JP2012100652A - Apparatus for destruction of cell membrane - Google Patents

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Tatsuro Nakajima
達朗 中島
Masaki Fujii
將喜 藤井
Naoki Matsuda
直樹 松田
Hideki Kin
英輝 金
Hideki Oba
英樹 大庭
Hirotaka Okabe
浩隆 岡部
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    • C12BIOCHEMISTRY; BEER; SPIRITS; WINE; VINEGAR; MICROBIOLOGY; ENZYMOLOGY; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING
    • C12MAPPARATUS FOR ENZYMOLOGY OR MICROBIOLOGY; APPARATUS FOR CULTURING MICROORGANISMS FOR PRODUCING BIOMASS, FOR GROWING CELLS OR FOR OBTAINING FERMENTATION OR METABOLIC PRODUCTS, i.e. BIOREACTORS OR FERMENTERS
    • C12M47/00Means for after-treatment of the produced biomass or of the fermentation or metabolic products, e.g. storage of biomass
    • C12M47/06Hydrolysis; Cell lysis; Extraction of intracellular or cell wall material

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To extract cell contents, while controlling their damage.SOLUTION: The apparatus includes an energizing part 6, in which a plate electrode 2A and a needle electrode 3A, the latter of which has a smaller surface area than the former, are arranged to face each other in the solution containing a predetermined concentration of an electrolyte and a predetermined concentration of cells. In the energizing part 6, an electric current is generated by the movement of electrolyte ions made by ionizing the electrolyte in the solution between the plate electrode 2A and the needle electrode 3A, and the area between the plate electrode 2A and the needle electrode 3A becomes energized with an electric current.

Description

本発明は、溶液中に含まれる細胞の細胞膜を破壊する細胞膜破壊装置に関する。   The present invention relates to a cell membrane disruption apparatus that destroys cell membranes of cells contained in a solution.

従来から、薬品や超音波などを用いることなく電気的手法を用いて溶液中に含まれる細胞の細胞膜を破壊(殺菌)する技術として、高電圧パルス、水中放電、もしくは、水中に発生する衝撃波を利用するものがある。   Conventionally, high voltage pulses, underwater discharge, or shock waves generated in water have been used as a technology to destroy (sterilize) cell membranes of cells contained in solutions using electrical methods without using chemicals or ultrasonic waves. There is something to use.

また、電気的手法を用いて細胞膜を破壊し、細胞内の生体物質(内容物)を抽出する技術としては、特許文献1に開示された生体物質を抽出する方法がある。   Moreover, as a technique for destroying a cell membrane using an electric technique and extracting a biological substance (content) in a cell, there is a method for extracting a biological substance disclosed in Patent Document 1.

この方法では、細胞内の生体物質を抽出するために、容積がμl(マイクロ・リットル)程度のチャンバの外側に電極を設けて1V(ボルト)〜100V程度の交流電場を、比較的長時間、連続的に試料に印加している。   In this method, in order to extract the biological material in the cell, an electrode is provided outside the chamber having a volume of about μl (micro liter), and an alternating electric field of about 1 V (volt) to 100 V is applied for a relatively long time. The sample is continuously applied.

その他、電気的手法を用いて細胞の細胞膜を破壊する技術としては、特許文献2に開示された流路基板がある。   In addition, as a technique for destroying cell membranes of cells using an electric technique, there is a flow path substrate disclosed in Patent Document 2.

この流路基板では、流路の一部を局部的に1つの細胞のサイズよりも狭くした狭窄部とし、該狭窄部で細胞を補足して、細胞破砕電圧を印加している。   In this flow path substrate, a part of the flow path is locally a narrowed portion narrower than the size of one cell, and the cell is supplemented by the narrowed portion and a cell disruption voltage is applied.

国際公開2005/083078号明細書(2005年09月09日国際公開)International Publication No. 2005/083078 (International 09/09 International Publication) 特開2008−259491号公報(2008年10月30日公開)JP 2008-259491 A (released on October 30, 2008) 特開2007−174901(2007年7月12日公開)JP2007-174901 (released July 12, 2007)

しかしながら、前記高電圧パルス、水中放電、もしくは、水中に発生する衝撃波を利用する技術では、高電圧の印加、もしくは、放電や衝撃波による物理的衝撃のため、細胞内の内容物が損傷してしまうという問題点があった。   However, in the technology using the high voltage pulse, the underwater discharge, or the shock wave generated in the water, the contents in the cell are damaged due to the application of the high voltage or the physical shock caused by the discharge or the shock wave. There was a problem.

前記特許文献1に開示された方法では、1回の電圧印加処理では、容積がμl程度の小さなチャンバの容積に応じた溶液しか処理できないので、1つのチャンバでは、多量の溶液を迅速に処理できないという問題点があった。また、1V〜100V程度の交流電場を、比較的長時間、連続的に試料に印加しているので、細胞内の内容物が損傷してしまう可能性もある。   In the method disclosed in Patent Document 1, since only a solution corresponding to the volume of a small chamber having a volume of about 1 μl can be processed by one voltage application process, a large amount of solution cannot be processed quickly in one chamber. There was a problem. In addition, since an AC electric field of about 1 V to 100 V is continuously applied to the sample for a relatively long time, the contents in the cell may be damaged.

さらに、前記特許文献2に開示された流路基板では、細胞の1つ1つを、1つの細胞のサイズよりも狭い狭窄部で補足して破壊しているので、細胞内の内容物を迅速に効率良く抽出できないという問題点があった。   Furthermore, in the flow path substrate disclosed in Patent Document 2, each cell is supplemented and destroyed by a constriction narrower than the size of one cell, so that the contents in the cell can be quickly removed. However, there was a problem that extraction could not be performed efficiently.

本発明は、前記従来の問題点に鑑みなされたものであって、その目的は、細胞内の内容物を、その損傷を抑制しつつ抽出することができる細胞膜破壊装置を提供することにある。   The present invention has been made in view of the above-described conventional problems, and an object of the present invention is to provide a cell membrane disruptor capable of extracting contents in cells while suppressing damage.

本発明の細胞膜破壊装置は、前記課題を解決するために、所定の濃度の電解質と、所定の濃度の細胞とを含む溶液中に、互いに対向して配置された、陽極と、前記陽極よりも表面積が小さい針状電極である陰極とを備え、前記陽極および前記陰極間に存在する溶液中に、前記電解質が電離した電解質イオンの移動による電流を発生させて、前記陽極および前記陰極間を通電状態とする通電手段を備えることを特徴とする。   In order to solve the above problems, the cell membrane disruption apparatus of the present invention comprises an anode disposed opposite to each other in a solution containing an electrolyte having a predetermined concentration and cells having a predetermined concentration, and more than the anode. A cathode that is a needle-like electrode having a small surface area, and in the solution existing between the anode and the cathode, an electric current is generated by movement of electrolyte ions ionized by the electrolyte, and the anode and the cathode are energized. It is characterized by comprising energization means for making a state.

前記構成によれば、通電手段は、陽極および陰極間に存在する溶液中に、電解質が電離した電解質イオンの移動による電流(非ファラデー電流)を発生させて、陽極および前記陰極間を(瞬間的に)通電状態とする。   According to the above configuration, the energization means generates a current (non-Faraday current) due to the migration of the electrolyte ions ionized by the electrolyte in the solution existing between the anode and the cathode, and instantaneously (between the anode and the cathode). B) Energized.

ここで、非ファラデー電流が流れる時間は、電解質イオンの移動が開始されてから陽極および陰極の周りに電気二重層が形成されるまでの時間であり、約10ms(ミリ秒)程度であることが知られている。よって、このとき、陽極および陰極間に存在する溶液中のいたるところ(厳密には電解質イオンの流れが存在しているところ)で、瞬間的に局所的な電位差(電圧)が生じる。   Here, the time during which the non-Faraday current flows is the time from the start of the movement of the electrolyte ions to the formation of the electric double layer around the anode and the cathode, and may be about 10 ms (milliseconds). Are known. Therefore, at this time, a local potential difference (voltage) is instantaneously generated everywhere in the solution existing between the anode and the cathode (strictly, where the flow of electrolyte ions exists).

また、陽極および陰極を同一の構成材料とすれば、陽極および陰極の溶出を抑制することができ、また、非ファラデー電流が流れた後は、陽極および陰極間の溶液中は、電気的に中性となって、電位差もほとんどない電解液バルクが形成される。   Further, if the anode and the cathode are made of the same constituent material, the elution of the anode and the cathode can be suppressed, and the solution between the anode and the cathode is electrically intermediate after the non-Faraday current flows. Thus, an electrolyte bulk with little potential difference is formed.

これにより、陽極および陰極間の存在する溶液中のいたるところに存在する細胞は、約10ms程度の間のみ、前記瞬間的な電圧に晒されることになる。   As a result, cells existing everywhere in the solution existing between the anode and the cathode are exposed to the instantaneous voltage only for about 10 ms.

また、前記瞬間的な電圧の大きさが、非ファラデー電流が流れる時間、常に約1V以上であれば、細胞の細胞膜は、非可逆的に破壊される。このため、単一若しくは複数の細胞からなる微生物、すなわち、単細胞微生物や多細胞微生物などを死滅させる(殺菌する)ことが可能となる。また、これにより、細胞内の内容物を抽出することも可能となる。   In addition, if the instantaneous voltage is always about 1 V or more during the time when the non-Faraday current flows, the cell membrane of the cell is irreversibly destroyed. For this reason, it is possible to kill (sterilize) a microorganism composed of a single cell or a plurality of cells, that is, a single cell microorganism or a multicellular microorganism. This also makes it possible to extract the contents in the cell.

よって、以上の構成によれば、前記特許文献1の方法と比較して、細胞が長時間、電圧に晒されることがないので、細胞内の内容物の損傷を抑制しつつ、細胞膜を非可逆的に破壊し、細胞内の内容物を抽出することができる。   Therefore, according to the above configuration, since the cells are not exposed to voltage for a long time as compared with the method of Patent Document 1, the cell membrane is irreversibly while suppressing damage to the contents in the cells. Can be disrupted and the contents in the cell can be extracted.

以上より、細胞内の内容物を、その損傷を抑制しつつ抽出することができる。   As described above, the contents in the cell can be extracted while suppressing the damage.

また、前記構成では、陰極は、陽極よりも表面積が小さい針状電極である。これにより、陽極および陰極間に印加される電圧の大きさが多少小さくても、広範囲に亘って溶液を通電させることができる。よって、細胞の細胞膜を、迅速かつ高効率に破壊することができる。これにより、単細胞微生物や多細胞微生物などを迅速かつ高効率に死滅させる(殺菌する)ことが可能となる。また、細胞内の内容物を、迅速かつ高効率に抽出することができる。   In the above configuration, the cathode is a needle electrode having a smaller surface area than the anode. Thereby, even if the magnitude | size of the voltage applied between an anode and a cathode is somewhat small, a solution can be energized over a wide range. Therefore, the cell membrane of the cell can be destroyed quickly and efficiently. This makes it possible to kill (sterilize) single-cell microorganisms and multi-cellular microorganisms quickly and efficiently. In addition, the contents in the cell can be extracted quickly and efficiently.

以上より、本発明の細胞膜破壊装置によれば、溶液中の細胞、または、単一若しくは複数の細胞からなる微生物を迅速かつ高効率に死滅させ、細胞内の内容物を、その損傷を抑制しつつ迅速かつ高効率に抽出することができる。   As described above, according to the cell membrane disruption apparatus of the present invention, cells in a solution or a microorganism composed of a single cell or a plurality of cells are quickly and efficiently killed, and the contents in the cells are suppressed from being damaged. It can be extracted quickly and efficiently.

