JP4779261B2 - 微粒子分離方法、微粒子分離装置、およびセンサ - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、微粒子分離方法、微粒子分離装置、およびセンサに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、溶液中に含まれる微粒子を分離する方法として、遠心力と電気泳動力の力のつりあいを利用した方法がある。これは、遠心力が働く場の中に微粒子を含む溶液を置き、遠心力と反対方向に作用する電場を与えて電気泳動力を発生させ、遠心力と電気泳動力とがつりあった位置に微粒子を分離する方法である。
【０００３】
例えば、特許第１６０３２２４号公報には、イオン交換膜を用いて溶液にイオン濃度勾配を発生させてその大きさが位置に依存する電場を作り出し、溶液中の任意の位置にある粒子に働く遠心力と電気泳動力の合成ベクトルがつりあいの位置に向かうような場を作ることで高分子または粒子等溶液を分離する発明が記載されている。
【０００４】
具体的に説明すると、荷電Ｑ、質量Ｍ、比容積ｖの微粒子に働く力ｆは、遠心力ｆ_cと遠心力と反対方向の大きさＥの電場による力（電気泳動力）ｆ_eの合力で示され、次の（数１）式のようになる。
【０００５】
【数１】

【０００６】
ここで、ρは粒子の数密度、ωは回転の角速度、ｒは遠心力の回転半径を示す。回転中心から一定の点より半径ｒが増大するに従い、その大きさが増大するような分布を持つ電場をイオン濃度勾配を生み出すイオン交換膜の設置により実現し、角速度ωを適当に選ぶことにより遠心力ｆ_cと電気泳動力ｆ_eのつりあう位置ｒ_pを決定、すなわち同一の粒子をすべて同じ位置に集合させる分離方法を実現している。
【０００７】
また、従来、様々な種類の分子や微粒子を含む溶液を分析する方法として、ゲルを用いて吸着の差を利用して分析を行うゲルクロマトグラフィー法や、高周波不平等電界を発生させて分子や粒子に働く誘電泳動力の差を利用して分析を行う静電クロマトグラフィー法がある。
【０００８】
例えば、特許第３０９７９３２号公報には、入口から一定速度で流れているキャリアーにサンプルとなる分子や粒子を添加し、これらに誘電泳動力を働かせ、出口に達する所要時間の差から分子や粒子の分析を行う静電クロマトグラフィー装置が記載されている。これは、分子や粒子に働く誘電泳動力が、その分子や粒子に固有の電気双極子モーメントによって大きさが異なることを利用して分子や粒子を分析するクロマトグラフィー装置に関する発明である。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
上記従来の技術はいずれも、分子や粒子等を分離する方法や装置の確立を目的としている。しかしながら、上記従来の技術においては、以下に示すような課題を有する。
【００１０】
特許第１６０３２２４号公報では、遠心力と電気泳動力とがつりあう位置に粒子を集合させて分離を行っており、具体的には任意の位置にある粒子に働く合力が常につりあいの位置に向かうよう、イオン交換膜を用いて勾配を持つ電場を作り出している。しかし、電気泳動を利用することにより、様々な課題が発生する。例えば、通電中に電気泳動槽中のイオンが消耗するため、電解質貯蔵溶液を別途設けるなど、非常に複雑な前処理を必要とする。また、水溶液に直流電圧を印加した場合、電極近傍において水が電気分解し、安全対策が必要な場合も起こりうる。
【００１１】
また、特許第３０９７９３２号公報では、一定速度で流れているキャリアーに含まれる分子や粒子に誘電泳動力を働かせ、一定距離を移動するのに必要な所要時間の差から様々な分子や粒子の分離を行っている。しかし、所要時間の差に基づく分離方法であるため、分離にはある程度の時間がかかってしまうことになる。
【００１２】
以上に鑑み、本発明の目的は、簡便・高速で、高精度に微粒子を分離する方法および装置を提供すること、ならびに定量定性分析を行うセンサを提供することである。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
この課題を解決するために本発明は、微粒子を含む溶液が流れている中で、前記流れの力と反対方向に微粒子を誘電泳動させ、前記流れの力と誘電泳動力とがつりあった位置に前記微粒子を分離させる微粒子分離方法としたものである。
【００１４】
そして、誘電泳動を発生させる際に印加する交流電界の周波数、交流電界の電圧値、交流電界の電圧印加時間、溶液の流量の少なくともいずれかひとつを制御することで、微粒子に働く流れの力と誘電泳動力とがつりあう位置を制御するようにするのがよい。
【００１５】
また、本発明は、微粒子を含む溶液に遠心力を与え、前記遠心力と反対方向に微粒子を誘電泳動させ、前記遠心力と誘電泳動力とがつりあった位置に前記微粒子を分離させる微粒子分離方法としたものである。
【００１６】
そして、誘電泳動を発生させる際に印加する交流電界の周波数、交流電界の電圧値、交流電界の電圧印加時間、遠心力を発生させる角速度の少なくともいずれかひとつを制御することで、微粒子に働く遠心力と誘電泳動力とがつりあう位置を制御するのがよい。
【００１７】
また、本発明は、第一の電極と第二の電極からなる電極対と、これら電極間に不均一な交流電界を発生せしめる電圧源と、微粒子を含む溶液を流すためのポンプと流路と、前記微粒子に働く流れの力と誘電泳動力とがつりあった位置に前記微粒子を分離させる制御手段とを具備する、微粒子分離装置としたものである。
【００１８】
そして、制御手段は、誘電泳動を発生させる際に印加する交流電界の周波数、交流電界の電圧値、交流電界の電圧印加時間、溶液の流量の少なくともいずれかひとつを制御することで、微粒子に働く流れの力と誘電泳動力とがつりあう位置を制御するのがよい。
