JP5186675B2 - Measuring method of fine particle state by dielectrophoresis - Google Patents

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Description

本発明は、誘電泳動によって微粒子の状態を測定する方法および該方法に用いるための装置に関する。   The present invention relates to a method for measuring the state of fine particles by dielectrophoresis and an apparatus for use in the method.

生体微粒子(細胞、細菌、細胞膜など)の品質管理、活性度測定、薬効判定、テーラーメイド医療などの分野で、生体微粒子の状態測定が必要とされている。通常、生体微粒子の生死や活性などの状態測定には、細胞内カルシウムイオン濃度、cAMP濃度、細胞外微小pH、細胞膜電位などを指標とする測定方法;酸素、栄養、またはマーカーの取り込み量を測定する方法;細胞膜の張りを針などで接触測定する方法などがある。しかし、前2者は、多数の細胞と時間が必要であり、さらに、マーカーとして蛍光物質などを使用するため、一旦測定に使用した試料を再利用することは困難である。一方、後者は、直接接触するために対象試料に影響を及ぼす。
誘電泳動移動度は、泳動される試料によって異なる値を持つことが知られている。試料は、外部からの不均一な電界中に配置されることによって分極し、誘電泳動力が発生して電極に対して正または負の方向に移動する。また、誘電泳動は、無電荷試料および巨大試料にも適用可能である。しかし、微小試料に対しては、誘電泳動力が小さくなり、移動度も小さくなる。そのため、分析に必要な感度が得られず、誘電泳動移動度そのものを観察する装置は存在しなかった。
近年、誘電泳動特性を決定することによって、流体中の特定の種類の粒子の存在および/または相対濃度を識別する方法およびそのための装置が報告されている(例えば、特表2001−500252号公報参照)。この方法では、多重電極アレイが収容されたチャンバ内に試料を注入し、内部の電極を同時に異なる周波数で励起している。このチャンバ内に収容された多重極アレイは、櫛状の一連の離間した電極からなり、その電極の先端部は共通設置電極の近くに配置されているため、注入された試料は各電極間の移動が自在に可能である。したがって、単一種類からなる試料がチャンバに注入され、各電極に異なる一連の誘電泳動電界が同時に形成される場合、試料液中の粒子はその誘電特性に応じた1つの電極に選好的に集結することになる。この特定周波数を異なる粒子タイプに対する特徴的周波数とし、例えば、溶媒から主要な粒子を誘電泳動により分離するために利用することができる。また、単一種に精製されている試料の均質度を検査することもできる。あるいは、注入試料が混合物の場合は、混合物中に存在するある種類の粒子に対する適切な周波数でのデータおよび粒子カウント数から、既知の粒子の混合物の相対濃度を決定することができる。
また、四重極電極による誘電泳動力とキャピラリー内の流速分布の複合効果を利用した誘電泳動法が報告されている(特開2001−242136号公報参照)。誘電率、粒径などのパラメータにより、電荷を持たない粒子や表面電荷が同じである粒子を効率よくかつ簡便な手段で、検出、計測、選別、または分離できることを示している。この方法は、従来の電気泳動による粒子の分離の限界を超えること、つまり、電気泳動では不可能なサイズの粒子(例えば、40kbp以上のDNA)の分離、電荷がない物質の分離、あるいは表面電荷が同じ物質の検出、計測、選別、または分離を主目的としており、粒子の特性化や同定を目的としたものではない。このキャピラリーを使用して粒子の特性化を行うためには、周波数を変えた測定を繰り返し実施する必要があり、多大な手間と時間を要する。
これらとは別に、誘電泳動を利用して、流体中に存在する微量な粒子を特性化または同定するための装置が開発されている(特開2004−212272号公報参照)。この装置は、例えば、流体中に存在する物質または粒子を同定するため、あるいは精製試料の均質度を分析するために使用され得る。また、化学的プロセス中にサンプリングされる化合物の均質性(粒度や化学的組成)も、モニターすることができる。
微生物の活性を、交流による誘電特性を利用したインピーダンス値に基づいて測定するための装置もある(特開2003−224号公報)。この装置を用いると、誘電泳動によって生菌のみが濃縮され、電極間のインピーダンス値から微生物の数が算出される。この装置では、微生物の生死のみの判定が可能であり、微生物の活性自体(状態)は測定されず、しかも生死の判定のために多量の試料を必要とする。
物質を識別および分離するために、粒状物質および溶解物質の周波数依存性の誘電および導電特性と、懸濁輸送培地の特性の使用とを組み合わせた方法もある(特表2000−505545号公報およびF.F.Beckerら、Proc.Natl.Acad.Sci.USA,1995年,92巻,pp.860−864参照)。この装置は、流体の流れにより運ばれた物質が、誘電泳動力によって流体内で分離される。例えば、正常細胞からの癌細胞の分離、正常赤血球からの感染赤血球の分離、核酸の分離などの細胞混合物の分離に利用され得ることが開示されている。このように、いずれの方法においても、誘電泳動に基づく物質の検出、分析、または分離・選別を目的としており、対象試料の状態についての測定は行われていない。
誘電泳動に基づく対象試料の状態の測定としては、細胞の増殖活性の測定が行われている(箱田優ら、化学工学会 第69年会 研究発表講演予稿集、Q117、2004年および特開2005−224171号公報参照)。これらの文献では、細胞に作用する誘電泳動力と重力との釣り合いにより細胞を静止させることによって、細胞径に依存しない誘電特性を細胞活性の指標としている。すなわち、当該指標は直接的な細胞表面の情報を含んでいない。
In the fields of quality control of biological fine particles (cells, bacteria, cell membranes, etc.), activity measurement, medicinal efficacy determination, tailor-made medicine, etc., measurement of the state of biological fine particles is required. Usually, for measurement of the state of living microparticles such as life and death and activity, a measurement method using intracellular calcium ion concentration, cAMP concentration, extracellular micropH, cell membrane potential, etc. as an index; measuring oxygen, nutrition, or marker uptake A method of contact measurement of cell membrane tension with a needle or the like. However, the former two require a large number of cells and time, and furthermore, since a fluorescent substance or the like is used as a marker, it is difficult to reuse a sample once used for measurement. On the other hand, the latter affects the target sample because of direct contact.
