JP2023024834A - エレクトロポレーション用回路を用いたエレクトロポレーション方法、エレクトロポレーション用回路および直流高電圧電源用回路 - Google Patents

Abstract

【課題】素子にかかる負荷を低減し、素子の故障を防ぐエレクトロポレーション用回路を用いたエレクトロポレーション方法、エレクトロポレーション用回路および直流高電圧電源用回路を提供する。【解決手段】エレクトロポレーション用回路１を用いたエレクトロポレーション方法であって、該エレクトロポレーション用回路は、それぞれが直列に接続される少なくとも２つ以上のコンデンサＣ１～Ｃｍと、複数の時定数変化部２と、スイッチＳ１１～Ｓｍｎと、スイッチに直列に接続される抵抗Ｒ１１～Ｒｍｎと、を含む。【選択図】図１

Description

本出願における開示は、エレクトロポレーション用回路を用いたエレクトロポレーション方法、エレクトロポレーション用回路および直流高電圧電源用回路に関する。

ＤＮＡやＲＮＡ等の核酸分子やタンパク質等の生体物質、薬剤の有効成分となる化合物等を外来物質として標的細胞内に導入する方法が多く開発されている。特に核酸分子を細胞内に導入する遺伝子導入技術は遺伝子工学の基礎技術である。そのため、遺伝子導入技術は、遺伝子組み換え作物、遺伝子治療、ゲノム解析、ゲノム編集技術等の幅広い分野において必要とされている。

遺伝子導入技術の手法としては、生物学的手法、化学的手法、物理的手法に分類することができる。生物学的手法としては、ウイルスを用いた方法等が挙げられる。また、化学的手法としては、リン酸カルシウム法やリポフェクション法等が挙げられる。そして、物理的手法としては、エレクトロポレーション法（電気穿孔法）、パーティクルガン法（遺伝子銃法）、ソノポレーション法（超音波を使用する方法）等が挙げられる。

物理的手法は、生物学的手法および化学的手法に比べて、細胞に対する毒性を考慮する必要がなく、適用細胞の制限がないという利点を有する。特に、特許文献１および特許文献２に開示されるようにエレクトロポレーション法は、物理的手法の中で最も汎用性が高く普及している手法である。エレクトロポレーション法は、細胞に電気パルスを与え、細胞膜に外来物質が通過できる小孔を一過性に作ってＤＮＡ等を取り込ませる方法である。エレクトロポレーション法は、化学的手法と比較して高い導入効率が得られる上、操作が簡便で再現性及び安全性が高く、動物細胞、植物細胞、酵母等の真菌細胞、バクテリア等様々な生物種に対して適用可能な技術である。また、様々な種類の組織の細胞への適用も可能である。

国際公開第２０１６／０１７０４５号 特開平２－０３５０７１号公報

特許文献１には、高電圧で短時間の電気パルスを発生する手段および低電圧でパルス幅の長い電気パルスを発生する手段を有する多段階方式エレクトロポレーター用電気パルス発生器が開示されている。そして、特許文献１に開示された多段階方式エレクトロポレーター用電気パルス発生器は、対象物のインピーダンスの違いに応じて高電圧で短時間の電気パルスを数十～数千ボルトの範囲で調整し、低インピーダンスと高インピーダンス対象の両方の細胞や生物種に対して遺伝子導入を行っている。また、特許文献２には、コンデンサを介して直流電圧パルスを印加する際の時定数を連続的に可変とする電気刺激装置の発明が開示されている。

特許文献１に開示される多段階方式エレクトロポレーター用電気パルス発生器は、高電圧生成回路の下流に、スイッチを介し電気パルスを発生させるための電荷を充電するコンデンサを設けている。そのため、電気パルスを発生させるための電荷をコンデンサに充電する際、高電圧生成回路で生成した高電圧がスイッチに負荷をかけてしまう。また、特許文献１にも開示されているように、エレクトロポレーション用回路は、数千ボルトの高電圧のパルス発生が必要とされる。その際、エレクトロポレーション用回路は、耐電圧の大きいスイッチ等の素子を使用して高電圧用とする必要がある。しかしながら、従来のエレクトロポレーション用回路では、耐電圧の大きい素子を使用していても、何らかの原因によって一部の素子が故障してしまうと、他の素子に負荷がかかってしまい他の素子も故障してしまうという問題がある。

上記問題を解決するために発明者は、鋭意研究の結果、高電圧のパルスを発生するエレクトロポレーション用回路の素子にかかる負荷を低減させることを新たに見出した。

そこで、本出願の開示の目的は、素子にかかる負荷を低減し、素子の故障を防ぐエレクトロポレーション用回路を用いたエレクトロポレーション方法、エレクトロポレーション用回路および直流高電圧電源用回路を提供することにある。本出願における開示のその他の任意付加的な効果は、発明を実施するための形態において明らかにされる。

