path has a flat shape whose height is smaller than its width. In such an embodiment, since the height of the flow path is low, the sample solution in the flow path can be made to flow uniformly by the movement of ions. On the other hand, since the width of the flow path is wide, the flow rate of the sample solution flowing through the flow path can be increased.

本発明にかかるサンプル濃縮装置の別な実施態様は、検出目的とする成分物質の帯電電荷をe、サンプル溶液の粘度をη、検出目的とする成分物質の平均半径をr、サンプル溶液の誘電率をε、ゼータ電位をζ、流路の全体に電界が加わったと仮定したときに電界によって駆動されるサンプル溶液の流速に対する、前記濃縮用の電極がxの距離をおいて配置されたときに前記濃縮用の電極間に発生する電界によって駆動されるサンプル溶液の流速の比をf(x)とするとき、
e/(6πηr) > f(x)・(εζ/η)
の関係が成り立つことを特徴としている。この関係式が成り立てば、濃縮用の電極間に電界を発生させたとき、電界によって成分物質が得る速度がサンプル溶液の流速よりも大きくなる。よって、成分物質がサンプル溶液に流されることなく、濃縮用の電極に濃縮させることができる。
Another embodiment of the sample concentrator according to the present invention is such that the charged charge of the component substance to be detected is e, the viscosity of the sample solution is η, the average radius of the component substance to be detected is r, and the dielectric constant of the sample solution Ε, zeta potential ζ, and when the concentration electrode is arranged at a distance x with respect to the flow rate of the sample solution driven by the electric field when it is assumed that an electric field is applied to the entire flow path, When the ratio of the flow rate of the sample solution driven by the electric field generated between the electrodes for concentration is f (x),
e / (6πηr)> f (x) · (εζ / η)
It is characterized by the relationship of If this relational expression is established, when an electric field is generated between the electrodes for concentration, the rate at which the component substance is obtained by the electric field becomes larger than the flow rate of the sample solution. Therefore, the component substance can be concentrated on the electrode for concentration without flowing into the sample solution.

本発明にかかるサンプル濃縮装置のさらに別な実施態様は、前記流路内のサンプル溶液と共に同じ方向へ前記成分物質を送液するための少なくとも2つの電極を前記流路内又は前記流路の近傍に備えている。かかる実施態様によれば、濃縮用の電極間に電界を発生させて成分物質を濃縮させた後、送液用の電極間に電界を発生させてサンプル溶液を流動させることにより、濃縮された成分物質をサンプル溶液の流れとともに搬送することができる。例えば、濃縮された成分物質を濃縮位置からセンサの設置位置まで移動させることによって、成分物質を簡便に、かつ高感度で検出することが可能になる。   Still another embodiment of the sample concentrating device according to the present invention includes at least two electrodes for feeding the component substance in the same direction together with the sample solution in the flow channel in the flow channel or in the vicinity of the flow channel. In preparation. According to such an embodiment, an electric field is generated between the electrodes for concentration to concentrate the component substances, and then an electric field is generated between the electrodes for liquid feeding to cause the sample solution to flow, thereby concentrating the concentrated components. The substance can be transported with the sample solution flow. For example, by moving the concentrated component substance from the concentration position to the sensor installation position, the component substance can be detected easily and with high sensitivity.

本発明にかかるサンプル濃縮装置のさらに別な実施態様は、前記送液用の電極間の距離が、前記濃縮用の電極間の距離よりも長いことを特徴としている。送液用の電極間と濃縮用の電極間に同じ電圧を印加する場合、送液用の電極間に電界を発生させて成分物質をサンプル溶液と同じ方向へ移動させ、濃縮用の電極間に電界を発生させて成分物質をサンプル溶液と反対方向へ移動させるためには、送液用の電極間の距離を濃縮用の電極間の距離よりも長くする必要があるためである。   Yet another embodiment of the sample concentrating device according to the present invention is characterized in that a distance between the liquid feeding electrodes is longer than a distance between the concentrating electrodes. When the same voltage is applied between the electrodes for liquid feeding and between the electrodes for concentration, an electric field is generated between the electrodes for liquid feeding to move the component substances in the same direction as the sample solution, and between the electrodes for concentration. This is because the distance between the electrodes for liquid feeding needs to be longer than the distance between the electrodes for concentration in order to generate the electric field and move the component substances in the direction opposite to the sample solution.

本発明にかかるサンプル濃縮装置のさらに別な実施態様は、前記送液用の電極が前記供給部と前記回収部とに設けられていることを特徴としている。送液用の電極を供給部と回収部に設けることにより、送液用の電極間の距離を大きくできるからである。   Yet another embodiment of the sample concentrator according to the present invention is characterized in that the liquid feeding electrode is provided in the supply section and the recovery section. It is because the distance between the electrodes for liquid feeding can be enlarged by providing the electrodes for liquid feeding in a supply part and a collection | recovery part.

本発明にかかるサンプル濃縮装置のさらに別な実施態様は、前記濃縮用の電極のうち一部が、前記送液用の電極を兼ねていることを特徴としている。かかる実施態様によれば、電極の数を減少させることができる。   Yet another embodiment of the sample concentrator according to the present invention is characterized in that a part of the electrode for concentration also serves as the electrode for liquid feeding. According to this embodiment, the number of electrodes can be reduced.

本発明にかかるサンプル濃縮装置のさらに別な実施態様は、サンプル溶液の誘電率をε、ゼータ電位をζ、サンプル溶液の粘度をη、検出目的とする成分物質の帯電電荷をe、検出目的とする成分物質の平均半径をrとするとき、
εζ/η > e/(6πηr)
の関係が成り立つことを特徴としている。この関係式が成り立てば、送液用の電極間に電界を発生させたとき、電界によって成分物質が得る速度がサンプル溶液の流速よりも小さくなる。よって、成分物質はサンプル溶液と同じ方向へ搬送される。
Still another embodiment of the sample concentrator according to the present invention is that the dielectric constant of the sample solution is ε, the zeta potential is ζ, the viscosity of the sample solution is η, the charged charge of the component substance to be detected is e, Where r is the average radius of the constituent materials
εζ / η> e / (6πηr)
It is characterized by the relationship of If this relational expression is established, when an electric field is generated between the electrodes for liquid delivery, the rate at which the component substance is obtained by the electric field becomes smaller than the flow rate of the sample solution. Therefore, the component substance is transported in the same direction as the sample solution.

本発明にかかるサンプル濃縮方法は、サンプル溶液の供給部と回収部を結ぶ流路を有し、目的とするサンプル溶液の成分物質を濃縮させるための少なくとも2つの電極を前記流路に備え、前記流路内のサンプル溶液と共に同じ方向へ前記成分物質を送液するための少なくとも2つの電極を前記流路内又は前記流路の近傍に備え、検出目的とするサンプル溶液の帯電した成分物質と反対の極性で前記流路の内壁面が帯電したサンプル濃縮装置を用いたサンプル濃縮方法であって、前記濃縮用の電極間に電界を発生させ、当該電極のうちいずれかの電極に前記成分物質を濃縮させるとともに、前記成分物質の吸引方向と反対方向にむけてサンプル溶液の流れを生じさせる工程と、前記送液用の電極間に電界を発生させて前記流路内にサンプル溶液の流れを生じさせるとともに、前記成分物質をサンプル溶液の流れと同じ方向へ移動させる工程とを備えたことを特徴としている。   The sample concentration method according to the present invention includes a flow path connecting a supply section and a recovery section of a sample solution, and includes at least two electrodes for concentrating the constituent substances of the target sample solution in the flow path, At least two electrodes for delivering the component substance in the same direction together with the sample solution in the channel are provided in the channel or in the vicinity of the channel, opposite to the charged component substance of the sample solution to be detected A sample concentrating method using a sample concentrating device in which the inner wall surface of the flow path is charged with the polarity of, wherein an electric field is generated between the concentrating electrodes, and the component substance is applied to any one of the electrodes A step of concentrating and generating a flow of the sample solution in a direction opposite to the suction direction of the component substances; and an electric field is generated between the liquid-feeding electrodes to generate the sample solution in the flow path. Together create a flow, it is characterized by comprising a step of moving the component material in the same direction as the flow of the sample solution.

本発明のサンプル濃縮方法によれば、第1の工程によって成分物質を高い濃度に濃縮させることができ、また第2の工程によって濃縮された成分物質を流路に沿った所望位置に移動させることができる。   According to the sample concentration method of the present invention, the component substance can be concentrated to a high concentration by the first step, and the component substance concentrated by the second step is moved to a desired position along the flow path. Can do.

本発明にかかる第1の検出装置は、本発明にかかるサンプル濃縮装置と、前記サンプル濃縮装置の前記濃縮用の電極間の領域に配置されたセンサとを備えたことを特徴としている。かかる検出装置によれば、サンプル濃縮装置で濃縮された成分物質を直ちにその位置で検出することができ、検出効率が高くなる。   A first detection device according to the present invention includes the sample concentration device according to the present invention and a sensor disposed in a region between the concentration electrodes of the sample concentration device. According to such a detection apparatus, the component substance concentrated by the sample concentration apparatus can be immediately detected at the position, and the detection efficiency is increased.

本発明にかかる第2の検出装置は、送液用の電極を備えた本発明のサンプル濃縮装置と、前記サンプル濃縮装置の前記濃縮用の電極間の領域の外側に配置されたセンサとを備えたことを特徴としている。かかる検出装置によれば、サンプル濃縮装置で濃縮された成分物質をセンサの位置まで移動させて検出することができる。従って、濃縮用の電極や電界に妨げられることなく検出を行わせることができる。   A second detection device according to the present invention includes the sample concentrating device of the present invention provided with a liquid feeding electrode, and a sensor disposed outside the region between the concentrating electrodes of the sample concentrating device. It is characterized by that. According to such a detection apparatus, the component substance concentrated by the sample concentration apparatus can be detected by moving it to the position of the sensor. Therefore, detection can be performed without being disturbed by the electrode for concentration or the electric field.

なお、本発明における前記課題を解決するための手段は、以上説明した構成要素を適宜組み合せた特徴を有するものであり、本発明はかかる構成要素の組合せによる多くのバリエーションを可能とするものである。   The means for solving the above-described problems in the present invention has a feature in which the above-described constituent elements are appropriately combined, and the present invention enables many variations by combining such constituent elements. .

以下、添付図面を参照しながら本発明の好適な実施形態を説明する。   Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings.

(第1の実施形態)
以下、図1(a)及び図1(b)を参照して実施形態1によるサンプル濃縮装置の構造を説明する。図1(a)は実施形態1によるサンプル濃縮装置11の概略断面図、図1(b)は図1(a)のX−X線に沿った概略断面図である。実施形態1においては、マイナスに荷電した粒子(成分物質)を濃縮させる場合を例として説明する。
(First embodiment)
Hereinafter, the structure of the sample concentrator according to Embodiment 1 will be described with reference to FIGS. 1 (a) and 1 (b). FIG. 1A is a schematic cross-sectional view of a sample concentrating device 11 according to Embodiment 1, and FIG. 1B is a schematic cross-sectional view taken along line XX in FIG. In the first embodiment, a case where particles (component substances) negatively charged are concentrated will be described as an example.

(構造の説明)
このサンプル濃縮装置11は、平板状をしたプレート12によって形成されている。プレート12内には一対のリザーバ13、15(サンプル溶液の供給部、回収部)が設けられており、リザーバ13、15間は直線状の微小な流路14によってつながっている。また、リザーバ13、15の底面には、それぞれ送液用電極16、17が設けられており、流路14の底面には流路途中を横切るようにして一対の濃縮用電極18、19が設けられている。
(Description of structure)
The sample concentrator 11 is formed by a plate 12 having a flat plate shape. A pair of reservoirs 13 and 15 (a sample solution supply unit and a recovery unit) are provided in the plate 12, and the reservoirs 13 and 15 are connected to each other by a linear minute channel 14. Further, liquid supply electrodes 16 and 17 are provided on the bottom surfaces of the reservoirs 13 and 15, respectively, and a pair of concentration electrodes 18 and 19 are provided on the bottom surface of the flow channel 14 so as to cross the middle of the flow channel. It has been.

