JP4931822B2 - 流体に含まれている粒子を電気泳動分離するための装置 - Google Patents
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Description
本発明は、流体、特に液体の電気泳動分離装置であって、特にそのような流体に含まれる、最も広義の粒子の分離又は捕集を可能にする電気泳動分離装置に関する。
現在、様々な目的のために物理的物質の混合物を分離することを意図した様々な技術が知られている。このような技術が開発されたことで、極めて小さな寸法の対象物を操作することが可能であり、従って、前記粒子とその分離に使用される手段とが接触しないことが必要である。
本発明の対象物は、様々な技術分野に関連している。よって、生物学において、これらの粒子は、限定されないが、生物細胞、例えば微生物(数十マイクロメートル)及び/又は数十ナノメートル又は数ナノメートルの大きさを有する生体分子(DNA、酵素、タンパク質、リポソーム等)を含む。
一般に、これらの対象物は、液体媒体中の固体粒子(懸濁液)、コロイド又はエアロゾルを含むことができる。
多くの技術的及び工業的用途は、分析、スクリーニング、計数等のために、流体、特に液体中で移動可能な粒子を正確に分離することを目指している。
例えば、上記用途として、バイオセキュリティ、衛生管理、農業食品の品質検査、新薬研究の分野を挙げることができる。また、マイクロカプセル及び微粒子(塗料、化粧品、食品業界)、エアロゾル(大気汚染)等を使用する分野を挙げることもできる。
・対流:この原理は、実際の流体による粒子の巻込みに基づいており、よって流体の運動を必要とする。したがって、粒子の運動を制御するために、流体の運動を制御することが必要である。
・粒子の物理特性の利用:特に、
− 磁気特性:磁気泳動。磁気を印加することにより、粒子の移動を確実に制御できる。
− 電気特性:
◆電気泳動:帯電粒子に電場
を印加することによって、いわゆるクーロン力を生じさせる。帯電した粒子は、電場に対して平行に、電荷の符号に応じた方向に向かって運動する。
◆誘電泳動:この技術は、誘電特性を有するあらゆる帯電材料又は非帯電材料に作用する電場勾配を利用する。よって、このような電場勾配は、電場が均一でないことを前提としている。電場の作用によって極性を付与された粒子は、この粒子が浸されている流体より極性を有し易いか、又は極性を有しにくいかにより、電場が強い領域に向かって(本明細書では「正の誘電泳動」と呼ぶ)又は弱い領域に向かって(本明細書では「負の誘電泳動」と呼ぶ)移動する。
第一に、誘電泳動の使用により、中性の材料、つまり残留電荷がゼロ又はゼロに近い材料の操作が可能となる。
換言すれば、電場勾配の影響を受ける粒子は、印加された電場の符号の変化を「経験」しない。よって、交流信号を利用した誘電泳動によって極性を有し得る粒子を移動させることができる。
さらに、交流電場を使用することにより、液体イオン溶液を使用した電気システム内の電極のレベルで特に生じやすい、寄生電気化学的反応を減少又は排除することが可能である。一般に電極からのガス放出を引き起こし、また媒体の化学的特性を局所的に変化させる限りにおいて、このような現象を克服する試みが行われる。
従来では、電場勾配を生成する電極を平らな面(ガラス、安定化処理されたシリコン)上に堆積させ、これにより平面構造を有するシステムを得ていた。このようなシステムでは、流体及びこの流体に含まれる粒子は、電極の上面と接触する。
しかし、平面構造には、以下に記述するように特定の大きな欠点がある。
これに対し、方向oz、つまり電極の面に垂直な平面内で電極から離れるにつれ、泳動力の強さは以下の式に従って指数関数的に減少する。
式中、dは隣接する2つの電極を隔離する空間の中央と電極の中央との距離であり、V0は電極に印加される電圧のピーク振幅であり、zは、oz軸に沿った前記力の測定位置から電極の平面までの距離を示す。
よって、誘電泳動力の作用による粒子の捕集は、電極の上部に位置する流体の高さhが、電極のパターンdと同じオーダーの大きさであるならば、容積に関して効果的である。換言すれば、その効率は比較的制限されているか、又は極めて制限された容積の処理流体に使用しなければならない。