【００１９】
また、本発明は、第一の電極と第二の電極からなる電極対と、これら電極間に不均一な交流電界を発生せしめる電圧源と、微粒子を含む溶液を収容する容器と、前記容器は前記微粒子に遠心力を与えるための回転体に保持されており、前記微粒子に働く遠心力と誘電泳動力とがつりあった位置に前記微粒子を分離させる制御手段とを具備する、微粒子分離装置としたものである。
【００２０】
そして、制御手段は、誘電泳動を発生させる際に印加する交流電界の周波数、交流電界の電圧値、交流電界の電圧印加時間、回転体の角速度の少なくともいずれかひとつを制御することで、微粒子に働く遠心力と誘電泳動力とがつりあう位置を制御するのがよい。
【００２１】
また、本発明は、第一の電極と第二の電極からなる電極対と、これら電極間に不均一な交流電界を発生せしめる電圧源と、微粒子を含む溶液を流すためのポンプと流路と、前記微粒子の濃度を測定する濃度測定装置と、前記微粒子に働く流れの力と誘電泳動力とがつりあった位置に前記微粒子を分離させる制御手段とを具備し、分離した状態の微粒子濃度を前記濃度測定装置により測定するセンサとしたものである。
【００２２】
そして、制御手段は、誘電泳動を発生させる際に印加する交流電界の周波数、交流電界の電圧値、交流電界の電圧印加時間、溶液の流量の少なくともいずれかひとつを制御することで、微粒子が濃度測定部位に位置するよう制御するのがよい。
【００２３】
また、本発明は、第一の電極と第二の電極からなる電極対と、これら電極間に不均一な交流電界を発生せしめる電圧源と、微粒子を含む溶液を収容する容器と、前記微粒子の濃度を測定する濃度測定装置と、前記容器は前記微粒子に遠心力を与えるための回転体に保持されており、前記微粒子に働く遠心力と誘電泳動力とがつりあった位置に前記微粒子を分離させる制御手段とを具備し、分離した状態の微粒子の濃度を前記濃度測定装置により測定するセンサとしたものである。
【００２４】
そして、制御手段は、誘電泳動を発生させる際に印加する交流電界の周波数、交流電界の電圧値、交流電界の電圧印加時間、回転体の角速度の少なくともいずれかひとつを制御することで、微粒子が濃度測定部位に位置するよう制御するのがよい。
【００２５】
なお、上記濃度測定装置は、表面プラズモン共鳴現象を利用したものとするのが好適である。
【００２６】
あるいは、上記濃度測定装置は光源と光検出器とを具備し、光源から発せられた光が微粒子を含む溶液中を透過し、光検出器により計測されることで微粒子による光の吸光度を求め、この値から微粒子の濃度を求めるものとしてもよい。
【００２７】
これら本発明により、簡便・高速で、高精度に微粒子を分離する方法および装置、ならびに定量定性分析を行うセンサを得ることができる。
【００２８】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面と数式を参照して説明する。
【００２９】
（実施の形態１）
本発明は、微粒子を含む溶液が流れの方向に流速分布を有している流れの中で、流れの力と反対方向に微粒子に誘電泳動力を印加し、流れの力と誘電泳動力とがつりあった位置に留まることを利用し、溶液中に含まれる様々な種類の微粒子を分離する方法やその装置、および分離したものを分析するセンサに関するものである。特に、様々な種類のタンパク質、細胞、高分子等の微粒子を含む溶液中から所望の微粒子を選択的に抽出したり分離分析を行う生化学分析、創薬、ＤＮＡ解析、ハイスループットスクリーニング等に好適に用いられる。
【００３０】
図１は、流れの力と誘電泳動力とを用いて、ある単一種の微粒子Ａを分離する場合の一形態を示す模式図である。図１（ａ）において、筐体１には厚さが一定で扇形の溶液チャンバー８が形成されており、扇の幅の狭まった側の端部には溶液流入口２が、扇の幅の広がった側の端部には溶液流出口３が設けられている。また、溶液流入口２と溶液流出口３の間には第一の電極４と第二の電極５がそれぞれ設けられており、これら電極はそれぞれ図示していない交流電圧源に接続されている。第一の電極４と第二の電極５の間の電界強度は、第一の電極４に近いほど電気力線が密となるため、図中では左へ行くほど電界強度が強くなる。また図１（ｂ）は、図１（ａ）のＭ−Ｍ’断面図である。溶液チャンバー８を含む流路６は微粒子Ａを含む溶液９で満たされており、溶液９はポンプ７によって流路６内を一定流量で循環している。
【００３１】
ここで、図１において、溶液流入口２の位置がｒ_in、第一の電極４がｒ₁、第二の電極５がｒ₂、溶液流出口３がｒ_outとなるようなｒ座標を設定する。このような条件下で、溶液チャンバー８内の溶液９に含まれている微粒子Ａに働く流れの力Ｆ_fは、次の（数２）式で示される。
【００３２】
【数２】

【００３３】
ここで、μは溶液９の粘性係数、ａは微粒子Ａの半径、Ｖ（ｒ）は流れの速さをそれぞれ示す。流れの速さＶ（ｒ）は位置ｒの関数であるが、ここでの場合は循環流量が一定、溶液チャンバー８の厚さが一定であるため、Ｖ（ｒ）はｒに反比例する関数となる。位置ｒと流れの力Ｆ_fとの関係を示すグラフを図２に示す。力の働く方向は、＋ｒ方向である。
【００３４】
次に、微粒子Ａに働く誘電泳動力Ｆ_dを説明する。Ｆ_dは次の（数３）式で示される。
【００３５】
【数３】

【００３６】
ここで、ε_mは溶液９の誘電率、Ｅは二つの電極４、５により発生する電界強度の実効値、ωは交流電圧源の角周波数、Ｒｅ［］は実数部、▽は勾配を求める微分演算子をそれぞれ示す。また、Ｋ^*（ω）はクラウジウス−モソティ関数であり、次の（数４）式で定義される。
【００３７】
【数４】

【００３８】