また、本発明の細胞膜破壊装置は、前記課題を解決するために、所定の濃度の電解質と、所定の濃度の細胞とを含む溶液中に、互いに対向して配置された、陽極と、陰極とを備え、前記陽極および前記陰極間に存在する溶液中に、前記電解質が電離した電解質イオンの移動による電流を発生させて、前記陽極および前記陰極間を通電状態とする通電手段を備えることを特徴とする。   In addition, in order to solve the above-described problem, the cell membrane disruption apparatus of the present invention includes an anode, a cathode, and a cathode, which are disposed to face each other in a solution containing an electrolyte having a predetermined concentration and cells having a predetermined concentration. And a current-carrying means for generating a current due to movement of electrolyte ions ionized by the electrolyte in a solution existing between the anode and the cathode to bring the anode and the cathode into a current-carrying state. And

前記構成によれば、通電手段は、陽極および陰極間に存在する溶液中に、非ファラデー電流を発生させて、陽極および前記陰極間を(瞬間的に)通電状態とする。   According to the said structure, an electricity supply means generates a non-Faraday current in the solution which exists between an anode and a cathode, and makes an anode and the said cathode into an electricity supply state (instantly).

ここで、上記のように、非ファラデー電流が流れる時間は、電解質イオンの移動が開始されてから陽極および陰極の周りに電気二重層が形成されるまでの時間であり、約10ms程度である。よって、このとき、陽極および陰極間に存在する溶液中のいたるところで、瞬間的に局所的な電位差が生じる。   Here, as described above, the time during which the non-Faraday current flows is the time from the start of the movement of the electrolyte ions until the electric double layer is formed around the anode and the cathode, and is about 10 ms. Therefore, at this time, a local potential difference is instantaneously generated everywhere in the solution existing between the anode and the cathode.

また、陽極および陰極を同一の構成材料とすれば、陽極および陰極の溶出を抑制することができ、また、非ファラデー電流が流れた後は、陽極および陰極間の溶液中は、電気的に中性となって、電位差もほとんどない電解液バルクが形成される。   Further, if the anode and the cathode are made of the same constituent material, the elution of the anode and the cathode can be suppressed, and the solution between the anode and the cathode is electrically intermediate after the non-Faraday current flows. Thus, an electrolyte bulk with little potential difference is formed.

これにより、陽極および陰極間の存在する溶液中のいたるところに存在する細胞は、約10ms程度の間のみ、前記瞬間的な電圧に晒されることになる。   As a result, cells existing everywhere in the solution existing between the anode and the cathode are exposed to the instantaneous voltage only for about 10 ms.

また、前記瞬間的な電圧の大きさが、非ファラデー電流が流れる時間、常に約1V以上であれば、細胞の細胞膜は、非可逆的に破壊される。このため、単一若しくは複数の細胞からなる微生物、すなわち、単細胞微生物や多細胞微生物などを死滅させる(殺菌する)ことが可能となる。また、これにより、細胞内の内容物を抽出することも可能となる。   In addition, if the instantaneous voltage is always about 1 V or more during the time when the non-Faraday current flows, the cell membrane of the cell is irreversibly destroyed. For this reason, it is possible to kill (sterilize) a microorganism composed of a single cell or a plurality of cells, that is, a single cell microorganism or a multicellular microorganism. This also makes it possible to extract the contents in the cell.

よって、以上の構成によれば、前記特許文献1の方法と比較して、細胞が長時間、電圧に晒されることがないので、細胞内の内容物の損傷を抑制しつつ、細胞膜を非可逆的に破壊し、細胞内の内容物を抽出することができる。   Therefore, according to the above configuration, since the cells are not exposed to voltage for a long time as compared with the method of Patent Document 1, the cell membrane is irreversibly while suppressing damage to the contents in the cells. Can be disrupted and the contents in the cell can be extracted.

以上より、細胞内の内容物を、その損傷を抑制しつつ抽出することができる。   As described above, the contents in the cell can be extracted while suppressing the damage.

また、本発明の細胞膜破壊装置は、前記構成に加えて、前記陽極は、筒形状の筒状電極であり、前記筒状電極の一方の開口は、前記陰極が存在する方向に開放されていても良い。   Moreover, in the cell membrane disruption apparatus of the present invention, in addition to the above configuration, the anode is a cylindrical tube electrode, and one opening of the tube electrode is opened in a direction in which the cathode exists. Also good.

前記構成によれば、筒状電極の一方の開口は、陰極が存在する方向に開放されている。これにより、筒状電極と、針状電極との間で、広範囲に亘って溶液を通電させることができる。   According to the said structure, one opening of a cylindrical electrode is open | released in the direction where a cathode exists. Thereby, the solution can be energized over a wide range between the cylindrical electrode and the needle electrode.

また、溶液が流れる方向を、筒状電極の中心軸の方向と一致させることで、溶液が、その流れを妨げられることなく、筒状電極を通過する。よって、溶液中の細胞、または、単一若しくは複数の細胞からなる微生物を迅速かつ高効率に死滅させ、細胞内の内容物を、その損傷を抑制しつつ迅速かつ高効率に抽出することができる。   Further, by making the direction in which the solution flows coincide with the direction of the central axis of the cylindrical electrode, the solution passes through the cylindrical electrode without being hindered by the flow. Therefore, it is possible to quickly and highly efficiently kill cells in a solution or a microorganism composed of a single cell or a plurality of cells, and extract the contents in the cells quickly and efficiently while suppressing damage. .

また、本発明の細胞膜破壊装置は、前記構成に加えて、前記陽極は、平板状の板電極であっても良い。   In the cell membrane disruption apparatus of the present invention, in addition to the above configuration, the anode may be a flat plate electrode.

前記構成によれば、板電極と針状電極との配置を調整することで、板電極と、針状電極との間で、広範囲に亘って溶液を通電させることができる。よって、溶液中の細胞、または、単一若しくは複数の細胞からなる微生物を迅速かつ高効率に死滅させ、細胞内の内容物を、その損傷を抑制しつつ迅速かつ高効率に抽出することができる。   According to the said structure, a solution can be energized over a wide range between a plate electrode and a needle-shaped electrode by adjusting arrangement | positioning of a plate electrode and a needle-shaped electrode. Therefore, it is possible to quickly and highly efficiently kill cells in a solution or a microorganism composed of a single cell or a plurality of cells, and extract the contents in the cells quickly and efficiently while suppressing damage. .

また、本発明の細胞膜破壊装置は、前記構成に加えて、前記通電手段は、前記陽極および前記陰極間に放電が生じない程度の振幅を有するパルス電圧を少なくとも1回、印加することで、前記電解質イオンの移動による電流(非ファラデー電流)を溶液中に発生させても良い。   Further, in the cell membrane disruption apparatus of the present invention, in addition to the above-described configuration, the energization unit applies the pulse voltage having an amplitude that does not cause discharge between the anode and the cathode at least once, A current (non-Faraday current) due to movement of electrolyte ions may be generated in the solution.

ここで、陽極および陰極間に、一定電圧を印加することなく、パルス電圧を印加するのは、溶液中に長時間、電流が流れないようにして、細胞内の内容物の損傷を抑制するためである。   Here, applying a pulse voltage without applying a constant voltage between the anode and the cathode prevents the current from flowing in the solution for a long time and suppresses damage to the contents in the cell. It is.

また、パルス電圧の印加回数は、1回でも良いが、パルス電圧の印加回数を大きくする程、単細胞微生物や多細胞微生物などを高効率に死滅させ(殺菌し)、細胞内の内容物を、高効率に抽出することができる。   In addition, the number of times of application of the pulse voltage may be one, but as the number of times of application of the pulse voltage is increased, single cell microorganisms or multicellular microorganisms are killed (sterilized) with high efficiency, and the contents in the cells are It can be extracted with high efficiency.

また、本発明の細胞膜破壊装置は、前記構成に加えて、電荷を蓄積することが可能なコンデンサを備え、前記通電手段は、前記コンデンサに蓄えられた電荷を放電させることにより発生する、前記陽極および前記陰極間に放電が生じない程度の大きさで過渡的に減少する過渡電圧を、少なくとも1回、印加することで、前記電解質イオンの移動による電流(非ファラデー電流)を溶液中に発生させても良い。   In addition to the above configuration, the cell membrane disruption apparatus of the present invention further includes a capacitor capable of accumulating electric charge, and the energizing means generates the anode by discharging electric charge accumulated in the capacitor. And applying a transient voltage that is transiently reduced so that no discharge occurs between the cathodes at least once, thereby generating a current (non-Faraday current) in the solution due to the migration of the electrolyte ions. May be.

ここで、陽極および陰極間に、一定電圧を印加することなく、過渡電圧を印加するのは、溶液中に長時間、電流が流れないようにして、細胞内の内容物の損傷を抑制するためである。   Here, applying a transient voltage without applying a constant voltage between the anode and the cathode prevents the current from flowing in the solution for a long time and suppresses damage to the contents in the cell. It is.

また、過渡電圧の印加回数は、1回でも良いが、過渡電圧の印加回数を大きくする程、単細胞微生物や多細胞微生物などを高効率に死滅させ(殺菌し)、細胞内の内容物を、高効率に抽出することができる。   Moreover, the number of times of application of the transient voltage may be one, but as the number of times of application of the transient voltage is increased, single-cell microorganisms or multi-cell microorganisms are killed (sterilized) with high efficiency, and the contents in the cells are It can be extracted with high efficiency.

また、本発明の細胞膜破壊装置は、前記構成に加えて、流路幅が局部的に狭くなっている狭窄部を有し、該狭窄部における流路幅が複数の細胞が通過できる程度の幅となっている流路を備え、前記陽極および前記陰極が、前記狭窄部の近傍において、溶液の流れる方向に沿って、前記流路の内部に並列配置されていても良い。   In addition to the above-described configuration, the cell membrane disruption apparatus of the present invention has a narrowed portion in which the flow channel width is locally narrowed, and the flow channel width in the narrowed portion is a width that allows a plurality of cells to pass through. The anode and the cathode may be arranged in parallel in the channel along the direction of solution flow in the vicinity of the constriction.

前記構成によれば、通電状態とする領域を、狭窄部の近傍とすることができるので、電気抵抗が大きな溶液であっても陽極および陰極間を通電させることができる。   According to the above configuration, since the region to be energized can be in the vicinity of the constricted portion, even if the solution has a large electric resistance, the anode and the cathode can be energized.

また、前記構成では、狭窄部における流路幅が複数の細胞が通過できる程度の幅なので、前記特許文献2に記載された流路基板と比較して、単細胞微生物や多細胞微生物などを迅速かつ高効率に死滅させ(殺菌し)、細胞内の内容物を、迅速かつ高効率に抽出することができる。   Further, in the above configuration, the flow path width in the narrowed portion is a width that allows a plurality of cells to pass through. Therefore, compared with the flow path substrate described in Patent Document 2, single-cell microorganisms, multi-cellular microorganisms, etc. It can be killed (sterilized) with high efficiency, and the contents in the cells can be extracted quickly and efficiently.

本発明の細胞膜破壊装置は、以上のように、所定の濃度の電解質と、所定の濃度の細胞とを含む溶液中に、互いに対向して配置された、陽極と、前記陽極よりも表面積が小さい針状電極である陰極とを備え、前記陽極および前記陰極間に存在する溶液中に、前記電解質が電離した電解質イオンの移動による電流を発生させて、前記陽極および前記陰極間を通電状態とする通電手段を備える構成である。   As described above, the cell membrane disruptor of the present invention has an anode disposed opposite to each other in a solution containing an electrolyte having a predetermined concentration and cells having a predetermined concentration, and a surface area smaller than that of the anode. A cathode that is a needle-like electrode, and in the solution existing between the anode and the cathode, an electric current is generated by the movement of electrolyte ions ionized by the electrolyte, and the anode and the cathode are energized. It is a structure provided with an electricity supply means.

本発明の細胞膜破壊装置は、以上のように、所定の濃度の電解質と、所定の濃度の細胞とを含む溶液中に、互いに対向して配置された、陽極と、陰極とを備え、前記陽極および前記陰極間に存在する溶液中に、前記電解質が電離した電解質イオンの移動による電流を発生させて、前記陽極および前記陰極間を通電状態とする通電手段を備える構成である。   As described above, the cell membrane disrupting device of the present invention includes an anode and a cathode, which are disposed to face each other in a solution containing an electrolyte having a predetermined concentration and cells having a predetermined concentration. In the solution existing between the cathodes, there is provided an energization means for generating a current due to movement of electrolyte ions ionized by the electrolyte so as to energize the anode and the cathode.

