JP2010253410A

JP2010253410A - 粒子分離装置

Info

Publication number: JP2010253410A
Application number: JP2009107528A
Authority: JP
Inventors: Yoshiaki Shiba; 良昭芝
Original assignee: Olympus Corp
Current assignee: Olympus Corp
Priority date: 2009-04-27
Filing date: 2009-04-27
Publication date: 2010-11-11

Abstract

【課題】電極に捕集した粒子を簡易な操作で回収する。
【解決手段】誘電泳動特性の異なる複数種の粒子を含む粒子浮遊液を貯留する貯留容器６と、該貯留容器６内に配置された電極３と、該電極３からの距離に応じて電位傾度が変化する不平等電界を発生させるように電極３に電圧を印加する電圧供給部５と、電極３の近傍に吸引口７ａが配置された電気的絶縁材料からなる吸引管７と、該吸引管７内を吸引する吸引手段１０とを備える粒子分離装置１を提供する。
【選択図】図１

Description

本発明は、粒子分離装置に関するものである。

従来、誘電泳動特性に基づいて細胞や微生物等の生物物質の活性を測定する装置が知られている（例えば、特許文献１参照。）。
また、導電性材料を被覆したガラス針に電圧を印加して不平等電界を発生させることにより、特定の誘電泳動特性を有する細胞をガラス針の先端に捕集しながらマニピュレートする装置が知られている（例えば、非特許文献１参照。）。

特開２００５−２２４１７１号公報

セルワークスリーフレット、［ｏｎｌｉｎｅ］、株式会社アイワークス、［平成２１年４月１３日検索］、インターネット、＜http://www.iworks-bio.com/CellWorks_naka-web.pdf＞

しかしながら、非特許文献１の装置を用いて特定の細胞を分離して回収しようとすると、光学顕微鏡等でガラス針近傍を観察しながらピペット等をガラス針の先端まで精密に操作して近づけてガラス針の先端に捕集された細胞を吸引しなければならない。したがって、細胞を回収する操作が煩雑であるという問題がある。

本発明は、上述した事情に鑑みてなされたものであって、電極に捕集した粒子を簡易な操作で回収することができる粒子分離装置を提供することを目的としている。

上記目的を達成するために、本発明は以下の手段を提供する。
本発明は、誘電泳動特性の異なる複数種の粒子を含む粒子浮遊液を貯留する貯留容器と、該貯留容器内に配置された電極と、該電極からの距離に応じて電位傾度が変化する不平等電界を発生させるように前記電極に電圧を印加する電圧供給部と、前記電極の近傍に吸引口が配置された電気的絶縁材料からなる吸引管と、該吸引管に接続され該吸引管内を吸引する吸引手段とを備える粒子分離装置を提供する。

本発明によれば、電圧供給部により電極から不平等電界を発生させると、不平等電界中の各粒子にはその誘電泳動特性によって電極へ接近または電極から離間する方向の誘電泳動力が働いて粒子が粒子浮遊液内を移動し、電極近傍に特定の性質を有する粒子を選択的に捕集することができる。

この場合に、粒子を電極に捕集した後、電極への電圧の印加を停止して吸引手段により吸引口から吸引管内へ吸引すると、電極近傍に捕集されていた粒子が誘電泳動力を失って吸引管内に吸引される。すなわち、電圧供給部および吸引手段を作動または停止させるだけの簡易な操作で、電極に捕集した粒子を分離した状態で回収することができる。

上記発明においては、前記電極および前記吸引管を、略一定の相対位置を保ちながら、前記貯留容器に対して相対的に移動させる移動手段を備えることとしてもよい。
このようにすることで、貯留容器内の異なる位置においても粒子を電極に捕集して回収し、粒子の回収率を向上することができる。

また、上記発明においては、前記吸引管は、前記吸引口が先端面に開口した筒状であり、前記電極が、前記吸引管の内径寸法より小さい外径寸法を有し、前記吸引管内に長手方向に沿って収納されて先端部分を前記吸引口近傍に配置した針状電極であることとしてもよい。
このようにすることで、針状電極から不平等電界を発生させると、粒子が針状電極の先端部分に捕集され、吸引管の内面と針状電極の外面との間の空間内に吸引される。これにより、針状電極に捕集した粒子を効率良く回収することができる。