（１）エレクトロポレーション用回路を用いたエレクトロポレーション方法であって、
サンプルに電気信号を供給するステップを含み、
エレクトロポレーション用回路は、
それぞれが直列に接続される少なくとも２つ以上のコンデンサと、
ｍ行ｎ列（ｍ、ｎは自然数であり、ｍ≧２、ｎ≧１である。）の複数の時定数変化部と、を含み、
ｍ行ｎ列の複数の時定数変化部は、
第１の方向にｍ個の時定数変化部が直列に接続され、
ｎが２以上である場合、第１の方向とは異なる第２の方向で隣り合う時定数変化部に対し並列に接続され、
各時定数変化部は、
スイッチと、
スイッチに直列に接続される抵抗と、を含み、
１つのコンデンサに対し第１の方向における１つの時定数変化部が並列に接続されるように、直列に接続されるコンデンサの間と第１の方向に直列に接続される時定数変化部の間を接続し、
入力回路およびサンプルに接続した際、直列に接続されるコンデンサおよび複数の時定数変化部は、入力回路およびサンプルに対し並列に接続される、
エレクトロポレーション方法。
（２）サンプルに電気信号を供給するステップにおいて、
２つ以上のコンデンサに充電された電荷を同時に放電させるように時定数変化部のスイッチを閉じる、
または、
２つ以上のコンデンサに充電された電荷を順次放電させるように時定数変化部のスイッチを閉じる、
上記（１）に記載のエレクトロポレーション方法。
（３）サンプルに電気信号を供給するステップにおいて、
スイッチの少なくとも１つがＰＷＭ（Ｐｕｌｓｅ Ｗｉｄｔｈ Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ）制御される、
上記（１）または（２）に記載のエレクトロポレーション方法。
（４）エレクトロポレーション用回路は、入力回路を含み、
入力回路と少なくとも２つ以上のコンデンサとによって、直流高電圧生成回路を構成する、
上記（１）～（３）のいずれか１つに記載のエレクトロポレーション方法。
（５）サンプルに電気信号を供給するエレクトロポレーション用回路であって、
エレクトロポレーション用回路は、
それぞれが直列に接続される少なくとも２つ以上のコンデンサと、
ｍ行ｎ列（ｍ、ｎは自然数であり、ｍ≧２、ｎ≧１である。）の複数の時定数変化部と、を含み、
ｍ行ｎ列の複数の時定数変化部は、
第１の方向にｍ個の時定数変化部が直列に接続され、
ｎが２以上である場合、第１の方向とは異なる第２の方向で隣り合う時定数変化部に対し並列に接続され、
各時定数変化部は、
スイッチと、
スイッチに直列に接続される抵抗と、を含み、
１つのコンデンサに対し第１の方向における１つの時定数変化部が並列に接続されるように、直列に接続されるコンデンサの間と第１の方向に直列に接続される時定数変化部の間を接続し、
入力回路およびサンプルに接続した際、直列に接続されるコンデンサおよび複数の時定数変化部は、入力回路およびサンプルに対し並列に接続される、
エレクトロポレーション用回路。
（６）スイッチの少なくとも１つをＰＷＭ制御する制御部を含む、
上記（５）に記載のエレクトロポレーション用回路。
（７）入力回路を含み、
入力回路と少なくとも２つ以上のコンデンサとによって、直流高電圧生成回路を構成する、
上記（５）または（６）に記載のエレクトロポレーション用回路。
（８）電気信号を出力する直流高電圧電源用回路であって、
直流高電圧電源用回路は、
それぞれが直列に接続される少なくとも２つ以上のコンデンサと、
ｍ行ｎ列（ｍ、ｎは自然数であり、ｍ≧２、ｎ≧１である。）の複数の時定数変化部と、を含み、
ｍ行ｎ列の複数の時定数変化部は、
第１の方向にｍ個の時定数変化部が直列に接続され、
ｎが２以上である場合、第１の方向とは異なる第２の方向で隣り合う時定数変化部に対し並列に接続され、
各時定数変化部は、
スイッチと、
スイッチに直列に接続される抵抗と、を含み、
１つのコンデンサに対し第１の方向における１つの時定数変化部が並列に接続されるように、直列に接続されるコンデンサの間と第１の方向に直列に接続される時定数変化部の間を接続し、
入力回路およびサンプルに接続した際、直列に接続されるコンデンサおよび複数の時定数変化部は、入力回路およびサンプルに対し並列に接続される、
直流高電圧電源用回路。
（９）スイッチの少なくとも１つをＰＷＭ制御する制御部を含む、
上記（８）に記載の直流高電圧電源用回路。
（１０）入力回路を含み、
入力回路と少なくとも２つ以上のコンデンサとによって、直流高電圧生成回路を構成する、
上記（８）または（９）に記載の直流高電圧電源用回路。

高電圧による素子への負荷を低減でき、高電圧によって生じる素子の故障を抑制できる。

ｍ行ｎ列の時定数変化部２を具備する第１の実施形態に係るエレクトロポレーション用回路１Ａの一例を示す図。 ２行１列の時定数変化部２を具備する第１の実施形態に係るエレクトロポレーション用回路１Ｂの一例を示す図。 ２行２列の時定数変化部２を具備する第１の実施形態に係るエレクトロポレーション用回路１Ｃの一例を示す図。 ２行１列の時定数変化部２を具備する第２の実施形態に係るエレクトロポレーション用回路１Ｄの一例を示す図。図４Ａは、制御部４によって複数のスイッチをＰＷＭ制御する例を示す図。図４Ｂは、制御部４によって１つのスイッチをＰＷＭ制御する例を示す図。 ２行１列の時定数変化部２を具備する第３の実施形態に係るエレクトロポレーション用回路１Ｅの一例を示す図。

以下、図面を参照しつつ、エレクトロポレーション用回路を用いたエレクトロポレーション方法、エレクトロポレーション用回路および直流高電圧電源用回路について詳しく説明する。なお、本明細書において、同種の機能を有する部材には、同一または類似の符号が付されている。そして、同一または類似の符号の付された部材について、繰り返しとなる説明が省略される場合がある。

（エレクトロポレーション用回路の第１の実施形態）
図１～３を参照して、第１の実施形態に係るエレクトロポレーション用回路１について説明する。図１は、ｍ行ｎ列（ｍ、ｎは自然数であり、ｍ≧２、ｎ≧１である。）の時定数変化部２を具備する第１の実施形態に係るエレクトロポレーション用回路１Ａの一例を示す図である。図２は、２行１列の時定数変化部２を具備する第１の実施形態に係るエレクトロポレーション用回路１Ｂの一例を示す図である。図３は、２行２列の時定数変化部２を具備する第１の実施形態に係るエレクトロポレーション用回路１Ｃの一例を示す図である。