プレート12は粒子と同じ極性に帯電する材料によって形成されており、少なくとも流路14の内壁面は予め粒子と同じ極性、すなわちマイナスに帯電させられている。実施形態1では、粒子はマイナスに帯電しているので、プレート12もマイナスに帯電する材料によって形成されている。例えばガラス、PDMS(ポリジメチルシロキサン)などを用いることができるが、これら以外にもマイナスに帯電するものであれば使用可能である。また、流路14の内面に表面処理することでマイナスに帯電させれば、プレート12としてどのような材料も使用可能となる。なお、プレート12は透明材料であっても不透明材料であってもよいが、流路内で濃縮された粒子を光学式のセンサや検査手段で測定する場合には、少なくともその部分は透明材料によって形成する必要がある。   The plate 12 is formed of a material that is charged to the same polarity as the particles, and at least the inner wall surface of the flow path 14 is previously charged to the same polarity as the particles, that is, negative. In the first embodiment, since the particles are negatively charged, the plate 12 is also formed of a negatively charged material. For example, glass, PDMS (polydimethylsiloxane), or the like can be used, but any other material that is negatively charged can be used. Further, any material can be used for the plate 12 as long as the inner surface of the flow path 14 is negatively charged by surface treatment. The plate 12 may be a transparent material or an opaque material. However, when the particles concentrated in the flow path are measured by an optical sensor or inspection means, at least that portion is made of a transparent material. Need to form.

リザーバ13、15は柱状の空間となっており、いずれもその上面がプレート12の上面で開口している。このうち一方のリザーバ13は溶液供給側のリザーバであって、これから検査しようとするサンプル溶液を溜めておくためのものであり、他方のリザーバ15は溶液回収側のリザーバであって、流路14を通過した後のサンプル溶液を溜めておくためのものである。いずれのリザーバ13、15も流路14の容積に比べて十分に大きな容積を有している。   The reservoirs 13 and 15 are columnar spaces, and the upper surface of each of the reservoirs 13 and 15 is open at the upper surface of the plate 12. One of the reservoirs 13 is a reservoir on the solution supply side for storing a sample solution to be examined from now on, and the other reservoir 15 is a reservoir on the solution recovery side and includes a flow path 14. The sample solution after passing through is for storing. Each of the reservoirs 13 and 15 has a volume sufficiently larger than the volume of the flow path 14.

流路14の両端はそれぞれリザーバ13、リザーバ15の下端部側面で開口していてリザーバ13、15に連通している。流路14の断面は高さが約10μm、幅が約100μmの長方形断面となっている。   Both ends of the flow path 14 are open at the side surfaces of the lower ends of the reservoir 13 and the reservoir 15, respectively, and communicate with the reservoirs 13 and 15. The cross section of the channel 14 is a rectangular cross section having a height of about 10 μm and a width of about 100 μm.

送液用電極16、17及び濃縮用電極18、19はAuをスパッタ、化学メッキ等の方法でプレート12に付着させて形成しているが、Au以外にもPtなどの白金系金属も利用可能である。   The liquid feeding electrodes 16 and 17 and the concentration electrodes 18 and 19 are formed by adhering Au to the plate 12 by a method such as sputtering or chemical plating. In addition to Au, platinum-based metals such as Pt can also be used. It is.

図1(b)に示すように、送液用電極16は配線23によって直流電源20に接続されており、濃縮用電極18もスイッチ21を介して配線24によって直流電源20に接続されている。また、送液用電極17は配線25によってグランドに接続されており、濃縮用電極19もスイッチ22を介して配線26によってグランドに接続されている。スイッチ21とスイッチ22は連投スイッチとなっており、同時に開成され、あるいは同時に閉成される。また、直流電源20は電源スイッチ27を備えている。   As shown in FIG. 1B, the liquid feeding electrode 16 is connected to the DC power source 20 by the wiring 23, and the concentration electrode 18 is also connected to the DC power source 20 by the wiring 24 through the switch 21. Further, the liquid feeding electrode 17 is connected to the ground by the wiring 25, and the concentration electrode 19 is also connected to the ground by the wiring 26 through the switch 22. The switch 21 and the switch 22 are continuous throw switches and are opened simultaneously or simultaneously closed. In addition, the DC power supply 20 includes a power switch 27.

(濃縮動作の説明)
上記のようなサンプル濃縮装置11によれば、電気浸透流と電気泳動を利用してサンプル溶液中の粒子を高濃度に濃縮させることが可能になる。以下、図2〜図6に従ってサンプル濃縮装置11によるサンプル溶液の濃縮動作を説明する。図2(a)(b)はサンプル濃縮装置11の動作を示し、図3及び図4はそのときに粒子が濃縮される様子を模式的に表した図である。図5は電気浸透流が存在せず、電気泳動のみで粒子が濃縮される様子を示す図である。また、図6は電気浸透流と電気泳動を説明するための図である。
(Explanation of concentration operation)
According to the sample concentrating device 11 as described above, particles in the sample solution can be concentrated to a high concentration using electroosmotic flow and electrophoresis. Hereinafter, the concentration operation of the sample solution by the sample concentration device 11 will be described with reference to FIGS. 2 (a) and 2 (b) show the operation of the sample concentrating device 11, and FIGS. 3 and 4 are diagrams schematically showing how particles are concentrated at that time. FIG. 5 is a diagram showing a state where particles are concentrated only by electrophoresis without electroosmotic flow. FIG. 6 is a diagram for explaining electroosmotic flow and electrophoresis.

サンプル溶液を濃縮する場合には、スイッチ21、22は閉じた状態となっている。まず、図2(a)に示すように、電源スイッチ27をオフにしたままで、溶液供給側のリザーバ13にサンプル溶液28を注入して溜め、流路14内にもサンプル溶液28を浸入させておく。この濃縮開始前の状態では、図3に示すように、流路14の内壁面がマイナスに帯電しているためにサンプル溶液28内のプラスイオン30が流路14の内壁面に吸引され、流路14の内壁面には電気二重層が発生している。しかし、流路14内には電界が存在しないので、流路14内におけるサンプル溶液28の流れ(電気浸透流)はなく、粒子29も流路14の全体に均一に分散している。   When the sample solution is concentrated, the switches 21 and 22 are closed. First, as shown in FIG. 2A, with the power switch 27 turned off, the sample solution 28 is injected and stored in the reservoir 13 on the solution supply side, and the sample solution 28 is also allowed to enter the flow path 14. Keep it. In the state before the start of concentration, as shown in FIG. 3, since the inner wall surface of the channel 14 is negatively charged, the positive ions 30 in the sample solution 28 are attracted to the inner wall surface of the channel 14 and flow. An electric double layer is generated on the inner wall surface of the path 14. However, since there is no electric field in the flow path 14, there is no flow of the sample solution 28 (electroosmotic flow) in the flow path 14, and the particles 29 are evenly dispersed throughout the flow path 14.

ついで、図2(b)に示すように、電源スイッチ27をオンにすると、図4に示すように、流路14内に電気浸透流が生じてサンプル溶液28がリザーバ13側からリザーバ15側へ流れて送液されるとともに、粒子29が濃縮用電極18に吸引されて濃縮用電極18の場所で濃縮される。   Next, as shown in FIG. 2B, when the power switch 27 is turned on, as shown in FIG. 4, an electroosmotic flow is generated in the flow path 14, and the sample solution 28 moves from the reservoir 13 side to the reservoir 15 side. While flowing and being fed, the particles 29 are attracted to the concentration electrode 18 and concentrated at the location of the concentration electrode 18.

この理由を説明するため電気泳動と電気浸透流について説明する。図6は流路14内に電気泳動と電気浸透流が生じる理屈を説明した模式図である。電気泳動とは、帯電した粒子がクーロン力により電界方向に引かれ、粒子が電荷量に依存して動く現象である。図6を参照して説明すると、流路14に設けられた電極K1、K2間に電圧が印加されると、流路14内で電極K1、K2間には電界Eが生じる。このとき粒子29がマイナスに帯電していると、粒子29は電界Eによって力を受けプラスの電極K1側へ引っ張られる。   In order to explain this reason, electrophoresis and electroosmotic flow will be described. FIG. 6 is a schematic diagram illustrating the reason why electrophoresis and electroosmotic flow occur in the flow path 14. Electrophoresis is a phenomenon in which charged particles are attracted in the direction of an electric field by Coulomb force, and the particles move depending on the amount of charge. Referring to FIG. 6, when a voltage is applied between the electrodes K1 and K2 provided in the flow path 14, an electric field E is generated between the electrodes K1 and K2 in the flow path 14. At this time, if the particle 29 is negatively charged, the particle 29 receives a force by the electric field E and is pulled toward the positive electrode K1.

電気浸透流とは、帯電した壁面に反対極性のイオンが集まり、集まったイオンがクーロン力によって電界方向へ引かれ、溶液がイオンの移動に巻き込まれることで生じる溶液の流れである。図6を参照して説明すると、流路14の内壁面がマイナスに帯電していると、サンプル溶液28中のプラスイオン30が流路14の内壁面に吸引されて当該内壁面には電気二重層が生じる。しかも、電極K1、K2間に電圧が印加されていて流路14内に電界Eが生じていると、内壁面のプラスイオン30が電界Eにより力を受けてマイナスの電極K2側へ引っ張られて移動する。このとき電極K2側へ移動するプラスイオン30がサンプル溶液28を引きずることでK2側に向けてサンプル溶液28の流れが生じる。この現象を電気浸透効果といい、この流れを電気浸透流という。   The electroosmotic flow is a flow of a solution that occurs when ions of opposite polarities gather on a charged wall surface, the collected ions are attracted in the electric field direction by Coulomb force, and the solution is involved in the movement of ions. Referring to FIG. 6, when the inner wall surface of the flow path 14 is negatively charged, the positive ions 30 in the sample solution 28 are attracted to the inner wall surface of the flow path 14, and the inner wall surface is electrically charged. Multiple layers occur. Moreover, when a voltage is applied between the electrodes K1 and K2 and an electric field E is generated in the flow path 14, the positive ions 30 on the inner wall surface are pulled by the electric field E and pulled toward the negative electrode K2. Moving. At this time, the positive ions 30 moving to the electrode K2 side drag the sample solution 28, so that the sample solution 28 flows toward the K2 side. This phenomenon is called electroosmotic effect, and this flow is called electroosmotic flow.

図2(b)及び図4の濃縮動作に戻って考えると、スイッチ21、22が閉じているために濃縮用電極18と濃縮用電極19の間には電界E(≠0)が発生しているが、送液用電極16と濃縮用電極18の間の領域、および濃縮用電極19と送液用電極17の間の領域では電界E=0となっている。よって、濃縮用電極18及び19の間の濃縮エリアにある粒子29は電界による力を受けて濃縮用電極18側へ吸着され、濃縮用電極18の近傍に凝集する。この結果、濃縮エリア内でサンプル溶液28に分散していた粒子29は濃縮用電極18に集められて濃縮される。   Returning to the concentration operation of FIGS. 2B and 4, since the switches 21 and 22 are closed, an electric field E (≠ 0) is generated between the concentration electrode 18 and the concentration electrode 19. However, the electric field E = 0 in the region between the liquid-feeding electrode 16 and the concentration electrode 18 and in the region between the concentration electrode 19 and the liquid-feeding electrode 17. Therefore, the particles 29 in the concentration area between the concentration electrodes 18 and 19 are attracted to the concentration electrode 18 side under the force of the electric field and aggregate in the vicinity of the concentration electrode 18. As a result, the particles 29 dispersed in the sample solution 28 in the concentration area are collected by the concentration electrode 18 and concentrated.