平面構造を有するシステムの他の主な欠点は、粒子−流体のペアの電気的性質が負の電気泳動の形態を有するために、捕集の効率が低下するという事実である。
平面電極によって生成された誘電泳動力の方向は、第一に、電極に印加された電気信号の周波数に依存するが、実際の供給電力に依存しないパラメータ、即ち粒子−流体ペアの電気的特性にも依存する。実際、粒子を運ぶ流体の導電率が、誘電泳動の形態に大きく影響することが実証されている。
実際、平面構造を有するシステムでは、誘電泳動力は、印加された電場にも起因する対抗力、特に電気対流によって妨げられることがある。「電気対流」という用語は、流体を動かす傾向のある全ての現象(流体に印加される電場の存在による対流)、特に電気浸透による運動(電極上の電荷の存在)及びジュール効果加熱によって引き起こされる運動(流体中の電流の存在)を意味する。
電気対流は、特に、電気対流による巻込みが概して誘電泳動力とは反対の方向に生じるような平面構造を有するシステムにおいて見出される望ましくない現象である。例えば、交互配列電極を有するシステムでは、電気対流により、電極の中央及び/又は電極間ギャップの中央に蓄積領域が形成され、その位置は、誘電泳動に起因する前記電極の鋭角エッジによって形成されるものと同じではない。
一般に、この現象は、周波数を上げていくと軽減するが、正の誘電泳動はカットオフ周波数を超えて動作させないようにする必要があり、このカットオフ周波数は、正の誘電泳動の形態から負の誘電泳動の形態への変化に対応する周波数に等しい。
前述した平面構造以外の構成も提案されている。つまり、US2004/0011650号明細書には、特にこの事例の場合石英からなる絶縁膜に形成されて、2つの電極間に位置する開口内に、電場勾配、つまりは誘電泳動力を生成することができる装置を使用することによるDNA分子の閉じ込めシステムが提案されている。開口は、電場の電場線を狭め、これにより所望の勾配が形成される。したがって、開口は捕集領域を構成する。しかし、誘電泳動力は、膜の開口付近に局在化したままであり、従って流体の容積全体にわたって分布する力場を得ることはできない。さらに、このシステムは、負の誘電泳動の形態を用いた粒子の捕集に使用することはできない。
したがって、本発明の目的は、上記方法の様々な欠点の全てを克服しつつ、誘電泳動によって流体中の粒子を分離することである。
基本的には、本発明は、誘電泳動現象を作り出す前記電極が粒子捕集領域を構成しない、全体的にピラミッド状の構造を使用することによって、前述と同じ種類の平面構造を、それが交互配列構造、刻み目付き構造又は四重極構造のいずれであるにかかわらず置き換えることを目的とする。
この装置は、
− 2種類の電極それぞれが、チャンバ又は管内の流体に浸されており、且つ粒子捕集面の平面とは異なる平面内に位置すること、
− 2種類の電極に、逆相の電流が供給されること、及び
− 2種類の電極それぞれの電位が、粒子捕集面の平面に垂直な方向に沿った距離に基づく勾配を有していること
を特徴とする。
− 2つで一セットの、又は2種類の電極を方向ozに配置し、この2つのセットに逆相で給電すること、
− 前記セットの電極それぞれが、方向ozに向かって可変の電位を送ることができるようにすること、及び
− 最後に、結果として得られる誘電泳動力が常に方向ozに向くような電位プロファイルを形成すること
を含む。
換言すれば、上述のように、電極が捕集面としての役割を失い、電気的な役割、つまり不均一な電場を提供するという役割のみを有することにより、捕集面、即ちチャンバ又は管の底部に向かう、捕集のための効果的な誘電泳動力が生成される。
有利には、両方の種類の電極に交流電流を供給する。
発明の詳細な説明
本発明の目的の1つは、第1に、oz軸に平行な、つまり捕集面に垂直な誘電泳動力を得ることであり、第2に、ozに沿って制御された状態で誘電泳動力を分散させることである。例えば、誘電泳動力の強さは、oz軸に沿ってほぼ一定にすることができる。
を生成する必要がある。つまり、電場
は、2つの電極セットに垂直でなければならない。
このような結果を得るため、種々の可能な構造において、電極セットのそれぞれに印加される可変の電位プロファイルが使用される。図3a及び3bに、本発明による装置の一般的な動作原理を概略的に示す。
実際には、oz軸に沿った誘電泳動力の分布は、2つの電極セットに付与された電位V(z)の形状に加え、方向ozの2つの電極セットの高さhに直接依存する。