第１の実施形態に係るエレクトロポレーション用回路１Ａは、エレクトロポレーション用回路１Ａに接続されたサンプルに電気信号を供給する。第１の実施形態に係るエレクトロポレーション用回路１Ａは、図１に示すように直列に接続されるｍ個のコンデンサＣ１～Ｃｍと、ｍ行ｎ列（ｍ、ｎは自然数であり、ｍ≧２、ｎ≧１である。）の複数の時定数変化部２と、を少なくとも具備する。そして、第１の実施形態に係るエレクロトポレーション用回路１Ａに入力としての入力回路３と、出力としての電気信号を供給するサンプルを接続した際、直列に接続されるコンデンサＣ１～Ｃｍおよび複数の時定数変化部２は、入力回路３およびサンプルに対し並列に接続される。なお、図１に示す抵抗Ｒａは、エレクトロポレーション用回路１Ａにサンプルが接続された際のサンプルの抵抗を表し、以下においてサンプル抵抗Ｒａと記載することもある。そして、本明細書において、サンプル抵抗Ｒａに電気信号を供給することは、サンプルに電気信号を供給することと同じ意味をもつ。また、第１の実施形態に係るエレクトロポレーション用回路１は、任意付加的に入力回路３、出力スイッチＳaを具備する。

直列に接続されるｍ個のコンデンサＣ１～Ｃｍは、図１に示すように入力回路３およびサンプル抵抗Ｒａに対し並列に接続される。コンデンサＣ１～Ｃｍは、入力回路３により充電される。そして、コンデンサＣ１～Ｃｍに充電された電荷が放電されることでサンプル抵抗Ｒａに電気信号が供給される。コンデンサＣ１～Ｃｍの容量は、サンプル抵抗Ｒａにどれだけの電気信号を供給するかに応じて適宜決定すればよい。また、コンデンサＣ１～Ｃｍの容量は、同じであってもよく、異なってもよい。なお、コンデンサＣ１～Ｃｍの容量が異なる場合には、後述する時定数τが所望な値となるように時定数変化部２が具備する抵抗の値を適宜調整してもよい。

ｍ行ｎ列（ｍ、ｎは自然数であり、ｍ≧２、ｎ≧１である。）の複数の時定数変化部２は、図１に示すように入力回路３およびサンプル抵抗Ｒａに対し並列に接続される。複数の時定数変化部２は、第１の方向にｍ個の時定数変化部２が直列に接続され、ｎが２以上である場合には、第１の方向とは異なる第２の方向で隣り合う時定数変化部２に対し並列に接続される。なお、本明細書において、行が増減する方向を第１の方向、列が増減する方向を第２の方向とする。そして、時定数変化部２それぞれは、直列に接続されたスイッチと抵抗を具備する。具体的には、図１に示す破線で囲まれた箇所が、時定数変化部２である。そして、１行１列目の時定数変化部２は直列に接続されたスイッチＳ１１と抵抗Ｒ１１を具備し、ｍ行ｎ列目の時定数変化部は直列に接続されたスイッチＳｍｎと抵抗Ｒｍｎを具備する。なお、複数の時定数変化部２は、第１の方向に少なくとも２つ以上具備していればよく、その数は特に制限はない。例えば、ｍ行ｎ列の複数の時定数変化部２は、図２に示すように２行１列でもよく、図３に示すように２行２列でもよい。

時定数変化部２は、サンプル抵抗Ｒａに供給される電気信号を制御する。具体的には、時定数変化部２が具備するスイッチを開閉させることで行われる。時定数変化部２は、スイッチと抵抗が直列に接続されている。そのため、スイッチの開閉によりエレクトロポレーション用回路１における電流が通過する抵抗の値が変化する。ところで、サンプル抵抗Ｒａへ供給される電気信号は、指数関数的に減衰するパルス、時間経過とともに減衰する方形波等が挙げられる。例えば、サンプル抵抗Ｒａへ供給される電気信号が指数関数的に減衰するパルスの場合、当該パルスの時定数τは、τ＝ＣＲと規定される。このとき、Ｃはエレクトロポレーション用回路１におけるコンデンサの容量、Ｒはサンプル抵抗Ｒａを含むエレクトロポレーション用回路１における抵抗の値である。したがって、時定数変化部２が具備するスイッチを開閉することにより、エレクトロポレーション用回路１における抵抗の値が変化し時定数τが変化する。よって、時定数τを変化させることで指数関数的に減衰するパルスの減衰を制御できる。そして、エレクトロポレーション用回路１において、具備する時定数変化部２の数が多くなれば、抵抗の組み合わせが増えるので、時定数τを制御できる範囲を増やせる。なお、時定数τの値は時定数変化部２が具備する抵抗の値で変わるため、抵抗Ｒ１１～Ｒｍｎそれぞれの値は時定数τの値が所望の値となるように適宜決定すればよい。また、抵抗Ｒ１１～Ｒｍｎは、同じ抵抗の値であってもよく、異なる抵抗の値であってもよい。異なる抵抗の値とする場合、制限するものではないが、例えば、各列に重みづけを行ってもよい。重みづけは、１列目の抵抗Ｒ１１～Ｒｍ１の値をＲ［Ω］とし、２列目の抵抗Ｒ１２～Ｒｍ２の値を２Ｒ［Ω］、ｎ列目の抵抗Ｒ１ｎ～Ｒｍｎの値をｎＲ［Ω］としてもよい。そうすると、２～ｎ列目の１～ｍ行目の各抵抗は１列目の１～ｍ行目の各抵抗に対し並列に接続されているため、１列目に対し、２列目の重みは１／２、ｎ列目の重みは１／ｎとなり各列に重みづけをすることもできる。なお、重みづけは各列において任意であり、例えば、２列目を１／２、３列目を１／４、４列目を１／８、・・・としてもよく、重みをどの程度とするかは当業者が適宜決定すればよい。重みづけすることにより、時定数変化部２の数を増やすだけではなく、さらに時定数τを制御できる範囲を増やせる。