ここで、ε_p ^*は微粒子Ａの複素誘電率、ε_m ^*は溶液９の複素誘電率、ε_pは微粒子Ａの誘電率、ε_mは溶液９の誘電率、σ_pは微粒子Ａの導電率、σ_mは溶液９の導電率、ｊは虚数単位をそれぞれ示す。電界強度の実効値Ｅ（ｒ）は位置ｒの関数であり、ｒが増加するに従いその大きさは単純減少する。従って、実効値Ｅの二乗の勾配も同様にｒの増加に伴い単純減少することになる。位置ｒと誘電泳動力Ｆ_dとの関係を示すグラフも図２に示す。力の方向は、Ｒｅ［Ｋ^*（ω）］が正の場合には電界強度の強い方向へと働き、負の場合には弱い方向へと働く。ここでは正の場合、すなわち−ｒ方向に力が働く場合を、以下説明する。
【００３９】
溶液チャンバー８内を流れる溶液９に誘電泳動を働かせると、溶液９に含まれている微粒子Ａには流れの力Ｆ_fと誘電泳動力Ｆ_dとが働く。微粒子Ａは、これらの合力Ｆ＝Ｆ_f−Ｆ_dによって溶液９中を運動することになる。図３に、位置ｒと合力Ｆとの関係を示すグラフを示す。ｒ＝ｒ_aで示される位置は、合力Ｆ＝０となる位置であり、ここに位置する微粒子Ａはここに留まることを表している。一方、ｒ₁＜ｒ＜ｒ_aの領域では、微粒子Ａには＋ｒ方向に力が働き、ｒ_a＜ｒ＜ｒ₂の領域では、微粒子Ａには−ｒ方向に力が働くので、電極に挟まれた領域に存在する微粒子Ａはすべて、位置ｒ_aに集められる。また、電極に挟まれていない領域、すなわちｒ＜ｒ₁、ｒ₂＜ｒに位置する微粒子Ａは、流れによって必ず電極に挟まれた領域に移動するので、結果的に溶液９に含まれるすべての微粒子Ａを位置ｒ_aに集めることができる。
【００４０】
次に、溶液９が複数種類の微粒子を含んでいる場合にこれらの微粒子を別々に分離する方法を説明する。溶液９中に含まれているｎ種類の微粒子は、それぞれに固有の粒子半径、誘電率、導電率を有している。すなわち、これら固有パラメータの違いによって、それぞれの微粒子に働く流れの力Ｆ_fと誘電泳動力Ｆ_dとは異なる値を示す。従って、二つの力がつりあう位置（合力＝０となる位置）も、各微粒子に固有の値を示すことになり、分離が可能となる。また、すべての微粒子がｒ₁＜ｒ₂の領域につりあいの位置を持つことができない場合には、電界強度の実効値Ｅ、交流電圧源の角周波数ω、交流電界の電圧印加時間、流路６内を流れる流量の少なくともいずれかひとつを変化させることによって、つりあいの位置を持てることを（数２）（数３）は示している。
【００４１】
以上、正の誘電泳動が働く場合について説明を行ったが、微粒子の種類によっては負の誘電泳動が働くケースもあり、この場合については、以下のように説明をすることができる。図４は図１同様、流れの力と誘電泳動力とを用いてある単一種の微粒子Ｂを分離する場合の一形態を示す模式図で、図１に示した模式図とは、溶液チャンバー８が左右が逆になっていることのみが違っている。すなわち、溶液流入口１０と溶液流出口１１以外の構成は、図１と同一である。
【００４２】
このとき、溶液１２に含まれている微粒子Ｂに働く流れの力Ｆ_fと位置ｒとの関係は、図５のように示される。力の働く方向は＋ｒ方向である。また、溶液１２に含まれている微粒子Ｂに働く誘電泳動力Ｆ_dは、電界強度の弱い方向、すなわち−ｒ方向に働き、その大きさはｒの増加に伴い単純増加することになる。位置ｒと誘電泳動力Ｆ_dとの関係を示すグラフも図５に示す。
【００４３】
図６に、位置ｒとこれらの合力Ｆとの関係を示すグラフを示す。ｒ＝ｒ_bで示される位置は、合力Ｆ＝０となる位置であり、ここに位置する微粒子Ｂはここに留まることを表している。一方、ｒ₁＜ｒ＜ｒ_bの領域では、微粒子Ｂには＋ｒ方向に力が働き、ｒ_b＜ｒ＜ｒ₂の領域では、微粒子Ｂには−ｒ方向に力が働くので、電極に挟まれた領域に存在する微粒子Ｂはすべて、位置ｒ_bに集められる。また、電極に挟まれていない領域、すなわちｒ＜ｒ₁、ｒ₂＜ｒに位置する微粒子Ｂは、流れによって必ず電極に挟まれた領域に移動するので、結果的に溶液１２に含まれるすべての微粒子Ｂを位置ｒ_bに集めることができる。
【００４４】
また、正の誘電泳動が働く場合での説明と同じく、溶液１２が複数種類の微粒子を含んでいる場合には、粒子半径、誘電率、導電率といったこれら固有パラメータの違いによって、それぞれの微粒子に働く流れの力Ｆ_fと誘電泳動力Ｆ_dとは異なる値を示し、二つの力がつりあう位置（合力＝０となる位置）も、各微粒子に固有の値を示すことになり、分離が可能となるし、電界強度の実効値Ｅ、交流電圧源の角周波数ω、交流電界の電圧印加時間、流路６内を流れる流量の少なくともいずれかひとつを変化させることによって、つりあいの位置を制御することができる。
【００４５】
なお、本実施の形態では簡略化のために微粒子を球体として扱ったが、実際には複雑な形状を有するタンパク質や高分子の場合でも、数式が複雑になるものの原理的には同様な効果が得られることは言うまでもない。
【００４６】
（実施の形態２）
（実施の形態１）では、図１を用いて流速が単調減少する流れの力と正の誘電泳動力とのつりあいを利用した分離手法、および図４を用いて流速が単調増加する流れの力と負の誘電泳動力とのつりあいを利用した分離方法について説明を行った。図１、図４では、誘電泳動を作用させる流路の形状が扇形であり、また二つの電極が流れの上流と下流とに位置する場合について説明を行ったが、流れの力と誘電泳動力とのつりあいを利用した分離手法は、流れや電極配置に他の様々な形態を用いても、その効果を発揮することができる。すなわち、流れの力Ｆ_fと誘電泳動力Ｆ_dの合力Ｆが、溶液チャンバー内にＦ＝０となるつりあいの位置を持ち、つりあいの位置からはずれた場所では、つりあいの位置に向かう合力Ｆが働くような場を設定すれば、溶液に含まれる微粒子を分離することが可能となる。本実施の形態では、（実施の形態１）で示した微粒子分離手法を具現化するための具体的な形態についていくつかを説明する。