それゆえ、細胞内の内容物を、その損傷を抑制しつつ抽出することができるという効果を奏する。   Therefore, there is an effect that the contents in the cell can be extracted while suppressing the damage.

本発明の一実施形態である細胞膜破壊装置の概要構成を示す模式図である。It is a mimetic diagram showing an outline composition of a cell membrane destruction device which is one embodiment of the present invention. (a)は、前記細胞膜破壊装置による処理前の溶液の様子を示す図であり、(b)は、処理後の溶液の様子を示す図であり、(c)は、処理回数と、溶液内の海水中微生物の生存率との関係を示すグラフである。(A) is a figure which shows the mode of the solution before the process by the said cell membrane destruction apparatus, (b) is a figure which shows the state of the solution after a process, (c) is the number of processes, It is a graph which shows the relationship with the survival rate of microorganisms in seawater. 本発明の他の実施形態である細胞膜破壊装置の概要構成を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows schematic structure of the cell membrane destruction apparatus which is other embodiment of this invention. 前記細胞膜破壊装置に関し、筒状電極と針状電極の配置方法の一例を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows an example of the arrangement | positioning method of a cylindrical electrode and a needle-shaped electrode regarding the said cell membrane destruction apparatus. (a)は、前記細胞膜破壊装置の一実施例の構成を示す図であり、(b)は、前記実施例に関し、プローブ電極間に局所的に生じた電位差の時間的変化を示すグラフである。(A) is a figure which shows the structure of one Example of the said cell membrane destruction apparatus, (b) is a graph which shows the time change of the electrical potential difference produced locally between probe electrodes regarding the said Example. . 前記実施例による処理前(実験開始直後)の溶液中のプランクトンの観察結果を示す図である。It is a figure which shows the observation result of the plankton in the solution before the process by the said Example (immediately after an experiment start). (a)は、前記実施例による処理前(実験開始直後)の溶液中のプランクトンの観察結果を示す図であり、(b)は、対照実験のために別に用意した前記実施例による処理が行われていない溶液中のプランクトン(実験終了後)の観察結果を示す図である。(A) is a figure which shows the observation result of the plankton in the solution before the process by the said Example (immediately after the start of experiment), (b) performs the process by the said Example prepared separately for control experiments. It is a figure which shows the observation result of the plankton (after completion | finish of experiment) in the solution which is not broken. 板電極および針状電極(針電極)間で、溶液中に電流が実際に流れている様子を実験的に示す図である。It is a figure which shows experimentally a mode that the electric current is actually flowing in the solution between a plate electrode and a needle-like electrode (needle electrode). パルス処理を行うための測定装置の構成を示す回路図と、板電極および針状電極(針電極)間に印加されるパルス電圧のパルス波形(5Hz,5V)を示すグラフである。It is a circuit diagram which shows the structure of the measuring apparatus for performing a pulse process, and the graph which shows the pulse waveform (5Hz, 5V) of the pulse voltage applied between a plate electrode and a needle-like electrode (needle electrode). 処理用容器の概要構成を示す図である。It is a figure which shows schematic structure of the processing container. パルス電圧を印加したとき(5Hz,5V,1000回)、および、パルス電圧を印加していないとき、における波長とO.D.(Optical Density)との関係を示すグラフである。When the pulse voltage is applied (5 Hz, 5 V, 1000 times) and when the pulse voltage is not applied, the wavelength and O.D. D. It is a graph which shows the relationship with (Optical Density). 波長615nmにおけるO.D.の周波数依存性を示すグラフである。O.D at a wavelength of 615 nm. D. It is a graph which shows the frequency dependence of. 波長615nmにおけるO.D.の処理時間依存性を示すグラフである。O.D at a wavelength of 615 nm. D. It is a graph which shows the processing time dependence.

本発明の一実施形態について図1〜図13に基づいて説明すれば、次の通りである。以下の特定の項目で説明すること以外の構成は、必要に応じて説明を省略する場合があるが、他の項目で説明する構成と同じである。また、説明の便宜上、各項目に示した部材と同一の機能を有する部材については、同一の符号を付し、適宜その説明を省略する。   An embodiment of the present invention will be described below with reference to FIGS. Configurations other than those described in the following specific items may be omitted as necessary, but are the same as the configurations described in other items. For convenience of explanation, members having the same functions as those shown in each item are given the same reference numerals, and the explanation thereof is omitted as appropriate.

〔1.細胞膜破壊装置10について〕
まず、図1および図2(a)〜(c)に基づき、本発明の一実施形態である細胞膜破壊装置10について説明する。図1は、細胞膜破壊装置10の概要構成を示す模式図である。
[1. About Cell Membrane Breaker 10]
First, based on FIG. 1 and FIG. 2 (a)-(c), the cell membrane destruction apparatus 10 which is one Embodiment of this invention is demonstrated. FIG. 1 is a schematic diagram showing a schematic configuration of the cell membrane disrupting apparatus 10.

図1に示すように、細胞膜破壊装置10は、水槽1、板電極(陽極)2A、針状電極(陰極)3A、セラミックチューブ4L、4R、接続配線5L、5R、通電部(通電手段)6、接続端子7L、Rを備える。   As shown in FIG. 1, the cell membrane destruction apparatus 10 includes a water tank 1, a plate electrode (anode) 2 </ b> A, a needle electrode (cathode) 3 </ b> A, ceramic tubes 4 </ b> L and 4 </ b> R, connection wirings 5 </ b> L and 5 </ b> R Connection terminals 7L and R are provided.

細胞膜破壊装置10は、液体試料(溶液)中に含まれる細胞(または、微生物に含まれる複数の細胞)の細胞膜を破壊して、単一または複数の細胞からなる微生物、すなわち、単細胞微生物または多細胞微生物を死滅させ(殺菌し)、細胞内の内容物を抽出するものである。   The cell membrane disrupting device 10 destroys the cell membrane of cells (or a plurality of cells contained in a microorganism) contained in a liquid sample (solution), and thereby a microorganism composed of a single cell or a plurality of cells, that is, a single-cell microorganism or a multi-cell. Cellular microorganisms are killed (sterilized), and the contents in the cells are extracted.

ここで、抽出は、少なくとも1つ以上の細胞内の内容物を解放することであり、細胞の内容物が周囲の液体中に拡散されるように、細胞壁または細胞バリアを開放または破裂させることである。   Here, extraction is the release of at least one or more intracellular contents, by opening or rupturing the cell wall or cell barrier so that the cell contents are diffused into the surrounding liquid. is there.

水槽1には、本実施形態では、液体試料としてバラスト水(微生物を含む海水)が注入されるが、このような液体試料に限定されない。なお、海水中に含まれる食塩(電解質)の濃度は、通常、0.7M(Mは、mol/l:モル/リットル)程度である。   In the present embodiment, ballast water (seawater containing microorganisms) is injected into the water tank 1 as a liquid sample, but is not limited to such a liquid sample. In addition, the density | concentration of the salt (electrolyte) contained in seawater is about 0.7M (M is mol / l: mol / liter) normally.

上述のように、微生物は、単一の細胞からなる単細胞微生物であっても良いし、複数の細胞からなる多細胞微生物であっても良い。また、微生物は、古細菌微生物、真性細菌微生物、および真核細胞微生物などであれば良く、例えば、細菌、細菌胞子、ウィルス、真菌、および真菌胞子などである。   As described above, the microorganism may be a single-cell microorganism composed of a single cell or a multi-cellular microorganism composed of a plurality of cells. The microorganism may be an archaeal microorganism, an eubacterial microorganism, a eukaryotic microorganism, or the like, such as bacteria, bacterial spores, viruses, fungi, and fungal spores.

真核細胞は、例えば、植物細胞、植物胞子、動物細胞、および哺乳動物細胞などである。哺乳動物細胞は、例えば、ヒト細胞、白血球、および有核赤血球などである。   Examples of eukaryotic cells are plant cells, plant spores, animal cells, and mammalian cells. Mammalian cells are, for example, human cells, white blood cells, and nucleated red blood cells.

細胞内の内容物は、細胞小器官、遺伝物質、およびタンパク質などを含む。遺伝物質は、染色体、デオキシリボ核酸(DNA)、プラスミドDNA、任意のタイプのリボ核酸(RNA:例えば、mRNA、tRNA)などを含む。   Cellular contents include organelles, genetic material, proteins, and the like. Genetic material includes chromosomes, deoxyribonucleic acid (DNA), plasmid DNA, any type of ribonucleic acid (RNA: eg, mRNA, tRNA), and the like.

タンパク質は、酵素、構造タンパク質、輸送タンパク質、イオンチャネル、毒素、ホルモン、および受容体などを含む。   Proteins include enzymes, structural proteins, transport proteins, ion channels, toxins, hormones, receptors and the like.

また、液体試料は、綿棒で採取された皮膚試料、脳脊髄液、血液、唾液、気管支-肺胞洗浄物、気管支吸引物、肺組織および尿などの生体試料であっても良い。   The liquid sample may also be a biological sample such as a skin sample collected with a cotton swab, cerebrospinal fluid, blood, saliva, bronchial-alveolar lavage, bronchial aspirate, lung tissue, and urine.

また、液体試料は、核酸増幅を実施するのに必要とされる1種又は2種以上の試薬を含んでいても良い。   In addition, the liquid sample may contain one or more kinds of reagents necessary for performing nucleic acid amplification.

さらに、液体試料は、プライマー、核酸、デオキシヌクレオシド三リン酸、および核酸ポリメラーゼなどの試薬を含んでよい。   In addition, the liquid sample may contain reagents such as primers, nucleic acids, deoxynucleoside triphosphates, and nucleic acid polymerases.

次に、板電極2Aおよび針状電極3Aは、図1に示すように、板電極2Aの表面積が大きい方の表面に対して、針状電極3Aの長手方向が垂直となるように、互いに対向して配置される。なお、板電極2Aおよび針状電極3Aの配置方法は、これに限られず、例えば、板電極2Aの表面積が大きい方の表面に対して、針状電極3Aの長手方向が平行となるように、互いに対向して配置されていても良い。   Next, as shown in FIG. 1, the plate electrode 2A and the needle electrode 3A are opposed to each other so that the longitudinal direction of the needle electrode 3A is perpendicular to the surface of the plate electrode 2A having the larger surface area. Arranged. The arrangement method of the plate electrode 2A and the needle electrode 3A is not limited to this. For example, the longitudinal direction of the needle electrode 3A is parallel to the surface having the larger surface area of the plate electrode 2A. They may be arranged opposite to each other.

板電極2Aは、陽極で、本実施形態では、表面積が大きい方の表面が、縦3cm、横3cmの矩形である平板状の板電極であるが、その寸法、および、形状は、これに限られない。また、板電極2Aの構成材料は、本実施形態では、タングステンであるが、これに限定されない。   The plate electrode 2A is an anode, and in this embodiment, the surface having the larger surface area is a plate electrode having a rectangular shape with a length of 3 cm and a width of 3 cm. However, the size and shape of the plate electrode 2A are limited to this. I can't. Moreover, although the constituent material of 2 A of plate electrodes is tungsten in this embodiment, it is not limited to this.

一方、本実施形態の針状電極3Aは、陰極で、板電極2Aよりも表面積が小さい針状(または棒状)の電極であり、その構成材料は、本実施形態では、タングステンであるが、その寸法、形状および構成材料はこれらに限定されない。なお、板電極2Aおよび針状電極3Aの構成材料は、上述したタングステンの他、白金、金、炭素、銀、銅などを用いても良い。   On the other hand, the needle-like electrode 3A of the present embodiment is a cathode and is a needle-like (or rod-like) electrode having a surface area smaller than that of the plate electrode 2A, and its constituent material is tungsten in this embodiment. The dimensions, shapes, and constituent materials are not limited to these. In addition, as a constituent material of the plate electrode 2A and the needle-like electrode 3A, platinum, gold, carbon, silver, copper, or the like may be used in addition to the above-described tungsten.