第１の実施形態に係るエレクトロポレーション用回路１Ａは、コンデンサＣ１～Ｃｍのそれぞれに対し第１の方向の１つの時定数変化部２が並列に接続されるように、直列に接続されるコンデンサの間と第１の方向に直列に接続される時定数変化部２の間を接続する。例えば、図１に示す例では、第１行目の時定数変化部２が、コンデンサＣ１に対し並列に接続されるように、コンデンサＣ１とコンデンサＣ２の間と、Ｒ１１とＳ２１の間、Ｒ１２とＳ２２の間、・・・Ｒ１ｎとＳ２ｎの間が接続される。同様に第２行目、第３行目、・・・第ｍ行目の時定数変化部２がコンデンサＣ２～Ｃｍに対し並列に接続される。また、図２に示す２行１列の時定数変化部２を具備するエレクロトポレーション用回路１Ｂでは、コンデンサＣ１とコンデンサＣ２の間とＲ１１とＳ２１の間を接続する。したがって、コンデンサＣ１に対し１行１列目の時定数変化部２が並列に接続され、コンデンサＣ２に対し２行１列目の時定数変化部２が並列に接続される。さらに、図３に示す２行２列の時定数変化部２を具備するエレクトロポレーション用回路では、コンデンサＣ１とコンデンサＣ２の間とＲ１１とＳ２１の間およびＲ１２とＳ２２の間を接続する。したがって、コンデンサＣ１に対し１行１列目および１行２列目の時定数変化部２が並列に接続され、コンデンサＣ２に対し２行１列目および２行２列目の時定数変化部２が並列に接続される。なお、図１～３に示す例では、１つのコンデンサに対し１つの行の時定数変化部２が並列に接続されているが、複数のコンデンサに対し第１の方向における１つの時定数変化部２が並列に接続されてもよい。さらに、１つのコンデンサに対し第１の方向における複数の時定数変化部２が並列に接続されてもよい。

図１に示すように接続することで、エレクトロポレーション用回路１Ａでは、ｍ個のコンデンサＣ１～Ｃｍに充電された電荷が、並列に接続された時定数変化部２のそれぞれに分割される。また、図２、３に示すエレクトロポレーション用回路１Ｂ、１Ｃも同様であり、２つのコンデンサＣ１、Ｃ２に充電された電荷が、１行目の時定数変化部２、２行目の時定数変化部２に分割される。したがって、サンプル抵抗Ｒａに供給される電気信号が分割され、複数の時定数変化部２への負荷が低減される。よって、エレクトロポレーション用回路１の各素子が高電圧によって故障することを抑制できる。また、直列に接続されるコンデンサの間と行方向に直列に接続される時定数変化部２の間の接続が増えるほど、コンデンサに充電された電荷は分割されることとなり、時定数変化部２への負荷が低減される。

出力スイッチＳａは、第１の実施形態に係るエレクトロポレーション用回路１において任意付加的な構成である。図１に示す例では、出力スイッチＳａは、ｍ個のコンデンサＣ１～Ｃｍに対し、入力回路３からの充電と、サンプル抵抗Ｒａへの電気信号の供給するための放電を切り替える。そのため、出力スイッチＳａは、コンデンサＣ１～Ｃｍ、時定数変化部２の下流に配置されることとなり、大電流による出力スイッチＳａへの負荷も低減される。

入力回路３は、第１の実施形態に係るエレクトロポレーション用回路１Ａにおいて任意付加的な構成である。入力回路３は、コンデンサＣ１～Ｃｍと接続されて、コンデンサＣ１～Ｃｍに電荷を充電できればよく、特に制限はない。入力回路３としては、例えば、定電力源等の電力供給装置といった直流高電圧生成回路が挙げられる。また、入力回路３は、入力回路３のみで直流高電圧生成回路を構成してもよいが、入力回路３とエレクトロポレーション用回路１ＡのコンデンサＣ１～Ｃｍとによって直流高電圧生成回路を構成してもよい。

（エレクトロポレーション用回路を用いたエレクトロポレーション方法の第１の実施形態）
エレクトロポレーション用回路を用いたエレクトロポレーション方法の第１の実施形態について説明する。なお、以下において「エレクトロポレーション用回路を用いたエレクトロポレーション方法」を「エレクトロポレーション方法」と記載することがある。

第１の実施形態に係るエレクトロポレーション方法は、サンプルに電気信号を供給するステップを具備する。

サンプルに電気信号を供給するステップは、エレクトロポレーション用回路１のコンデンサに充電された電荷を放電させて、サンプル抵抗Ｒａに電気信号を供給する。図１～３に示す例では、充電されたコンデンサからの電荷の放電は、出力スイッチＳａを閉じる（入れる）ことで行われる。エレクトロポレーション用回路１は、図１～３に示すように複数のコンデンサを具備している。そのため、サンプル抵抗Ｒａへの電気信号の供給は、複数のコンデンサに充電されたすべての電荷を放電させることが好ましい。

時定数変化部２を制御して、サンプル抵抗Ｒａに電気信号を供給する際、複数のコンデンサに充電された電荷をどのよう放電するかは、特に制限はない。例えば、複数のコンデンサに充電された電荷を同時に放電してもよいし、コンデンサに充電された電荷を順次放電させて、最終的に各コンデンサに充電された電荷を放電してもよい。

複数のコンデンサに充電された電荷を同時に放電させる場合には、各コンデンサに対して並列な各行の時定数変化部２のスイッチを同時に閉じ（入れ）ればよい。例えば、図１に示すエレクロトポレーション用回路１Ａで複数のコンデンサＣ１～Ｃｍに充電された電荷を同時に放電するには、（１）時定数変化部２においてすべてのスイッチを閉じる、または（２）１～ｍ各行の時定数変化部２において、１～ｎ列の少なくともいずれか１つのスイッチを同時に閉じればよい。また、図２に示すエレクトロポレーション用回路１Ｂで複数のコンデンサに充電された電荷を同時に放電するには、スイッチＳ１１とスイッチＳ２１を同時に閉じればよい。図３に示すエレクトロポレーション用回路１Ｃで複数のコンデンサに充電された電荷を同時に放電するには、時定数変化部２における４つのスイッチを閉じる、またはスイッチＳ１１もしくはスイッチＳ１２とスイッチＳ２１もしくはＳ２２を同時に閉じればよい。