It is known that the dielectrophoretic mobility has different values depending on the sample to be migrated. The sample is polarized by being placed in a non-uniform electric field from the outside, and a dielectrophoretic force is generated to move in a positive or negative direction with respect to the electrode. Dielectrophoresis can also be applied to uncharged samples and large samples. However, for a small sample, the dielectrophoretic force is reduced and the mobility is also reduced. Therefore, the sensitivity required for analysis could not be obtained, and there was no apparatus for observing the dielectrophoretic mobility itself.
In recent years, a method for identifying the presence and / or relative concentration of a specific type of particles in a fluid by determining dielectrophoretic properties and an apparatus therefor have been reported (see, for example, JP 2001-500262 A). ). In this method, a sample is injected into a chamber containing a multi-electrode array, and the internal electrodes are simultaneously excited at different frequencies. The multipole array housed in this chamber consists of a series of comb-like spaced electrodes, and the tip of the electrode is located near the common electrode, so the injected sample is between the electrodes. It can be moved freely. Therefore, when a single type of sample is injected into the chamber and different series of dielectrophoretic fields are simultaneously formed on each electrode, the particles in the sample liquid are preferentially concentrated on one electrode according to its dielectric properties. Will do. This particular frequency can be used as a characteristic frequency for different particle types and can be used, for example, to separate major particles from a solvent by dielectrophoresis. It is also possible to inspect the homogeneity of a sample purified to a single species. Alternatively, if the injected sample is a mixture, the relative concentration of the mixture of known particles can be determined from data and particle counts at the appropriate frequency for certain types of particles present in the mixture.
In addition, a dielectrophoresis method using a combined effect of a dielectrophoretic force by a quadrupole electrode and a flow velocity distribution in a capillary has been reported (see Japanese Patent Application Laid-Open No. 2001-242136). This shows that particles having no charge and particles having the same surface charge can be detected, measured, sorted or separated by an efficient and simple means depending on parameters such as dielectric constant and particle size. This method exceeds the limit of conventional electrophoretic particle separation, that is, separation of particles that cannot be electrophoresed (for example, DNA of 40 kbp or more), separation of non-charged substances, or surface charge. However, the main purpose is to detect, measure, sort, or separate the same substances, not to characterize or identify particles. In order to characterize particles using this capillary, it is necessary to repeatedly perform measurement with different frequencies, which requires a lot of labor and time.
Apart from these, an apparatus for characterizing or identifying a minute amount of particles present in a fluid using dielectrophoresis has been developed (see Japanese Patent Application Laid-Open No. 2004-212272). This device can be used, for example, to identify substances or particles present in a fluid or to analyze the homogeneity of a purified sample. The homogeneity (particle size and chemical composition) of the compounds sampled during the chemical process can also be monitored.
There is also an apparatus for measuring the activity of microorganisms based on an impedance value using dielectric characteristics due to alternating current (Japanese Patent Laid-Open No. 2003-224). When this apparatus is used, only viable bacteria are concentrated by dielectrophoresis, and the number of microorganisms is calculated from the impedance value between the electrodes. With this apparatus, it is possible to determine only the life and death of microorganisms, the activity itself (state) of microorganisms is not measured, and a large amount of sample is required for determination of life and death.