また、上記発明においては、前記針状電極および前記吸引管を、略一定の相対位置を保ちながら、前記貯留容器に対して相対的に移動させる移動手段を備えることとしてもよい。

また、上記発明においては、前記貯留容器内において、前記針状電極と対向して、前記針状電極の長手方向と略直交する平面内に略均一な密度で配置された対向電極を備え、前記移動手段が、前記針状電極の長手方向に略直交する方向に前記針状電極を相対的に移動させることとしてもよい。
このようにすることで、移動手段により針状電極の位置を移動させても、針状電極と対向電極との間には略同一の電位傾度を有する不平等電界が形成される。これにより、針状電極に捕集される粒子の選択性を保持したまま針状電極を移動させることができる。

また、上記発明においては、前記対向電極が、平板状電極であることとしてもよく、略等間隔をあけて略平行に配列された複数本の棒状電極であることとしてもよい。
また、上記発明においては、前記対向電極が、前記針状電極に対向する前記貯留容器の内壁の表面に形成された導電性材料の薄膜からなることとしてもよい。
このようにすることで、対向電極の構成を簡略にすることができる。

また、上記発明においては、前記針状電極に対向する前記貯留容器の側壁が、透明部材からなり、前記導電性材料が、透明であることとしてもよい。
こととしてもよい。
このようにすることで、貯留容器内を対向電極側から光学的に観察することができる。

また、上記発明においては、前記電圧供給部が、異なる周波数の電圧を前記電極に印加することとしてもよい。
このようにすることで、粒子浮遊液中の異なる誘電泳動特性を有する粒子を電極近傍に捕集して回収することができる。

また、上記発明においては、前記粒子が、細胞であることとしてもよい。
このようにすることで、性質の異なる複数の種類の細胞を含む細胞群の中から、特定の性質を有する細胞を分離して回収することができる。

本発明によれば、電極に捕集した粒子を簡易な操作で回収することができるという効果を奏する。

本発明の一実施形態に係る粒子分離装置の全体構成図である。図１の粒子分離装置を用いた分離方法を説明する図であり、（ａ）浮遊している細胞に誘電泳動力が発生した状態、（ｂ）一方の細胞が針状電極に捕集された状態、（ｃ）高周波不平等電界を解除した状態、（ｄ）吸引管内に細胞が吸引される状態をそれぞれ示している。（ａ），（ｂ）は図１の粒子分離装置の変形例を示す図である。

本発明の一実施形態に係る粒子分離装置１について、図１〜図３を参照して以下に説明する。
なお、本実施形態においては、誘電泳動特性の異なる複数の種類の細胞を含む細胞浮遊液から、特定の細胞を分離する場合を例に挙げて説明する。

本実施形態に係る粒子分離装置１は、図１に示されるように、細胞浮遊液を収容する収容容器２と、針状電極（電極）３、平板状電極（対向電極）４および高周波電源（電圧供給部）５を備える貯留容器６と、針状電極３を収納し貯留容器２内に挿入された吸引管７と、該吸引管７にチューブ８を介して接続された回収容器９と、チューブ８の途中位置に配置された吸引ポンプ（吸引手段）１０と、吸引管７を水平方向に移動させる移動手段１１とを備えている。

収容容器２は、供給ポンプ１２を介してチューブ８により貯留容器６に接続され、供給ポンプ１２の作動により細胞浮遊液は貯留容器６内へ供給される。細胞浮遊液は、分離すべき複数の種類の細胞を含んでいる。本実施形態においては、説明を簡略にするために、誘電泳動特性の異なる２種類の細胞Ａ，Ｂが含まれていることとする。

貯留容器６は、底面が略水平に配置され、底面上に平板状電極４が配置されている。平板状電極４は、貯留容器６の底面の十分に広い面積を覆う面寸法を有している。平板状電極４の上方には、針状電極３が先端部分を下方へ向けて略鉛直方向に沿って配置されている。貯留容器６の外部には、両電極３，４間に接続された高周波電源５が配置され、該高周波電源５は、高周波電圧の周波数を調節可能になっている。