複数のコンデンサに充電された電荷を順次放電させる場合には、時定数変化部２が具備するスイッチを周期的に閉じ（入れ）ればよい。例えば、２周期で順次放電させる場合には、放電させるコンデンサに対し並列な時定数変化部２のスイッチを閉じ、放電させないコンデンサに対し並列な時定数変化部２のスイッチを開ける（切る）（１周期目）。その後、放電させなかったコンデンサに対し並列な時定数変化部２のスイッチを閉じる（２周期目）。なお、２周期目において、１周期目に閉じたスイッチは、開けてもよく、閉じていてもよい。上記では放電させる周期が２周期の場合を説明したが、所望の周期でコンデンサからの放電を順次行ってもよい。例えば、図１に示すエレクロトポレーション用回路１Ａにおいて、ｍ個のコンデンサＣ１～Ｃｍのうち半分を順次放電させる場合には２周期となり、ｍ個のコンデンサＣ１～Ｃｍのそれぞれを順次放電させる場合にはｍ周期となる。図２、３に示すエレクロトポレーション用回路１Ｂ、１Ｃは、具備するコンデンサが２つなので、順次放電させるときは２周期となる。図２に示すエレクロトポレーション用回路１Ｂでは、例えば、Ｃ１、Ｃ２と順次放電させる場合、１周期目にスイッチＳ１１を閉じ、コンデンサＣ１を放電させる。そして、２周期目にスイッチＳ２１を閉じ、コンデンサＣ２を放電させる。図３に示すエレクロトポレーション用回路１Ｃでは、例えば、Ｃ１、Ｃ２と順次放電させる場合、１周期目にスイッチＳ１１および／またはスイッチＳ１２を閉じ、コンデンサＣ１を放電させる。そして、２周期目にスイッチＳ２１および／またはＳ２２を閉じ、コンデンサＣ２を放電させる。なお、図２、３において、コンデンサＣ２、コンデンサＣ１と順次放電させる場合には、上記と逆の順番で行えばよい。

第１の実施形態に係るエレクトロポレーション用回路およびエレクトロポレーション方法は、以下の効果を奏する。
（１）サンプル抵抗Ｒａに供給される電気信号が分割され、複数の時定数変化部２への負荷が低減される。したがって、エレクトロポレーション用回路１の各素子が高電圧によって故障することを抑制できる。また、負荷が低減されるので、耐電圧の低い低電圧回路に用いられるスイッチを用いることができる。さらに、エレクトロポレーション用回路１を用いることで出力スイッチＳａへの負荷を低減できる。
（２）複数の時定数変化部２を具備するため、電流を通過させる抵抗の組み合わせが多く、サンプル抵抗Ｒａに供給される電気信号の時定数τを制御できる範囲を増やせる。
（３）時定数変化部２がスイッチと抵抗を具備しているので、出力スイッチＳａを閉じることなく、コンデンサＣ１～Ｃｍに充電された電荷を放電できる。したがって、例えば、コンデンサＣ１～Ｃｍに電荷量を間違って充電させてしまった場合、サンプル抵抗Ｒａに電気信号を供給せずにコンデンサＣ１～Ｃｍに充電された電荷を安全に放電できる。

（エレクトロポレーション用回路の第２の実施形態）
図４を参照して、第２の実施形態に係るエレクトロポレーション用回路１Ｄについて説明する。図４は、２行１列の時定数変化部２を具備する第２の実施形態に係るエレクトロポレーション用回路１Ｄの一例を示す図である。図４Ａは、制御部４によって複数のスイッチをＰＷＭ制御する例を示す図である。図４Ｂは、制御部４によって１つのスイッチをＰＷＭ制御する例を示す図である。

第２の実施形態に係るエレクトロポレーション用回路１Ｄは、時定数変化部２が具備するスイッチの少なくとも１つをＰＷＭ（Ｐｕｌｓｅ Ｗｉｄｔｈ Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ）制御する制御部４を具備する点で第１の実施形態に係るエレクトロポレーション用回路１Ｂと異なり、その他の点はエレクトロポレーション用回路１Ｂと同じである。したがって、第２の実施形態に係るエレクトロポレーション用回路１Ｄでは、第１の実施形態と異なる点を中心に説明し、第１の実施形態において説明済みの事項についての繰り返しとなる説明は省略する。よって、第２の実施形態において明示的に説明されなかったとしても、第１の実施形態で説明済みの事項を採用可能であることは言うまでもない。

制御部４は、時定数変化部２が具備するスイッチをＰＷＭ制御する。ＰＷＭ制御はスイッチの開閉を繰り返すことで出力を制御する。そしてＰＷＭ制御は、スイッチの開閉を行う周期におけるスイッチを閉めた時間の割合であるデューティ比を変えることにより出力を制御できる。

抵抗の値Ｒ［Ω］の抵抗を具備する任意の時定数変化部２のスイッチをＰＷＭ制御した例について説明する。ＰＷＭ制御によってスイッチの開閉が行われる。そうすることで、時定数変化部２の抵抗は、実際の抵抗の値Ｒ［Ω］としてではなく見かけ上の抵抗の値として扱われる。デューティ比１００％とした場合は、スイッチが常に閉じた状態であり、時定数変化部２における見かけ上の抵抗の値は実際の抵抗の値と同じＲ［Ω］となる。また、デューティ比が５０％とした場合では、ある周期において５０％の割合でスイッチが閉じた状態となるため、時定数変化部２のおける見かけ上の抵抗の値は２×Ｒ［Ω］となる。さらに、デューティ比を１０％とした場合は、ある周期において１０％の割合でスイッチが閉じた状態となるため、時定数変化部２のおける見かけ上の抵抗の値は１０×Ｒ［Ω］となる。したがって、時定数変化部２のスイッチをＰＷＭ制御することで、時定数変化部２の抵抗の値をデューティ比に応じて変えることができる。また、ＰＷＭ制御を行わないと、時定数変化部２が具備するスイッチは単に開閉のみで、抵抗の値の変化は、離散的に変化する。しかしながら、ＰＷＭ制御が行われると、抵抗の値は、デューティ比に応じ連続的に変化する。したがって、サンプル抵抗Ｒａに供給される電気信号の時定数τを精緻に制御できる。