There are also methods that combine the frequency-dependent dielectric and conductive properties of particulate and dissolved materials with the use of the properties of suspension transport media to identify and separate materials (Tokuyo 2000-505545 and F). F. Becker et al., Proc. Natl. Acad. Sci. USA, 1995, 92, pp. 860-864). In this apparatus, substances carried by a fluid flow are separated in the fluid by dielectrophoretic force. For example, it is disclosed that it can be used for separation of a cell mixture such as separation of cancer cells from normal cells, separation of infected erythrocytes from normal erythrocytes, and separation of nucleic acids. As described above, in any of the methods, the purpose is to detect, analyze, or separate / select a substance based on dielectrophoresis, and the measurement of the state of the target sample is not performed.
As the measurement of the state of the target sample based on dielectrophoresis, cell proliferation activity is measured (Yu Hakoda et al., Chemical Engineering Society 69th Annual Conference Proceedings, Q117, 2004, and JP2005). -224171). In these documents, a dielectric property independent of the cell diameter is used as an index of cell activity by quiescing the cell by the balance between the dielectrophoretic force acting on the cell and gravity. That is, the index does not include direct cell surface information.

本発明は、誘電泳動によって微粒子の状態を測定する方法および該方法に用いるための装置を提供することを目的とする。
本発明は、微粒子の状態を測定する方法を提供し、該方法は、
微粒子を含む試料を誘電泳動液中に導入し、該微粒子の位置Rを測定する工程;
該誘電泳動液中の該微粒子に対して不均一電界を発生させ、t秒後の該微粒子の位置Rを測定する工程;
該得られた微粒子の位置RおよびRから、誘電泳動移動度を算出する工程;および
該状態と該算出された誘電泳動移動度とを相関させる工程;
を含み、
該状態が、表面の官能基の構造、表面の特異性、表面の電位、大きさ、形状、活性、内部のイオン量分布、内部のイオン成分、内部の組成、および内部の構造からなる群より選択される少なくとも1つである。
1つの実施態様では、上記不均一電界は多重極電極により発生され、該多重極電極は対称に配置されている。
さらなる実施態様では、上記誘電泳動液が、垂直方向に配置された内径10μmから500μmのキャピラリー流路内にあり、そして上記電極は、0.1mmから2mmの長さであって、該キャピラリー流路に沿って配置される。
さらなる実施態様では、上記電極の表面は、上記キャピラリー流路の内部に露出し、そして該電極を支持する壁は、該キャピラリー流路から隔離されている。
他の実施態様では、上記微粒子は生体微粒子である。
ある実施態様では、上記測定は、複数の微粒子について行われる。
さらなる実施態様では、上記複数の微粒子の大きさおよび構造は同じである。あるいは、上記複数の微粒子の状態は異なっている。
1つの実施態様では、該方法は、上記相関させる工程の後に、
上記複数の微粒子の状態について比較する工程;
をさらに含む。
好適な実施態様では、上記状態は活性であり、そして上記相関させる工程によって該活性が評価される。
別の実施態様では、該方法は、上記微粒子の位置Rを測定する工程の後に、
該微粒子に刺激を与える工程;
該刺激を受けた微粒子の位置Rを測定する工程;および
該得られた微粒子の位置RおよびRから、誘電泳動移動度を算出する工程;
をさらに含む。
さらに別の実施態様では、上記微粒子を含む試料に、予め刺激が与えられている。
ある実施態様では、上記刺激は薬液添加である。より好適には、薬液の添加量が異なっている。
さらなる実施態様では、上記生体微粒子は、ヒト細胞であり、肝臓由来細胞であり得る。
1つの実施態様では、上記誘電泳動液への前記試料の導入は、インクジェットデバイス、キャピラリー、ピペット、ピンセット、またはディスペンサーを用いて行われる。
ある実施態様では、上記不均一電界の強度および周波数を、時間または試料の挙動に応じて変化させる。
ある実施態様では、該方法は、上記位置RまたはRを測定した後に、上記微粒子を含む試料を排出する工程をさらに含む。
ある実施態様では、該方法は、上記誘電泳動移動度に基づいて状態を解析する工程をさらに含む。
1つの実施態様では、上記状態は、上記微粒子の表面構造または官能基である。
本発明はまた、上記のいずれかに記載の微粒子の状態を測定する方法に用いるための誘電泳動装置を提供し、該装置は、
流路;
該流路に備えられた、不均一電界を発生させるための不均一電界発生手段;および
該流路中の微粒子の位置を測定する手段;
を備え、
該不均一電界発生手段は、該微粒子の状態の測定に十分な強度の電界を発生し得る。
1つの実施態様では、上記不均一電界発生手段は、多重極電極であり、該多重極電極は、同心円状対称性を有する不均一電界を発生するように対称に配置される。
ある実施態様では、上記装置は、さらに、上記測定した微粒子の位置から誘電泳動移動度を計算して、該誘電泳動移動度から該微粒子の状態を計算するための手段を備える。
本発明によれば、誘電泳動移動度から微粒子の表面特性および内部構造などの微粒子の状態を一体的に測定することが可能である。例えば、誘電泳動により得られる細胞径に依存する誘電特性は、細胞表面の情報も含むため、細胞内部だけでなく、細胞表層の状態を識別できる。本発明の方法によれば、大量の試料を必要とせずに、微粒子1個体の分析が可能であり、分析速度も速い。さらに、データベースを作成すると、微粒子の同定が可能となり、物質の推定(判別)可能となる。また、マーカー物質の添加、接触による損傷などがないため、分析に供した試料を再利用でき、分析に供した微粒子をさらなる精密分析に供することもできる。したがって、品質管理にも適用可能である。
An object of the present invention is to provide a method for measuring the state of fine particles by dielectrophoresis and an apparatus for use in the method.