− 従来技術による交互配列電極
− 積層電極を有するピラミッド型構造
− 斜端電極を有するピラミッド型構造
本発明による上記2つのピラミッド型構造について、以下に詳細に説明する。
これと反対に、本発明による斜端電極を有するピラミッド型構造においては、明らかにこの減少が交互配列電極よりずっと緩やかである。さらに、積層電極構造では、前記力の強さは、捕集面(つまり、z=0)から離れるにつれてほぼ線形的に増大する。さらに一般的に言えば、印加された電位のプロファイルを制御することによって、前記力の強さを制御することが可能となる。
さらに、本発明によれば、電極は分離すべき粒子を捕集するための面を構成しないので、前記電極の外形は読出し段階での制限因子にはならず、その大きさは処理される流体の容積に合わせることができる。
よって、誘電泳動力の+oz又は−ozの向きが電位V(z)の形状に応じて制御される結果、本発明による装置の効率はもはや誘電泳動の形態には依存しない。この点について、上述の平面構造が固体表面上で捕集を行うためには、正の誘電泳動の形態が必ず必要であることを思い出されたい。
これに対し、別の粒子−流体の組合せ又は別の信号周波数を用いて、この場合は2つの電極セットそれぞれのレベルに介在する電位V(z)をozに伴って増加させることによって負の誘電泳動の形態を達成することができ、これにより前述と同じ面での捕集を行うことができる。
構造的には、本発明による電極構造では、電極が捕集面を構成しない。これにより、本構造は電気対流による制限を受けず、場合によっては、電気対流は、誘電泳動による粒子の捕集を妨げないばかりか、反対にそれを促進するまで誘電泳動に有利に働く現象となる。対流は、実際に、捕捉又は捕集面の上方での流体の混合を助け、これにより、流体に含まれる粒子が捕集面へと移動する確率が増大する。
本発明によれば、ピラミッド型装置は、セットを形成する電極の3つの型に対応して3つの可能な構造、即ち、
− 積層電極、
− 斜端電極、及び
− 絶縁電極
を有することができる。
平面システムを製造するために既に利用されている微小電子技術は、これらの電極を製造するためにも引き続き利用することができる。これらの電極は、捕集面を含み且つ使用法(捕捉、分離、スクリーニング等)に応じて構成要素に関する他の非電気的機能(耐漏れ性、流体供給、読出しシステムとの接続等)の全てを満たすことが必須のマクロシステム内に組み込むことができる。電極はマイクロシステム内でも製造することができる。
oz軸に平行に且つできるだけ均一に誘電泳動力を付与するため、前述のように、電極セットA及びBそれぞれに、ozに沿って変化する電位V(z)を付与することが必要である(図3を参照)。金属製で高導電性であるため、電圧発生装置に接続すると、電極の電位はその表面全体に均一に分布する。よって、oz軸に平行な面を有する平面電極は、ozに沿って一定の電位を生成する。
これに対し、oz軸に平行でない面を有する電極は、oz軸に平行な面に亘って変化する電位V(z)を生成する。
角度θは、処理される流体の容積及び特定の粒子−流体ペアの性質に依存するが、0≦θ≦90°でなくてはならない。
流体と接触する電極の表面領域がozに平行となり、zに伴う電位Vの変化、ひいては前述の誘電泳動力が失われる状況に相当するため、θ=90°という条件が満たされることはない。
この「斜端電極」と呼ばれる特別な構造は、図6に示すように水平に対して角度θだけ傾斜した向かい合う2つの平面電極により得られる構造と同等である。
同時に、正の誘電泳動の形態から負の誘電泳動の形態への遷移は、電極の傾斜を逆転させるか(図7b)又は図7cに示すように捕集面Cを構成要素の上部に移動させることによって補償することができる。
これに対し、図7b及び7cでは負の誘電泳動の形態が使用されており、この形態はそれぞれ、ozの関数として電位が減少するように電極のプロファイルを逆転させること、及び処理される液体を保存するか又は移動させるためのチャンバ内において捕集面のレベルを高くして、oz軸に伴う電位の増大を保つことによって得られている。