制御部４によるＰＷＭ制御が行われる時定数変化部２が具備するスイッチは、どのスイッチでもよく特に制限はない。例えば、図４Ａに示すように複数のスイッチを制御してもよく、図４Ｂに示すようにいずれか１つのスイッチを制御してもよい。

（エレクトロポレーション用回路を用いたエレクトロポレーション方法の第２の実施形態）
エレクトロポレーション方法の第２の実施形態について説明する。第２の実施形態に係るエレクトロポレーション方法は、サンプル抵抗Ｒａに電気信号を供給するステップにおいて、時定数変化部２が具備するスイッチの少なくとも１つがＰＷＭ制御される点で第１の実施形態に係るエレクトロポレーション方法と異なり、その他の点は同じである。したがって、第２の実施形態に係るエレクトロポレーション方法では、第１の実施形態と異なる点を中心に説明し、第１の実施形態において説明済みの事項についての繰り返しとなる説明は省略する。よって、第２の実施形態において明示的に説明されなかったとしても、第１の実施形態で説明済みの事項を採用可能であることは言うまでもない。

第２の実施形態に係るエレクトロポレーション方法は、サンプルに電気信号を供給するステップにおいて、時定数変化部２が具備するスイッチの少なくとも１つがＰＷＭ制御される。上記したようにスイッチがＰＷＭ制御されることで、抵抗の値を連続的に変化できるので、サンプル抵抗Ｒａに供給される電気信号の時定数τを精緻に制御できる。

上記したように、エレクトロポレーション用回路１Ｄにおいて、ＰＷＭ制御されるスイッチは、どのスイッチでもよく、特に制限はない。例えば、図４Ａに示すようにスイッチＳ１１、Ｓ２１が同時にＰＷＭ制御された場合、コンデンサＣ１およびコンデンサＣ２の電荷が均等に放電され、サンプル抵抗Ｒａに電気信号が供給される。一方で、図４Ｂに示すように、１つのスイッチＳ２１のみがＰＷＭ制御された場合には、コンデンサＣ２の電荷は、ＰＷＭ制御によって放電されるものの、コンデンサＣ１の電荷はＰＷＭ制御していないため、電荷の放電量に違いが生じてしまう。したがって、ＰＷＭ制御によって生じた電荷の放電量の違いを小さくするために、スイッチＳ２１からスイッチＳ１１にＰＷＭ制御を切り替えることが好ましい。なお、図４Ｂの場合には、スイッチＳ２１のＰＷＭ制御による抵抗Ｒ２１の見かけ上の抵抗の値の変化に加え、ＰＷＭ制御されていないスイッチＳ１１の開閉による抵抗Ｒ１１の接続を選択できる。したがって、抵抗Ｒ２１の見かけ上の抵抗の値の変化と抵抗Ｒ１１の接続の有無により、サンプル抵抗Ｒａに供給される電気信号の時定数τを制御できる範囲を増やせるという効果を有する。

上記では、ＰＷＭ制御についての説明を単純化するために、２行１列の時定数変化部２を具備したエレクトロポレーション用回路１Ｄで説明した。しかしながら、時定数変化部２の数が異なるエレクトロポレーション用回路１Ａ、１Ｃについても同様に制御部４を具備し、スイッチのＰＷＭ制御できることは明らかである。

エレクトロポレーション用回路１Ａ、１Ｃのように複数列の時定数変化部２を有した場合には、時定数変化部２が具備するスイッチの少なくとも１つがＰＷＭ制御されることに加え、列ごとに時定数変化部２が具備する抵抗の値を変えて重みづけしてもよい。各列の時定数変化部２の重みづけとＰＷＭ制御をすることで、重みづけされた抵抗の値の組み合わせとＰＷＭ制御によって、エレクトロポレーション用回路１は、サンプル抵抗Ｒａに供給される電気信号の時定数τを制御できる範囲を増やしかつ精緻に制御できる。なお、その場合、ＰＷＭ制御は、重みづけが最も低い時定数変化部２のスイッチ、換言すると最も抵抗の値が大きい時定数変化部２のスイッチで行うことが好ましい。重みづけが低いのでデューティ比の変化による見かけ上の抵抗の値の変化量が小さくでき、時定数τを精緻に制御できる。

第２の実施形態に係るエレクトロポレーション用回路１Ｄおよびエレクトロポレーション方法は、第１の実施形態に係るエレクトロポレーション用回路１Ａ～１Ｃおよびエレクトロポレーション方法が奏する効果に加え、以下の効果を相乗的に奏する。
（１）時定数変化部２が具備するスイッチをＰＷＭ制御することで、デューティ比により見かけ上の抵抗の値を連続的に変えられる。したがって、サンプル抵抗Ｒａに供給される電気信号の時定数τを精緻に制御できる。
（２）各コンデンサに対し並列に接続された複数の時定数変化部２が具備するスイッチを同時にＰＷＭ制御した場合、各コンデンサに充電された電荷を均等に放電できる。
（３）各コンデンサに対し並列に接続された複数の時定数変化部２が具備するスイッチのいずれか１つをＰＷＭ制御した場合、ＰＷＭ制御が行われる時定数変化部２の見かけ上の抵抗の値の変化に加え、ＰＷＭ制御していない時定数変化部２での抵抗の接続を選択できる。したがって、サンプル抵抗Ｒａに供給される電気信号の時定数τを制御できる範囲を増やせる。

（エレクトロポレーション用回路およびエレクトロポレーション用回路を用いたエレクトロポレーション方法の第３の実施形態）
図５を参照して、第３の実施形態に係るエレクトロポレーション用回路１Ｅおよび第３の実施形態に係るエレクトロポレーション方法について説明する。図５は、２行１列の時定数変化部２を具備する第３の実施形態に係るエレクトロポレーション用回路１Ｅの一例を示す図である。