The present invention provides a method for measuring the state of microparticles, the method comprising:
Introducing a sample containing fine particles into the dielectrophoresis solution and measuring the position R 0 of the fine particles;
Generating a non-uniform electric field for the fine particles in the dielectrophoresis solution and measuring the position R t of the fine particles after t seconds;
Calculating dielectrophoretic mobility from the positions R 0 and R t of the obtained fine particles; and correlating the state with the calculated dielectrophoretic mobility;
Including
The state is a group consisting of the structure of the functional group on the surface, the surface specificity, the surface potential, the size, the shape, the activity, the internal ion content distribution, the internal ion component, the internal composition, and the internal structure. At least one selected.
In one embodiment, the non-uniform electric field is generated by a multipole electrode, and the multipole electrodes are arranged symmetrically.
In a further embodiment, the dielectrophoresis solution is in a vertically arranged capillary channel with an inner diameter of 10 μm to 500 μm, and the electrode is 0.1 mm to 2 mm in length, the capillary channel It is arranged along.
In a further embodiment, the surface of the electrode is exposed to the inside of the capillary channel and the wall supporting the electrode is isolated from the capillary channel.
In another embodiment, the microparticle is a bioparticle.
In one embodiment, the measurement is performed on a plurality of microparticles.
In a further embodiment, the plurality of microparticles have the same size and structure. Alternatively, the states of the plurality of fine particles are different.
In one embodiment, the method comprises: after the correlating step,
Comparing the states of the plurality of fine particles;
Further included.
In a preferred embodiment, the condition is active and the activity is assessed by the correlating step.
In another embodiment, the method comprises the step of measuring the position R t of the microparticle,
Stimulating the microparticles;
Measuring a position R s of the stimulated microparticle; and calculating a dielectrophoretic mobility from the position R t and R S of the obtained microparticle;
Further included.
In yet another embodiment, the sample containing the microparticles is prestimulated.
In one embodiment, the stimulus is a chemical addition. More preferably, the amount of the chemical solution added is different.
In a further embodiment, the biological microparticle is a human cell and may be a liver-derived cell.
In one embodiment, the introduction of the sample into the dielectrophoresis solution is performed using an inkjet device, a capillary, a pipette, tweezers, or a dispenser.
In one embodiment, the intensity and frequency of the non-uniform electric field are varied depending on time or sample behavior.
In one embodiment, the method further includes discharging the sample containing the microparticles after measuring the position R t or R S.
In one embodiment, the method further comprises analyzing the state based on the dielectrophoretic mobility.
In one embodiment, the state is a surface structure or a functional group of the fine particles.
The present invention also provides a dielectrophoresis device for use in any of the above-described methods for measuring the state of fine particles,
Flow path;
Means for generating a non-uniform electric field provided in the flow path; and means for measuring the position of the fine particles in the flow path;
With
The non-uniform electric field generating means can generate an electric field having a strength sufficient for measuring the state of the fine particles.
In one embodiment, the non-uniform electric field generating means is a multipole electrode, and the multipole electrodes are arranged symmetrically so as to generate a non-uniform electric field having concentric symmetry.
In one embodiment, the apparatus further comprises means for calculating dielectrophoretic mobility from the measured positions of the microparticles and calculating the state of the microparticles from the dielectrophoretic mobility.
According to the present invention, it is possible to integrally measure the state of fine particles such as the surface characteristics and internal structure of the fine particles from the dielectrophoretic mobility. For example, since the dielectric properties depending on the cell diameter obtained by dielectrophoresis include information on the cell surface, not only the inside of the cell but also the state of the cell surface layer can be identified. According to the method of the present invention, it is possible to analyze one individual fine particle without requiring a large amount of sample, and the analysis speed is high. Furthermore, if a database is created, it is possible to identify fine particles and estimate (discriminate) substances. Moreover, since there is no addition of a marker substance or damage due to contact, the sample subjected to the analysis can be reused, and the fine particles subjected to the analysis can be subjected to further precise analysis. Therefore, it can be applied to quality control.