【００４７】
図７は、流れの力と誘電泳動力とを用いて微粒子の分離を行う一形態を示す模式図である。筐体２１には厚さが一定で円形の溶液チャンバー２７が形成されており、円の中央に溶液流入口２２が、円の外周部に溶液流出口２３が設けられている。また、溶液流入口２２と溶液流出口２３の間には第一の電極２４と第二の電極２５がそれぞれ設けられており、これら電極はそれぞれ図示していない交流電圧源に接続されている。第一の電極２４と第二の電極２５の間の電界強度は、第一の電極２４に近いほど電気力線が密となるため、溶液チャンバー２７の中央へ行くほど電界強度が強くなる。溶液チャンバー２７を含む流路２６は微粒子Ｂを含む溶液２８で満たされており、溶液２８は図示していないポンプによって流路２６内を一定流量で循環している。
【００４８】
このとき溶液チャンバー２７内の溶液２８に含まれている微粒子Ｂに働く流れの力Ｆ_fは、（実施の形態１）と同様、（数２）で示される。また、微粒子Ｂに働く誘電泳動力Ｆ_dも同様に（数３）で示される。詳細な説明は（実施の形態１）で行ったため省略するが、円形の溶液チャンバー２７の場合でも不均一電界が形成されるため、扇形の溶液チャンバーの場合と全く同様に、＋ｒ方向（中心から外へ向かう方向）に働く流れの力Ｆ_fと−ｒ方向（中心へ向かう方向）に働く正の誘電泳動力Ｆ_dとのつりあいを利用して、微粒子Ｂをつりあいの位置ｒ_bに集めることができる。
【００４９】
図８は、流れの力と誘電泳動力とを用いて微粒子の分離を行う一形態を示す模式図である。筐体３１には厚さが一定で扇形の溶液チャンバー３７が形成されており、扇の幅の狭まった側の端部には溶液流入口３２が、扇の幅の広がった側の端部には溶液流出口３３が設けられている。また、溶液流入口３２と溶液流出口３３の間には流れの方向に沿って第一の電極３４と第二の電極３５がそれぞれ設けられており、これら電極はそれぞれ図示していない交流電圧源に接続されている。第一の電極３４と第二の電極３５の間の電界強度は、溶液流入口３２に近いほど強くなる。溶液チャンバー３７を含む流路３６は微粒子Ｃを含む溶液３８で満たされており、溶液３８は図示していないポンプによって流路２６内を一定流量で循環している。
【００５０】
このとき溶液チャンバー３７内の溶液３８に含まれている微粒子Ｃに働く流れの力Ｆ_fは、（数２）で示され、また微粒子Ｃに働く誘電泳動力Ｆ_dも（数３）で示される。詳細な説明は省略するが、流れに沿って配置された電極を用いても不均一電界が形成されるため、（実施の形態１）の場合と同様、＋ｒ方向に働く流れの力Ｆ_fと−ｒ方向に働く正の誘電泳動力Ｆ_dとのつりあいを利用して、微粒子Ｃをつりあいの位置ｒ_cに集めることができる。
【００５１】
また、図示はしないが、図８に示した形態と似たような構成として、電極機能を有する二枚の長方形の金属板を対向させ、この金属板間に溶液を流す際に、流出口断面積が流入口断面積よりも広くなるように設定することによっても、同様な効果が得られることは言うまでもない。
【００５２】
図９は、流れの力と誘電泳動力とを用いて微粒子の分離を行う一形態を示す模式図である。筐体４１には厚さと幅が一定の細長い溶液チャンバー４７が形成されており、微粒子Ｄを含む溶液４８は溶液流入口４２から流入し、溶液流出口４３から流出する。溶液４８は図示していないポンプによって流路４６内を一定流量で循環している。また、筐体４１内には電極設置空間４９が設けられており、ここに第一の電極４４と第二の電極４５がそれぞれ設けられ、これら電極はそれぞれ図示していない交流電圧源に接続されている。なお、電極設置空間４９内は誘電体で満たされており、その種類は空気や窒素等の気体、または水やエチルアルコール等の液体、またはＰＭＭＡやガラス等の固体が好適に用いられる。第一の電極４４と第二の電極４５は、その電極間隔が下流に行くに従い急激に広がる形状をしており、下流ほど電界強度が弱くなる。
【００５３】
このとき溶液チャンバー４７内を流れる溶液４８に含まれている微粒子Ｄに働く流れの力Ｆ_fと誘電泳動力Ｆ_dとは、図１０に示すようなグラフとなる。流れの断面積と流量が一定なので、流れの力Ｆ_fは一定値を示す。一方誘電泳動力Ｆ_dは、電界強度Ｅ（ｒ）が円弧の一部を描くような強度分布を有するよう電極形状と配置を取っているので、Ｅ（ｒ）²の勾配の大きさは下流ほど大きくなり、従って誘電泳動力Ｆ_dは図１０に示すようなグラフとなる。図１１に位置ｒと合力Ｆとの関係を示すグラフを示す。ｒ＝ｒ_dで示される位置は、合力Ｆ＝０となる位置であり、ここに位置する微粒子Ｄはここに留まることを表している。一方、ｒ＜ｒ_dの領域では、微粒子Ｄには＋ｒ方向に力が働き、ｒ_d＜ｒの領域では、微粒子Ｄには−ｒ方向に力が働くので、微粒子Ｄをすべて位置ｒ_dに集めることができる。
【００５４】
以上説明したように、流れの力Ｆ_fと誘電泳動力Ｆ_dの合力Ｆが、溶液チャンバー内にＦ＝０となるつりあいの位置を持ち、つりあいの位置からはずれた場所ではつりあいの位置に向かう合力Ｆが働くように流れの形状と電極配置を構成すれば、溶液に含まれる微粒子をつりあいの位置に分離することが可能となる。
【００５５】
（実施の形態３）
本発明は、微粒子を含む溶液に遠心力が働いている場の中で、遠心力と反対方向に微粒子に誘電泳動力を印加し、遠心力と誘電泳動力とがつりあった位置に留まることを利用し、溶液中に含まれる様々な種類の微粒子を分離する方法やその装置、および分離したものを分析するセンサに関するものである。本発明も、様々な種類のタンパク質や高分子を含む溶液中から所望の分子を選択的に抽出したり分離分析を行う生化学分析、創薬、ＤＮＡ解析、ハイスループットスクリーニング等に好適に用いられる。