また、以下で説明するように、板電極2Aおよび針状電極3Aの溶出を抑制するため、板電極2Aおよび針状電極3Aを同一の構成材料で構成することが好ましい。   Further, as described below, in order to suppress elution of the plate electrode 2A and the needle electrode 3A, it is preferable that the plate electrode 2A and the needle electrode 3A are made of the same constituent material.

また、針状電極3Aの短手方向の断面の直径は、約1mmである。このとき、針状電極3Aと板電極2Aとの対向表面積比は、1:1146である。   Moreover, the diameter of the cross section of the acicular electrode 3A in the short direction is about 1 mm. At this time, the facing surface area ratio between the needle-like electrode 3A and the plate electrode 2A is 1: 1146.

なお、通電状態となる範囲をできるだけ広くするためには、針状電極3Aに対する板電極2Aの対向表面積比は、できるだけ大きくなるように設計することが好ましい。   In order to make the energized range as wide as possible, it is preferable that the opposing surface area ratio of the plate electrode 2A to the needle electrode 3A is designed to be as large as possible.

また、針状電極3Aと板電極2Aの電極間距離は、本実施形態では、約11cmであるが、これに限られない。   Further, the distance between the needle-like electrode 3A and the plate electrode 2A is about 11 cm in the present embodiment, but is not limited thereto.

なお、板電極2Aは、水槽1に設けられた嵌挿孔(不図示)に絶縁体であるセラミックチューブ4Lを介して嵌挿され、接続端子7Lと電気的に接続されている。一方、針状電極3Aは、水槽1に設けられた嵌挿孔(不図示)に絶縁体であるセラミックチューブ4Rを介して嵌挿され、接続端子7Rと電気的に接続されている。   The plate electrode 2A is inserted into a fitting insertion hole (not shown) provided in the water tank 1 via a ceramic tube 4L that is an insulator, and is electrically connected to the connection terminal 7L. On the other hand, the needle-like electrode 3A is inserted into a fitting insertion hole (not shown) provided in the water tank 1 via a ceramic tube 4R that is an insulator, and is electrically connected to the connection terminal 7R.

以上の構成によれば、板電極2Aと針状電極3Aとの配置を調整することで、後述する通電部6により、板電極2Aと、針状電極3Aとの間で、広範囲に亘って溶液を(瞬間的に)通電させることができる。   According to the above configuration, by adjusting the arrangement of the plate electrode 2A and the needle-like electrode 3A, the energization unit 6 described later causes the solution to extend between the plate electrode 2A and the needle-like electrode 3A over a wide range. Can be energized (instantaneously).

通電部6は、板電極2Aおよび針状電極3A間に存在する溶液中に、電解質が電離した電解質イオン(海水の場合は、ナトリウムイオンと、塩素イオンなど)の移動による非ファラデー電流を発生させて、板電極2Aおよび針状電極3A間を(瞬間的に)通電状態とする。   The energization unit 6 generates a non-Faraday current due to movement of electrolyte ions (sodium ions and chlorine ions in the case of seawater) ionized in the solution existing between the plate electrode 2A and the needle electrode 3A. Thus, the plate electrode 2A and the needle electrode 3A are energized (instantaneously).

また、通電部6は、静電容量が750μFのコンデンサ(不図示)を備え、約50Vの電圧をコンデンサに印加して蓄えられた電荷を放電させることにより発生する、過渡的に減少する過渡電圧を少なくとも1回、印加している。なお、この過渡電圧により、板電極2Aおよび針状電極3A間には、放電は生じない。   The energizing unit 6 includes a capacitor (not shown) having a capacitance of 750 μF, and is generated by discharging a stored charge by applying a voltage of about 50 V to the capacitor. Is applied at least once. Note that, due to the transient voltage, no discharge occurs between the plate electrode 2A and the needle-like electrode 3A.

なお、本実施形態の細胞膜破壊装置10における上記コンデンサの静電容量は、数μF程度〜数千μF程度であり、従来手法でのコンデンサの静電容量である数nF程度と比較して圧倒的に大きい。例えば、本実施形態の細胞膜破壊装置10におけるコンデンサの静電容量は、10μF以上、9000μ以下とすることが好ましい。   Note that the capacitance of the capacitor in the cell membrane destruction apparatus 10 of the present embodiment is about several μF to several thousand μF, which is overwhelming compared to about several nF which is the capacitance of the capacitor in the conventional method. Big. For example, the capacitance of the capacitor in the cell membrane disruption device 10 of the present embodiment is preferably 10 μF or more and 9000 μ or less.

ここで、板電極2Aおよび針状電極3A間に、一定電圧を印加することなく、過渡電圧を印加するのは、溶液中に長時間、電流が流れないようにして、細胞内の内容物の損傷を抑制するためである。   Here, the transient voltage is applied between the plate electrode 2A and the needle electrode 3A without applying a constant voltage, so that no current flows in the solution for a long time. This is to suppress damage.

次に、非ファラデー電流が流れる時間は、電解質イオンの移動が開始されてから板電極2Aおよび針状電極3Aの周りに電気二重層が形成されるまでの時間であり、約10ms(ミリ秒)程度であることが知られている。よって、このとき、板電極2Aおよび針状電極3A間に存在する溶液中のいたるところ(厳密には電解質イオンの流れが存在しているところ)で、瞬間的に局所的な電位差(電圧)が生じる。   Next, the time during which the non-Faraday current flows is the time from the start of the movement of the electrolyte ions until the electric double layer is formed around the plate electrode 2A and the needle electrode 3A, and is approximately 10 ms (milliseconds). It is known to be a degree. Therefore, at this time, a local potential difference (voltage) is instantaneously generated everywhere in the solution existing between the plate electrode 2A and the needle-like electrode 3A (strictly, where the flow of electrolyte ions exists). Arise.

また、本実施形態では、板電極2Aおよび針状電極3Aを同一の構成材料とすれば、板電極2Aおよび針状電極3Aの溶出を抑制することができ、また、非ファラデー電流が流れた後は、陽極および陰極間の溶液中は、電気的に中性となって、電位差もほとんどない電解液バルクが形成される。   Further, in this embodiment, if the plate electrode 2A and the needle-like electrode 3A are made of the same constituent material, the elution of the plate electrode 2A and the needle-like electrode 3A can be suppressed, and after the non-Faraday current flows. In the solution between the anode and the cathode, an electrolyte bulk is formed which is electrically neutral and has almost no potential difference.

これにより、板電極2Aおよび針状電極3A間の存在する溶液中のいたるところに存在する細胞は、約10ms程度の間のみ、前記瞬間的な電圧に晒されることになる。   Thereby, cells existing everywhere in the solution existing between the plate electrode 2A and the needle-like electrode 3A are exposed to the instantaneous voltage only for about 10 ms.

ここで、溶液中の細胞の細胞膜が、どの程度の時間、どの程度の大きさの電圧に晒されると非可逆的に破壊されるかについて検討する。   Here, it will be examined how long a cell membrane of a cell in a solution is irreversibly destroyed when exposed to a voltage of a certain magnitude.

仮に、半径aの細胞に一様な電界Eを時刻t=0においてステップ状に印加した時、細胞膜にかかる膜電圧V(θ)の時間変化は、   Temporarily, when a uniform electric field E is applied stepwise at time t = 0 to cells of radius a, the time change of the membrane voltage V (θ) applied to the cell membrane is

で与えられる(特許文献3参照)。 (See Patent Document 3).

ただし、θは、電界Eの方向をθ=0ととった時の、細胞中心を原点とする極座標の天頂角、τは、時定数、Cは、細胞膜の単位面積あたりの静電容量、ρin、ρoutは、それぞれ、細胞内液および外液の抵抗率である。   Where θ is the zenith angle in polar coordinates with the cell center as the origin when the direction of the electric field E is θ = 0, τ is the time constant, C is the capacitance per unit area of the cell membrane, ρin , Ρout are the resistivity of the intracellular fluid and the outer fluid, respectively.

しかしながら、式(1)は、球形の完全な膜が存在する時の膜電圧を与えるもので、電圧の印加により膜の一点にポアが形成された場合は、膜電圧の分布がこの式から大きく異なることになる。   However, equation (1) gives the membrane voltage when a spherical complete membrane is present. When a pore is formed at one point of the membrane by the application of voltage, the distribution of membrane voltage is large from this equation. Will be different.

すなわち、式(1)は、細胞膜にかかる電圧の大きさは、電気力線の最上流側(北極:θ=0)の位置および最下流側(南極:θ=π)の位置で最大となることを示しているので、電圧を印加した場合、まず、このいずれかの位置にポアが形成されることが予想される。   That is, in the equation (1), the magnitude of the voltage applied to the cell membrane becomes maximum at the position on the most upstream side (north pole: θ = 0) and the position on the most downstream side (south pole: θ = π) of the electric field lines. Therefore, when a voltage is applied, it is expected that a pore is first formed at any one of these positions.

すると、ここを通して電流が流れ、他方の極の充電がさらにすすみ、ここには、式(1)で与えられる以上の過大な電圧がかかることになり、この位置が非可逆的に破壊されると考えられる。このようにして、いわば将棋倒しのように細胞膜の別の位置に過電圧が伝搬する現象により、細胞が破壊される。   Then, a current flows through this, and charging of the other pole further proceeds, and an excessive voltage higher than that given by Equation (1) is applied to this position, and this position is irreversibly destroyed. Conceivable. In this way, cells are destroyed by the phenomenon of overvoltage propagating to another position on the cell membrane, like a shogi.

ここで、細胞膜の単位面積あたりの静電容量Cは、細胞種によらず1μF/cm(マイクロ・ファラッド/平方センチメートル)程度であることが知られている。よって、式(2)の細胞膜の充電の時定数τは、例えば、半径a=5μm(マイクロメートル)の細胞に対して、周囲の媒質が生理食塩水濃度1.54mM程度の溶液である場合には、時定数τ=40ns(ナノ秒)程度、周囲の媒質が1mM程度の低濃度の食塩溶液である場合には、時定数τ=2μs(マイクロ秒)程度である。 Here, it is known that the capacitance C per unit area of the cell membrane is about 1 μF / cm 2 (micro farad / square centimeter) regardless of the cell type. Therefore, the time constant τ for charging the cell membrane of the formula (2) is, for example, when the surrounding medium is a solution having a physiological saline concentration of about 1.54 mM for a cell having a radius a = 5 μm (micrometer). The time constant τ is about 40 ns (nanoseconds), and when the surrounding medium is a low concentration saline solution of about 1 mM, the time constant τ is about 2 μs (microseconds).

従って、細胞膜に不可逆的破壊を起こすためには、これより長い時間、約1V以上の電圧が細胞に印加されれば良いことになる。   Therefore, in order to cause irreversible destruction in the cell membrane, a voltage of about 1 V or more should be applied to the cells for a longer time.

上述した時定数τ=40ns程度、および時定数τ=2μs程度の値のいずれも、非ファラデー電流が流れる時間である約10msよりもかなり小さい。   Both the above-described values of the time constant τ = about 40 ns and the time constant τ = 2 μs are much smaller than about 10 ms, which is the time during which the non-Faraday current flows.

すなわち、前記瞬間的な電圧の大きさが、非ファラデー電流が流れる時間、常に約1V以上であれば、細胞の細胞膜は、非可逆的に破壊されると考えられる。   That is, it is considered that the cell membrane of the cell is irreversibly destroyed if the instantaneous voltage magnitude is always about 1 V or more during the time when the non-Faraday current flows.

よって、以上の構成によれば、前記特許文献1の方法と比較して、細胞が長時間、電圧に晒されることがないので、細胞内の内容物の損傷を抑制しつつ、細胞膜を非可逆的に破壊することができる。すなわち、単細胞微生物や多細胞微生物などを死滅させる(殺菌する)ことができる。また、これにより、細胞内の内容物を抽出することも可能となる。   Therefore, according to the above configuration, since the cells are not exposed to voltage for a long time as compared with the method of Patent Document 1, the cell membrane is irreversibly while suppressing damage to the contents in the cells. Can be destroyed. That is, it is possible to kill (sterilize) single-cell microorganisms, multicellular microorganisms, and the like. This also makes it possible to extract the contents in the cell.