吸引管７は、針状電極３の外径寸法より大きい内径寸法を有し両端が開口した筒状であり、針状電極３を長手方向に沿って収納して、針状電極３の先端部分を下端の開口（吸引口）７ａから突出させている。吸引管７は、針状電極３の先端部分と平板状電極４との間に発生する電界に影響を及ぼさないように、樹脂やプラスチック、ガラス等の電気的絶縁材料からなる。また、吸引管７および針状電極３は、例えば、針状電極３の基端側と高周波電源５とを接続する配線を、吸引管７の側壁に設けられた微小径の貫通孔に通すことにより、一体で移動するようになっている。

高周波電源５によって両電極３，４間に高周波電圧を印加すると、針状電極３の先端から平板状電極４へ向かって電気力線の密度が小さくなる、すなわち、電位傾度が小さくなる高周波不平等電界（不平等電界）が形成される。このときに、一方の細胞Ａが正の誘電泳動特性を、他方の細胞Ｂが負の誘電泳動特性を有する第１の周波数に高周波電圧を調節すると、一方の細胞Ａには、電位傾度が大きくなる針状電極３へ向かう誘電泳動力が、他方の細胞Ｂには、電位傾度が小さくなる平板状電極４側へ向かう誘電泳動力が働く（図２（ａ）参照。）。これにより、一方の細胞Ａは針状電極３近傍に捕集され、他方の細胞Ｂは誘電泳動力と重力とにより沈んで平板状電極４の表面に留まるようになっている（図２（ｂ）参照。）。

このようにして各細胞Ａ，Ｂを種類ごとに離れた位置に分布させた状態で高周波電圧の印加を停止すると、細胞Ａは誘電泳動力から解放されて針状電極３近傍を浮遊する（図２（ｃ）参照。）。続けて迅速に吸引ポンプ１０による吸引を開始すると、細胞Ａが、吸引管７の開口７ａから吸引管７の内周面と針状電極３との外周面との間に空間を通って回収容器９内へ吸引されて回収されるようになっている（図２（ｄ）参照。）。

また、一方の細胞Ａを回収した後に、他方の細胞Ｂが正の誘電泳動特性を有する第２の周波数に高周波電圧の周波数を調節することにより、一方の細胞Ａの場合と同様の手順で、他方の細胞Ｂも回収容器９内に回収されるようになっている。
なお、第１および第２の周波数は、例えば、予備実験として両電極３，４に印加する高周波電圧の周波数を変化させながら、ＣＣＤカメラ等を用いて各細胞Ａ，Ｂの移動を観察することにより決定することができる。

移動手段１１は、例えば、吸引管７を保持し、水平面内において互いに直交するＸ軸方向およびＹ軸方向に移動可能なアーム１１ａを備え、吸引管７を、鉛直方向の位置を略一定に保持したまま、水平方向に移動させるようになっている。

このように構成された粒子分離装置１の作用について、以下に説明する。
本実施形態に係る粒子分離装置１を用いて細胞浮遊液内の細胞Ａ，Ｂを種類によって分離しながら回収するには、収容容器２から貯留容器６へ細胞浮遊液を供給したら、両電極３，４間に第１の周波数の高周波電圧をしばらくの間印加する。そして、高周波電圧の印加を停止して吸引ポンプ１０を作動させると、回収容器９内に一方の細胞Ａが回収される。続いて、移動手段１１により針状電極３を別の位置へ移動させて、先と同様に高周波電圧の印加から吸引までを行って細胞Ａを回収する。以下、針状電極３の移動と細胞Ａの回収を同様に繰り返す。

貯留容器６内の一方の細胞Ａを十分に回収したら、次に、高周波電圧を第２の周波数に変更し、回収容器９を別のものに交換する。そして、一方の細胞Ａを回収したときと同様に高周波電圧の印加と停止、吸引ポンプ１０の作動を行うと、回収容器９内に他方の細胞Ｂが回収される。以下、細胞Ｂが十分に回収されるまで、針状電極３の移動と細胞Ｂの回収とを繰り返す。