図1は、本発明に用いる誘電泳動装置の構成を模式的に示す上断面図である。
図2は、本発明に用いる誘電泳動装置の構成を模式的に示す横断面図である。
図3は、異なる条件下で培養した各細胞の移動距離の経時変化を示すグラフである。
図4は、ヨーグルト菌および酵母菌についての、印加周波数と誘電泳動移動度との関係を示すグラフである。
図5は、栄養培地中でのHepG2細胞を放置した場合の、細胞の移動距離の経時変化を示すグラフである。
図6は、栄養培地または貧栄養培地中にHepG2細胞を放置した場合の、細胞の誘電泳動移動度の時間変化を示すグラフである。
図7は、ドキソルビシン濃度と細胞の誘電泳動移動度αとの関係を示すグラフである。
図8は、ドキソルビシンのEC50値に基づいて、α値を規格化した場合のドキソルビシン濃度と細胞の誘電泳動移動度αとの関係を示すグラフである。
図9は、細胞の誘電泳動移動度α値から推定した、種々の抗癌剤のEC50値を示すグラフである。
図10は、各ウェルに由来する個々の細胞のα値と、各ウェルの細胞内Ca2+流入(A)およびATPアーゼ活性(B)との関係を示すグラフである。
図11は、各リポソームについて得られた移動距離の経時変化を示すグラフである。
FIG. 1 is a top sectional view schematically showing the configuration of a dielectrophoresis apparatus used in the present invention.
FIG. 2 is a cross-sectional view schematically showing the configuration of the dielectrophoresis apparatus used in the present invention.
FIG. 3 is a graph showing the change over time of the moving distance of each cell cultured under different conditions.
FIG. 4 is a graph showing the relationship between applied frequency and dielectrophoretic mobility for yogurt bacteria and yeast.
FIG. 5 is a graph showing the change over time of the cell movement distance when the HepG2 cells are left in the nutrient medium.
FIG. 6 is a graph showing the change over time of the dielectrophoretic mobility of cells when HepG2 cells are left in a nutrient medium or an oligotrophic medium.
FIG. 7 is a graph showing the relationship between doxorubicin concentration and cell dielectrophoretic mobility α.
FIG. 8 is a graph showing the relationship between doxorubicin concentration and cell dielectrophoretic mobility α when the α value is normalized based on the EC 50 value of doxorubicin.
FIG. 9 is a graph showing EC 50 values of various anticancer agents estimated from the dielectrophoretic mobility α value of cells.
FIG. 10 is a graph showing the relationship between the α value of individual cells derived from each well and the intracellular Ca 2+ influx (A) and ATPase activity (B) in each well.
FIG. 11 is a graph showing the change over time of the travel distance obtained for each liposome.

本発明において、「微粒子」とは、約1nm〜約1mmのサイズを有する無機微粒子、有機微粒子、生体微粒子などの種々の微粒子をいう。このような微粒子としては、シリカ、アルミナなどの無機金属酸化物;金、チタン、鉄、ニッケルなどの金属;シランカップリング処理などの操作によって官能基が導入された無機金属酸化物;アガロース、セルロース、不溶性デキストランなどの多糖類;ポリスチレンラテックス、スチレン−ブタジエン共重合体、スチレン−メタクリル酸共重合体、アクロレイン−エチレングリコールジメタクリレート共重合体などのポリマー粒子;微生物(酵母、細菌、ウイルス)、細胞(赤血球、白血球、ウイルス感染細胞など)、糖、核酸(DNA、RNAなど)、タンパク質(酵素など)、脂質などの生体微粒子などが挙げられる。例えば、ラテックスビーズなどの非生体粒子が、微生物、細胞、ウイルス、プラスミドなどの生体物質、あるいは化学活性種と結合していてもよくもしくはこれらによって被覆されていてもよい。生体微粒子は、血清、血漿、髄液、滑液、リンパ液などの体液、または尿、糞便のような排泄物などの生体由来試料の処理物であってもよい。このような処理物は、好適には水や緩衝液などで適宜希釈、溶解、または懸濁されている。生体微粒子には、化学的に合成されたものも包含される。