例えば、図2(a)は、細胞膜破壊装置10による処理前に、水槽1内の溶液の一部を取り出して観察したときの様子である。一方、図2(b)は、細胞膜破壊装置10による処理後に、水槽1内の溶液の一部を取り出して観察したときの様子である。   For example, FIG. 2A shows a state when a part of the solution in the water tank 1 is taken out and observed before the treatment by the cell membrane disrupting apparatus 10. On the other hand, FIG. 2B shows a state when a part of the solution in the water tank 1 is taken out and observed after the treatment by the cell membrane disrupting device 10.

図2(b)に示すように、細胞膜破壊装置10により処理の後は、溶液中の細胞の細胞膜が非可逆的に破壊されていることが分かる。   As shown in FIG. 2B, it can be seen that the cell membrane of the cells in the solution is irreversibly destroyed after the treatment by the cell membrane destruction apparatus 10.

また、前記構成では、針状電極3Aは、板電極2Aよりも表面積が小さい針状電極である。これにより、板電極2Aおよび針状電極3A間に印加される電圧の大きさが多少小さくても、広範囲に亘って溶液を通電させることができる。よって、溶液中の細胞、または、単一若しくは複数の細胞からなる微生物を高効率に死滅させ、細胞内の内容物を、その損傷を抑制しつつ高効率に抽出することができる。   In the above configuration, the needle-like electrode 3A is a needle-like electrode having a smaller surface area than the plate electrode 2A. Thereby, even if the magnitude | size of the voltage applied between the plate electrode 2A and the needle-like electrode 3A is somewhat small, the solution can be energized over a wide range. Therefore, cells in a solution or a microorganism composed of a single cell or a plurality of cells can be killed with high efficiency, and the contents in the cells can be extracted with high efficiency while suppressing damage.

以上より、細胞膜破壊装置10によれば、溶液中の細胞、または、単一若しくは複数の細胞からなる微生物を迅速かつ高効率に死滅させ、細胞内の内容物を、その損傷を抑制しつつ迅速かつ高効率に抽出することができる。   As described above, according to the cell membrane disrupting device 10, cells in a solution or a microorganism composed of a single cell or a plurality of cells are quickly and efficiently killed, and the contents in the cells can be quickly suppressed while suppressing damage. And it can extract with high efficiency.

また、細胞膜破壊装置10は、非常に簡単な構成なので、バラスト水処理装置として使用すれば、大型、小型のいずれの船舶への搭載も可能である。また、処理用の薬剤などを添加することなく微生物の処理が可能であり、排水時に二次処理を行う必要がない。また、バラスト水処理装置として小規模な装置の実現が可能であり、配管系に設置することも可能である。   Moreover, since the cell membrane destruction apparatus 10 is a very simple structure, if it is used as a ballast water treatment apparatus, it can be mounted on both large and small ships. Further, microorganisms can be treated without adding treatment chemicals, and there is no need to perform secondary treatment during drainage. Moreover, a small-scale apparatus can be realized as a ballast water treatment apparatus, and it can be installed in a piping system.

次に、上述した通電部6が、板電極2Aおよび針状電極3A間に印加する過渡電圧の印加回数は、1回でも良いが、過渡電圧の印加回数を大きくする程、細胞内の内容物を、高効率に抽出することができる。   Next, the number of times of application of the transient voltage applied between the plate electrode 2A and the needle-like electrode 3A by the energization unit 6 described above may be one, but as the number of times of application of the transient voltage is increased, the contents in the cell are increased. Can be extracted with high efficiency.

例えば、図2(c)のグラフに示すように、実際に、細胞膜破壊装置10による処理回数が少ないときは、細胞の生存率は、38%程度であったものが、処理回数を多くすることにより、生存率は、0%となった。   For example, as shown in the graph of FIG. 2 (c), when the number of treatments by the cell membrane destruction apparatus 10 is actually small, the cell survival rate is about 38%, but the number of treatments is increased. As a result, the survival rate became 0%.

なお、本実施形態では、通電部6は、コンデンサの放電現象を利用したものを採用したが、通電部6の構成は、これに限定されない。   In the present embodiment, the energization unit 6 uses a capacitor discharge phenomenon, but the configuration of the energization unit 6 is not limited to this.

例えば、通電部6としてパルス電圧発生器(不図示)を用い、板電極2Aおよび針状電極3A間に放電が生じない程度の振幅を有するパルス電圧を少なくとも1回、印加することで、前記非ファラデー電流を溶液中に発生させても良い。   For example, a pulse voltage generator (not shown) is used as the energization unit 6 and a pulse voltage having an amplitude that does not cause a discharge between the plate electrode 2A and the needle electrode 3A is applied at least once. A Faraday current may be generated in the solution.

なお、パルス電圧のパルス幅(時間)は、時定数τよりも大きいことが好ましいが、細胞の内容物の損傷を抑制するには、できるだけ短い方が好ましい。   The pulse width (time) of the pulse voltage is preferably larger than the time constant τ, but it is preferably as short as possible in order to suppress damage to the contents of the cells.

また、パルス電圧の大きさは、上述したコンデンサによる放電を参考に約50Vとすることが考えられるが、これに限られない(以下の4.パルス処理の実験結果について参照)。   Further, the magnitude of the pulse voltage is considered to be about 50 V with reference to the discharge by the capacitor described above, but is not limited to this (see the following 4. Experimental results of pulse processing).

また、パルス電流は、極性反転を起こさない、いわゆる、単極性のパルスであることが好ましいが、必要に応じて両極性のパルスとしても良い。   The pulse current is preferably a so-called unipolar pulse that does not cause polarity reversal, but may be a bipolar pulse if necessary.

ここで、板電極2Aおよび針状電極3A間に、一定電圧を印加することなく、パルス電圧を印加するのは、溶液中に長時間、電流が流れないようにして、細胞内の内容物の損傷を抑制するためである。   Here, a pulse voltage is applied between the plate electrode 2A and the needle electrode 3A without applying a constant voltage so that no current flows in the solution for a long period of time. This is to suppress damage.

また、パルス電圧の印加回数は、1回でも良いが、パルス電圧の印加回数を大きくする程、単細胞微生物や多細胞微生物などを高効率に死滅させ(殺菌し)、細胞内の内容物を、高効率に抽出することができる。   In addition, the number of times of application of the pulse voltage may be one, but as the number of times of application of the pulse voltage is increased, single cell microorganisms or multicellular microorganisms are killed (sterilized) with high efficiency, and the contents in the cells are It can be extracted with high efficiency.

〔2.細胞膜破壊装置20について〕
次に、図3および図4に基づき、本発明の他の実施形態である細胞膜破壊装置20の構成について説明する。図3は、細胞膜破壊装置20の概要構成を示す模式図である。
[2. About Cell Membrane Breaker 20]
Next, based on FIG. 3 and FIG. 4, the structure of the cell membrane destruction apparatus 20 which is other embodiment of this invention is demonstrated. FIG. 3 is a schematic diagram showing a schematic configuration of the cell membrane destruction apparatus 20.

図3に示すように、細胞膜破壊装置20が、上述した細胞膜破壊装置10と異なっている点は、以下のとおりである。   As shown in FIG. 3, the cell membrane disrupting device 20 is different from the cell membrane disrupting device 10 described above as follows.

(1)水槽1に替えて、サンプル流入路(流路)1L、狭窄部(流路)1C、サンプル流出路(流路)1Rからなる流路を用いている点。   (1) Instead of the water tank 1, a flow path including a sample inflow path (flow path) 1L, a narrowed portion (flow path) 1C, and a sample outflow path (flow path) 1R is used.

(2)板電極2Aおよび針状電極3Aの組合せに替えて、筒状電極2B(陽極)および針状電極(陰極)3Bの組合せを用いている点。   (2) The combination of the cylindrical electrode 2B (anode) and the needle electrode (cathode) 3B is used instead of the combination of the plate electrode 2A and the needle electrode 3A.

なお、上記(1)および(2)以外の構成については、以上で説明したことと同じなので、ここでは、説明を省略する。   Note that the configurations other than the above (1) and (2) are the same as those described above, and thus the description thereof is omitted here.

まず、図3に示すように、本実施形態の細胞膜破壊装置20は、流路幅が局部的に狭くなっている狭窄部1Cを有し、狭窄部1Cにおける流路幅が複数の細胞が通過できる程度の幅となっている流路(サンプル流入路1L、狭窄部1Cおよびサンプル流出路1R)を備える。   First, as shown in FIG. 3, the cell membrane destruction apparatus 20 of the present embodiment has a stenosis part 1C in which the channel width is locally narrow, and a plurality of cells have a channel width in the stenosis part 1C. A flow path (a sample inflow path 1L, a narrowed portion 1C, and a sample outflow path 1R) having a width as much as possible is provided.

サンプル流入路1Lは、液体試料(サンプル)を流入させる流入路である。一方、サンプル流出路1Rは、液体試料を流出させる流出路である。   The sample inflow path 1L is an inflow path through which a liquid sample (sample) flows. On the other hand, the sample outflow path 1R is an outflow path through which the liquid sample flows out.

すなわち、本実施形態の細胞膜破壊装置20は、所定の流速でサンプルを流路に流しつつ、単細胞微生物や多細胞微生物などを迅速かつ高効率に死滅させ(殺菌し)、また、迅速かつ高効率に細胞内の内容物を抽出できる構成となっている。   That is, the cell membrane disrupting apparatus 20 of the present embodiment rapidly and efficiently kills (sterilizes) single-cell microorganisms and multicellular microorganisms while flowing a sample through the flow path at a predetermined flow rate. The contents in the cell can be extracted.

なお、狭窄部1Cの幅は、1つの細胞の直径が約10μmなので、少なくとも、2つの細胞が通過できる20μm以上であれば良い。   The width of the stenosis 1C may be at least 20 μm or more so that two cells can pass through because the diameter of one cell is about 10 μm.

また、筒状電極2Bおよび針状電極3Bは、狭窄部1Cの近傍において、溶液の流れる方向に沿って、前記流路の内部に並列配置されている。   Further, the cylindrical electrode 2B and the needle-like electrode 3B are arranged in parallel in the flow path in the vicinity of the narrowed portion 1C along the direction in which the solution flows.

これにより、非ファラデー電流により通電状態とする領域を、狭窄部1Cの近傍とすることができるので、電気抵抗が大きな溶液であっても筒状電極2Bおよび針状電極3B間を通電させることができる。   Thereby, since the region to be energized by the non-Faraday current can be in the vicinity of the constriction 1C, it is possible to energize between the cylindrical electrode 2B and the needle electrode 3B even if the solution has a large electric resistance. it can.

また、前記構成では、狭窄部1Cにおける流路幅が複数の細胞が通過できる程度の幅なので、前記特許文献2に記載された流路基板と比較して、細胞内の内容物を、迅速かつ高効率に抽出することができる。   Moreover, in the said structure, since the flow-path width in the constriction part 1C is a width | variety which can pass a some cell, compared with the flow-path board | substrate described in the said patent document 2, the content in a cell is rapidly and can be carried out. It can be extracted with high efficiency.

次に、図4に基づき、筒状電極2Bおよび針状電極3Bの配置方法の一例について説明する。   Next, an example of an arrangement method of the cylindrical electrode 2B and the needle electrode 3B will be described based on FIG.

図4に示すように、筒状電極2B(本実施形態では、円筒形であるが、これに限定されない)には、円形の左開口OL、円形の右開口(一方の開口)ORが存在しており、筒状電極2Bの右開口ORは、針状電極3Bが存在する方向に開放されていることが好ましい。   As shown in FIG. 4, the cylindrical electrode 2B (which is cylindrical in this embodiment, but is not limited to this) has a circular left opening OL and a circular right opening (one opening) OR. The right opening OR of the cylindrical electrode 2B is preferably opened in the direction in which the needle electrode 3B exists.