第３の実施形態に係るエレクトロポレーション用回路１Ｅは、入力回路３を具備し、入力回路３とそれぞれが直列に接続される少なくとも２つ以上のコンデンサによって直流高電圧生成回路５を構成する点で第２の実施形態に係るエレクトロポレーション用回路１Ｄと異なり、その他の点はエレクトロポレーション用回路１Ｄと同じである。したがって、第３の実施形態に係るエレクトロポレーション用回路１Ｅでおよびエレクトロポレーション方法は、上記の実施形態と異なる点を中心に説明し、上記の実施形態において説明済みの事項についての繰り返しとなる説明は省略する。よって、第３の実施形態において明示的に説明されなかったとしても、上記の実施形態で説明済みの事項を採用可能であることは言うまでもない。

図５に示すエレクトロポレーション用回路１Ｅは、１２個のコンデンサＣ１～Ｃ１２と、２行１列の時定数変化部２と、制御部４と、入力回路３とを具備する。そして、時定数変化部２が具備するスイッチＳ１１、Ｓ２１は制御部４によりＰＷＭ制御される。また、エレクトロポレーション用回路１Ｅは、コンデンサＣ６とコンデンサＣ７の間と、２つの時定数変化部２の間が接続される。したがって、コンデンサＣ１～Ｃ６に対して１行１列目の時定数変化部２が並列に接続され、コンデンサＣ７～Ｃ１２に対して２行１列目の時定数変化部２が並列に接続される。

エレクトロポレーション用回路１Ｅは、入力回路３を具備する。図５に示す入力回路３は、一点鎖線で囲まれた部分である。図５に示す入力回路３は、それ自体では高電圧を生成するものではない。しかしながら、入力回路３は、サンプル抵抗Ｓａに供給される電気信号の充電に用いられるコンデンサＣ１～Ｃ１２に接続され、入力回路３とコンデンサＣ１～Ｃ１２によって直流高電圧生成回路５を構成する。

エレクトロポレーション用回路１Ｅにおいて、２つの時定数変化部２が具備するスイッチＳ１１またはスイッチＳ２１をＰＷＭ制御した場合、上記したようにコンデンサＣ１～６の電荷の放電量とコンデンサＣ７～Ｃ１２の電荷の放電量に違いが生じる。そのような場合、コンデンサＣ１～Ｃ６とコンデンサＣ７～Ｃ１２の電荷の放電量の違いを小さくするようにＰＷＭ制御するスイッチを周期的に切り替える。しかしながら、ＰＷＭ制御におけるデューティ比の変更やＰＷＭ制御の切り替えるタイミングが異なってしまうと、ＰＷＭ制御するスイッチを周期的に切り替えてもコンデンサの電荷の放電量の違いが生じてしまうこともある。そして、コンデンサＣ１～Ｃ６とコンデンサＣ７～Ｃ１２の電荷の放電量に違いが生じたところに充電をおこなうと、コンデンサＣ１～Ｃ１２に充電される電荷量に差が生じ、充電される電荷量によってはサンプル抵抗Ｒａに必要な電荷量が不足するおそれもある。

そこで、図５に示すように、サンプル抵抗Ｒａに供給される電気信号が充電されるコンデンサＣ１～Ｃ１２は、入力回路３と接続されて直流高電圧生成回路５を構成する。そうすることで、所定の周波数で入力回路３に電圧が印加されると、入力回路３のコンデンサとコンデンサＣ１～Ｃ１２との間で、充電と放電が繰り返されながらコンデンサＣ１～Ｃ１２に電荷が充電される。そして、充電と放電が繰り返されながら電荷が充電されることで、最終的にコンデンサＣ１～Ｃ１２それぞれの充電される電荷量を同じにできる。したがって、電荷の放電量に違いが生じてもコンデンサＣ１～Ｃ１２を充電した際にその差を解消できる。

また、第３の実施形態に係るエレクトロポレーション用回路のサンプル抵抗Ｒａに供給される電気信号の充放電に用いられるコンデンサは、直流高電圧生成回路５を兼ねている。しかしながら、当該コンデンサのサンプル抵抗Ｒａに電気信号を供給するための電荷の放電と、直流高電圧生成による電荷の充電は、異なる過程で行われる。したがって、コンデンサへの放電の回路と充電の回路は別の回路としてみることができる。よって、コンデンサと時定数変化部２との接続および／またはコンデンサと入力回路３との接続は、コンデンサの数、時定数変化部２の数、および／または入力回路３の回路構成に応じて、適宜設計すればよい。

上記では、２行１列の時定数変化部２を具備したエレクトロポレーション用回路１Ｅで説明した。しかしながら、図１、３に示すエレクトロポレーション用回路１Ａ、１Ｃのように時定数変化部２の数が異なる場合においても、サンプル抵抗Ｒａに電気信号を供給するコンデンサを直流高電圧生成に利用できることは明らかである。

第３の実施形態に係るエレクトロポレーション用回路１Ｅおよびエレクトロポレーション方法は、上記の実施形態に係るエレクトロポレーション用回路１Ａ～１Ｄおよびエレクトロポレーション方法が奏する効果に加え、以下の効果を相乗的に奏する。
（１）コンデンサＣ１～Ｃ１２が、直流高電圧生成とサンプル抵抗Ｒａに供給される電気信号の充電に用いられるので、コンデンサＣ１～Ｃ１２において、放電によって電荷量に差が生じても、コンデンサＣ１～Ｃ１２を充電することで、電荷量の差を解消できる。
（２）コンデンサＣ１～Ｃ１２が、直流高電圧生成とサンプル抵抗Ｒａに供給される電気信号の充電に用いられるので、エレクトロポレーション用回路１Ｅを構成する素子の数を少なくできる。

（直流高電圧電源用回路の実施形態）
上記の実施形態に係るエレクトロポレーション用回路１Ａ～１Ｅは、サンプルに高電圧な電気信号を供給するが、サンプル以外にも、例えば出力側に回路等を接続し、当該回路に電気信号を供給してもよい。したがって、上記の実施形態に係るエレクトロポレーション用回路１は、直流高電圧電源用回路に用いることができる。