oz軸に沿って電位V(z)を変化させるため、本発明は、第2の実施形態としていわゆる「絶縁電極」を提案し、図8に具体的に説明する。この構造では、電極セットA及びBそれぞれは、ピーク値V0の電位が供給される単一の電極を含み、流体と接触する電極各々の表面は、電気的絶縁材料Iからなる層によって覆われている。この絶縁材料層は、流体と接触する絶縁体の表面が、水平に対して角度θだけ傾斜するように堆積させる。つまり、これによりoz軸に沿った絶縁層の厚みが変化する。
この発明は、絶縁層の厚みを変化させることにより電極及びoz軸に沿った可変電位V(z)を生成することからなる。この構造では、実際の電極自体がoz方向に平行な面を有しており、非定常関数V(z)を生成するのは、zと共に変化する厚みを有する絶縁部である。
したがって、正の誘電泳動の形態から負の誘電泳動の形態への全ての遷移を釣り合わせるための条件も、前述と同一である。
絶縁された電極を使用することによって、誘電泳動システムの性能を著しく向上させることができる。上述のように、導電性流体中に電場が存在することにより、電極に電荷の移動が生じ、電気化学的な反応を生じさせることができる。このような電極での電気化学的反応は、一般に構成要素の電気的性能を急速に損なうガスの放出を引き起こすため、分離の効率を制限する因子である。印加される電場の強さは、主にこのような電気化学的効果によって制限される。印加される電場の強さが増大すると、結果として得られる誘電泳動力の強さも増大し、これにより構成要素の効率が最適化される。
oz軸に沿って電位V(z)を変化させるため、本発明は、第3の実施形態としていわゆる「積層電極」を提案し、図9及び10で説明する。この構造では、電極セットA及びBのそれぞれは電極の積層体からなり、これらには個々に電気信号が供給され、且つ絶縁材料によって分離されている。
各セットの積層された電極の数N及びozに沿った寸法は固定でない。各セットは少なくとも2つの電極を有し、数Nが増加すると、構成要素に求められる性能は向上する。座標ziに配置された各電極に印加される電位Viの値によって、全体的な関数V(z)が次のように決まる。
この関数V(z)の形式を、以下のようなzの多項式にすることができる。
式中、nは多項式の次数である。
上述のように、妥当であれば、電位Viの値を調節することにより、誘電泳動の形態の逆転が起こる場合に関数V(z)の変化の方向を逆転させることができる。
各セットの各電極に異なる電力供給を簡単に行うことを可能にする態様を、図11a、11b及び11cに示す回路図に示す。
例えば、抵抗のみを利用する図11bの回路図を使用して、位相の相違を全く含まない構造が得られ、これにより電位Vの空間的変化が引き起こされる。インダクタを使用する図11cに示す回路図では、遅延を引き起こすインダクタによって、電位Vの空間的及び時間的変化が得られる。
上述の様々な構造により、格子状板構造を有する構成要素を生成することができる。この構成要素は、上述の種類のピラミッド型要素を複数組み立てたものからなる。その数は固定でない。流体及び粒子をこの構成要素の上に配置する。図12a及び12bは、斜端電極構造を使用して得られた格子状板ピラミッド構造の断面図及び上面図をそれぞれ示す。
分子分析における本発明の使用に関しては、他の分子中に存在し得る1つ以上の特定の分子を検出可能でなくてはならない。格子状板構造を有する構成要素は、この種の用途に既に使用されているマイクロウェルプレートに適合させることができる。このようなプレートは、一般にアレイ状に分配されている微小な穴を有する。この穴の側面は、本発明により使用される電極の支持部を構成できる。各ウェルは、基本的なピラミッド構成要素からなり、ウェルの底部に配置される捕捉面の性質によって、求められる分子を化学的に差別化できる接触部として働く。各接触部の個々にアドレス(スイッチオン)するには、電極の各セットに電位を印加する。ウェルを同時に又は順番にオンの状態にすることによって、誘電泳動による分子の捕捉を促進することができる。このような特定の構造の主たる魅力は、平面システムの動作が同じように行われる一方で、捕捉面と電気的表面とが分離されることである。
本発明の一変形例では、この絶縁ベースは、電極から電気的に絶縁されて、例えば接地されているか又は極性を付与された導電材料からなるベースに置換される。
この実施形態の特定の利点は、
・制限の小さい領域内に粒子が制限されるので、粒子の再拡散速度が上昇すること、