これにより、筒状電極2Bと、針状電極3Bとの間で、広範囲に亘って溶液を通電させることができる。   Thereby, the solution can be energized over a wide range between the cylindrical electrode 2B and the needle electrode 3B.

例えば、筒状電極2Bの左開口OLおよび右開口OR間の距離d1が、3cmであり、右開口OR又は左開口OLの半径を1.5cmとし、筒状電極2Bの内側面のすべてが、針状電極3B(ほぼ、円柱とし、円の直径を1mmとする)と対向(半円柱の表面が対向)しているとすると、針状電極3Bと筒状電極2Bの対向表面積比は、1:60となる。   For example, the distance d1 between the left opening OL and the right opening OR of the cylindrical electrode 2B is 3 cm, the radius of the right opening OR or the left opening OL is 1.5 cm, and all the inner surfaces of the cylindrical electrode 2B are Assuming that the needle electrode 3B (substantially a cylinder and the diameter of the circle is 1 mm) is opposed (the surface of the semi-cylinder is opposite), the opposed surface area ratio of the needle electrode 3B and the cylindrical electrode 2B is 1 : 60.

なお、筒状電極2Bおよび針状電極3Bの配置方法は、これに限られず、例えば、筒状電極2Bの中心軸の方向と、針状電極3Bの長手方向とが一致するように配置しても良い。   In addition, the arrangement | positioning method of the cylindrical electrode 2B and the needle-shaped electrode 3B is not restricted to this, For example, it arrange | positions so that the direction of the central axis of the cylindrical electrode 2B and the longitudinal direction of the needle-shaped electrode 3B may correspond. Also good.

なお、筒状電極2Bおよび針状電極3B間の距離d2(左開口OLの開口中心Cと、針状電極3B間の距離)は、板電極2Aおよび針状電極3Aの組合せと同様に約11cmとしても良いが、これに限定されない。   The distance d2 between the cylindrical electrode 2B and the needle electrode 3B (the distance between the opening center C of the left opening OL and the needle electrode 3B) is about 11 cm as in the combination of the plate electrode 2A and the needle electrode 3A. However, it is not limited to this.

また、図4に示すように、溶液が流れる方向を、筒状電極2Bの中心軸(右開口ORおよび左開口OLの開口中心Cを通る軸)の方向と一致させることで、溶液が、その流れを妨げられることなく、筒状電極2Bを通過する。よって、単細胞微生物や多細胞微生物などを迅速かつ高効率に死滅させ(殺菌し)、細胞内の内容物を、迅速かつ高効率に抽出することができる。   Further, as shown in FIG. 4, by making the direction in which the solution flows coincide with the direction of the central axis of the cylindrical electrode 2B (the axis passing through the opening center C of the right opening OR and the left opening OL), It passes through the cylindrical electrode 2B without being interrupted. Therefore, single-cell microorganisms or multi-cellular microorganisms can be killed (sterilized) quickly and efficiently, and the contents in the cells can be extracted quickly and efficiently.

なお、以上の説明では、細胞膜破壊装置20の筒状電極2Bおよび針状電極3Bの寸法や、電極間の距離を、細胞膜破壊装置10の板電極2Aおよび針状電極3Aの寸法と同程度とした。   In the above description, the dimensions of the cylindrical electrode 2B and the needle-like electrode 3B of the cell membrane destruction apparatus 20 and the distance between the electrodes are approximately the same as the dimensions of the plate electrode 2A and the needle-like electrode 3A of the cell membrane destruction apparatus 10. did.

しかしながら、前記寸法は、本実施形態と比較して非常に小さくても良く、サンプル流入路1L、狭窄部1Cおよびサンプル流出路1Rを、マイクロメートルオーダのマイクロ流路とする場合には、前記寸法もマイクロメートルオーダとなり得る。   However, the dimension may be very small as compared with the present embodiment. When the sample inflow path 1L, the constriction 1C, and the sample outflow path 1R are microchannels on the order of micrometers, the dimensions are described. Can be on the order of micrometers.

以上の構成によれば、単細胞微生物や多細胞微生物などを迅速かつ高効率に死滅させ(殺菌し)、細胞内の内容物を、その損傷を抑制しつつ迅速かつ高効率に抽出することができる。また、食品衛生や環境衛生等の検査において、検査対象となる有害菌類の細胞内の内容物を後の検査に影響を与えず、迅速かつ効率的に取り出すことができる。   According to the above configuration, single-cell microorganisms and multi-cellular microorganisms can be quickly and efficiently killed (sterilized), and the contents in the cells can be extracted quickly and efficiently while suppressing damage. . Further, in the inspection of food hygiene, environmental hygiene, etc., the contents in the cells of harmful fungi to be inspected can be taken out quickly and efficiently without affecting the subsequent inspection.

また、通電部6が印加する電圧の振幅を調節することにより、細胞内の内容物の変性を抑えることができる。さらに、細胞膜を破砕する際に薬品等を添加せず処理が可能で、薬品による細胞内の内容物の変性や、薬品による後の検査への影響を抑えることができる。   In addition, by adjusting the amplitude of the voltage applied by the energization unit 6, denaturation of the contents in the cell can be suppressed. Furthermore, when the cell membrane is crushed, the treatment can be performed without adding a chemical or the like, and the contents of the cells can be denatured by the chemical and the influence on the subsequent inspection by the chemical can be suppressed.

〔3.細胞膜破壊装置10の効果試験について〕
次に、図5(a)〜図7(b)に基づき、上述した細胞膜破壊装置10を試作し(以下、単に「実施例」という)効果試験を行った結果について説明する。
[3. Regarding the effect test of the cell membrane destruction apparatus 10]
Next, based on FIG. 5 (a) to FIG. 7 (b), the results of trial manufacture of the above-described cell membrane disruption apparatus 10 (hereinafter simply referred to as “Example”) will be described.

図5(a)は、試作した実施例の構成を示す図である。また、図5(a)に示す実施例では、水槽1の中央付近に生じる局所的な電位差を観測するためのプローブ電極を設置した。次に、上記効果試験の実施手順(1〜4)について説明する。   FIG. 5A is a diagram showing a configuration of the prototype embodiment. 5A, a probe electrode for observing a local potential difference generated near the center of the water tank 1 is installed. Next, the implementation procedure (1 to 4) of the effect test will be described.

(実施手順1:使用プランクトンの調整)
まず、海水1L(またはl:リットル)に植物性プランクトン(以下プランクトン)培養液10ml(10mlに含まれるプランクトン数は、約8.7×10個)入れて入念に撹拌したものを実験に使用した。溶液中の微生物は、アカシオヒゲムシ(Heterosigma akashiwo)<プランクトン>である。
(Procedure 1: Adjustment of plankton used)
First, 10 ml of phytoplankton (hereinafter referred to as plankton) culture solution (1 ml of liter) of seawater (the number of plankton contained in 10 ml is about 8.7 × 10 5 ) and carefully stirred is used for the experiment. did. The microorganism in the solution is Heterosigma akashiwo <plankton>.

(実施手順2:染色液の調整)
プランクトンの観察を容易に行うため、Neutral Red(C15H17ClN4)を染色液として使用した。この染色液の特徴は、生きているプランクトンが赤く染まり、死んだプランクトンは染まらない点にある。Neutral Redはあらかじめ純水に溶かし、1%(重量%)溶液を調製した。
(Procedure 2: Adjustment of staining solution)
Neutral Red (C15H17ClN4) was used as a staining solution for easy observation of plankton. The feature of this stain is that live plankton is dyed red and dead plankton is not dyed. Neutral Red was previously dissolved in pure water to prepare a 1% (weight%) solution.

(実施手順3:過渡電圧の印加処理)
電極は、上述した板電極2Aおよび針状電極3Aを使用した。また、板電極2Aおよび針状電極3A間には、上述した過渡電圧を印加した。水槽1にプランクトンを含む海水を約500ml入れて処理を行った。処理回数は複数回行う。今回は40回処理を行い、その処理に必要な時間は約40秒であった。
(Implementation procedure 3: application of transient voltage)
As the electrode, the plate electrode 2A and the needle electrode 3A described above were used. The transient voltage described above was applied between the plate electrode 2A and the needle electrode 3A. About 500 ml of seawater containing plankton was placed in the aquarium 1 for processing. The processing is performed multiple times. This time, processing was performed 40 times, and the time required for the processing was about 40 seconds.

(実施手順4:プランクトンの染色操作および観察)
染色処理は、プランクトンを含む海水10mlに対し、Neutral Red、1%(重量%)溶液を5μl添加した。また、染色後、3000rpmで10分間、遠心分離し、上澄みを9ml捨てた。
(Procedure 4: Plankton staining operation and observation)
In the staining treatment, 5 μl of Neutral Red, 1% (weight%) solution was added to 10 ml of seawater containing plankton. Further, after staining, the mixture was centrifuged at 3000 rpm for 10 minutes, and 9 ml of the supernatant was discarded.

以上のような染色処理を行った後、プランクトンの観察を顕微鏡で行った。   After the dyeing treatment as described above, the plankton was observed with a microscope.

次に、図5(b)〜図7(b)に基づき、上記効果試験の結果について説明する。   Next, the results of the effect test will be described based on FIGS.

まず、図5(b)は、実施例に関し、プローブ電極間に局所的に生じた電位差の時間的変化を示すグラフである。   First, FIG. 5B is a graph showing the temporal change of the potential difference locally generated between the probe electrodes in the example.

図5(b)に示すように、プローブ電極間は、ステップ関数的に約30Vの電位差が瞬間的に生じ、その後、指数関数的(過渡的)にその電位差が減少している。   As shown in FIG. 5B, a potential difference of about 30 V is instantaneously generated between the probe electrodes as a step function, and thereafter, the potential difference decreases exponentially (transiently).

また、図5(b)では、ステップ関数的に約30Vの電位差が生じてから、9ms(ミリ秒)までの経過が示されている。   Further, FIG. 5B shows a process from a potential difference of about 30 V as a step function to a time of 9 ms (milliseconds).

以上より、約10msの間、1V以上の電位差を局所的に生じさせることが可能であることが分かった。   From the above, it was found that a potential difference of 1 V or more can be locally generated for about 10 ms.

次に、図6は、前記実施例による処理前(実験開始直後)の溶液中のプランクトンの観察結果を示す図である。   Next, FIG. 6 is a figure which shows the observation result of the plankton in the solution before the process by the said Example (immediately after an experiment start).

図6に示すように、実施例による処理前では、プランクトンの形状がはっきりしており、染色液により赤く染まっていることから生きていることがわかる。   As shown in FIG. 6, it can be seen that the plankton shape is clear before the treatment according to the example, and it is alive because it is dyed red by the staining solution.

次に、図7(a)は、前記実施例による処理前(実験開始直後)の溶液中のプランクトンの観察結果を示す図である。   Next, Fig.7 (a) is a figure which shows the observation result of the plankton in the solution before the process by the said Example (just after an experiment start).

図7(a)に示すように、プランクトンの形状はわからなくなっており、プランクトンの残骸状のものが観察された。このことからプランクトンの膜が破壊され、内容物が出ていると考えられる。   As shown in FIG. 7A, the shape of plankton is not known, and a plankton remnant was observed. From this, it is considered that the plankton film was destroyed and the contents appeared.

次に、図7(b)は、対照実験のために別に用意した前記実施例による処理が行われていない溶液中のプランクトン(実験終了後)の観察結果を示す図である。   Next, FIG.7 (b) is a figure which shows the observation result of the plankton (after completion | finish of experiment) in the solution by which the process by the said Example prepared separately for the control experiment was not performed.

図7(b)に示すように、プランクトンの形状がはっきりしており、染色液により赤く染まっていることから、プランクトンが生きていることがわかる。また、細胞膜破壊装置10の処理後のプランクトンと比較すると、図7(a)では、プランクトンが経時変化により膜が壊れたのではないことが分かる。   As shown in FIG. 7B, the shape of plankton is clear and stained red with the staining liquid, so that the plankton is alive. Further, when compared with the plankton after the processing of the cell membrane disrupting apparatus 10, it can be seen in FIG. 7A that the plankton is not broken due to the change with time.

