JP4068581B2 - ナノ空隙制御による微粒子のサイズ分離分析法およびその装置 - Google Patents
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Description
DNA分子をSTM(Scanning Tunneling Microscope)、AFM(Atomic Force Microscope)やLFM(Lateral Force Microscope)などで直接測定することも提案されているが、塩基を識別できる程度の分解能が得られず、せいぜい塩基中の二環性のプリン環と単環性のピリミジン環を識別できる程度である。このような技術の改良法としては、塩基対の解離の際に生じる振動を検出して塩基対を識別する方法も提案されている(特許文献1参照)。また、DNA分子の両端に蛍光マーカーを付してアガロースゲル中で泳動させて両端のマーカーを測定してDNA分子の長さを測定する方法も提案されている(特許文献2参照)。
また、本発明者らは、微小物体の分離方法としては、電場と磁場を垂直方向にかけて微小物体を泳動させる方法を提案してきた(特許文献3参照)。
ニュートンリングを応用した技術としては、磁気ヘッドの変位を計測する方法(特許文献4参照)や、レンズの偏心を計測する方法(特許文献5参照)などが提案されている。
このようにニュートンリングを応用した技術としては、微小な空間の距離や、面の微小な形状を測定する方法は提案されているが、分子や粒子を測定する方法に応用した例は見あたらない。
また、本発明は、前記した本発明の方法を行うための微粒子のサイズ分離分析装置であって、レンズと平板の間に形成される空隙の距離を制御できる手段、レンズと平板の間の当該空隙部分に微粒子を含む溶液を注入する手段、当該微粒子を含む溶液中の微粒子をレンズの中心方向に向かって移動させる手段、及び当該微粒子がトラップされた位置の空隙間の距離を前記レンズと平板の間の光の干渉によって生じるニュートンリングによって測定する手段を含む微粒子のサイズ分離分析装置に関する。
また、微粒子を移動させる手段としては、これに限定されるものではなく、使用微粒子の物性や、サイズにより、電場や磁場をかけて移動させてもよい。
さらに、本発明の方法は、平板として透明ガラスを用いた場合には、前記レンズとガラス平板間のナノ空隙間の前記微粒子を顕微鏡(光学顕微鏡、蛍光顕微鏡、光の吸収・散乱を測定する顕微鏡システムなど)を用いて検出し、記録することができる。
本発明によれば、肉眼では観察不可能なナノメートルオーダーの微粒子の動きを観察することができるため、溶媒、例えば水の蒸発にともなって移動する微粒子がレンズとガラス平板間にトラップされる様子などを観察したりできるため、より詳細に微粒子の挙動を把握してより効率よく迅速に微粒子を分離することが可能となる。
また、レンズの形状が、例えば、円形平凸レンズを使用する場合は、微粒子がレンズとガラス平板間に円形にトラップされる。また、半円柱平凸レンズを使用する場合は、微粒子がレンズとガラス平板間に直線状にトラップされる。このように、レンズは微粒子の回収のしやすさなどを考慮して形状や材質の様々なものを使用し得る。
レンズと、
ガラス平板と、
ピエゾ素子と、
前記ピエゾ素子に電圧をかける手段と、
前記レンズ、ガラス平板、ピエゾ素子を固定するための手段と、
前記レンズとガラス平板間のナノ空隙に微粒子を含む溶液を流す手段と、
前記溶液を乾燥させることによって前記微粒子を移動させる手段と、
前記微粒子をレンズとガラス平板間のナノ空隙にトラップさせる手段と、
を含むものが挙げられる。
また、本発明の微粒子のサイズによる分離分析装置は、
さらに、前記レンズとガラス平板間のナノ空隙の前記微粒子を検出する顕微鏡、
とを含むこともできる。
また、本発明の装置におけるレンズの形状としては前記してきたものが使用できる。
本発明により実現されるレンズとガラス平板間のナノ空隙制御による微粒子のサイズ分離分析法とは、レンズとガラス平板を接触、または近づけることによって狭い空隙をつくり、その中で溶媒に分散させた微粒子をコントロールすることによって粒子のサイズ分離を行う。図1にこの概要を示す。図1の下側がレンズであり、上側が平板のカバーガラスを示している。図1はこの両者の間の空隙に、微粒子を含有する溶液が注入された状態を模式的に示すものである。