本発明において、「微粒子の状態」とは、微粒子の表面特性のみならず、内部の組成、内部の構造などを含めた微粒子の総合状態をいう。表面特性とは、表面構造(官能基の構造、特異性など)、大きさ、誘電率、導電率、表面電荷、形状などをいう。内部の組成および内部の構造とは、微粒子の活性、微粒子内部のイオン量分布、イオン成分、粒子の密度、物理的構造などをいう。総合状態とは、これらの表面特性や内部構造などを含む微粒子の総合的な状態をいう。すなわち、微粒子の構成物の組成および分布によって微粒子表面に生じる電位と、微粒子から放出される物質および溶媒のイオンにより形成される電位が重ね合わされて作成される微粒子外部の電位とによる、総合状態を示す。例えば、微粒子が細胞である場合、その状態とは、細胞の生死、活性、親和性などであり得る。
微粒子の状態は、活性や構造によって相対電位が異なるため、誘電泳動移動度を測定することによって一体的に測定することができる。また、外形が変化することによって、溶媒から受ける力が変化して誘電泳動移動度が影響を受けるので、外形的な状態変化の測定も可能である。具体的には、次のとおりである。交流電場印加によって印加電場と微粒子とが形成する電荷(電位状態)によって微粒子が泳動される。この泳動力に関与する電位は、電場印加最初期には表面電位のみであるが、時間を経るとともに微粒子内部も分極されることによって独自の電場を作成し、微粒子外部においても、微粒子に起因する電荷および溶媒に起因する電荷が移動し、独自の電場を形成する。そのため、泳動力に影響を及ぼす電位は、これらの電場の重ね合わせによって作られる総体の電位となる。したがって、誘電泳動を観察することによって微粒子表面、微粒子内部、および微粒子外部の状態を一体的に測定することが可能となる。
例えば、細胞において、細胞壁に分布する官能基は一定ではなく、細胞の発生および成長の度合いにより、官能基の分布や種類も変化する。また、細胞膜自体や細胞膜の特異性(選択透過性、選択吸着性など)も、細胞の活性とともに変化する。したがって、細胞に電位をかけると、その誘電泳動移動度により細胞の状態(例えば、活性)の変化を読み取ることができる。
ところで、従来は、多くの誘電泳動装置において、個別粒子の詳細測定を良好に行うことが困難であった。一般的な誘電泳動装置では、一様に強度が変化する不均一電場が形成されないため、粒子の経路によって誘電泳動力が異なり、最終的な泳動距離が変わってくる。このため、粒子の泳動経路を把握することが困難であった一般的な誘電泳動装置では、粒子の状態をあらわす線形パラメータが得られないため、個別の状態を測定することはできなかった。また、このような装置では、電極間距離が大きいこと、試料に対して十分に一様な電界をかけることができないことなどのため、電場強度が弱く、個別粒子に対する測定精度が悪く、詳細な粒子の状態を測定することができなかった。
具体的には、DNAなどのナノメートルオーダーの生体微粒子では、大きさに対して微粒子自体の持つ電荷に大きな差が生じるので、このような装置においても比較的測定しやすい。一方、細胞などのマイクロメートルオーダーの生体微粒子では、大きさに対する比率的には電荷的には類似すると考えられている。そのため、個々の状態を調べるためには、大きな感度を得るために十分強力な泳動電場が必要である。しかし、電極間距離が大きいと十分な電場を印加するために、大きな電圧が必要となり電気分解が生じる。また、従来の多くの誘電泳動装置で使われているような、試料よりも小さい2次元電極は、試料に十分に一様な電界を掛けることができないため、電極間距離が小さい場合であっても、結果的に十分な泳動力を印加することができない。さらに、弱い電場に起因する長時間測定(例えば、10分以上)は、生体試料に大きな負荷がかかるため、測定中に試料の劣化をまねき、結果精度の良い測定を困難にする。
誘電泳動においては、対象試料を浮遊させる必要がある。誘電泳動力で浮遊させる場合は、垂直方向(z軸方向)に対して電界が均一でないため、z軸の位置に応じて泳動力が異なる。また、重力などとの外力で釣り合いをとることにより浮遊させる場合は、うまく釣り合いが取れた場合にしか測定ができない。不均一電場の分布が不明である場合には、測定のための十分な線形なパラメータを得ることができない。さらに、H.Wataraiら(Langmuir,1997年,13巻,8号,pp.2417−2420)、H.Wataraiら(Chem.Lett.,1998年,3号,pp.279−280)、S.Tsukaharaら(Langmuir,2000年,16巻,p.3866)、およびI.Ikedaら(Anal.Sci.,2003年,19巻,pp.27−31)に記載のような平面四重極の場合は、上記の電場強度の問題があり、また3次元四重極の場合も、重力の影響を排除するために、試料と溶液との密度を同等にして浮遊させているため、試料ごとに溶液を調整する必要があり、個々の試料を同条件で比較することは困難である。また、水平な数十mmの長さのキャピラリーを使用しているため、リアルタイムの粒子移動観察には複数のカメラを必要とし、一基のみのカメラでは、端面のみしか観察できない。