次に、図8に基づき、細胞膜破壊装置10の板電極2Aおよび針状電極(針電極)3A間で、溶液中に電流が実際に流れるか否かについて実験した結果を説明する。   Next, based on FIG. 8, the results of experiments on whether or not current actually flows in the solution between the plate electrode 2A and the needle-like electrode (needle electrode) 3A of the cell membrane destruction apparatus 10 will be described.

図8は、細胞膜破壊装置10で、LED(light emitting diode)の電極の両端を海水の中に沈め、板電極2Aおよび針状電極3A間に50Vの過渡電圧を印加したときの様子を示している。   FIG. 8 shows a state in which both ends of an LED (light emitting diode) electrode are submerged in seawater and a transient voltage of 50 V is applied between the plate electrode 2A and the needle electrode 3A in the cell membrane destruction apparatus 10. Yes.

LEDの電極の向きによって、LEDは一瞬点灯した。なお、以上より、海水中にプラズマ放電や物理的衝撃を生まないほどの電流を流すことができることが分かる。   The LED was lit for a moment depending on the direction of the electrode of the LED. From the above, it can be seen that a current that does not cause plasma discharge or physical shock can be passed through seawater.

〔4.パルス処理の実験結果について〕
ところで、細胞を用いた抗体医薬製造が行われ、細胞から機能を保持したまま、簡便、かつ、効率的に生体分子を抽出する前処理方法が従来から求められている。このような前処理方法としては、界面活性剤の利用、超音波細胞破砕法やパルス電界法などが考えられるが、特にパルス電界法は、時間や印加電圧等の制御できるパラメータが多い。
[4. (Experimental result of pulse processing)
Meanwhile, antibody drug production using cells has been performed, and a pretreatment method for extracting biomolecules simply and efficiently while maintaining the function from the cells has been conventionally demanded. As such a pretreatment method, use of a surfactant, an ultrasonic cell disruption method, a pulse electric field method, and the like are conceivable. In particular, the pulse electric field method has many parameters that can be controlled such as time and applied voltage.

しかしながら、パルス電界法では外部電圧に〜10kV程度(数kV〜数十kV)の高電圧印加がなされ、安全性の確保や高価な装置を必要とする点からも改善の余地がある。   However, in the pulse electric field method, a high voltage of about 10 kV (several kV to several tens kV) is applied to the external voltage, and there is room for improvement in terms of ensuring safety and requiring expensive equipment.

一方、上述したように、大腸菌などの原核細胞において、細胞膜自体に約1Vを越える電圧を印加すると、電気穿孔の修復ができず膜の破壊に至る。   On the other hand, as described above, when a voltage exceeding about 1 V is applied to the cell membrane itself in prokaryotic cells such as Escherichia coli, the electroporation cannot be repaired and the membrane is destroyed.

そこで、本願発明者らは、大腸菌内部からの酵素抽出を目的に、数V程度の極めて低電圧の電圧パルス印加により細胞膜を破砕する本実施形態の前処理方法について実験を行った。また、大腸菌内部に存在するβ-glucuronidaseと5-Bromo-4-chloro-3-indolyl-β-D-glucuronideの活性を利用した高感度な検出手段である発色酵素基質法を用いて、その吸光度から酵素活性を評価し、本実施形態の前処理方法と上記検出法の一連のプロセスの有効性を確認した。   Therefore, the inventors of the present application conducted an experiment on the pretreatment method of this embodiment in which the cell membrane is disrupted by applying a voltage pulse of an extremely low voltage of about several volts for the purpose of enzyme extraction from the inside of E. coli. In addition, using the chromogenic enzyme substrate method which is a highly sensitive detection means utilizing the activities of β-glucuronidase and 5-Bromo-4-chloro-3-indolyl-β-D-glucuronide present in E. coli, its absorbance Then, the enzyme activity was evaluated, and the effectiveness of a series of processes of the pretreatment method of the present embodiment and the detection method was confirmed.

実験では、使用菌株として大腸菌(Escherichia coli : DH5α, 東洋紡)を用い、LB液体培地(Difco: Tryptone 10g/L, Yeast extract 5g/L, NaCl 10g/L)で37℃、12時間以上振とう培養した(TAITEC,BR−40LF)。   In the experiment, Escherichia coli (DH5α, Toyobo) was used as a strain to be used, and shake culture was performed at 37 ° C. for 12 hours or more in an LB liquid medium (Difco: Tryptone 10 g / L, Yeast extract 5 g / L, NaCl 10 g / L). (TAITEC, BR-40LF).

培養液用比色計(WPA,CO8000 Biowave)で培養液のO.D.を測定し、LB液体培地を加えO.D.=0.4±0.05に調整した後、試料溶液とした(約10 cfu/mL)。なお、「O.D.」は、Optical Density(光学濃度または光学密度)の略であり、以降、単にO.D.という。また、「cfu」は、Colony Forming Unit(コロニーフォーミングユニット)の略である。 The culture solution was measured using a culture colorimeter (WPA, CO8000 Biowave). D. , LB liquid medium was added and O.D. D. After adjusting to = 0.4 ± 0.05, a sample solution was obtained (about 10 8 cfu / mL). “OD” is an abbreviation for Optical Density (optical density or optical density). D. That's it. “Cfu” is an abbreviation for Colony Forming Unit.

次にコンデンサ容量3000μF(マイクロ・ファラッド)、信号発生器(NF, 1915)、多出力直流安定化電源(TEXICO, PW36−1.5AD)を用いて、パルス電源を構築し、出力パルスはデジタルオシロスコープ(Tektronix, TDS1001B)で観察した。   Next, a pulse power supply is constructed using a capacitor capacity of 3000 μF (micro farad), a signal generator (NF, 1915), and a multi-output DC stabilized power supply (TEXICO, PW36-1.5AD), and the output pulse is a digital oscilloscope. (Tektronix, TDS1001B).

図9に実験で使用したパルス出力系の概略図(回路図)とパルス形状の一例を示す。処理槽(円筒形、内径20mm)にはタングステン電極を用い、針電極を負、平板電極を正とし、電極間は2mmに固定した。試料溶液を処理槽に4mL分注し、平板電極下に設置したスタラーで攪拌しつつパルス電圧で処理した。   FIG. 9 shows a schematic diagram (circuit diagram) of the pulse output system used in the experiment and an example of the pulse shape. A tungsten electrode was used for the treatment tank (cylindrical, inner diameter 20 mm), the needle electrode was negative, the plate electrode was positive, and the distance between the electrodes was fixed at 2 mm. 4 mL of the sample solution was dispensed into a treatment tank and treated with a pulse voltage while stirring with a stirrer placed under a flat plate electrode.

また、検査試薬の調整のため、5-Bromo-4-chloro-3-indolyl-β-D-glucuronide Cyclohexylammonium Saltを、N,N-dimethylformamide(DMF)溶媒で19.2mMに調整し(共に和光純薬工業)、200mMのNaHPO水溶液と200mMのNaHPO水溶液を3.3:6.7(体積:体積)で混合したリン酸緩衝液を用いて9倍量で希釈し、基質溶液とした。パルス電圧印加後の各サンプルを分注し、基質溶液と1:1で混合した後、37℃、16時間以上酵素反応させ、紫外可視分光光度計(日本分光, V−550)でO.D.の波長分布を計測した。 In addition, to adjust the test reagent, 5-Bromo-4-chloro-3-indolyl-β-D-glucuronide Cyclohexylammonium Salt was adjusted to 19.2 mM with N, N-dimethylformamide (DMF) solvent (both Wako Jun) Yakuhin Kogyo), 200 mM NaH 2 PO 4 aqueous solution and 200 mM Na 2 HPO 4 aqueous solution mixed with 3.3: 6.7 (volume: volume) phosphate buffer solution, diluted 9-fold amount, substrate It was set as the solution. Each sample after application of the pulse voltage was dispensed and mixed 1: 1 with the substrate solution, and then subjected to an enzyme reaction at 37 ° C. for 16 hours or longer, followed by an O.V. spectrophotometer (JASCO, V-550). D. The wavelength distribution of was measured.

従来から、大腸菌や大腸菌群の確認は、簡便・迅速さを目的に、蛍光や発色により判断できる酵素基質法や抗原抗体法が提案されている。特に大腸菌や大腸菌群に特異的に存在する酵素β-glucuronidaseまたはβ-galactosidaseに着目し、5-Bromo-4-chloro-3-indolyl-β-D-glucuronide(X‐gluc)や5-Bromo-4-chloro-3-indolyl-β-D-galactopyranoside(X‐gal)を用いている。   Conventionally, an enzyme substrate method or an antigen-antibody method that can be determined by fluorescence or color development has been proposed for the purpose of confirmation of E. coli and coliforms for the purpose of simplicity and speed. Focusing on β-glucuronidase or β-galactosidase, which is specifically present in E. coli and coliforms, 5-Bromo-4-chloro-3-indolyl-β-D-glucuronide (X-gluc) and 5-Bromo- 4-chloro-3-indolyl-β-D-galactopyranoside (X-gal) is used.

また、菌の濃度が低い場合においても、分光光度計を用いたO.D.から評価できる。本明細書では、低電圧による電圧パルス処理後の、内容物をより効率的に取り出す指針(パルス条件)を得るため、寒天培地上ではなく感度が高い分光光度計を用いて評価した。   In addition, even when the concentration of the bacteria is low, O.D. D. It can be evaluated from. In this specification, in order to obtain a guideline (pulse condition) for more efficiently extracting the contents after voltage pulse treatment with a low voltage, evaluation was performed using a highly sensitive spectrophotometer rather than on an agar medium.

図11に大腸菌培養液とパルス処理後(5Hz,5V,パルス回数1000回)のO.D.を示す。500〜750nmの範囲でO.D.の上昇が、パルス処理の有無に関係なく共に観測されたが、パルス処理を施した際、O.D.より大きく増加する結果が得られた。   FIG. 11 shows the E. coli culture solution and O.D. after pulse treatment (5 Hz, 5 V, 1000 pulses). D. Indicates. In the range of 500 to 750 nm, O.D. D. Increase was observed with or without pulse treatment. D. More greatly increased results were obtained.

次に、パルス形状(周波数と電圧)に対する、波長615nmにおけるO.D.依存性を確認した。図12に、1Hz,5Hz,10Hz各々の周波数で、パルス処理回数を1000回に固定し、1V,5V,10Vの電圧を印加した結果を示す。   Next, for the pulse shape (frequency and voltage), the O.D. D. The dependency was confirmed. FIG. 12 shows the results of applying voltages of 1V, 5V, and 10V while fixing the number of pulse processings to 1000 at each frequency of 1 Hz, 5 Hz, and 10 Hz.

この時、波長615nmに対して波長750nmのO.D.をバックグラウンドとして実測値から補正した(Abs615−Abs750)。   At this time, the O.D. D. Was corrected from the actually measured value as a background (Abs615-Abs750).

5Vと10Vのパルス処理時には、未処理に比べてO.D.の変化が観測されたが、1V時は、パルス処理を行わない場合に比べて有意な差は認められなかった。さらに、5Hzを測定条件として固定し、処理時間に対するO.D.を測定した結果を図13に示す(パルス処理時間500,1000,1500sec)。   Compared with the unprocessed case, the O.D. D. However, a significant difference was not observed at 1 V compared to when no pulse treatment was performed. Furthermore, 5 Hz is fixed as a measurement condition, and O.D. D. The measurement results are shown in FIG. 13 (pulse processing time 500, 1000, 1500 sec).

定性的には処理時間に伴うO.D.の増加がみられ、処理時間が増加するに従ってO.D.が飽和した後、減少する傾向が5Vで観測された。一方、10Vの場合は処理時間(500,1000,1500sec)に関わらず同程度のO.D.を示し、この条件ではパルス処理によるβ-glucuronidaseの検出は困難であった。   Qualitatively, O.D. D. Increase as the processing time increases. D. After saturating, a trend of decreasing was observed at 5V. On the other hand, in the case of 10V, the same O.D. is obtained regardless of the processing time (500, 1000, 1500 sec). D. Under these conditions, it was difficult to detect β-glucuronidase by pulse treatment.