【００５６】
図１２は、遠心力と誘電泳動力とを用いて、ある単一種の微粒子Ｅを分離する場合の一形態を示す模式図である。図１２において、筐体６１には厚さと幅が一定の細長い溶液チャンバー６４が形成されており、内部には微粒子Ｅを含む溶液６５が満たされている。また、筐体６１内には電極設置空間６６が設けられており、ここに第一の電極６２と第二の電極６３がそれぞれ設けられ、これら電極はそれぞれ図示していない交流電圧源に接続されている。なお、電極設置空間６６内は誘電体で満たされており、その種類は空気や窒素等の気体、または水やエチルアルコール等の液体、またはＰＭＭＡやガラス等の固体が好適に用いられる。第一の電極６２と第二の電極６３は、その電極間隔が図１２中で右に行くに従い急激に広がる形状をしており、右へ行くほど電界強度が弱くなる。さらに筐体６１は、回転体６７に設置されており、角速度ω_cで回転するものである。
【００５７】
ここで、図１２において、回転体６７の回転中心がｒ＝０、溶液チャンバー６４の左端部がｒ₃、右端部がｒ₄となるようなｒ座標を設定する。このような条件下で、溶液チャンバー６４内の溶液６５に含まれている微粒子Ｅに働く遠心力Ｆ_cは、次の（数５）式で示される。
【００５８】
【数５】

【００５９】
ここで、Ｍ、ｖはそれぞれ微粒子Ｅの質量、比容積、ρは微粒子Ｅの数密度を示す。式が示すように、遠心力Ｆ_c（ｒ）は位置ｒに比例する関数となる。位置ｒと遠心力Ｆ_cとの関係を示すグラフを図１３に示す。力の働く方向は、＋ｒ方向である。
【００６０】
次に、微粒子Ｅに働く誘電泳動力Ｆ_dを説明する。Ｆ_dは次の（数６）式で示される。
【００６１】
【数６】

【００６２】
ここで、ε_mは溶液６５の誘電率、Ｅは二つの電極６２、６３により発生する電界強度の実効値、ωは交流電圧源の角周波数、Ｒｅ［］は実数部、▽は勾配を求める微分演算子をそれぞれ示す。また、Ｋ^*（ω）はクラウジウス−モソティ関数であり、次の（数７）式で定義される。
【００６３】
【数７】

【００６４】
ここで、ε_p ^*は微粒子Ｅの複素誘電率、ε_m ^*は溶液６５の複素誘電率、ε_pは微粒子Ｅの誘電率、ε_mは溶液６５の誘電率、σ_pは微粒子Ｅの導電率、σ_mは溶液６５の導電率、ｊは虚数単位をそれぞれ示す。電界強度の実効値Ｅ（ｒ）が円弧の一部を描くような強度分布を有するような電極形状と配置であるので、Ｅ（ｒ）²の勾配の大きさは図中の右へ行くほど大きくなり、従って誘電泳動力Ｆ_dは図１３に示すようなグラフとなる。力の方向は、Ｒｅ［Ｋ^*（ω）］が正の場合、すなわち−ｒ方向に働く場合を設定する。
【００６５】
筐体６１が角速度ωｃで回転している状態で溶液６５に誘電泳動を働かせると、溶液６５に含まれている微粒子Ｅには遠心力Ｆ_cと誘電泳動力Ｆ_dとが働く。微粒子Ｅは、これらの合力Ｆ＝Ｆ_c−Ｆ_dによって溶液６５中を運動することになる。図１４に、位置ｒと合力Ｆとの関係を示すグラフを示す。ｒ＝ｒ_eで示される位置は、合力Ｆ＝０となる位置であり、ここに位置する微粒子Ｅはここに留まることを表している。一方、ｒ₃＜ｒ＜ｒ_eの領域では、微粒子Ｅには＋ｒ方向に力が働き、ｒ_e＜ｒ＜ｒ₄の領域では、微粒子Ｅには−ｒ方向に力が働くので、溶液チャンバー６４内に存在する微粒子Ｅはすべて、位置ｒ_eに集めることができる。
【００６６】
次に、溶液６５が複数種類の微粒子を含んでいる場合にこれらの微粒子を別々に分離する方法を説明する。溶液６５中に含まれているｎ種類の微粒子は、それぞれに固有の粒子半径、質量、比容積、誘電率、導電率を有している。すなわち、これら固有パラメータの違いによって、それぞれの微粒子に働く遠心力Ｆ_cと誘電泳動力Ｆ_dとは異なる値を示す。従って、二つの力がつりあう位置（合力＝０となる位置）も、各微粒子に固有の値を示すことになり、分離が可能となる。また、すべての微粒子がｒ₃＜ｒ₄の領域につりあいの位置を持つことができない場合には、電界強度の実効値Ｅ、交流電圧源の角周波数ω、交流電界の電圧印加時間、回転体６７の角速度ω_cの少なくともいずれかひとつを変化させることによって、つりあいの位置を持てることを（数５）（数６）は示している。
【００６７】
以上、正の誘電泳動が働く場合について説明を行ったが、微粒子の種類によっては負の誘電泳動が働くケースもあり、この場合について図を用いて以下説明する。
【００６８】
図１５は、遠心力と誘電泳動力とを用いて微粒子の分離を行う一形態を示す模式図である。筐体７１には、扇形の溶液チャンバー７４が形成されており、内部には微粒子Ｇを含む溶液７５が満たされている。溶液チャンバー７４の扇の幅の広がった側の端部には第一の電極７２が、狭まった側の端部には第二の電極７３が設けられており、これら電極はそれぞれ図示していない交流電圧源に接続されている。第一の電極７２と第二の電極７３の間の電界強度は、第一の電極７２に近いほど弱くなる。さらに筐体７１は、回転体７６に設置されており、角速度ω_cで回転するものである。
【００６９】
このとき溶液７５に含まれている微粒子Ｇに働く遠心力Ｆ_cと位置ｒとの関係は、図１６のように示される。力の方向は＋ｒ方向である。また、微粒子Ｇに働く誘電泳動力Ｆ_dは、電界強度の弱い方向、すなわち−ｒ方向に働き、その大きさはｒの増加に伴い単純増加することになる。位置ｒと誘電泳動力Ｆ_dとの関係も、図１６に示す。
【００７０】
図１７に、位置ｒとこれらの合力Ｆとの関係を示すグラフを示す。ｒ＝ｒ_gで示される位置は、合力Ｆ＝０となる位置であり、ここに位置する微粒子Ｇはここに留まることを表している。一方、ｒ＜ｒ_gの領域では、微粒子Ｇには＋ｒ方向に力が働き、ｒ_g＜ｒの領域では、微粒子Ｇには−ｒ方向に力が働くので、電極に挟まれた領域に存在する微粒子Ｇはすべて、位置ｒ_gに集めることができる。