このように、本実施形態によれば、高周波電源５と吸引ポンプ１０のオンオフ動作という簡易な操作のみで、針状電極３に捕集された細胞Ａ，Ｂを選択的に回収することができるという利点がある。また、細胞Ａ，Ｂの回収の際に、カメラ等の画像を見ながら吸引管７の位置合わせをする必要がないので、そのための構成、例えば、ＣＣＤカメラや、モニタ、吸引管７を操作するためのマニピュレータ装置等が不要であり、簡易な構成でありながら所望の細胞Ａ，Ｂを選択的にかつ効率的に回収することができるという利点がある。

また、針状電極３を水平方向に移動可能にすることで、貯留容器６内のより多くの細胞Ａ，Ｂを回収することができるという利点がある。また、針状電極３を水平方向に移動させても、鉛直方向の距離が略一定で水平面内の密度が略均一な平板状電極４との間には、略同一の電位傾度を有する高周波不平等電界が形成される。これにより、針状電極３を移動させた際に、針状電極３に捕集される細胞の種類が変わったり、針状電極３の移動の度に高周波電圧の周波数の調節が必要になったりする不都合が生じるのを防いで、細胞Ａ，Ｂの回収を円滑に繰り返すことができるという利点がある。

また、針状電極３を上方に、平板状電極４を下方に配置することにより、負の誘電泳動特性を有する細胞、ならびに、細胞浮遊液内に誘電泳動力が発生しないあるいは誘電泳動力が小さい細胞が含まれている場合にこれらの細胞は、重力に従って貯留容器６内で沈んで平板状電極４表面に留まる。これにより、所望の細胞を特異的に針状電極３近傍に留まらせて細胞の分離の精度を向上することができるという利点がある。

上記実施形態においては、針状電極３に対向する電極として、平板状電極４を用いることとしたが、これに代えて、図３（ａ）に示されるように、貯留容器６の底面表面に形成された導電性材料の薄膜からなる薄膜電極４ａを用いてもよい。
導電性材料は、一般に電極として使用される材料であればよく、また、薄膜の形成方法は、スパッタや蒸着などの一般的な成膜方法が用いられる。
このようにしても、針状電極３の水平方向の位置に依らずに、針状電極３と薄膜電極４ａとの間に略同一の高周波不平等電界を形成することができる。

また、導電性材料として、酸化インジウム・スズ、酸化亜鉛または酸化スズなどの透明材料を用いることとしてもよい。
この場合、貯留容器６は、底面が透明な材料からなるもの、例えば、プラスチック製やガラス製の培養用ディッシュ、または、底面に透明部材からなる窓が設けられたものが用いられる。このようにすることで、貯留容器６の底面側からカメラや光学顕微鏡によって貯留容器６内を観察することができる。したがって、例えば、倒立型光学顕微鏡のステージに貯留容器６を載置して、下方から針状電極３近傍を観察しながら粒子分離装置１を操作することが可能になる。

また、平板状電極４に代えて、図３（ｂ）に示されるように、略均等な間隔で略平行に配列された複数本の棒状電極４ｂを用いてもよい。このようにしても、針状電極３の位置に依らずに略同一の高周波不平等電界を形成して上記実施形態と同様の効果を得ることができる。

また、上記実施形態においては、吸引管７内に針状電極３を収納することとしたが、吸引管７は、正の誘電泳動特性を有する細胞Ａ，Ｂの針状電極３への接近を妨害することなく、吸引口が針状電極３の先端部分に近接して、かつ、針状電極３と一体で配置されていればよい。例えば、吸引管７は、針状電極３と隣接して平行に配置されていることとしてもよく、また、針状電極３の周囲に複数本設けられていてもよい。

また、上記実施形態においては、針状電極３を水平方向に移動させることとしたが、これに代えて、貯留容器６を水平方向に移動させることとしてもよく、また、貯留容器６内で細胞浮遊液を流動させることとしてもよい。
貯留容器６を移動させる場合は、例えば、水平方向に移動可能なステージに貯留容器６を載置する。細胞浮遊液を流動させる場合は、例えば、貯留容器６内で細胞浮遊液を十分に遅い速度で撹拌してもよく、貯留容器６内から出て該貯留容器６内へ戻る循環経路を設けて該循環経路内で細胞浮遊液を循環させてもよい。