以上より、数V程度の極めて低電圧の電圧パルスによって細胞内に含まれる酵素を高効率に細胞外へ取り出せることが示された。よって、本実施形態の前処理方法(細胞膜破壊装置10および20)によれば、低電圧で、かつ細胞膜破壊の効率が高い細胞膜破壊装置10を提供することが可能となる。例えば、本実施形態のパルス電圧の振幅は、1V以上、100V以下であることが好ましい。   From the above, it was shown that the enzyme contained in the cell can be taken out of the cell with high efficiency by a voltage pulse of a very low voltage of about several volts. Therefore, according to the pretreatment method (cell membrane disruption devices 10 and 20) of the present embodiment, it is possible to provide the cell membrane disruption device 10 having a low voltage and high cell membrane destruction efficiency. For example, the amplitude of the pulse voltage in the present embodiment is preferably 1 V or more and 100 V or less.

なお、本発明は、以下のように表現することもできる。   The present invention can also be expressed as follows.

すなわち、本発明の細胞膜破壊装置は、放電による衝撃を生まない程度の低電圧によるパルス電流を海水中に効率よく広範囲に流しても良い。   That is, the cell membrane destruction apparatus of the present invention may efficiently flow a pulse current with a low voltage that does not generate an impact due to discharge in seawater over a wide range.

これにより、海水中微生物から細胞内の内容物を、その損傷を回避しつつ、効率良く抽出することができる。   Thereby, the intracellular contents can be efficiently extracted from the microorganisms in seawater while avoiding the damage.

また、簡単な構成でも、抽出処理の処理速度が速く、小規模の装置を構成できるので、船舶への搭載も可能な細胞膜破壊装置を提供できる。   Further, since the processing speed of the extraction process is high and a small-scale device can be configured with a simple configuration, a cell membrane disrupting device that can be mounted on a ship can be provided.

また、本発明の細胞膜破壊装置は、放電による衝撃を生まない程度の低電圧によるパルス電流をサンプルに流しても良い。これにより、細胞膜を迅速かつ高効率に破壊できる。   Further, the cell membrane destruction apparatus of the present invention may flow a pulse current to the sample at a low voltage that does not cause an impact due to discharge. Thereby, a cell membrane can be destroyed rapidly and highly efficiently.

また、本発明の細胞膜破壊装置は、パルス電流を細胞膜破砕処理用の流路に流し、流路を流れるサンプルに複数回パルス電流を流しても良い。これにより、サンプル中に含まれる有害細菌類の細胞膜を破壊することができる。   In the cell membrane disruption apparatus of the present invention, a pulse current may be passed through a flow path for cell membrane disruption, and the pulse current may be passed through a sample flowing through the flow path a plurality of times. Thereby, the cell membrane of harmful bacteria contained in the sample can be destroyed.

さらに、以上の構成によれば、食品衛生や環境衛生等の検査において、検査対象となる有害菌類の細胞内の内容物を後の検査に影響を与えず、迅速かつ効率的に取り出す手法を提供することができる。   Furthermore, according to the above configuration, in food hygiene and environmental hygiene inspections, a method for quickly and efficiently extracting the contents of harmful fungi in cells without affecting the subsequent inspection is provided. can do.

また、本発明は、以下のように表現することもできる。   The present invention can also be expressed as follows.

すなわち、本発明の細胞膜破壊装置は、プラズマ放電や物理的衝撃を生まない程度の低電圧によるパルス電流を複数回流しても良い。これにより、効率よく海水中微生物を処理することができる。   That is, the cell membrane destruction apparatus of the present invention may flow a pulse current at a low voltage several times so as not to cause plasma discharge or physical shock. Thereby, the microorganisms in seawater can be processed efficiently.

また、本発明の細胞膜破壊装置は、正電極に比べ、表面積の小さな負電極の構造を持たせても良い。これにより、低電圧であっても広範囲かつ高速に処理できる。   Moreover, the cell membrane destruction apparatus of the present invention may have a negative electrode structure having a smaller surface area than the positive electrode. Thereby, even a low voltage can be processed in a wide range and at a high speed.

以上の構成によれば、処理用の薬剤などを添加することなく微生物処理が可能であり、排水時に二次処理を行う必要がない。また、小規模な装置が見込まれ、配管系に設置することも可能である。   According to the above configuration, microbial treatment is possible without adding a treatment agent or the like, and there is no need to perform secondary treatment during drainage. Moreover, a small apparatus is anticipated and it can also be installed in a piping system.

また、本発明の細胞膜破壊装置は、プラズマ放電や物理的衝撃を生まない程度の低電圧によるパルス電流を複数回流しても良い。これにより、細胞膜を破砕し、高効率に細胞内の内容物を取り出すことができる。   Moreover, the cell membrane destruction apparatus of the present invention may flow a pulse current at a low voltage several times so as not to cause plasma discharge or physical shock. Thereby, the cell membrane can be crushed and the contents in the cell can be taken out with high efficiency.

また、本発明の細胞膜破壊装置は、細胞膜破砕用の流路はパルス電流を流す構造を複数個有しても良い。   In the cell membrane disruption apparatus of the present invention, the cell membrane disruption flow path may have a plurality of structures through which a pulse current flows.

また、本発明の細胞膜破壊装置は、パルス電流が流れる部分は局部的に流路が絞られていても良い。これにより、電気抵抗が大きなサンプルであってもパルス電流を通電させることができる。   In the cell membrane disruption apparatus of the present invention, the flow path may be locally restricted in the portion where the pulse current flows. Thereby, even if it is a sample with large electrical resistance, a pulse current can be energized.

〔付記事項〕
なお、本発明は、上述した実施形態に限定されるものではなく、請求項に示した範囲で種々の変更が可能であり、異なる実施形態にそれぞれ開示された技術的手段を適宜組合せて得られる実施形態についても本発明の技術的範囲に含まれる。
[Additional Notes]
Note that the present invention is not limited to the above-described embodiments, and various modifications are possible within the scope of the claims, and can be obtained by appropriately combining technical means disclosed in different embodiments. Embodiments are also included in the technical scope of the present invention.

本発明は、大腸菌、レジオネラ菌、O‐157、サルモネラ菌などの有害細菌を効率的に死滅させる殺菌装置、細胞内の内容物を効率的に抽出する抽出装置、細胞内の内容物を効率的に抽出すると共に、抽出した内容物の分析を行う分析装置などに広く適用することができる。   The present invention provides a bactericidal device that efficiently kills harmful bacteria such as Escherichia coli, Legionella, O-157, and Salmonella, an extraction device that efficiently extracts intracellular contents, and efficiently removes intracellular contents. It can be widely applied to analyzers that extract and analyze the extracted contents.

1 水槽
1L サンプル流入路(流路)
1R サンプル流出路(流路)
1C 狭窄部(流路)
2A 板電極(陽極)
2B 筒状電極(陽極)
3A、3B 針状電極(陰極)
4L、4R セラミックチューブ
5L、5R 接続配線
6 通電部(通電手段)
7L、7R 接続端子
10 細胞膜破壊装置
20 細胞膜破壊装置
C 開口中心
OL 左開口
OR 右開口(一方の開口)
d1、d2 距離
1 Water tank 1L Sample inlet (flow path)
1R Sample outflow channel
1C Constriction (flow path)
2A Plate electrode (anode)
2B Cylindrical electrode (anode)
3A, 3B Needle-like electrode (cathode)
4L, 4R Ceramic tube 5L, 5R Connection wiring 6 Current-carrying part (energization means)
7L, 7R Connection terminal 10 Cell membrane destruction device 20 Cell membrane destruction device C Opening center OL Left opening OR Right opening (one opening)
d1, d2 distance

Claims (7)

所定の濃度の電解質と、所定の濃度の細胞とを含む溶液中に、互いに対向して配置された、陽極と、前記陽極よりも表面積が小さい針状電極である陰極とを備え、
前記陽極および前記陰極間に存在する溶液中に、前記電解質が電離した電解質イオンの移動による電流を発生させて、前記陽極および前記陰極間を通電状態とする通電手段を備えることを特徴とする細胞膜破壊装置。
In a solution containing an electrolyte having a predetermined concentration and cells having a predetermined concentration, an anode disposed opposite to each other, and a cathode that is a needle-like electrode having a smaller surface area than the anode,
A cell membrane characterized by comprising an energization means for generating an electric current due to movement of electrolyte ions ionized by the electrolyte in a solution existing between the anode and the cathode so as to energize the anode and the cathode. Destruction device.
前記陽極は、筒形状の筒状電極であり、
前記筒状電極の一方の開口は、前記陰極が存在する方向に開放されていることを特徴とする請求項1に記載の細胞膜破壊装置。
The anode is a cylindrical cylindrical electrode,
The cell membrane destruction apparatus according to claim 1, wherein one opening of the cylindrical electrode is opened in a direction in which the cathode exists.
前記陽極は、平板状の板電極であることを特徴とする請求項1に記載の細胞膜破壊装置。   The cell membrane destruction apparatus according to claim 1, wherein the anode is a flat plate electrode. 前記通電手段は、前記陽極および前記陰極間に放電が生じない程度の振幅を有するパルス電圧を少なくとも1回、印加することで、前記電解質イオンの移動による電流を溶液中に発生させることを特徴とする請求項1から3までのいずれか1項に記載の細胞膜破壊装置。   The energizing means generates a current in the solution by moving the electrolyte ions by applying a pulse voltage having an amplitude that does not cause discharge between the anode and the cathode at least once. The cell membrane disruption device according to any one of claims 1 to 3. 電荷を蓄積することが可能なコンデンサを備え、
前記通電手段は、前記コンデンサに蓄えられた電荷を放電させることにより発生する、前記陽極および前記陰極間に放電が生じない程度の大きさで過渡的に減少する過渡電圧を少なくとも1回、印加することで、前記電解質イオンの移動による電流を溶液中に発生させることを特徴とする請求項1から3までのいずれか1項に記載の細胞膜破壊装置。
It has a capacitor that can store charge,
The energization means applies at least once a transient voltage that is generated by discharging the charge stored in the capacitor and transiently decreases with a magnitude that does not cause a discharge between the anode and the cathode. The cell membrane destruction apparatus according to any one of claims 1 to 3, wherein an electric current generated by movement of the electrolyte ions is generated in the solution.
流路幅が局部的に狭くなっている狭窄部を有し、該狭窄部における流路幅が複数の細胞が通過できる程度の幅となっている流路を備え、
前記陽極および前記陰極が、前記狭窄部の近傍において、溶液の流れる方向に沿って、前記流路の内部に並列配置されていることを特徴とする請求項1から5までのいずれか1項に記載の細胞膜破壊装置。
A channel having a narrowed portion where the channel width is locally narrowed, and the channel width in the narrowed portion is such that a plurality of cells can pass through,
The said anode and the said cathode are arrange | positioned in parallel with the inside of the said flow path along the flow direction of a solution in the vicinity of the said constriction part, The any one of Claim 1-5 characterized by the above-mentioned. The cell membrane destruction apparatus as described.
所定の濃度の電解質と、所定の濃度の細胞とを含む溶液中に、互いに対向して配置された、陽極と、陰極とを備え、
前記陽極および前記陰極間に存在する溶液中に、前記電解質が電離した電解質イオンの移動による電流を発生させて、前記陽極および前記陰極間を通電状態とする通電手段を備えることを特徴とする細胞膜破壊装置。
In a solution containing an electrolyte having a predetermined concentration and cells having a predetermined concentration, the anode and the cathode are arranged opposite to each other, and
A cell membrane characterized by comprising an energization means for generating an electric current due to movement of electrolyte ions ionized by the electrolyte in a solution existing between the anode and the cathode so as to energize the anode and the cathode. Destruction device.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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KR101746041B1 (en) 2015-03-30 2017-06-13 이화여자대학교 산학협력단 Novel portable device for cell lysis

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KR101746041B1 (en) 2015-03-30 2017-06-13 이화여자대학교 산학협력단 Novel portable device for cell lysis

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