図1のように微粒子を外側から中心に向かって移動させると、大きな粒子はより外側でレンズ-カバーガラス間にトラップされるが小さい粒子はより内側でトラップされる。このときの粒子のトラップされる位置の違いによって分離が可能かつレンズ-カバーガラス間の距離の測定によって粒子のサイズ測定が可能となる。粒子を中心に向かって移動させる力としては、電気泳動、誘電泳動などのさまざまな外力が考えられるが、今回は溶媒の蒸発に伴うキャピラリーフォースを用いた。レンズとガラス平板間における溶媒(水)の蒸発は中心に向かって、メニスカスを形成しながら進んでいく。このとき、水のような粘度の高い溶媒では粒子を取り込みながら進んでいく。この現象を利用して微粒子を中心に向かって移動させる。
試料液としては、粒径6μm、3μm、1μm、0.5μmの4種類のポリスチレン粒子を、水に分散させたものを使用した。
本実験では、本発明によるレンズとガラス平板間のナノ空隙制御による微粒子のサイズ分離分析装置に直径3mm、曲率半径7.78mmの平凸レンズを用いた。また、ガラス平板としては顕微鏡のカバーガラスを使用した。また、レンズとガラス平板間はレンズの凸部分の中心がちょうど接触した状態で測定を行った。また、試料溶液注入後、水は自然に乾燥させた。
即ち、本発明は、レンズと平板の間に形成される空隙を利用して微粒子をそのサイズにより分離・分析法であって、レンズと平板の間に形成される両者の距離が連続的に小さくなる空隙部分に微粒子を含む溶液を注入し、当該微粒子を含む溶液中の微粒子をレンズの中心方向に向かって移動させ、当該微粒子がその大きさに応じた空隙の部分にトラップされることを利用して、微粒子をサイズによって分離し、微粒子がトラップされた位置の空隙間の距離を前記レンズと平板の間の光の干渉によって生じるニュートンリングによって測定することを特徴とする微粒子のサイズの分離・分析法を提供するものである。
また、本発明は、前記した本発明の分離・分析方法を行うための微粒子のサイズ分離分析装置であって、レンズと平板の間に形成される空隙の距離を制御できる手段、レンズと平板の間の当該空隙部分に微粒子を含む溶液を注入する手段、当該微粒子を含む溶液中の微粒子をレンズの中心方向に向かって移動させる手段、及び当該微粒子がトラップされた位置の空隙間の距離を前記レンズと平板の間の光の干渉によって生じるニュートンリングによって測定する手段を含む微粒子のサイズ分離分析装置を提供するものである。
本発明の微粒子を含む溶液中の微粒子をレンズの中心方向に向かって移動させる方法としては、電場や磁場による力による方法も可能であるが、溶媒の蒸発による方法が簡便で好ましい。溶媒が室温で蒸発する場合には、特に加熱は必要無いが、必要により加熱装置を設けることもできる。溶媒としては水が簡便で好ましいが、これに限定されるものではない。また、微粒子を含む溶液としては、溶液状であっても懸濁状であってもよい。さらに必要により増粘剤のような添加剤を添加することもできる。
本発明におけるレンズと平板の間の空隙における微粒子の状況を観察するための手段として、顕微鏡を使用することができる。顕微鏡としては微粒子の状況を観察し、可視化できるものであれば特に制限はない。また、本発明のレンズと平板の間の空隙における微粒子がトラップされた位置を光の干渉により測定することができ、このための手段を備えることもできる。このための光源としては単一波長の光源であれば、特に制限はないが、好ましくはレーザー光が挙げられる。市販の干渉計を適用することもできる。
また、本発明においては、必要に応じてレンズと平板の間の空隙にトラップされ、サイズに応じて分離された微粒子を、分取する手段を設けることもできる。分取する手段としては、微粒子の性質によるが、平板又はレンズに分離された位置に微粒子が固着されるようにすることにより、固着された微粒子を固着箇所から回収して分取することもできる。
本発明のレンズと平板の間の空隙は、レンズと平板により形成されるものであるが、分離・分析する微粒子のサイズによりこの距離を調節することもでき、これを調節するための制御手段を有することもできる。この制御は、微粒子のサイズによるが、一般的には、ナノメーターの精度で制御できることが好ましい。
本明細書では、様々な実施様態で本発明の原理を説明してきたが、本発明は本明細書に記載した実施例や実施態様に限定されず幾多の変形および修正を施すことが可能であり、これら変形および修正されたものも本発明に含まれることを理解されたい。