【００７１】
なお、遠心力Ｆ_cと誘電泳動力Ｆ_dの合力Ｆが、溶液チャンバー内にＦ＝０となるつりあいの位置を持ち、つりあいの位置からはずれた場所ではつりあいの位置に向かう合力Ｆが働くように電極形状や電極配置を構成すれば、溶液に含まれる微粒子をつりあいの位置に分離することが可能となるのは言うまでもない。
【００７２】
さらに、本実施の形態では簡略化のために微粒子を球体として扱ったが、実際には複雑な形状を有するタンパク質や高分子の場合でも、数式が複雑になるものの原理的には同様な効果が得られることは言うまでもない。
【００７３】
（実施の形態４）
本実施の形態では、これまでに説明した微粒子分離方式を用いて微粒子を定量定性分析するためのセンサに関して具体的に述べる。
【００７４】
図１８は、流れの力と誘電泳動力とを利用する微粒子分離方式と、表面プラズモン共鳴現象とを用いて微粒子の定性定量分析を行うセンサの一形態を示す模式図であり、微粒子の分離に関しては図１に示した方式を用いているものである。筐体１０１には厚さが一定で、上から見ると図１に示したような扇形の溶液チャンバー１０７が形成されており、流路１０６の一部を構成している。扇の幅の狭まった側の端部には溶液流入口１０２が、扇の幅の広がった側の端部には溶液流出口１０３が設けられている。また、溶液流入口１０２と溶液流出口１０３の間には第一の電極１０４と第二の電極１０５がそれぞれ設けられており、これら電極はそれぞれ図示していない交流電圧源に接続されている。第一の電極１０４と第二の電極１０５の間の電界強度は、第一の電極１０４に近いほど電気力線が密となるため、図中では左へ行くほど電界強度が強くなる。溶液チャンバー１０７を含む流路１０６は微粒子を含む溶液１０８で満たされており、溶液１０８は図示していないポンプによって流路１０６内を一定流量で循環している。このとき、微粒子に働く流れの力Ｆ_fと誘電泳動力Ｆ_dとは図２のように示され、これらの合力は図３のように示される。すなわち、溶液１０８に含まれる微粒子はすべて、合力Ｆ＝０となるつりあいの位置に集められる。
【００７５】
一方、光源１０９から発せられた入射光１１２は、第一のレンズ１１０、第二のレンズ１１１、プリズム１１３、筐体１０１の底面を構成するガラス１１５を経由して金属薄膜１１４に照射される。光源は単一波長を発振するレーザダイオードであり、第一のレンズ１１０、第二のレンズ１１１は、入射光１１２の焦点が金属薄膜１１４に結ぶよう調整されている。すなわち入射光１１２は、レンズの大きさ、焦点距離、プリズムの屈折率等で規定される入射角範囲を有することになる。また、金属薄膜１１４は、Ａｕ薄膜が好適に用いられるが、Ａｇ、Ｃｕ、Ａｌ、Ｐｔ等、他の金属であっても表面プラズモン共鳴現象を起こすものであれば差し支えはない。さらに、金属薄膜１１４表面には厚さ１００ｎｍ以下の非金属物質により被覆されていることが好適であるが、被覆されていなくてもかまわない。
【００７６】
金属薄膜１１４で反射された反射光１１６は、再度ガラス１１５、プリズム１１３を透過し光検出器１１７へと照射され、ここで入射角毎の光量検出が行われる。光検出器１１７は、ＣＣＤやアレイセンサにより構成されると好適である。なお、プリズム１１３とガラス１１５とは図示していないマッチングオイルにて密着している。図１８では、筐体１０１の底面全体がガラス製であるが、筐体１０１全体がガラス製であっても、入射光１１２と反射光１１６を透過させる部分のみがガラス製であってもかまわない。
【００７７】
以上のような構成を用いて微粒子の定性定量分析を行う手法について説明する。溶液１０８中の任意の種類の微粒子が金属薄膜１１４上に集まるよう、電界強度の実効値Ｅ、交流電圧源の角周波数ω、交流電界の電圧印加時間、流路１０６内を流れる流量の少なくともいずれかひとつを制御する。微粒子はその物質固有のパラメータを有しているので、微粒子が金属薄膜１１４上に集まったときの電界強度の実効値Ｅや交流電圧源の角周波数ωから、その微粒子の種類を同定することができる。
【００７８】
さらに、金属薄膜１１４上に微粒子が集められた状態で表面プラズモン共鳴現象を利用して微粒子の屈折率、すなわち濃度を定量的に求めることができる。金属薄膜１１４からの反射光１１６の光量が最も減少する角度、すなわち表面プラズモン共鳴が発生する条件を満たす入射光１１２の角度を測定する。この角度測定を微粒子が分離されていない状態でも行い、未分離状態と分離状態の角度差から微粒子の濃度を求める。
【００７９】
なお、当然のことではあるが、濃度が未知の溶液の濃度を決定するにあたっては、既知の濃度を持つ参照溶液を測定し、それとの比較によって行うものとする。
【００８０】
また、光源１０９、光検出器１１７、交流電圧源、ポンプはそれぞれ、図示していない制御演算装置と接続されており、予めプログラムされた手順で、もしくは作業者が状況に応じて、機器制御、計測、検出、演算、記録等を行うことができる。
【００８１】
さらに、本実施の形態では微粒子を分離するために、流れの力と誘電泳動力とを用いたが、流れの力の替わりに遠心力を用いても一向にかまわず、遠心力を用いる場合には微粒子を金属薄膜１１４上に集めるために制御するパラメータが、流路内を流れる流量ではなく回転体の角速度に替わるだけであって、遠心力と誘電泳動力を用いる手法でも同様の効果が得られることは言うまでもない。
【００８２】
（実施の形態５）
本実施の形態では（実施の形態４）同様、これまでに説明した微粒子分離方式を用いて微粒子を定量定性分析するためのセンサに関して具体的に述べる。
【００８３】