このような問題点は、本発明によって解決される。すなわち、対称な3次元多重極電極および垂直方向に配置したマイクロキャピラリーを使用することによって、位置依存性のない誘電泳動移動度αで線形的に高感度で試料の状態を評価することが可能となった。
本発明において、微粒子の誘電泳動移動度は、以下の式中のαで表される:
logR=logR+αt
ここで、円座標の中心をR=0とし、誘電泳動開始位置はR、そしてt秒後の中心からの距離はRで表される(図1を参照のこと)。距離は、好ましくは、不均一電界発生手段が設けられている面における水平距離である。あるいは、試料の重力による沈降速度や泳動液の流速を考慮して、試料の移動速度(移動時間)を解析することも可能である。
例えば、四重極電極を用いる場合、誘電泳動力〈FDEP〉は、以下の式で表される:
〈FDEP〉=2πβεdep Re[Ke]∇|Erms
ここで、βは装置係数、rdepは粒子半径、εは媒体の誘電率、およびRe[Ke]はClausius−Mossotti因子の実数部である。したがって、誘電泳動力は、
〈FDEP〉 ∝ ∇|Erms
であり、∇|Ermsに比例する。
四重極の場合には、電場は、∇|Erms=2RV rms/d(ここで、Vは印加電圧であり、dは電極間距離である)となる。したがって、粘性との釣り合いにより、
st=6πηrdR/dt=〈FDEP〉=2πβεdep Re[Ke]2RV rms/d
ここで、ηは溶媒の粘性、およびRはキャピラリー中心Rよりの距離である。両辺をRで除すると、
1/R dR/dt=2πβεdep Re[Ke]2V rms/d=α
となる。この式の右辺は、装置および測定条件によって一義的に決定されるため、αとし、積分すると、
lnR=αt+C(ここで、Cは積分定数)
となる。ここで、泳動開始時(t=0)の試料の位置をRとすると、
lnR=C
となるので、
lnR=αt+lnR
となる。
このように、誘電泳動移動度αは、位置依存性がないため、泳動開始位置および終了位置のみで簡便に評価可能である。
誘電泳動移動度は、一般的に、誘電泳動装置を用いて測定される。微粒子の状態の測定に十分な強度の電界を発生できる誘電泳動装置であれば、特に限定されない。通常、誘電泳動装置は、流路、該流路に備えられた不均一電界を発生させるための不均一電界発生手段、および該流路中の微粒子の位置を測定する手段を備える。ここで、流路とは、微粒子を含む液体の通路であって、不均一電界発生手段を備え、入口および出口を有する室部分をいう。
誘電泳動装置は、図1の上断面図および図2の横断面図に示すように、例えば、キャピラリーなどの流路の内部または外部に、不均一電界発生手段として少なくとも一対の電極を備える。
流路がキャピラリーである場合、キャピラリーの内径は、通常、100nm〜5mmであり、好ましくは10μm〜1mm、より好ましくは10μm〜500μmである。キャピラリーの材質は、絶縁性物質(非導電性物質)であることが好適である。なお、キャピラリーの長さは、通常、約0.1〜5mm程度、より好ましくは0.1mm〜2mmである。複数の流路が1つの基板上に配置され、ワンチップ化されていてもよい。本発明においては、流路は垂直方向に配置されることが好ましい。
流路内に設けられる電極自体の幅も、流路の内径に応じて、太くても、ワイヤーのように細くても差し支えない。負の誘電泳動力を受ける試料が集合する部位およびその上下方向に電極が存在しないような電極構造をとればよい。電極の形状は、電極間に空間的に不均一な電界を形成し得るものであればよい。電極は、多重極電極であることが好ましく、電極数は、四重極に限らず、二重極や八重極でもよい。各電極の断面形状は、その電極断面の境界がラプラス方程式を満足する関数f(x,y)で表されるように形成されていることが好ましい。例えば、四重極、六重極、および八重極の場合、それぞれ、f(x,y)は、a(x−y)+bxy、a(x−3xy)+b(y−3xy)、およびa(x−6x+y)+b(xy−xy)で表される。ここで、aおよびbは定数である。具体的には、例えば四重極の場合は、ほぼ双曲線状であることが好ましい。形成される不均一電界は、流路の中心軸または中心部に対して対称であることが好ましい。より好ましくは、多重極電極は、同心円状対称性を有する不均一電界を発生するように対称に配置される。さらに、電極は、キャピラリー流路に沿って、すなわち、垂直方向に配置されることが好ましい。
本発明においては、電極は、四重極電極であることが好ましい。多重極電極の中でも四重極電極については電場が十分に解析されており、上記のように誘電泳動移動度であるα値のみの測定によって、状態を測定することが可能である。なぜなら、通常の電極構造によって発生される不均一電場で実測される移動度はテンソル量になるので、位置時間依存的であるからである。すなわち、四重極電極のように電場に対称性がある場合は、α値は(厳密には、動径方向に対して)スカラー量となるため、その取り扱いが容易である。本発明においては、通常、キャピラリーなどのマイクロスケールで誘電泳動が行われるため、重力の影響によるz軸方向の移動度を無視することができ、α値は近似的にスカラー量として取り扱われ得る。例えば、長さ500μm〜1mmの電極をキャピラリーに沿って垂直方向(z軸に平行)に配置すると、試料がz軸方向に移動しても電場形状が変わらず誘電泳動力に変化がない。また、z軸方向への移動を許すために試料を浮遊させる必要がなく、誘電泳動液への自由度も高く、同条件で試料の比較を行うことが可能である。さらに、電極方向(Z軸に対して垂直な平面)への外力が働いていないため、試料が電極へ付着し、あるいは有効測定範囲へ移動しそうになっても、電圧印加を停止するだけで試料の移動を止めることができる。試料の位置、外力などの釣り合いを考える必要がない。