このようにしても、細胞浮遊液内の所望の細胞の回収率を向上することができる。また、細胞浮遊液を流動させる場合、針状電極３の位置が固定されていてもよいので、貯留容器６の上部を密封することにより、簡易な構成で細胞浮遊液の滅菌性を維持したまま操作することができる。

また、上記実施形態においては、吸引管７と吸引ポンプ１０とにより針状電極３に捕集された細胞Ａ，Ｂを回収することとしたが、これに代えて、一般の吸引具、例えば、ピペットを用いることとしてもよい。
ピペットは、針状電極３と平板状電極４との間に形成される高周波不平等電界に影響を及ぼさない電気的絶縁材料からなるものであればよい。例えば、先端部分に針状電極３が収納されたピペットを、内部の空気を吐出した状態でアーム１１ａにより保持して高周波電圧を印加し、細胞Ａを針状電極３の先端部分に捕集する。そして、高周波電圧の印加を停止してピペットにより吸引すると、細胞Ａをピペット内に容易に回収することができる。

また、上記実施形態においては、粒子分離装置１により細胞Ａ，Ｂを分離する場合を例に挙げて説明したが、分離する試料は細胞に限定されず、誘電泳動特性を有し、誘電泳動力により移動させることができるものであればよい。例えば、菌や血球等の生体試料、プラスチックビーズ等の試料の分離にも粒子分離装置１を用いることができる。

１粒子分離装置
２収容容器
３針状電極（電極）
４平板状電極（対向電極）
４ａ薄膜電極（薄膜、対向電極）
４ｂ直棒状電極（対向電極）
５高周波電源（電圧供給部）
６貯留容器
７吸引管
７ａ開口（吸引口）
８チューブ
９回収容器
１０吸引ポンプ（吸引手段）
１１移動手段
１１ａアーム
１２供給ポンプ

Claims

誘電泳動特性の異なる複数種の粒子を含む粒子浮遊液を貯留する貯留容器と、
該貯留容器内に配置された電極と、
該電極からの距離に応じて電位傾度が変化する不平等電界を発生させるように前記電極に電圧を印加する電圧供給部と、
前記電極の近傍に吸引口が配置された電気的絶縁材料からなる吸引管と、
該吸引管内を吸引する吸引手段とを備える粒子分離装置。
前記電極および前記吸引管を、略一定の相対位置を保ちながら、前記貯留容器に対して相対的に移動させる移動手段を備える請求項１に記載の粒子分離装置。
前記吸引管は、前記吸引口が先端面に開口した筒状であり、
前記電極が、前記吸引管の内径寸法より小さい外径寸法を有し、前記吸引管内に長手方向に沿って収納されて先端部分を前記吸引口近傍に配置した針状電極である請求項１に記載の粒子分離装置。
前記針状電極および前記吸引管を、略一定の相対位置を保ちながら、前記貯留容器に対して相対的に移動させる移動手段を備える請求項３に記載の粒子分離装置。
前記貯留容器内において、前記針状電極と対向し、該針状電極の長手方向と略直交する平面内に略均一な密度で配置された対向電極を備え、
前記移動手段が、前記針状電極を、その長手方向に略直交する方向に相対的に移動させる請求項４に記載の粒子分離装置。
前記対向電極が、平板状電極である請求項５に記載の粒子分離装置。
前記対向電極が、略等間隔をあけて略平行に配列された複数本の直棒状電極である請求項５に記載の粒子分離装置。
前記対向電極が、前記針状電極に対向する前記貯留容器の内壁の表面に形成された導電性材料の薄膜からなる請求項５に記載の粒子分離装置。
前記貯留容器の前記針状電極と対向する側壁が、透明部材からなり、
前記導電性材料が、透明である請求項８に記載の粒子分離装置。
前記電圧供給部が、異なる周波数の電圧を前記電極に印加する請求項１に記載の粒子分離装置。
前記粒子が、細胞である請求項１に記載の粒子分離装置。