また、サンプル溶液28は、濃縮用電極18と19の間の領域では電界が存在しているために電気浸透効果によって駆動力を受けるが、送液用電極16と濃縮用電極18の間の領域や、濃縮用電極19と送液用電極17との間の領域では電界E=0であるから、電気浸透効果による駆動力は発生しない。よって、流路14内のサンプル溶液28は、濃縮用電極18、19間での駆動力によってのみ電気浸透流を生じさせる。   The sample solution 28 receives a driving force due to the electroosmotic effect because an electric field is present in the region between the concentration electrodes 18 and 19, but the region between the liquid supply electrode 16 and the concentration electrode 18. In addition, since the electric field E = 0 in the region between the concentrating electrode 19 and the liquid feeding electrode 17, no driving force is generated due to the electroosmotic effect. Therefore, the sample solution 28 in the flow channel 14 generates an electroosmotic flow only by the driving force between the concentration electrodes 18 and 19.

いま仮に、流路14の内壁面が帯電しておらず、電気浸透流が生じていないとすると、図5に示すように、濃縮用電極18と濃縮用電極19の間の濃縮エリアにある粒子29が濃縮用電極18に集まってしまうと、それ以上粒子29は濃縮されない。従って、あまり大きな濃縮度は得られない。   If the inner wall surface of the flow path 14 is not charged and no electroosmotic flow is generated, particles in the concentration area between the concentration electrode 18 and the concentration electrode 19 as shown in FIG. If 29 collects on the concentration electrode 18, the particles 29 are not further concentrated. Therefore, a very large concentration cannot be obtained.

これに対し、電気浸透流が存在すると、図5のように濃縮エリア内の粒子29がすべて濃縮用電極18に集まったとしても、電気浸透流によって粒子29を含んだサンプル溶液28が濃縮エリアに供給され、新しく供給された粒子29も濃縮用電極18に集まる。寄って、電気泳動と電気浸透流を組み合わせることによって局所的に非常に高い濃度で集まった粒子29を得ることができる。   On the other hand, when the electroosmotic flow exists, even if all the particles 29 in the concentration area gather at the concentration electrode 18 as shown in FIG. 5, the sample solution 28 containing the particles 29 by the electroosmotic flow enters the concentration area. The supplied and newly supplied particles 29 also collect on the concentration electrode 18. By approaching and combining electrophoresis and electroosmotic flow, it is possible to obtain particles 29 gathered locally at a very high concentration.

ただし、電気泳動と電気浸透流が存在すると、粒子29は電気浸透流によって濃縮用電極18と反対方向へ流されるので、粒子29を濃縮用電極18に集めるためには、電気泳動によって粒子29が濃縮用電極18側へ引き付けられる速度が、電子浸透流の流速よりも速くなければならない。   However, in the presence of electrophoresis and electroosmotic flow, the particles 29 are caused to flow in the opposite direction to the concentrating electrode 18 by the electroosmotic flow. Therefore, in order to collect the particles 29 on the concentrating electrode 18, The speed attracted to the concentration electrode 18 side must be faster than the flow rate of the electron osmotic flow.

(粒子搬送動作の説明)
こうして粒子29の濃縮が完了した後、図7に示すように、スイッチ21、22を開いて送液用電極16、17間にのみ電圧が加わるようにすると、流路14内では電気浸透効果によってサンプル溶液28が送液され、濃縮用電極18に濃縮されていた粒子29がサンプル溶液28の流れに乗って粒子搬送される。なお、送液とはサンプル溶液を電気浸透流として通路内で移動させることをいい、粒子搬送とはサンプル溶液と共に粒子をサンプル溶液と同じ方向へ移動させることをいう。
(Description of particle transport operation)
After the concentration of the particles 29 is completed, as shown in FIG. 7, when the switches 21 and 22 are opened so that a voltage is applied only between the liquid feeding electrodes 16 and 17, the electroosmotic effect is generated in the flow path 14. The sample solution 28 is fed, and the particles 29 concentrated on the concentrating electrode 18 are carried on the flow of the sample solution 28. Liquid feeding means moving the sample solution as an electroosmotic flow in the passage, and particle transportation means moving particles together with the sample solution in the same direction as the sample solution.

スイッチ21、22を開いて送液用電極16、17間に電圧を印加している場合には、図8に示すように、送液用電極16と送液用電極17の間に電界E(≠0)が発生して電気泳動と電気浸透流が生じる。このためには、電気泳動によって粒子29が濃縮用電極18側へ引き付けられる速度が、電気浸透流の流速よりも遅くなければならない。   When the switches 21 and 22 are opened and a voltage is applied between the liquid feeding electrodes 16 and 17, an electric field E (between the liquid feeding electrode 16 and the liquid feeding electrode 17 as shown in FIG. ≠ 0) occurs and electrophoresis and electroosmotic flow occur. For this purpose, the speed at which the particles 29 are attracted to the concentration electrode 18 side by electrophoresis must be slower than the flow velocity of the electroosmotic flow.

よって、スイッチ21、22を開いた場合には、濃縮用電極18において濃縮されていた粒子29を流路14に沿って移動させることが可能になる。ただし、濃縮した粒子29は粒子搬送によって拡散する恐れがあるので、電気浸透流の流速は粒子29の拡散を考慮して適度な流速となるようにすることが好ましい。   Therefore, when the switches 21 and 22 are opened, the particles 29 concentrated in the concentration electrode 18 can be moved along the flow path 14. However, since the concentrated particles 29 may be diffused by particle transportation, it is preferable that the flow rate of the electroosmotic flow be an appropriate flow rate in consideration of the diffusion of the particles 29.

こうして粒子搬送によって濃縮した粒子29を移動させる目的は、粒子29を検査するためのセンサ又は検出装置の検査位置まで粒子29を移動させるためである。   The purpose of moving the particles 29 thus concentrated by the particle conveyance is to move the particles 29 to the inspection position of the sensor or detection device for inspecting the particles 29.

以上より理解されるように、このサンプル濃縮装置11によれば、サンプル溶液28に含まれている帯電粒子29を高い濃度で凝集させることが可能になる。また、濃縮された粒子29をセンサ等の位置まで搬送することができるので、粒子29をセンサ等により効率よく、かつ高感度で検出することが可能になる。また、電気浸透流を利用して粒子29を搬送しているので、外部ポンプ等が必要なく、サンプル濃縮装置11をコンパクトにできると共にコストも安価にできる。   As understood from the above, according to the sample concentrating device 11, the charged particles 29 contained in the sample solution 28 can be aggregated at a high concentration. Further, since the concentrated particles 29 can be conveyed to a position such as a sensor, the particles 29 can be detected efficiently and with high sensitivity by the sensor or the like. Further, since the particles 29 are conveyed using electroosmotic flow, an external pump or the like is not required, and the sample concentrator 11 can be made compact and the cost can be reduced.

(濃縮と粒子搬送を可能にするための条件)
上記のように送液しながら粒子を濃縮するためには、粒子はサンプル溶液に流されることなく濃縮用電極18に吸引されなければならない。反対に、送液により粒子搬送を行う場合には、送液用電極16が粒子を吸引する力よりもサンプル溶液が粒子を押し流す力が勝っていなければならない。このような作用は以下に述べるような条件のもとで実現することができる。
(Conditions to enable concentration and particle transport)
In order to concentrate the particles while feeding the solution as described above, the particles must be sucked into the concentration electrode 18 without flowing into the sample solution. On the other hand, when carrying the particles by liquid feeding, the force that the sample solution pushes the particles must be superior to the force by which the liquid feeding electrode 16 sucks the particles. Such an action can be realized under the following conditions.

まず、送液による粒子搬送が起きるための条件を求める。この場合にはスイッチ21、22が開いていて流路15の全長に電界Eが発生しているので、電気浸透効果によって流れるサンプル溶液28の流速νEOFは、流路全体が駆動力となる電気浸透流速度に等しくなり、次の数式(1)で表される。
νEOF=(εζ/η)E=kEOFE …(1)
ε:サンプル溶液の誘電率
ζ:ゼータ電位
η:サンプル溶液の粘度
E:送液用電極16、17間の電位勾配(電界)
ここで、kEOF=(εζ/η)は、流路14やサンプル溶液28によって決まる電気浸透移動度である。また、ゼータ電位ζとは、流路14の内壁面に生成している(拡散)電気二重層の「すべり面」(サンプル溶液中で内壁面近傍に形成する「イオン固定層」と、その外側の「イオン拡散層」との間に存在すると便宜的に定義された境界)の電位として定義されるものである。
First, a condition for causing particle conveyance by liquid feeding is obtained. In this case, since the switches 21 and 22 are open and the electric field E is generated over the entire length of the flow path 15, the flow velocity ν EOF of the sample solution 28 flowing due to the electroosmosis effect is It becomes equal to the osmotic flow velocity and is expressed by the following formula (1).
ν EOF = (εζ / η) E = k EOF E (1)
ε: Dielectric constant of sample solution
ζ: zeta potential
η: viscosity of the sample solution
E: Potential gradient (electric field) between the liquid feeding electrodes 16 and 17
Here, k EOF = (εζ / η) is the electroosmotic mobility determined by the flow path 14 and the sample solution 28. The zeta potential ζ is a “slip surface” of the electric double layer (diffusion) generated on the inner wall surface of the flow path 14 (an “ion-fixed layer” formed in the vicinity of the inner wall surface in the sample solution and the outside thereof. It is defined as a potential at a boundary defined for the sake of convenience.

また、電気泳動により移動する粒子29の電気泳動速度νEPは、次の数式(2)で表される。
νEP=〔e/(6πηr)〕E=kEPE …(2)
e:粒子の電荷
η:サンプル溶液の粘度
r:粒子の半径
E:送液用電極16、17間の電位勾配(電界)
ここで、kEP=(〔e/(6πηr)〕は、粒子29の性質によって決まる電気泳動移動度である。
The electrophoretic velocity ν EP of the particles 29 that move by electrophoresis is expressed by the following formula (2).
ν EP = [e / (6πηr)] E = k EP E (2)
e: Charge of particles
η: viscosity of the sample solution
r: radius of the particle
E: Potential gradient (electric field) between the liquid feeding electrodes 16 and 17
Here, k EP = ([e / (6πηr)] is an electrophoretic mobility determined by the properties of the particles 29.

スイッチ21、22を開いたときに電気浸透流方向に粒子29を移動させるためには、粒子29の電気泳動速度νEPよりも、サンプル溶液28の流速νEOFのほうが大きければよい。よって、上記数式(1)、(2)より、この条件は、
EOFE>kEP
と表される。また、送液用電極16、17の電極間距離をL、送液用電極16への印加電圧(直流電源20の電圧)をVとすれば、E=V/Lであるから、送液による粒子搬送が起きるための条件は次の数式(3)のようになる。
EOF(V/L)>kEP(V/L) …(3)
In order to move the particles 29 in the electroosmotic flow direction when the switches 21 and 22 are opened, it is sufficient that the flow velocity ν EOF of the sample solution 28 is larger than the electrophoresis velocity ν EP of the particles 29. Therefore, from the above equations (1) and (2), this condition is
k EOF E> k EP E
It is expressed. Further, when the distance between the electrodes 16 and 17 for liquid feeding is L and the voltage applied to the liquid feeding electrode 16 (voltage of the DC power supply 20) is V, E = V / L. The conditions for the particle conveyance are as shown in the following formula (3).
k EOF (V / L)> k EP (V / L) (3)

つぎに、粒子を濃縮させるための条件を求める。この場合にはスイッチ21、22が閉じていて濃縮用電極18、19間に電界Eが発生しているので、濃縮用電極18、19の電極間距離をx、濃縮用電極18への印加電圧(直流電源20の電圧)をVとすれば、E=V/xである。従って、濃縮用電極18、19間の濃縮エリアにある粒子29の電気泳動速度νEPは、上記数式(2)を用いて、次の数式(4)のように表される。
νEP=kEP(V/x) …(4)
Next, the conditions for concentrating the particles are obtained. In this case, since the switches 21 and 22 are closed and the electric field E is generated between the concentration electrodes 18 and 19, the distance between the electrodes of the concentration electrodes 18 and 19 is x, and the applied voltage to the concentration electrode 18. If (the voltage of the DC power supply 20) is V, E = V / x. Accordingly, the electrophoretic velocity ν EP of the particles 29 in the concentration area between the concentration electrodes 18 and 19 is expressed by the following equation (4) using the above equation (2).
ν EP = k EP (V / x) (4)

一方、このときには送液用電極16と濃縮用電極18の間にも、濃縮用電極19と送液用電極17との間にも電界が発生していないので、これらの濃縮エリア外領域ではサンプル溶液28には駆動力が加わらず溶液抵抗が生じる。よって、電気浸透流はこのような溶液抵抗の影響を受けることになり、サンプル溶液28の流速νEOFは電気浸透流速度よりも遅くなる。この溶液抵抗による流速維持率をf(x)という、濃縮用電極18、19の電極間距離xの関数で表すと、サンプル溶液の流速は、次の数式(5)で表される。
νEOF=f(x)・kEOF(V/x) …(5)
なお、流速維持率f(x)は電極間距離xの増加関数であって、f(x)≦1である。
On the other hand, since no electric field is generated between the liquid feeding electrode 16 and the concentrating electrode 18 or between the concentrating electrode 19 and the liquid feeding electrode 17 at this time, the sample is out of the area outside these concentrating areas. A driving force is not applied to the solution 28 and a solution resistance is generated. Therefore, the electroosmotic flow is affected by such a solution resistance, and the flow velocity ν EOF of the sample solution 28 becomes slower than the electroosmotic flow velocity. When the flow rate maintenance rate due to the solution resistance is expressed as a function of the interelectrode distance x of the concentration electrodes 18 and 19, which is f (x), the flow rate of the sample solution is expressed by the following formula (5).
ν EOF = f (x) · k EOF (V / x) (5)
The flow rate maintenance rate f (x) is an increasing function of the interelectrode distance x, and f (x) ≦ 1.