なお、本発明は、上述の実施形態に限定されない。本発明の範囲内において、上述の各実施形態の自由な組み合わせ、あるいは各実施形態の任意の構成要素の変形、または、任意の構成要素の省略が可能である。さらに、上述の各実施形態に任意の構成要素が追加されてもよい。

本出願で開示するエレクトロポレーション用回路を用いたエレクトロポレーション方法、エレクトロポレーション用回路および直流高電圧電源用回路を用いると、高電圧による素子への負荷を低減できる。したがって、エレクトロポレーション用回路および直流高電圧電源用回路を扱う業者にとって有用である。

１、１Ａ～１Ｅ…エレクトロポレーション用回路、２…時定数変化部、３…入力回路、４…制御部、５…直流高電圧生成回路、Ｃ１～Ｃｍ…コンデンサ、Ｒａ…サンプル抵抗、Ｒ１１～Ｒｍｎ…抵抗、Ｓａ…出力スイッチ、Ｓ１１～Ｓｍｎ…スイッチ

Claims (10)

1. エレクトロポレーション用回路を用いたエレクトロポレーション方法であって、
   サンプルに電気信号を供給するステップを含み、
   エレクトロポレーション用回路は、
   それぞれが直列に接続される少なくとも２つ以上のコンデンサと、
   ｍ行ｎ列（ｍ、ｎは自然数であり、ｍ≧２、ｎ≧１である。）の複数の時定数変化部と、を含み、
   ｍ行ｎ列の複数の時定数変化部は、
   第１の方向にｍ個の時定数変化部が直列に接続され、
   ｎが２以上である場合、第１の方向とは異なる第２の方向で隣り合う時定数変化部に対し並列に接続され、
   各時定数変化部は、
   スイッチと、
   スイッチに直列に接続される抵抗と、を含み、
   １つのコンデンサに対し第１の方向における１つの時定数変化部が並列に接続されるように、直列に接続されるコンデンサの間と第１の方向に直列に接続される時定数変化部の間を接続し、
   入力回路およびサンプルに接続した際、直列に接続されるコンデンサおよび複数の時定数変化部は、入力回路およびサンプルに対し並列に接続される、
   エレクトロポレーション方法。
2. サンプルに電気信号を供給するステップにおいて、
   ２つ以上のコンデンサに充電された電荷を同時に放電させるように時定数変化部のスイッチを閉じる、
   または、
   ２つ以上のコンデンサに充電された電荷を順次放電させるように時定数変化部のスイッチを閉じる、
   請求項１に記載のエレクトロポレーション方法。
3. サンプルに電気信号を供給するステップにおいて、
   スイッチの少なくとも１つがＰＷＭ（Ｐｕｌｓｅ Ｗｉｄｔｈ Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ）制御される、
   請求項１または２に記載のエレクトロポレーション方法。
4. エレクトロポレーション用回路は、入力回路を含み、
   入力回路と少なくとも２つ以上のコンデンサとによって、直流高電圧生成回路を構成する、
   請求項１～３のいずれか１項に記載のエレクトロポレーション方法。
5. サンプルに電気信号を供給するエレクトロポレーション用回路であって、
   エレクトロポレーション用回路は、
   それぞれが直列に接続される少なくとも２つ以上のコンデンサと、
   ｍ行ｎ列（ｍ、ｎは自然数であり、ｍ≧２、ｎ≧１である。）の複数の時定数変化部と、を含み、
   ｍ行ｎ列の複数の時定数変化部は、
   第１の方向にｍ個の時定数変化部が直列に接続され、
   ｎが２以上である場合、第１の方向とは異なる第２の方向で隣り合う時定数変化部に対し並列に接続され、
   各時定数変化部は、
   スイッチと、
   スイッチに直列に接続される抵抗と、を含み、
   １つのコンデンサに対し第１の方向における１つの時定数変化部が並列に接続されるように、直列に接続されるコンデンサの間と第１の方向に直列に接続される時定数変化部の間を接続し、
   入力回路およびサンプルに接続した際、直列に接続されるコンデンサおよび複数の時定数変化部は、入力回路およびサンプルに対し並列に接続される、
   エレクトロポレーション用回路。
6. スイッチの少なくとも１つをＰＷＭ制御する制御部を含む、
   請求項５に記載のエレクトロポレーション用回路。
7. 入力回路を含み、
   入力回路と少なくとも２つ以上のコンデンサとによって、直流高電圧生成回路を構成する、
   請求項５または６に記載のエレクトロポレーション用回路。
8. 電気信号を出力する直流高電圧電源用回路であって、
   直流高電圧電源用回路は、
   それぞれが直列に接続される少なくとも２つ以上のコンデンサと、
   ｍ行ｎ列（ｍ、ｎは自然数であり、ｍ≧２、ｎ≧１である。）の複数の時定数変化部と、を含み、
   ｍ行ｎ列の複数の時定数変化部は、
   第１の方向にｍ個の時定数変化部が直列に接続され、
   ｎが２以上である場合、第１の方向とは異なる第２の方向で隣り合う時定数変化部に対し並列に接続され、
   各時定数変化部は、
   スイッチと、
   スイッチに直列に接続される抵抗と、を含み、
   １つのコンデンサに対し第１の方向における１つの時定数変化部が並列に接続されるように、直列に接続されるコンデンサの間と第１の方向に直列に接続される時定数変化部の間を接続し、
   入力回路およびサンプルに接続した際、直列に接続されるコンデンサおよび複数の時定数変化部は、入力回路およびサンプルに対し並列に接続される、
   直流高電圧電源用回路。
9. スイッチの少なくとも１つをＰＷＭ制御する制御部を含む、
   請求項８に記載の直流高電圧電源用回路。
10. 入力回路を含み、
    入力回路と少なくとも２つ以上のコンデンサとによって、直流高電圧生成回路を構成する、
    請求項８または９に記載の直流高電圧電源用回路。
    

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