図１９は、流れの力と誘電泳動力とを利用する微粒子分離方式と、光吸収現象とを用いて微粒子の定性定量分析を行うセンサの一形態を示す模式図であり、微粒子の分離に関しては図１に示した方式を用いているものである。筐体１２１には厚さが一定で、上から見ると図１に示したような扇形の溶液チャンバー１２７が形成されており、流路１２６の一部を構成している。扇の幅の狭まった側の端部には溶液流入口１２２が、扇の幅の広がった側の端部には溶液流出口１２３が設けられている。また、溶液流入口１２２と溶液流出口１２３の間には第一の電極１２４と第二の電極１２５がそれぞれ設けられており、これら電極はそれぞれ図示していない交流電圧源に接続されている。第一の電極１２４と第二の電極１２５の間の電界強度は、第一の電極１２４に近いほど電気力線が密となるため、図中では左へ行くほど電界強度が強くなる。溶液チャンバー１２７を含む流路１２６は微粒子を含む溶液１２８で満たされており、溶液１２８は図示していないポンプによって流路１２６内を一定流量で循環している。このとき、微粒子に働く流れの力Ｆ_fと誘電泳動力Ｆ_dとは図２のように示され、これらの合力は図３のように示される。すなわち、溶液１２８に含まれる微粒子はすべて、合力Ｆ＝０となるつりあいの位置に集められる。
【００８４】
一方、光源１２９から発せられた検査光１３３は、第一のレンズ１３０、第二のレンズ１３１、第三のレンズ１３２、筐体１２１の底面を構成するガラス１３５を経由して溶液１２８中に照射される。光源１２９は単一波長を発振するレーザダイオードが好適であり、第一のレンズ１３０、第二のレンズ１３１、第三のレンズ１３２は、検査光１３３のビーム幅が溶液１２８中で一定であるよう調整されている。
【００８５】
溶液１２８中を透過した検査光１３３は、ガラス１３６を透過し光検出器１３４へと照射され、ここで透過光量検出が行われる。光検出器１３４は、フォトダイオードやＣＣＤにより構成されると好適である。図１９では、筐体１２１の底面と上面全体がガラス製であるが、筐体１２１全体がガラス製であっても、検査光１３３を透過させる部分のみがガラス製であってもかまわない。
【００８６】
以上のような構成を用いて微粒子の定性定量分析を行う手法について説明する。溶液１２８中の任意の種類の微粒子が検査光１３３の光路上に集まるよう、電界強度の実効値Ｅ、交流電圧源の角周波数ω、交流電界の電圧印加時間、流路１２６内を流れる流量の少なくともいずれかひとつを制御する。微粒子はその物質固有のパラメータを有しているので、微粒子が検査光１３３の光路上に集まったときの電界強度の実効値Ｅや交流電圧源の角周波数ωから、その微粒子の種類を同定することができる。
【００８７】
さらに、検査光１３３の光路上に微粒子が集められた状態で光吸収現象を利用して微粒子の濃度を定量的に求めることができる。この濃度測定を微粒子が分離されていない状態でも行い、未分離状態と分離状態の光吸収の差から微粒子の濃度を求める。
【００８８】
また、光源１２９、光検出器１３４、交流電圧源、ポンプはそれぞれ、図示していない制御演算装置と接続されており、予めプログラムされた手順で、もしくは作業者が状況に応じて、機器制御、計測、検出、演算、記録等を行うことができる。
【００８９】
さらに、本実施の形態では微粒子を分離するために、流れの力と誘電泳動力とを用いたが、流れの力の替わりに遠心力を用いても一向にかまわず、遠心力を用いる場合には微粒子を検査光１３３の光路上に集めるために制御するパラメータが、流路内を流れる流量ではなく回転体の角速度に替わるだけであって、遠心力と誘電泳動力を用いる手法でも同様の効果が得られることは言うまでもない。
【００９０】
【発明の効果】
以上のように、本発明によれば、簡便・高速で、高精度に微粒子を分離する方法および装置、ならびに定量定性分析を行うセンサを実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施の形態による微粒子分離手法を表す模式図
【図２】本発明の一実施の形態による流れの力及び誘電泳動力の位置依存性を示す特性図
【図３】本発明の一実施の形態による合力の位置依存性を示す特性図
【図４】本発明の一実施の形態による微粒子分離手法を表す模式図
【図５】本発明の一実施の形態による流れの力及び誘電泳動力の位置依存性を示す特性図
【図６】本発明の一実施の形態による合力の位置依存性を示す特性図
【図７】本発明の一実施の形態による微粒子分離手法を表す模式図
【図８】本発明の一実施の形態による微粒子分離手法を表す模式図
【図９】本発明の一実施の形態による微粒子分離手法を表す模式図
【図１０】本発明の一実施の形態による流れの力及び誘電泳動力の位置依存性を示す特性図
【図１１】本発明の一実施の形態による合力の位置依存性を示す特性図
【図１２】本発明の一実施の形態による微粒子分離手法を表す模式図
【図１３】本発明の一実施の形態による遠心力及び誘電泳動力の位置依存性を示す特性図
【図１４】本発明の一実施の形態による合力の位置依存性を示す特性図
【図１５】本発明の一実施の形態による微粒子分離手法を表す模式図
【図１６】本発明の一実施の形態による遠心力及び誘電泳動力の位置依存性を示す特性図
【図１７】本発明の一実施の形態による合力の位置依存性を示す特性図
【図１８】本発明の一実施の形態による定性定量分析を行うセンサを表す模式図
【図１９】本発明の一実施の形態による定性定量分析を行うセンサを表す模式図
【符号の説明】
１、２１、３１、４１、６１、７１、１０１、１２１ 筐体
２、１０、２２、３２、４２、１０２、１２２ 溶液流入口
３、１１、２３、３３、４３、１０３、１２３ 溶液流出口
４、２４、３４、４４、６２、７２、１０４、１２４ 第一の電極