スイッチ21、22を閉じたときに粒子29を電気浸透流方向と反対側(電気泳動方向)に移動させるためには、粒子29の電気泳動速度νEPがサンプル溶液28の流速νEOFよりも大きければよい。よって、電気泳動により粒子29の濃縮がおきるための条件は、上記数式(4)、(5)より、次の数式(6)のようになる。
f(x)・kEOF(V/x)<kEP(V/x) …(6)
In order to move the particles 29 in the direction opposite to the electroosmotic flow direction (electrophoresis direction) when the switches 21 and 22 are closed, the electrophoretic velocity ν EP of the particles 29 must be larger than the flow velocity ν EOF of the sample solution 28. That's fine. Therefore, the conditions for concentrating the particles 29 by electrophoresis are as shown in the following equation (6) from the equations (4) and (5).
f (x) · k EOF (V / x) <k EP (V / x) (6)

結局、スイッチ21、22を開いたとき送液による粒子搬送が起き、スイッチ21、22を閉じたとき電気泳動よる粒子29の濃縮が起きるためには、数式(3)と数式(6)とが同時に成り立てばよいので、この条件は次の数式(7)となる。
EOF>kEP>f(x)・kEOF …(7)
あるいは、数式(7)は、次のように表すこともできる。
εζ/η > e/(6πηr) > f(x)・(εζ/η) …(8)
ε:サンプル溶液の誘電率
ζ:ゼータ電位
η:サンプル溶液の粘度
e:粒子の電荷
r:粒子の半径
f(x):流速維持率
Eventually, when the switches 21 and 22 are opened, the particle conveyance by the liquid feeding occurs, and when the switches 21 and 22 are closed, the concentration of the particles 29 by the electrophoresis occurs, the equations (3) and (6) Since it is sufficient to hold simultaneously, this condition is expressed by the following formula (7).
k EOF > k EP > f (x) · k EOF (7)
Alternatively, Equation (7) can also be expressed as follows.
εζ / η> e / (6πηr)> f (x) · (εζ / η) (8)
ε: Dielectric constant of sample solution
ζ: zeta potential
η: viscosity of the sample solution
e: Charge of particles
r: radius of the particle
f (x): Flow rate maintenance rate

粒子29の性質は基本的に変えることができないので、数式(8)の左の不等式を満たすためには、流路14の内壁面の帯電量を大きくしてゼータ電位ζを大きくすることが有効である。また、数式(8)の右の不等式を満たすためには、流速維持率f(x)を小さくする(すなわち、溶液抵抗を大きくする)ことが有効である。   Since the properties of the particles 29 cannot be basically changed, in order to satisfy the inequality on the left side of the equation (8), it is effective to increase the charge amount of the inner wall surface of the flow path 14 and increase the zeta potential ζ. It is. Further, in order to satisfy the inequality on the right side of Expression (8), it is effective to reduce the flow rate maintenance rate f (x) (that is, increase the solution resistance).

ゼータ電位ζは、シランカップリング剤や自己組織化膜(SAM)などの表面処理により変えることが可能であるから、これらの表面処理によってゼータ電位ζを大きくすればよい。   Since the zeta potential ζ can be changed by a surface treatment such as a silane coupling agent or a self-assembled film (SAM), the zeta potential ζ may be increased by these surface treatments.

溶液抵抗としては圧力損失が考えられる。圧力損失ΔPは一般的に以下の式で表される。
ΔP=(32ηIu)/D
η:サンプル溶液の粘度
I:流れ代表長さ
u:平均流速
D:流路の直径
従って、直径Dの小さな流路を用いれば、圧力損失ΔPが大きくなり、溶液抵抗が増大するので、流速維持率f(x)を小さくできる。そのため、細い流路を用いればよいことは明らかである。
A pressure loss can be considered as the solution resistance. The pressure loss ΔP is generally expressed by the following equation.
ΔP = (32ηIu) / D 2
η: viscosity of the sample solution
I: Flow representative length
u: Average flow velocity
D: Diameter of the channel Accordingly, if a channel having a small diameter D is used, the pressure loss ΔP increases and the solution resistance increases, so that the flow rate maintenance rate f (x) can be reduced. Therefore, it is obvious that a narrow flow path may be used.

また、濃縮用電極18、19の電極間距離xを短くすることによっても圧力損失ΔPを大きくし、流速維持率f(x)を小さくすることができる。図9は、14mmの長さの流路14に距離xをあけて濃縮用電極18、19を設け、濃縮用電極18、19間に電圧を印加させてサンプル溶液28を送液させたときの、電極間距離xとサンプル溶液28の流速(単位電圧当たり)との関係を表したものである。図9には、圧力損失がないと仮定して計算により求めた流速と、サンプル溶液28の流速の実測値とを表している。図9によれば、電極間距離xが小さくなるほど実測値と計算値(圧力損失の無いときの理論値)とのずれが大きくなっており、電極間距離xが1mmのときには計算値と実測値との間に6倍の違いがある。よって、濃縮用電極18、19の電極間距離xが小さいほど圧力損失が大きくなることが分かる。従って、電極間距離xを小さくすれば、f(x)が小さくなって数式(8)の右の式の値を小さくできる。   Further, the pressure loss ΔP can be increased and the flow rate maintenance rate f (x) can be decreased by shortening the interelectrode distance x between the concentrating electrodes 18 and 19. FIG. 9 shows a case where the concentration electrodes 18 and 19 are provided at a distance x in the channel 14 having a length of 14 mm, and the sample solution 28 is fed by applying a voltage between the concentration electrodes 18 and 19. This represents the relationship between the interelectrode distance x and the flow rate of the sample solution 28 (per unit voltage). FIG. 9 shows a flow rate obtained by calculation on the assumption that there is no pressure loss, and an actual measurement value of the flow rate of the sample solution 28. According to FIG. 9, the smaller the distance between the electrodes x, the larger the difference between the measured value and the calculated value (theoretical value when there is no pressure loss), and when the distance between the electrodes x is 1 mm, the calculated value and the actually measured value. There is a 6-fold difference between Therefore, it can be seen that the pressure loss increases as the interelectrode distance x between the concentrating electrodes 18 and 19 decreases. Accordingly, if the inter-electrode distance x is reduced, f (x) is reduced, and the value of the right equation of Equation (8) can be reduced.

さらに、サンプル溶液28のpHを調整することで粒子29の帯電量eを変えることができるので、数式(8)の真ん中の式の値を変化させることができるが、このときには流路14の内壁面のゼータ電位ζやサンプル溶液の誘電率εも変化するので、注意が必要である。   Further, since the charge amount e of the particles 29 can be changed by adjusting the pH of the sample solution 28, the value of the middle formula of the formula (8) can be changed. Care must be taken since the zeta potential ζ of the wall surface and the dielectric constant ε of the sample solution also change.

なお、細い流路を用いることが好ましいことを上に記載したが、実施形態1では、実際には高さが約10μm、幅が約100μmの流路14を用いている。これはつぎのような理由による。流路14の高さが大きい場合を考えると、流路14の内壁面にマイナスイオンが引き付けられているので、電気浸透流を発生させたときに流路14の内壁面近傍では電界によるサンプル溶液の流れが生じるが、流路14内の中央部では流れが生じなかったり、流れが生じても流速が遅かったりして、流路14内の流れが層流となる恐れがある。実験的には、流路14の高さを約10μmよりも小さくすることによって流路14内全体の流れを均一な流速とすることができた。一方、流路14の高さをあまり小さくすると、流路14に流れるサンプル溶液の流量が小さくなる。従って、流路14の高さは約10μmとするのが最も望ましい。   Although it has been described above that it is preferable to use a thin channel, in the first embodiment, the channel 14 having a height of about 10 μm and a width of about 100 μm is actually used. This is for the following reason. Considering the case where the height of the flow path 14 is large, negative ions are attracted to the inner wall surface of the flow path 14. However, there is a possibility that the flow in the flow path 14 becomes a laminar flow because the flow does not occur in the central portion of the flow path 14 or the flow velocity is slow even if the flow occurs. Experimentally, by making the height of the flow channel 14 smaller than about 10 μm, the entire flow in the flow channel 14 could be made uniform. On the other hand, if the height of the flow path 14 is made too small, the flow rate of the sample solution flowing in the flow path 14 becomes small. Therefore, the height of the flow path 14 is most preferably about 10 μm.

しかし、流路14を直径が約10μmの円形断面とすると、流路14に流れるサンプル溶液の流量が少なくなる。そのため、実施形態1では、流路14の高さを約10μmとして流速を均一化すると共に、流路14の幅を大きくして(約100μm)流量を確保している。   However, if the channel 14 has a circular cross section with a diameter of about 10 μm, the flow rate of the sample solution flowing in the channel 14 is reduced. For this reason, in the first embodiment, the height of the flow path 14 is set to about 10 μm to uniform the flow rate, and the width of the flow path 14 is increased (about 100 μm) to ensure the flow rate.

また、流路14の断面形状としては、幅が約10μmで高さが約100μmといった縦長断面形状も可能である。しかし、縦長断面形状であると、リザーバ13内のサンプル溶液が少なくなってきたときに流路14に気泡を噛み込む恐れがある。そのため幅方向に広い流路14を用いている。   Further, the cross-sectional shape of the flow path 14 can be a vertically long cross-sectional shape having a width of about 10 μm and a height of about 100 μm. However, if the sample has a vertically long cross-sectional shape, there is a possibility that air bubbles may be caught in the flow path 14 when the sample solution in the reservoir 13 becomes small. Therefore, the wide flow path 14 is used in the width direction.

(粒子の移動速度と電極間距離)
つぎに、濃縮時と粒子搬送時の粒子29の移動速度を考える。スイッチ21、22を閉じて濃縮を行っている場合には、粒子29の移動速度は、数式(4)、(5)より、
〔kEP−f(x)・kEOF〕(V/x)
となる。また、このときのサンプル溶液28の流速は、
f(x)・kEOF(V/x)
である。よって、濃縮用電極18、19の電極間距離xを小さくすることによって、粒子の移動速度を大きくして濃縮効率を向上させ、またサンプル溶液28の流速を大きくして濃縮エリアへ粒子29を効率よく供給できることを期待できる。
(Particle moving speed and distance between electrodes)
Next, consider the moving speed of the particles 29 during concentration and particle transportation. When the switches 21 and 22 are closed and the concentration is performed, the moving speed of the particles 29 is expressed by the equations (4) and (5).
[K EP −f (x) · k EOF ] (V / x)
It becomes. The flow rate of the sample solution 28 at this time is
f (x) · k EOF (V / x)
It is. Therefore, by reducing the interelectrode distance x between the concentration electrodes 18 and 19, the particle moving speed is increased to improve the concentration efficiency, and the flow rate of the sample solution 28 is increased to efficiently move the particles 29 to the concentration area. We can expect to be able to supply well.