・前記粒子を含む流路の中央線を基準として中央に位置することにより、生物学的捕捉接触部を配置することが極めて簡単になること、及び
・信号が流路の端部で回折することが少なくなり、同じ壁部による光線が遮断されることによってビネット現象が低減するので、例えば蛍光による光学的読出しが極めて簡単になること
である。
よって検出は、ベースが透明であるか否かに関わらず、光学的に、特に蛍光によって実施することができる。ベースが透明でない場合、表面プラズモンによる蛍光を励起させる。検出は、表面プラズモン共鳴を利用して行うこともできる。検出は、読出し動作中、活性電極としてベースを使用することによって電気的に実施することもできる。
また、本発明による装置により、正の誘導電流の形態又は負の誘導電流の形態を用いた操作が可能となり、これにより、処理できる粒子−流体のペアの数が最適化され、操作の際の動作周波数の範囲が広がる。
Claims (10)
- 流体に含まれる粒子の誘電泳動分離装置であって、2つの電極を備え、前記2つの電極にそれぞれ異なる電位が付与されることにより前記流体内部に電場が発生し、前記2つの電極が、誘電泳動分離が行われる流体を収容するチャンバ又は管内に配置されており、前記2つの電極の間には粒子捕集領域が形成されており、
前記2つの電極は、前記チャンバ又は管内の流体に浸されており、
前記粒子捕集領域は、絶縁性基板、または前記2つの電極と電気的に絶縁された材料で形成された導電性基板によって構成され、
前記2つの電極は、第1の方向に対して0より大きく90度未満の角度だけ傾いて設けられており、前記第1の方向は前記粒子捕集領域が形成される面に対して垂直であり、
前記2つの電極によって生成される電位は、前記第1の方向に沿った距離に基づく勾配を有し、
前記第1の方向に沿って作用する誘電泳動力は、連続的に前記粒子を前記流体から分離し、該分離された粒子を前記捕集領域へ移動させ、
前記2つの電極には互いに逆位相の交流が供給される
ことを特徴とする装置。 - 前記2つの電極が、電気的絶縁材料からなる層で覆われていることを特徴とする、請求項1に記載の流体に含まれる粒子の誘電泳動分離装置。
- 前記2つの電極の組が複数設けられる
ことを特徴とする、請求項1に記載の流体に含まれる粒子の誘電泳動分離装置。 - 前記2つの電極のそれぞれは、縦断面が台形であり、傾斜面が前記流体と接触する
ことを特徴とする、請求項3に記載の流体に含まれる粒子の誘電泳動分離装置。 - 前記2つの電極のそれぞれは、縦断面が長方形である
ことを特徴とする、請求項3に記載の流体に含まれる粒子の誘電泳動分離装置。 - 前記2つの電極のそれぞれは前記流体に接触する表面を有し、
前記表面は、前記第1の方向と垂直な方向に関して増大又は減少する厚みを有する絶縁材料の層によって覆われている
ことを特徴とする、請求項3に記載の流体に含まれる粒子の誘電泳動分離装置。 - 前記2つ電極のそれぞれは、前記第1の方向に垂直な方向に積層された複数のサブ電極を含み、
各サブ電極は互いに電気絶縁体によって分離されており、
対応して対向する2つのサブ電極に電位が印加されることにより、前記2つの電極間において電位に変化が与えられる
ことを特徴とする、請求項1に記載の流体に含まれる粒子の誘電泳動分離装置。 - 前記2つ電極のそれぞれは、前記第1の方向に垂直な方向に積層された複数のサブ電極を含み、
各サブ電極は互いに電気絶縁体によって分離されており、
対応して対向する2つのサブ電極に電位が印加されることにより、前記2つの電極間において電位に変化が与えられる
前記2つの電極において、対応して対向する2つのサブ電極には、連続的で且つ時間的に変化する、一定または一定でない電位が印加される
ことを特徴とする、請求項1に記載の流体に含まれる粒子の誘電泳動分離装置。 - 対応して対向する前記複数のサブ電極の組のそれぞれには、前記第1の方向に沿って連続的に定められた電位に達することにより電位の空間的−時間的勾配が形成され、これにより誘電泳動分離力が発生する
ことを特徴とする、請求項8に記載の流体に含まれる粒子の誘電泳動分離装置。 - 請求項1ないし9のいずれか1項に記載の誘電泳動分離装置を複数備えた、流体に含まれる粒子の誘電泳動分離を実施するための複合装置。
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