５、２５、３５、４５、６３、７３、１０５、１２５ 第二の電極
６、２６、３６、４６、１０６、１２６ 流路
７ ポンプ
８、２７、３７、４７、６４、７４、１０７、１２７ 溶液チャンバー
９、１２、２８、３８、４８、６５、７５、１０８、１２８ 溶液
４９、６６ 電極設置空間
６７、７６ 回転体
１０９、１２９ 光源
１１０、１３０ 第一のレンズ
１１１、１３１ 第二のレンズ
１１２ 入射光
１１３ プリズム
１１４ 金属薄膜
１１５、１３５、１３６ ガラス
１１６ 反射光
１１７、１３４ 光検出器
１３２ 第三のレンズ
１３３ 検査光

Claims (21)

1. 微粒子を含む溶液が流れている中で、前記流れの力と反対方向に微粒子を誘電泳動させ、前記流れの力と誘電泳動力とがつりあった位置に前記微粒子を分離させる微粒子分離方法。
2. 誘電泳動を発生させる際に印加する交流電界の周波数、交流電界の電圧値、交流電界の電圧印加時間、溶液の流量の少なくともいずれかひとつを制御することで、微粒子に働く流れの力と誘電泳動力とがつりあう位置を制御する請求項１記載の微粒子分離方法。
3. 微粒子を含む溶液に遠心力を与え、前記遠心力と反対方向に微粒子を誘電泳動させ、前記遠心力と誘電泳動力とがつりあった位置に前記微粒子を分離させる微粒子分離方法。
4. 誘電泳動を発生させる際に印加する交流電界の周波数、交流電界の電圧値、交流電界の電圧印加時間、遠心力を発生させる角速度の少なくともいずれかひとつを制御することで、微粒子に働く遠心力と誘電泳動力とがつりあう位置を制御する請求項３記載の微粒子分離方法。
5. 誘電泳動力が、電界強度の強い方向に働く正の誘電泳動力である請求項１から請求項４のいずれか記載の微粒子分離方法。
6. 誘電泳動力が、電界強度の弱い方向に働く負の誘電泳動力である請求項１から請求項４のいずれか記載の微粒子分離方法。
7. 第一の電極と第二の電極からなる電極対と、これら電極間に不均一な交流電界を発生せしめる電圧源と、微粒子を含む溶液を流すためのポンプと流路と、前記微粒子に働く流れの力と誘電泳動力とがつりあった位置に前記微粒子を分離させる制御手段とを具備する、微粒子分離装置。
8. 前記制御手段は、誘電泳動を発生させる際に印加する交流電界の周波数、交流電界の電圧値、交流電界の電圧印加時間、溶液の流量の少なくともいずれかひとつを制御することで、微粒子に働く流れの力と誘電泳動力とがつりあう位置を制御する請求項７記載の微粒子分離装置。
9. 第一の電極と第二の電極からなる電極対と、これら電極間に不均一な交流電界を発生せしめる電圧源と、微粒子を含む溶液を収容する容器と、前記容器は前記微粒子に遠心力を与えるための回転体に保持されており、前記微粒子に働く遠心力と誘電泳動力とがつりあった位置に前記微粒子を分離させる制御手段とを具備する、微粒子分離装置。
10. 前記制御手段は、誘電泳動を発生させる際に印加する交流電界の周波数、交流電界の電圧値、交流電界の電圧印加時間、回転体の角速度の少なくともいずれかひとつを制御することで、微粒子に働く遠心力と誘電泳動力とがつりあう位置を制御する請求項９記載の微粒子分離装置。
11. 誘電泳動力が、電界強度の強い方向に働く正の誘電泳動力である請求項７から請求項１１のいずれか記載の微粒子分離装置。
12. 誘電泳動力が、電界強度の弱い方向に働く負の誘電泳動力である請求項７から請求項１１のいずれか記載の微粒子分離装置。
13. 第一の電極と第二の電極からなる電極対と、これら電極間に不均一な交流電界を発生せしめる電圧源と、微粒子を含む溶液を流すためのポンプと流路と、前記微粒子の濃度を測定する濃度測定装置と、前記微粒子に働く流れの力と誘電泳動力とがつりあった位置に前記微粒子を分離させる制御手段とを具備し、分離した状態の微粒子濃度を前記濃度測定装置により測定するセンサ。
14. 前記制御手段は、誘電泳動を発生させる際に印加する交流電界の周波数、交流電界の電圧値、交流電界の電圧印加時間、溶液の流量の少なくともいずれかひとつを制御することで、微粒子が濃度測定部位に位置するよう制御する請求項１３記載のセンサ。
15. 第一の電極と第二の電極からなる電極対と、これら電極間に不均一な交流電界を発生せしめる電圧源と、微粒子を含む溶液を収容する容器と、前記微粒子の濃度を測定する濃度測定装置と、前記容器は前記微粒子に遠心力を与えるための回転体に保持されており、前記微粒子に働く遠心力と誘電泳動力とがつりあった位置に前記微粒子を分離させる制御手段とを具備し、分離した状態の微粒子の濃度を前記濃度測定装置により測定するセンサ。
16. 前記制御手段は、誘電泳動を発生させる際に印加する交流電界の周波数、交流電界の電圧値、交流電界の電圧印加時間、回転体の角速度の少なくともいずれかひとつを制御することで、微粒子が濃度測定部位に位置するよう制御する請求項１５記載のセンサ。
17. 誘電泳動力が、電界強度の強い方向に働く正の誘電泳動力である請求項１３から請求項１６のいずれか記載のセンサ。
18. 誘電泳動力が、電界強度の弱い方向に働く負の誘電泳動力である請求項１３から請求項１６のいずれか記載のセンサ。
19. 濃度測定装置が表面プラズモン共鳴現象を利用したものである請求項１３から請求項１６のいずれか記載のセンサ。
20. 濃度測定装置が光源と光検出器とを具備し、光源から発せられた光が微粒子を含む溶液中を透過し、光検出器により計測されることで微粒子による光の吸光度を求め、この値から微粒子の濃度を求めるものである請求項１３から請求項１６のいずれか記載のセンサ。
21. 光源から発せされる光が、レーザ光である請求項２０記載のセンサ。

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