また、スイッチ21、22を閉じて粒子搬送を行っている場合には、粒子29の移動速度は、数式(1)、(2)より、
〔kEOF−kEP〕(V/L)
となる。従って、粒子搬送の場合には、送液用電極16、17の電極間距離Lを大きくすれば、粒子の移動速度を小さくすることができ、濃縮された粒子を所定のセンシング位置へ搬送して精度よく停止させることができ、センシング時の信号強度を高くして測定感度を向上させることができる。よって、送液用電極16、17の電極間距離Lは、プレート12のサイズが大きくならない範囲で、できるだけ長くなることが好ましく、実施形態1では、送液用電極16、17をリザーバ13、15内に設けている。
In addition, when the particles 21 are transported with the switches 21 and 22 closed, the moving speed of the particles 29 can be calculated from the equations (1) and (2).
[K EOF -k EP ] (V / L)
It becomes. Therefore, in the case of particle conveyance, if the interelectrode distance L between the liquid feeding electrodes 16 and 17 is increased, the moving speed of the particles can be reduced, and the concentrated particles can be conveyed to a predetermined sensing position. It can be stopped with high accuracy, and the measurement sensitivity can be improved by increasing the signal intensity during sensing. Therefore, it is preferable that the interelectrode distance L between the liquid feeding electrodes 16 and 17 be as long as possible within a range where the size of the plate 12 does not increase. In the first embodiment, the liquid feeding electrodes 16 and 17 are connected to the reservoirs 13 and 15. It is provided inside.

以上より、送液用電極16、17の電極間距離Lと濃縮用電極18、19の電極間距離xの比L/xはできるだけ大きいことが望ましい。   From the above, it is desirable that the ratio L / x of the interelectrode distance L between the liquid feeding electrodes 16 and 17 and the interelectrode distance x between the concentrating electrodes 18 and 19 is as large as possible.

(サンプル濃縮装置の作製方法)
つぎに、実施形態1のサンプル濃縮装置11の作製方法を説明する。図10(a)〜(e)、図11(a)〜(d)及び図12(a)〜(d)は、当該作製方法を説明する概略断面図である。
(Production method of sample concentrator)
Next, a method for producing the sample concentrator 11 of Embodiment 1 will be described. 10 (a) to 10 (e), 11 (a) to 11 (d), and 12 (a) to 12 (d) are schematic cross-sectional views illustrating the manufacturing method.

まず、図10(a)に示すように、ガラス基板41(ウエハ)を洗浄した後、Auをスパッタしてガラス基板41の上面に膜厚300nmのAu膜42を形成する。ついで、図10(b)に示すように、Au膜42の上にフォトレジストをスピンコートしてレジスト膜43を形成する。ついで、図10(c)に示すように、マスクを用いてレジスト膜43をパターニングし、さらに図10(d)のように、パターニングされたレジスト膜43をマスクとしてAu膜42をエッチング液によってエッチングした後、Au膜42の上のレジスト膜43をアセトンで除去する。この結果、図10(e)に示すように、ガラス基板41の上面には、Au膜42によって送液用電極16、17及び濃縮用電極18、19が完成される。図10には1枚分のガラス基板41だけを示しているが、ガラス基板41はウエハサイズのままで複数個分の電極16〜19を形成されているので、ウエハをダイシングソーによってカットし、個々のガラス基板10に分割する。こうして分割されたガラス基板は、例えば縦27mm、幅55mm、厚み0.5mmとなっている。   First, as shown in FIG. 10A, after cleaning the glass substrate 41 (wafer), Au is sputtered to form an Au film 42 having a film thickness of 300 nm on the upper surface of the glass substrate 41. Next, as shown in FIG. 10B, a photoresist film is spin-coated on the Au film 42 to form a resist film 43. Next, as shown in FIG. 10C, the resist film 43 is patterned using a mask. Further, as shown in FIG. 10D, the Au film 42 is etched by an etchant using the patterned resist film 43 as a mask. After that, the resist film 43 on the Au film 42 is removed with acetone. As a result, as shown in FIG. 10E, the liquid feeding electrodes 16 and 17 and the concentration electrodes 18 and 19 are completed on the upper surface of the glass substrate 41 by the Au film 42. Although only one glass substrate 41 is shown in FIG. 10, since the glass substrate 41 is formed with a plurality of electrodes 16 to 19 while maintaining the wafer size, the wafer is cut with a dicing saw, Divide into individual glass substrates 10. The glass substrate thus divided is, for example, 27 mm long, 55 mm wide, and 0.5 mm thick.

一方、図11(a)に示すように、洗浄したシリコン基板44の上面にフォトレジストを塗布した後、フォトリソグラフィ工程によってフォトレジスト膜45をパターニングしてフォトレジスト膜45に流路14と同じパターンの開口46をあける。ついで、図11(b)に示すように、フォトレジスト膜45の開口46からシリコン基板44をエッチングし、流路14を形成するための溝47を形成し、フォトレジスト膜45を剥離する。この後、図11(c)に示すように、電鋳法によってシリコン基板44の上面にNiを堆積させてNi成形型48に溝47を転写し、図11(d)のようにNi成形型48の表面に流路14と同じ断面サイズ、同じパターンの凸条49を形成する。   On the other hand, as shown in FIG. 11A, after applying a photoresist on the upper surface of the cleaned silicon substrate 44, the photoresist film 45 is patterned by a photolithography process, and the same pattern as the flow path 14 is formed in the photoresist film 45. The opening 46 is opened. Next, as shown in FIG. 11B, the silicon substrate 44 is etched from the opening 46 of the photoresist film 45 to form a groove 47 for forming the flow path 14, and the photoresist film 45 is peeled off. Thereafter, as shown in FIG. 11 (c), Ni is deposited on the upper surface of the silicon substrate 44 by electroforming, and the grooves 47 are transferred to the Ni forming die 48. As shown in FIG. 11 (d), the Ni forming die is transferred. The ridges 49 having the same cross-sectional size and the same pattern as the flow path 14 are formed on the surface of 48.

この後、図12(a)に示すように、Ni成形型48の上面にPDMS前駆体溶液を流し、60℃の温度に2時間保持して硬化させ、硬化後にこれをNi成形型48から剥離させることにより、下面に流路14を形成された図12(b)のような流路基板50を得る。こうして得られた流路基板50は、例えば縦25mm、幅35mm、厚み4mmとなっている(ガラス基板41と同じ縦、横サイズであってもよい。)。ついで、図12(c)に示すように、流路基板50に2つの貫通孔51を開口させた後、ガラス基板41の上面に流路基板50の下面を貼り合わせて図12(d)のようなサンプル濃縮装置11を得る。こうして作製されたサンプル濃縮装置11では、ガラス基板41と流路基板50によってプレート12が形成され、2つの開口貫通孔51の下面がガラス基板41で塞がれてリザーバ13、15となる。   Thereafter, as shown in FIG. 12 (a), the PDMS precursor solution is poured onto the upper surface of the Ni mold 48 and kept at a temperature of 60 ° C. for 2 hours to be cured. By doing so, the flow path substrate 50 as shown in FIG. 12B having the flow path 14 formed on the lower surface is obtained. The flow path substrate 50 thus obtained has a length of 25 mm, a width of 35 mm, and a thickness of 4 mm, for example (may be the same vertical and horizontal size as the glass substrate 41). Next, as shown in FIG. 12C, after the two through holes 51 are opened in the flow path substrate 50, the lower surface of the flow path substrate 50 is bonded to the upper surface of the glass substrate 41, and the flow path shown in FIG. Such a sample concentrator 11 is obtained. In the sample concentrating device 11 thus manufactured, the plate 12 is formed by the glass substrate 41 and the flow path substrate 50, and the lower surfaces of the two opening through holes 51 are closed by the glass substrate 41 to form the reservoirs 13 and 15.

(実施例)
実際に作製したサンプル濃縮装置によって粒子が濃縮される様子と粒子搬送される様子を観察した。図13(a)〜(d)及び図14(a)〜(c)は、観察粒子として、表面をカルボキシル基で処理したポリスチレンビーズ(粒子直径2mm)を用いたものであり、図13(a)〜(d)は粒子が濃縮される様子を示し、図14(a)〜(c)は粒子が搬送される様子を示す。また、図15(a)〜(e)及び図16(a)〜(c)は、観察粒子として、大腸菌O-157を用いたものであり、図15(a)〜(e)は大腸菌が濃縮される様子を示し、図16(a)〜(c)は大腸菌が搬送される様子を示す。
(Example)
The state in which the particles were concentrated and the state in which the particles were transported was observed by an actually produced sample concentrator. 13 (a) to (d) and FIGS. 14 (a) to (c) are obtained by using polystyrene beads (particle diameter: 2 mm) whose surfaces are treated with carboxyl groups as observation particles. ) To (d) show how the particles are concentrated, and FIGS. 14 (a) to (c) show how the particles are conveyed. 15 (a) to (e) and FIGS. 16 (a) to (c) are obtained by using E. coli O-157 as observation particles, and FIGS. 15 (a) to (e) are obtained by using E. coli. FIGS. 16 (a) to 16 (c) show how E. coli is transported.

この観察に用いたサンプル濃縮装置は、流路の高さが10μm、幅が50〜200μmのものである(いずれの幅のものでも、濃縮効果が確認できた。)。高さが40μmの流路では、流路中心付近で電気浸透流による流れが弱くなり、粒子搬送時に中心付近の粒子がプラスの送液用電極側へ逆流した。本発明のサンプル濃縮装置では、電気浸透流と電気泳動のバランスが重要であるから、流路の高さは低い方が好ましい。なお、このバランスは前記のように粒子の電荷量と流路内壁面の帯電量によって決まる。   The sample concentrator used for this observation had a flow path height of 10 μm and a width of 50 to 200 μm (concentration effect could be confirmed with any width). In the flow path having a height of 40 μm, the flow due to the electroosmotic flow was weak in the vicinity of the center of the flow path, and the particles in the vicinity of the center flowed back toward the positive liquid-feeding electrode side when the particles were conveyed. In the sample concentrator of the present invention, since the balance between electroosmotic flow and electrophoresis is important, the height of the flow path is preferably low. This balance is determined by the charge amount of the particles and the charge amount of the inner wall surface of the flow path as described above.

2つの送液用電極及び2つの濃縮用電極は、いずれもAu電極を用いた。送液用電極は円形のAu電極であり、濃縮用電極は長方形のAu電極で流路を横切るように配置した。また、電気泳動と電気浸透流の差を大きくするため、流路全体の長さ(10mm)と比べて短い距離に濃縮用電極を配置した。具体的には、濃縮電極の電極間距離は1〜2mmが好ましいが、この実施例では1mmとした。また、リザーバ内に配置された送液用電極の電極間距離は14mmとした。濃縮用電極の幅はいずれも0.5mmとした。そして、プラス側の送液用電極とプラス側の濃縮用電極との距離を5.25mmとし、マイナス側の送液用電極とマイナス側の濃縮用電極との距離を6.75mmとした。   The two electrodes for liquid feeding and the two electrodes for concentration used Au electrodes. The liquid feeding electrode was a circular Au electrode, and the concentrating electrode was a rectangular Au electrode arranged so as to cross the flow path. Further, in order to increase the difference between electrophoresis and electroosmotic flow, the concentration electrode was disposed at a shorter distance than the entire length of the flow path (10 mm). Specifically, the distance between the electrodes of the concentration electrode is preferably 1 to 2 mm, but in this example, it was set to 1 mm. Further, the distance between the electrodes of the liquid feeding electrode arranged in the reservoir was 14 mm. The width of the concentration electrode was 0.5 mm. The distance between the plus-side liquid feeding electrode and the plus-side concentration electrode was 5.25 mm, and the distance between the minus-side liquid feeding electrode and the minus-side concentration electrode was 6.75 mm.