また、本発明の方法は、微粒子のサイズに応じてレンズ状ガラス半球体とガラス基板の距離をナノメータレベルの精度で制御することにより、微粒子のサイズに応じた分離・分析をすることも可能である。
試料液としては、粒径6μm、3μm、1μm、0.5μmの4種類のポリスチレン粒子を、水に分散させたものを使用した。
測定
本実験では、本発明によるレンズとガラス平板間のナノ空隙制御による微粒子のサイズ分離分析装置に直径3mm、曲率半径7.78mmの平凸レンズを用いた。また、ガラス平板としてはカバーガラスを使用した。また、レンズとガラス平板間はレンズの中心部がちょうど接触した状態で測定を行った。また、試料溶液注入後、水は自然に乾燥させた。
測定結果
図5は、粒径3μmのポリスチレン粒子のみの、図6は粒径6μm、3μm、1μm、0.5μmの4種類のポリスチレン粒子混合試料の測定後の様子である。図5ではきれいにトラップされている様子が確認でき、光の干渉による測定から得られた値も2.84±0.09μmと、実際のポリスチレンの粒径2.836±0.136μmに非常に近い値を示した。また、図6では4種類がほぼ分離されている様子が確認できる。
Claims (18)
- レンズと平板の間に形成される空隙を利用して微粒子をそのサイズにより分離・分析する方法であって、レンズと平板の間に形成される両者の距離が連続的に小さくなる空隙部分に微粒子を含む溶液を注入し、当該微粒子を含む溶液中の微粒子をレンズの中心方向に向かって移動させ、当該微粒子がその大きさに応じた空隙の部分にトラップされることを利用して、微粒子をサイズによって分離し、微粒子がトラップされた位置の空隙間の距離を前記レンズと平板の間の光の干渉によって生じるニュートンリングによって測定することを特徴とする微粒子のサイズの分離・分析法。
- 平板が、透明ガラスである請求項1に記載の方法。
- 微粒子を含む溶液中の微粒子をレンズの中心方向に向かって移動させる方法が、溶媒の蒸発による方法である請求項1又は2に記載の方法。
- レンズと平板の間の空隙の微粒子を顕微鏡を用いて検出する請求項1〜3のいずれかに記載の方法。
- レンズの形状が、円形平凸レンズ、あるいは半円柱平凸レンズである請求項1〜4のいずれかに記載の方法。
- レンズと平板の間の空隙にトラップされ、サイズに応じて分離された微粒子を、分取する方法を含む請求項1〜5のいずれかに記載の方法。
- レンズと平板の間の空隙が、ナノメーターの精度で制御されている請求項1〜6のいずれかに記載の方法。
- 請求項1〜7のいずれかに記載の方法を行うための微粒子のサイズ分離分析装置であって、レンズと平板の間に形成される空隙の距離を制御できる手段、レンズと平板の間の当該空隙部分に微粒子を含む溶液を注入する手段、当該微粒子を含む溶液中の微粒子をレンズの中心方向に向かって移動させる手段、及び当該微粒子がトラップされた位置の空隙間の距離を前記レンズと平板の間の光の干渉によって生じるニュートンリングによって測定する手段を含む微粒子のサイズ分離分析装置。
- 平板が、透明ガラスである請求項8に記載の装置。
- 微粒子を含む溶液中の微粒子をレンズの中心方向に向かって移動させる手段が、加熱又は室温による溶媒の蒸発による手段である請求項8又は9に記載の装置。
- レンズと平板の間の空隙の微粒子を観察することができる手段を有する請求項8〜10のいずれかに記載の装置。
- 微粒子を観察することができる手段が、顕微鏡である請求項11に記載の装置。
- レンズの形状が、円形平凸レンズ、あるいは半円柱平凸レンズである請求項8〜12のいずれかに記載の装置。
- レンズと平板の間の空隙にトラップされ、サイズに応じて分離された微粒子を、分取する手段を含む請求項8〜13のいずれかに記載の装置。
- レンズと平板の間の空隙の距離を制御できる手段が、ナノメーターの精度で制御可能である手段である請求項8〜14のいずれかに記載の装置。
- 微粒子が分離された状態を記録できる手段を含む請求項8〜15のいずれかに記載の装置。
- 記録できる手段が、写真撮影である請求項16に記載の装置。
- 微粒子がトラップされた位置の空隙間の距離を前記レンズと平板の間の光の干渉によって生じるニュートンリングによって測定する手段に使用する光源が、レーザー光である請求項8〜17のいずれかに記載の装置。
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