さらに、濃縮用電極及び送液用電極には、電源から50ボルトの電圧を印加することとした。印加電圧を高くするほど大きな流速を得ることができ、濃縮速度も速くなるが、印加電圧を高くするとサンプル溶液内に気泡が発生する可能性が高くなるため、印加電圧は濃縮速度と気泡発生のトレードオフである。従って、印加電圧は、これらの点を考慮して50ボルトとした。   Furthermore, a voltage of 50 volts was applied from the power source to the concentrating electrode and the liquid feeding electrode. The higher the applied voltage, the higher the flow rate and the higher the concentration speed.However, the higher the applied voltage, the more likely the bubbles will be generated in the sample solution. It is a trade-off. Therefore, the applied voltage is 50 volts in consideration of these points.

緩衝液として10mMのボーレートバッファを用いて濃縮動作等を確認した。純水ではさらに大きな流速が得られ、高濃度の緩衝液にするほど流速が遅くなった。従って、適当な緩衝液を用いることで、粒子搬送速度を調整することが可能となる。   Concentration operation and the like were confirmed using a 10 mM baud rate buffer as a buffer solution. With pure water, a larger flow rate was obtained, and the higher the buffer concentration, the slower the flow rate. Therefore, the particle transport speed can be adjusted by using an appropriate buffer solution.

図13は表面をカルボキシル基で処理した直径2mmのポリスチレンビーズを観察粒子として濃縮動作を観察したものであり、図13(a)は濃縮開始前の流路の様子を示し、図13(b)は濃縮開始直後の流路の様子を示し、図13(c)は濃縮開始後1分経過時の流路の様子を示し、図13(d)は濃縮開始後3分経過時の流路の様子を示している。濃縮開始前の図13(a)では粒子は流路内に均一に分散しているが、時間の経過とともに図13(b)、図13(c)、図13(d)というように粒子が次第にプラスの濃縮電極に凝集していき、3分経過後の図13(d)は多量の粒子が濃縮電極の近傍に凝集して濃縮されていることを観察できる。3分経過後の状態では、濃縮前の粒子密度に比べて8.6倍の粒子密度であった。   FIG. 13 shows a concentration operation observed using polystyrene beads having a diameter of 2 mm whose surface is treated with a carboxyl group as an observation particle. FIG. 13 (a) shows a flow path before the start of concentration, and FIG. 13 (b). Shows the state of the flow channel immediately after the start of concentration, FIG. 13 (c) shows the state of the flow channel after 1 minute from the start of concentration, and FIG. 13 (d) shows the flow channel after 3 minutes from the start of concentration. It shows a state. In FIG. 13A before the start of concentration, the particles are uniformly dispersed in the flow path. However, as time passes, the particles are as shown in FIGS. 13B, 13C, and 13D. Gradually, the particles concentrate on the positive concentration electrode. FIG. 13 (d) after 3 minutes can observe that a large amount of particles are aggregated and concentrated in the vicinity of the concentration electrode. In the state after 3 minutes, the particle density was 8.6 times the particle density before concentration.

図14は、図13の濃縮工程の後、送液用電極間に電圧を印加して粒子搬送の動作に切り替えたときの様子を観察したものであり、図14(a)は粒子搬送を開始して1秒後の流路の様子を示し、図14(b)は粒子搬送を開始して3秒後の流路の様子を示し、図14(c)は粒子搬送を開始して5秒後の流路の様子を示している。粒子搬送開始から1秒後の図14(a)では、プラスの濃縮用電極で濃縮されていた粒子がマイナスの濃縮用電極側へ搬送されている。粒子搬送開始から3秒後の図14(b)でも、濃縮された粒子は濃縮エリア内においてマイナスの濃縮用電極側へ搬送されている。さらに、粒子搬送開始から5秒後の図14(c)では、濃縮された粒子は、マイナスの濃縮用電極を超えて濃縮エリア外へ搬送されている。なお、搬送開始から3秒後のとき、画像処理によって積算光量を計測したところ、濃縮前に比べて積算光量は8.6倍となることを確認できた。   FIG. 14 shows the state when the voltage is applied between the liquid-feeding electrodes after the concentration step of FIG. 13 and the operation is switched to the particle transport operation, and FIG. 14 (a) starts the particle transport. 14 (b) shows the state of the flow path after 3 seconds from the start of particle transportation, and FIG. 14 (c) shows the state of the flow path after 5 seconds. The state of the subsequent flow path is shown. In FIG. 14A, one second after the start of particle conveyance, the particles concentrated by the positive concentration electrode are conveyed to the negative concentration electrode side. 14B after 3 seconds from the start of particle conveyance, the concentrated particles are conveyed to the negative concentration electrode side in the concentration area. Furthermore, in FIG. 14C, 5 seconds after the start of particle conveyance, the concentrated particles are conveyed outside the concentration area beyond the minus concentration electrode. When the integrated light amount was measured by image processing at 3 seconds after the start of conveyance, it was confirmed that the integrated light amount was 8.6 times that before concentration.

図15は大腸菌O-157を観察粒子として濃縮動作を観察したものであり、図15(a)は濃縮開始前の流路の様子を示し、図15(b)は濃縮開始直後の流路の様子を示し、図15(c)は濃縮開始後1分経過時の流路の様子を示し、図15(d)は濃縮開始後3分経過時の流路の様子を示し、図15(e)は濃縮開始後5分経過時の流路の様子を示している。濃縮開始前の図15(a)では大腸菌は流路内に均一に分散していると思われるが、時間の経過とともに図15(b)、図15(c)、図15(d)、図15(e)というように大腸菌が次第にプラスの濃縮電極に凝集していき、5分経過後の図15(e)では多くの大腸菌が濃縮電極の近傍に凝集して濃縮されている。ポリスチレンビーズを用いた場合に比べると、濃縮速度は遅いが、大腸菌の場合でも十分に濃縮できることが観察される。   FIG. 15 shows the concentration operation observed using Escherichia coli O-157 as an observation particle. FIG. 15 (a) shows the flow path before the start of concentration, and FIG. 15 (b) shows the flow path immediately after the start of concentration. FIG. 15C shows the state of the flow channel after 1 minute has elapsed since the start of concentration, FIG. 15D shows the state of the flow channel when 3 minutes have elapsed since the start of concentration, and FIG. ) Shows the flow path after 5 minutes from the start of concentration. In FIG. 15 (a) before the start of concentration, E. coli seems to be uniformly dispersed in the flow path, but as time passes, FIG. 15 (b), FIG. 15 (c), FIG. 15 (d), FIG. As shown in FIG. 15 (e), Escherichia coli gradually aggregates on the positive concentration electrode, and in FIG. 15 (e) after 5 minutes, many E. coli are aggregated and concentrated near the concentration electrode. Although the concentration rate is slower than when polystyrene beads are used, it can be observed that even E. coli can be sufficiently concentrated.

図16は、図15の濃縮工程の後、送液用電極間に電圧を印加して粒子搬送の動作に切り替えたときの様子を観察したものであり、図16(a)は粒子搬送を開始して1秒後の流路の様子を示し、図16(b)は粒子搬送を開始して3秒後の流路の様子を示し、図16(c)は粒子搬送を開始して5秒後の流路の様子を示している。大腸菌の場合にも、ゆっくりとした速度で濃縮された大腸菌がマイナスの濃縮用電極側へむけて搬送されていることが観察できる。   FIG. 16 shows a state in which, after the concentration step in FIG. 15, a voltage is applied between the liquid-feeding electrodes to switch to the particle transport operation, FIG. 16 (a) starts the particle transport. 16 (b) shows the state of the flow path after 3 seconds from the start of particle transportation, and FIG. 16 (c) shows the state of the flow path after 5 seconds from the start of particle transportation. The state of the subsequent flow path is shown. In the case of E. coli as well, it can be observed that E. coli concentrated at a slow rate is transported toward the negative concentration electrode.

従って、このような実施例における観察により、実施形態1のサンプル濃縮装置の有効性を確認することができた。   Therefore, the effectiveness of the sample concentrator of Embodiment 1 could be confirmed by observation in such an example.

(その他)
以上の説明においては、粒子がマイナスに荷電している場合について述べたが、粒子がプラスに荷電している場合にもサンプル濃縮装置11を用いることができる。この場合には、プレート12としてプラスに帯電可能なものを用いて流路14の内壁面をプラスに帯電させ、送液用電極16及び濃縮用電極18側に直流電源20を接続し、送液用電極17及び濃縮用電極19側をグランドに接続するようにすれば、同じ場所(マイナスの濃縮用電極)に粒子が濃縮される。
(Other)
In the above description, the case where the particles are negatively charged has been described, but the sample concentrator 11 can also be used when the particles are positively charged. In this case, a positively chargeable plate 12 is used to positively charge the inner wall surface of the flow path 14, the DC power supply 20 is connected to the liquid supply electrode 16 and the concentration electrode 18, and the liquid supply If the electrode 17 and the concentration electrode 19 side are connected to the ground, the particles are concentrated at the same place (negative concentration electrode).

また、濃縮する対象は荷電した粒子に限らず、電荷を持ったイオン、生体分子なども濃縮したり、濃縮したものを搬送させることができる。   In addition, the target to be concentrated is not limited to charged particles, but can also concentrate charged ions, biomolecules, etc., or transport the concentrated particles.

また、送液用電極にもスイッチを設け、濃縮時には送液用電極のスイッチを開いて電源から切り離すようにしてもよい。   Also, a switch may be provided on the liquid-feeding electrode, and at the time of concentration, the liquid-feeding electrode switch may be opened and disconnected from the power source.

(第2の実施形態)
図17は本発明の実施形態2によるサンプル濃縮装置61を示す概略図である。このサンプル濃縮装置61は、マイナス側の送液用電極を省いて3つの電極、すなわち2つの濃縮用電極18、19と1つの送液用電極16で構成したものである。このサンプル濃縮装置61においては、送液用電極16は配線64によって直流電源20に直結されている。濃縮用電極18は、配線65及び66によって直流電源20に接続可能となっており、また配線66及び67によってグランドに接続可能となっており、スイッチ62によって電源側とグランド側とに切替可能となっている。濃縮用電極19は、配線68及び69によってグランドに接続可能となっており、またスイッチ62によってグランドから切離し可能となっている。
(Second Embodiment)
FIG. 17 is a schematic diagram showing a sample concentrator 61 according to Embodiment 2 of the present invention. The sample concentrator 61 is configured by three electrodes, that is, two concentrating electrodes 18 and 19 and one liquid-feeding electrode 16, omitting the negative-side liquid-feeding electrode. In the sample concentrating device 61, the liquid feeding electrode 16 is directly connected to the DC power source 20 by a wiring 64. The concentrating electrode 18 can be connected to the DC power source 20 by wirings 65 and 66, can be connected to the ground by wirings 66 and 67, and can be switched between the power source side and the ground side by the switch 62. It has become. The concentrating electrode 19 can be connected to the ground by wirings 68 and 69, and can be separated from the ground by the switch 62.

しかして、図17(a)に示すように、スイッチ62を電源側へ切り替えて濃縮用電極18を直流電源20に接続し、スイッチ63を閉じて濃縮用電極19をグランドに接続している状態では、濃縮用電極18、19間の濃縮エリアにあるマイナスの粒子は、プラス側の濃縮用電極18に吸引されて濃縮用電極18のある場所で濃縮される。同時に、濃縮用電極18、19間における電気浸透効果によって流路14内に電気浸透流が生じてサンプル溶液がリザーバ13からリザーバ15へ送液される。   Thus, as shown in FIG. 17A, the switch 62 is switched to the power supply side, the concentration electrode 18 is connected to the DC power supply 20, and the switch 63 is closed, and the concentration electrode 19 is connected to the ground. Then, the negative particles in the concentration area between the concentration electrodes 18 and 19 are attracted to the concentration electrode 18 on the plus side and concentrated at the location where the concentration electrode 18 is located. At the same time, an electroosmotic flow is generated in the flow path 14 due to the electroosmotic effect between the concentration electrodes 18 and 19, and the sample solution is sent from the reservoir 13 to the reservoir 15.

また、図17(b)に示すように、スイッチ62をグランド側へ切り替えて濃縮用電極18をグランドに接続し、スイッチ63を開いて濃縮用電極19をオープンにしている状態では、送液用電極16と濃縮用電極18の間における電気浸透効果によって流路14内に電気浸透流が生じ、濃縮用電極18で濃縮された粒子が濃縮用電極19側へ搬送される。   Further, as shown in FIG. 17B, in the state where the switch 62 is switched to the ground side and the concentrating electrode 18 is connected to the ground, and the switch 63 is opened and the concentrating electrode 19 is open, Due to the electroosmotic effect between the electrode 16 and the concentrating electrode 18, an electroosmotic flow is generated in the flow path 14, and the particles concentrated by the concentrating electrode 18 are conveyed to the concentrating electrode 19 side.

以上のような動作から分かるように、このサンプル濃縮装置61では、濃縮用電極18がマイナス側の送液用電極の働きを兼ねている。また、濃縮用電極18及び19によって粒子の濃縮を行い、送液用電極16及び濃縮用電極18によって粒子搬送を行うので、送液用電極16と濃縮用電極18の電極間距離は、濃縮用電極18と19の電極間距離よりも長くなっている。   As can be seen from the operation as described above, in the sample concentrating device 61, the concentrating electrode 18 also functions as a negative liquid feeding electrode. Further, since the particles are concentrated by the concentrating electrodes 18 and 19 and the particles are transported by the liquid sending electrode 16 and the concentrating electrode 18, the distance between the liquid sending electrode 16 and the concentrating electrode 18 is the concentration distance. It is longer than the distance between the electrodes 18 and 19.

(第3の実施形態)
図18は本発明の実施形態3によるサンプル濃縮装置71を示す概略図である。このサンプル濃縮装置71は、流路14から濃縮用流路72を分岐させて流路をT形に構成したものである。流路14の両端に設けられたリザーバ13、15内にはそれぞれ送液用電極16、17を設けてある。濃縮用流路72の端にもリザーバ80を形成してあり、リザーバ80内に送液用電極73を設けてあり、濃縮用流路72の途中には濃縮用電極74を設けている。送液用電極16は配線75によって直流電源20に直結され、送液用電極73も配線76によって直流電源20に直結されている。送液用電極17は配線77によってグランドに接続されている。濃縮用電極74はスイッチ78を介して配線79によって直流電源20に接続されている。また、濃縮用電極74と送液用電極17との流路に沿った電極間距離は、送液用電極16と送液用電極17との電極間距離よりも十分短くなっている。
(Third embodiment)
FIG. 18 is a schematic diagram showing a sample concentrator 71 according to Embodiment 3 of the present invention. The sample concentrating device 71 is configured by branching a concentration channel 72 from the channel 14 and forming the channel in a T shape. Liquid supply electrodes 16 and 17 are provided in reservoirs 13 and 15 provided at both ends of the flow path 14, respectively. A reservoir 80 is also formed at the end of the concentration channel 72, a liquid feeding electrode 73 is provided in the reservoir 80, and a concentration electrode 74 is provided in the middle of the concentration channel 72. The liquid feeding electrode 16 is directly connected to the DC power source 20 by a wiring 75, and the liquid feeding electrode 73 is also directly connected to the DC power source 20 by a wiring 76. The liquid feeding electrode 17 is connected to the ground by a wiring 77. The concentrating electrode 74 is connected to the DC power supply 20 through a switch 78 by a wiring 79. Further, the interelectrode distance along the flow path between the concentrating electrode 74 and the liquid feeding electrode 17 is sufficiently shorter than the interelectrode distance between the liquid feeding electrode 16 and the liquid feeding electrode 17.

しかして、スイッチ78を閉じて濃縮用電極74に電圧を印加した場合には、図19に示すように、濃縮用電極74、と送液用電極17の間の濃縮エリアにある粒子29が濃縮用電極74に吸引され(電気泳動)、濃縮用電極74の場所に粒子29が凝集して濃縮される。このとき送液用電極16から送液用電極17に向けて電気浸透流が生じている。また、濃縮用電極74から送液用電極17に向けて電気浸透流が生じており、これによってリザーバ80から濃縮用電極74に向けてもサンプル溶液28の流れが生じ、粒子29を含んだサンプル溶液28がリザーバ80から濃縮エリアに供給されている。   Thus, when the switch 78 is closed and a voltage is applied to the concentration electrode 74, the particles 29 in the concentration area between the concentration electrode 74 and the liquid feeding electrode 17 are concentrated as shown in FIG. The particles 29 are attracted to the electrode 74 (electrophoresis), and the particles 29 are aggregated and concentrated at the location of the concentration electrode 74. At this time, an electroosmotic flow is generated from the liquid feeding electrode 16 toward the liquid feeding electrode 17. In addition, an electroosmotic flow is generated from the concentration electrode 74 toward the liquid feeding electrode 17, whereby the sample solution 28 flows also from the reservoir 80 toward the concentration electrode 74, and the sample including the particles 29 is generated. The solution 28 is supplied from the reservoir 80 to the concentration area.

粒子29の濃縮が終わった後、スイッチ78を開いて濃縮用電極74を開放にすると、図20に示すように、送液用電極16から送液用電極17に向けて電気浸透流が生じ、また送液用電極73から送液用電極17に向けても電気浸透流が生じ、これによって濃縮用電極74の場所で濃縮された粒子29が濃縮用流路72及び流路14に沿って送液用電極17側へ向けて搬送される(粒子搬送)。   After the concentration of the particles 29 is finished, when the switch 78 is opened to open the concentration electrode 74, an electroosmotic flow is generated from the liquid supply electrode 16 toward the liquid supply electrode 17, as shown in FIG. Further, an electroosmotic flow is also generated from the liquid-feeding electrode 73 toward the liquid-feeding electrode 17, whereby the particles 29 concentrated at the location of the concentration electrode 74 are sent along the concentration flow path 72 and the flow path 14. It is conveyed toward the liquid electrode 17 side (particle conveyance).

(第4の実施形態)
図21は本発明の実施形態4による検出装置81を示す概略平面図である。この検出装置81は、実施形態1のサンプル濃縮装置11を用いたものであり、濃縮用電極18及び19の間の濃縮エリアに対応する位置で、プレート12の下面にセンサ82を設けたものである。センサ82としては、SPR(表面プラズモン共鳴)センサ、QCM(クオーツクリスタルマイクロバランス)、酵素センサ、電気化学センサなどのバイオセンサのほか、蛍光検出センサ、分光装置などでもよい。
(Fourth embodiment)
FIG. 21 is a schematic plan view showing a detection device 81 according to Embodiment 4 of the present invention. This detection device 81 uses the sample concentration device 11 of Embodiment 1, and is provided with a sensor 82 on the lower surface of the plate 12 at a position corresponding to the concentration area between the concentration electrodes 18 and 19. is there. The sensor 82 may be a biosensor such as an SPR (surface plasmon resonance) sensor, a QCM (quartz crystal microbalance), an enzyme sensor, or an electrochemical sensor, or a fluorescence detection sensor or a spectroscopic device.

この検出装置81では、濃縮エリア特に濃縮用電極18の近傍にセンサ82を配置しているので、濃縮用電極18で粒子29を濃縮しながら、あるいは粒子29の濃縮が終了した直後に(粒子搬送を行うことなく)、センサ82によって粒子29を検出することができる。よって、濃縮した粒子29をそのまま検出できるので、粒子搬送による濃縮粒子29の拡散を回避することができ、センサ82による検出を高感度化できる。また、このような構成であればインキャピラリー(in-capillary)方式となるので、検出作業を効率よく行うことができる。なお、このような形態では、濃縮した粒子29を搬送する必要がないので、送液用電極16、18は省略することができる。   In this detection device 81, the sensor 82 is arranged in the concentration area, particularly in the vicinity of the concentration electrode 18, so that the particles 29 are concentrated by the concentration electrode 18 or immediately after the concentration of the particles 29 is completed (particle conveyance). The particles 29 can be detected by the sensor 82. Therefore, since the concentrated particles 29 can be detected as they are, the diffusion of the concentrated particles 29 due to particle transportation can be avoided, and the detection by the sensor 82 can be made highly sensitive. In addition, since such an arrangement is an in-capillary system, the detection operation can be performed efficiently. In addition, in such a form, since it is not necessary to convey the concentrated particle | grains 29, the electrodes 16 and 18 for liquid feeding can be abbreviate | omitted.

しかし、図21のような構成であると、電界Eの影響によってセンサ82を使用できなくなる可能性がある。そのような場合には、図22に示す検出装置83のように、センサ82を濃縮エリア外で、粒子搬送方向の下流側となる位置に配置すればよい。この場合には、濃縮用電極18の場所で粒子29を濃縮した後、粒子搬送によって濃縮した粒子29をセンサ82の位置へ移動させて検出を行う。このような構造であれば、粒子搬送によって濃縮粒子29が多少拡散するおそれがあるが、ほとんどすべてのセンサに適用することが可能になる。   However, with the configuration as shown in FIG. 21, the sensor 82 may not be usable due to the influence of the electric field E. In such a case, like the detection device 83 shown in FIG. 22, the sensor 82 may be disposed outside the concentration area and at a position downstream of the particle conveyance direction. In this case, after the particles 29 are concentrated at the location of the concentration electrode 18, the particles 29 concentrated by the particle transport are moved to the position of the sensor 82 and detection is performed. With such a structure, the concentrated particles 29 may be somewhat diffused by particle transportation, but can be applied to almost all sensors.

本発明にかかるサンプル濃縮装置は、マイクロTAS(Total Analysis Systems)と呼ばれるような、微小な化学分析システムを構築する際に用いることができる。例えば、細菌、ウィルス、DNA、タンパク質などを検出するためのバイオチップの開発や、高感度センサ(SPRセンサ、化学センサ、バイオセンサ等)の開発において、センサ感度を向上させるためなどに、採取したサンプルを前処理する工程において用いることができる。細菌の培養などに比べると簡単に成分物質の濃度を高めることができる。   The sample concentrator according to the present invention can be used when a minute chemical analysis system called micro TAS (Total Analysis Systems) is constructed. For example, collected in order to improve sensor sensitivity in the development of biochips for detecting bacteria, viruses, DNA, proteins, etc., and in the development of high-sensitivity sensors (SPR sensors, chemical sensors, biosensors, etc.) It can be used in the step of pretreating the sample. Compared to bacterial culture, the concentration of component substances can be increased easily.

また、成分の分離を目的とするナノピラーチップとしての応用も考えられる。   Moreover, application as a nanopillar chip for the purpose of separating components is also conceivable.

図1(a)は実施形態1によるサンプル濃縮装置の概略断面図、図1(b)は図1(a)のX−X線に沿った概略断面図である。FIG. 1A is a schematic cross-sectional view of a sample concentrating device according to Embodiment 1, and FIG. 1B is a schematic cross-sectional view taken along line XX of FIG. 図2(a)(b)は、実施形態1のサンプル濃縮装置により粒子の濃縮を行う方法を説明する断面図である。FIGS. 2A and 2B are cross-sectional views illustrating a method for concentrating particles using the sample concentration apparatus of the first embodiment. 図3は、粒子の濃縮を開始する前の状況における粒子の分布を模式的に表した図である。FIG. 3 is a diagram schematically showing the distribution of particles in a state before starting the concentration of particles. 図4は、粒子の濃縮を行っている状況における粒子の分布を模式的に表した図である。FIG. 4 is a diagram schematically showing the distribution of particles in a state where the particles are concentrated. 図5は、流路内に電気浸透流が存在せず、電気泳動のみで粒子が濃縮される様子を模式的に表した図である。FIG. 5 is a diagram schematically showing a state where particles are concentrated only by electrophoresis without an electroosmotic flow in the flow path. 図6は、流路内に電気泳動と電気浸透流が生じる理屈を説明するための模式図である。FIG. 6 is a schematic diagram for explaining the reason why electrophoresis and electroosmotic flow occur in the flow path. 図7は、実施形態1のサンプル濃縮装置により粒子搬送を行っている状態を示す断面図である。FIG. 7 is a cross-sectional view showing a state in which particles are transported by the sample concentrating device of the first embodiment. 図8は、粒子搬送を行っている状況における粒子の分布を模式的に表した図である。FIG. 8 is a diagram schematically showing the distribution of particles in a state where particle conveyance is performed. 図9は、14mmの長さの流路に距離xをあけて一対の濃縮用電極を設け、濃縮用電極間に電圧を印加させてサンプル溶液を送液させたときの、電極間距離xとサンプル溶液の流速(単位電圧当たり)との関係を表した図である。FIG. 9 shows a distance x between electrodes when a pair of concentrating electrodes is provided in a flow path having a length of 14 mm and a sample solution is fed by applying a voltage between the concentrating electrodes. It is a figure showing the relationship with the flow rate (per unit voltage) of a sample solution. 図10(a)〜(e)は、実施形態1のサンプル濃縮装置の製造工程を示す図であって、ガラス基板上に電極を形成するまでの工程を表している。FIGS. 10A to 10E are diagrams showing a manufacturing process of the sample concentrating device of Embodiment 1, and show a process until an electrode is formed on a glass substrate. 図11(a)〜(d)は、実施形態1のサンプル濃縮装置の製造工程を示す図であって、Ni成形型を作製するまでの工程を表している。FIGS. 11A to 11D are diagrams showing a manufacturing process of the sample concentrating device of the first embodiment and showing a process until a Ni mold is manufactured. 図12(a)〜(d)は、実施形態1のサンプル濃縮装置の製造工程を示す図であって、Ni成形型を用いて流路基板を作製し、流路基板をガラス基板の上面に貼り合わせてサンプル濃縮装置を作製するまでの工程を表している。12 (a) to 12 (d) are diagrams showing manufacturing steps of the sample concentrating device of Embodiment 1, in which a flow path substrate is manufactured using a Ni mold, and the flow path substrate is placed on the upper surface of the glass substrate. It shows the process until the sample concentration device is manufactured by pasting together. 図13(a)〜(d)は、観察粒子として表面をカルボキシル基で処理したポリスチレンビーズ(粒子直径2mm)を用い、粒子が濃縮される様子を観察したものである。FIGS. 13A to 13D show the observation of the state in which particles are concentrated using polystyrene beads (particle diameter: 2 mm) whose surfaces are treated with carboxyl groups as observation particles. 図14(a)〜(c)は、観察粒子として表面をカルボキシル基で処理したポリスチレンビーズ(粒子直径2mm)を用い、粒子が搬送される様子を観察したものである。FIGS. 14A to 14C show the observation of how the particles are conveyed using polystyrene beads (particle diameter: 2 mm) whose surfaces are treated with carboxyl groups as observation particles. 図15(a)〜(e)は、観察粒子として大腸菌O-157を用い、大腸菌が濃縮される様子を観察したものである。FIGS. 15 (a) to 15 (e) are obtained by observing how E. coli is concentrated using E. coli O-157 as observation particles. 図16(a)〜(c)は、観察粒子として大腸菌O-157を用い、大腸菌が搬送される様子を観察したものである。FIGS. 16 (a) to (c) are observations of E. coli being transported using E. coli O-157 as observation particles. 図17(a)(b)は、本発明の実施形態2によるサンプル濃縮装置を示す概略図である。17 (a) and 17 (b) are schematic views showing a sample concentrating device according to Embodiment 2 of the present invention. 図18は、本発明の実施形態3によるサンプル濃縮装置を示す概略図である。FIG. 18 is a schematic diagram showing a sample concentrator according to Embodiment 3 of the present invention. 図19は、実施形態3のサンプル濃縮装置において、濃縮用電極に粒子が濃縮する様子を模式的に表した概略図である。FIG. 19 is a schematic view schematically illustrating a state in which particles are concentrated on the concentration electrode in the sample concentration apparatus of the third embodiment. 図20は、実施形態3のサンプル濃縮装置において、濃縮された粒子が搬送される様子を模式的に表した概略図である。FIG. 20 is a schematic view schematically illustrating how concentrated particles are conveyed in the sample concentration apparatus of the third embodiment. 図21は、本発明の実施形態4による検出装置を示す概略平面図である。FIG. 21 is a schematic plan view showing a detection device according to Embodiment 4 of the present invention. 図22は、本発明の実施形態4による別な検出装置を示す概略平面図である。FIG. 22 is a schematic plan view showing another detection apparatus according to Embodiment 4 of the present invention.

符号の説明Explanation of symbols

11、61、71 サンプル濃縮装置
13、15 リザーバ
14 流路
16、17、73 送液用電極
18,19、74 濃縮用電極
20 直流電源
21、22 スイッチ
28 サンプル溶液
29 粒子
30 プラスイオン
62 スイッチ
63 スイッチ
72 濃縮用流路
78 スイッチ
80 リザーバ
81、83 検出装置
82 センサ
11, 61, 71 Sample concentrator 13, 15 Reservoir 14 Flow path 16, 17, 73 Electrode for feeding 18, 19, 74 Electrode for concentrating 20 DC power source 21, 22 Switch 28 Sample solution 29 Particle 30 Plus ion 62 Switch 63 Switch 72 Concentration flow path 78 Switch 80 Reservoir 81, 83 Detector 82 Sensor

Claims (11)

サンプル溶液の供給部と回収部を結ぶ流路を有し、検出目的とするサンプル溶液の帯電した成分物質を濃縮させるための少なくとも2つの電極を前記流路に備え、前記成分物質と同じ極性で前記流路の内壁面が帯電していることを特徴とするサンプル濃縮装置。   It has a flow path connecting the sample solution supply section and the recovery section, and is equipped with at least two electrodes for concentrating the charged component substance of the sample solution to be detected, with the same polarity as the component substance. A sample concentrating device, wherein an inner wall surface of the flow path is charged. 前記流路の断面は、その幅よりも高さが小さな扁平形状をしていることを特徴とする、請求項1に記載のサンプル濃縮装置。   The sample concentrator according to claim 1, wherein the cross section of the flow path has a flat shape whose height is smaller than its width. 検出目的とする成分物質の帯電電荷をe、サンプル溶液の粘度をη、検出目的とする成分物質の平均半径をr、サンプル溶液の誘電率をε、ゼータ電位をζ、流路の全体に電界が加わったと仮定したときに電界によって駆動されるサンプル溶液の流速に対する、前記濃縮用の電極がxの距離をおいて配置されたときに前記濃縮用の電極間に発生する電界によって駆動されるサンプル溶液の流速の比をf(x)とするとき、
e/(6πηr) > f(x)・(εζ/η)
の関係が成り立つことを特徴とする、請求項1に記載のサンプル濃縮装置。
The charged charge of the component material to be detected is e, the viscosity of the sample solution is η, the average radius of the component material to be detected is r, the dielectric constant of the sample solution is ε, the zeta potential is ζ, and the electric field is applied to the entire flow path. A sample driven by the electric field generated between the concentrating electrodes when the concentrating electrodes are arranged at a distance x with respect to the flow rate of the sample solution driven by the electric field when When the ratio of the solution flow rates is f (x),
e / (6πηr)> f (x) · (εζ / η)
The sample concentrator according to claim 1, wherein the following relationship is established.
前記流路内のサンプル溶液と共に同じ方向へ前記成分物質を送液するための少なくとも2つの電極を前記流路内又は前記流路の近傍に備えていることを特徴とする、請求項1に記載のサンプル濃縮装置。   The at least 2 electrode for sending the said component substance to the same direction with the sample solution in the said flow path is provided in the said flow path or the vicinity of the said flow path, The said flow path is characterized by the above-mentioned. Sample concentrator. 前記送液用の電極間の距離が、前記濃縮用の電極間の距離よりも長いことを特徴とする、請求項4に記載のサンプル濃縮装置。   The sample concentrator according to claim 4, wherein a distance between the liquid feeding electrodes is longer than a distance between the concentrating electrodes. 前記送液用の電極が前記供給部と前記回収部とに設けられていることを特徴とする、請求項4に記載のサンプル濃縮装置。   The sample concentration apparatus according to claim 4, wherein the liquid feeding electrode is provided in the supply unit and the recovery unit. 前記濃縮用の電極のうち一部が、前記送液用の電極を兼ねていることを特徴とする、請求項4に記載のサンプル濃縮装置。   The sample concentrator according to claim 4, wherein a part of the concentrating electrode also serves as the liquid feeding electrode. サンプル溶液の誘電率をε、ゼータ電位をζ、サンプル溶液の粘度をη、検出目的とする成分物質の帯電電荷をe、検出目的とする成分物質の平均半径をrとするとき、
εζ/η > e/(6πηr)
の関係が成り立つことを特徴とする、請求項4に記載のサンプル濃縮装置。
When the dielectric constant of the sample solution is ε, the zeta potential is ζ, the viscosity of the sample solution is η, the charged charge of the component substance to be detected is e, and the average radius of the component substance to be detected is r,
εζ / η> e / (6πηr)
The sample concentrator according to claim 4, wherein the following relationship is established.
サンプル溶液の供給部と回収部を結ぶ流路を有し、目的とするサンプル溶液の成分物質を濃縮させるための少なくとも2つの電極を前記流路に備え、前記流路内のサンプル溶液と共に同じ方向へ前記成分物質を送液するための少なくとも2つの電極を前記流路内又は前記流路の近傍に備え、検出目的とするサンプル溶液の帯電した成分物質と反対の極性で前記流路の内壁面が帯電したサンプル濃縮装置を用いたサンプル濃縮方法であって、
前記濃縮用の電極間に電界を発生させ、当該電極のうちいずれかの電極に前記成分物質を濃縮させるとともに、前記成分物質の吸引方向と反対方向にむけてサンプル溶液の流れを生じさせる工程と、
前記送液用の電極間に電界を発生させて前記流路内にサンプル溶液の流れを生じさせるとともに、前記成分物質をサンプル溶液の流れと同じ方向へ移動させる工程と、
を備えたことを特徴とするサンプル濃縮方法。
A flow path connecting the supply section and the collection section of the sample solution, the flow path having at least two electrodes for concentrating the component substances of the target sample solution in the same direction as the sample solution in the flow path At least two electrodes for feeding the component substance to the inside of the channel or in the vicinity of the channel, and the inner wall surface of the channel with the opposite polarity to the charged component substance of the sample solution to be detected Is a sample concentration method using a charged sample concentration device,
Generating an electric field between the electrodes for concentration, concentrating the component substance on any of the electrodes, and causing a flow of the sample solution in a direction opposite to the suction direction of the component substance; ,
Generating a flow of the sample solution in the flow path by generating an electric field between the electrodes for liquid feeding, and moving the component substances in the same direction as the flow of the sample solution;
A method for concentrating a sample, comprising:
請求項1に記載したサンプル濃縮装置と、前記サンプル濃縮装置の前記濃縮用の電極間の領域に配置されたセンサとを備えたことを特徴とする検出装置。   A detection apparatus comprising: the sample concentration apparatus according to claim 1; and a sensor disposed in a region between the concentration electrodes of the sample concentration apparatus. 請求項4に記載したサンプル濃縮装置と、前記サンプル濃縮装置の前記濃縮用の電極間の領域の外側に配置されたセンサとを備えたことを特徴とする検出装置。   5. A detection apparatus comprising: the sample concentrating device according to claim 4; and a sensor disposed outside a region between the concentrating electrodes of the sample concentrating device.
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