電極は、例えば、炭素や貴金属の導電性物質からなり、その構造は誘電泳動力が流路の中心軸に対して垂直な方向に不均一電場を生じるものであればよい。電極の直径は分析すべき微粒子に応じて異なる。通常、直径100nm〜5mmであり、好ましくは10μm〜1mmである。電極の長さは、通常、上記流路の長さと同様であり得る。電極と電極との間隔は、微細加工精度に依存し、通常500μm以下0.1μm以上、好ましくは75μm以下1μm以上である。各流路に配置された多重極電極の直径および間隔は、例えば、ウイルス、プリオン、タンパク質、DNAのような生体微粒子、被覆されたラテックスビーズのような化学的活性粒子などの、測定対象微粒子に応じて変更することも可能である。電極間距離が測定対象物質のサイズに比べて著しく大きいと、十分な電界強度の不均一電界を形成することができない。なお、本発明においては、測定対象微粒子は、流路に導入された時点での流路の中心軸からの距離は異なる。
また、電極の表面は、キャピラリー流路の内部に露出し、そしてこの電極を支持する壁は、該キャピラリー流路から隔離されていることが好ましい。電極を支える壁をキャピラリー流路より十分離すことによって、強くかつ歪みの少ない電場を形成することができる。これは、電極とキャピラリーとの間に非導電性物質が存在すると、この物質が誘電体となり電界を弱めるため、電極を支持する壁とキャピラリー流路との距離をとるなどの手段で電気的に隔離されていない場合には、分極し誘電体となって電場に影響を与え、電場を歪めるためである。強い電場が形成されると、強い電場によって高速泳動され、数十秒から数分の短時間測定が可能となり、試料の劣化を防ぎ、高精度に測定できる。
本発明においては、不均一電界発生手段は、微粒子の状態の測定に十分な強度の電界を発生できなければならない。ここで、十分な強度の電界とは、測定対象微粒子のブラウン運動、熱運動(分子運動)などの内的要因、あるいは測定装置の振動、泳動用液体の乱れによる流れなどの外的要因による惑乱に対して、測定対象微粒子が十分に大きな誘電泳動移動度を有する強度、すなわちS/Nが高くなる強度をいう。ただし、誘電泳動移動度は、測定対象微粒子の誘電率、サイズ、泳動用液体などに依存するので、必要な電界の絶対的な強度を定めることはできない。したがって、流路内に形成される電界の強度は、測定対象微粒子に応じて適宜決定され得る。
流路内に形成される電界の強度は、例えば、通常3.5MV/m以下、好ましくは1.0MV/m以下である。印加周波数は通常10Hz〜100MHz、より好ましくは100Hz〜10MHzである。本発明において、形成される電界は、直流電界および交流電界のいずれでもよいが、交流電界が好ましい。電界強度を強くすると、発熱により分析が困難になる場合がある。このような可能性がある場合には、電極部分を適宜冷却するなどすればよい。また、不均一電界の強度および周波数は、時間または試料の挙動に応じて変化させてもよい。
代表的な四重極電極の場合、印加する交流電圧は、通常2〜90V、好ましくは1〜20Vであり、そして周波数は、通常10Hz〜100MHz、好ましくは100Hz〜10MHzである。
試料を、例えば、流路の入口側に設けられた液溜め部分に置き、流路出口側からポンプなどで吸引することによって、流路内に導入させてもよい。あるいは、インクジェットデバイス、キャピラリー、ピペット、ピンセット、ディスペンサーなどを用いて流路に試料を注入してもよく、この場合、インクジェットデバイスが好ましい。インクジェットデバイスの吐出口は、流路入口の上部に配置され、その位置は、流路の中心軸に沿って試料を注入できるように調整され得る。
試料が流路の壁面または電極に付着するのを防ぐために、例えば、流路の内表面全体が、親水性膜または生体親和性膜で被覆されていることが好ましい。
誘電泳動液は、例えば、シリンジポンプ、インクジェットデバイスなどによって誘電泳動装置に導入され、あるいは駆動される。誘電泳動液の導入手段または駆動手段と流路とは、例えばチューブなどで連通されている。気泡の発生を防ぐために、誘電泳動液は、予め脱泡されていることが好ましい。
流路中の微粒子の中心からの距離(すなわち、位置)および位置変化は、流路中の微粒子を検出できる任意の測定手段によって測定される。このような測定手段としては、例えば、電荷結合デバイス(CCD)カメラ、共焦点レーザー顕微鏡、蛍光顕微鏡などが挙げられる。CCD観察手段としては、可視光、蛍光光、位相干渉、微分干渉などによる観察が可能である。これらのような検出デバイスを流路が設けられているチップの下部に配置し、流路内を観察できる。このように、下部より一基のみのカメラでキャピラリー全体を観察することができるので、どこの位置の試料も測定可能である。また、通常の光学顕微鏡を用いた場合も、流路内に焦点を合わせ、微粒子の位置を測定することが可能である。流路断面内の挙動を全高さで観察してもよい。すなわち、高さ位置でのスキャンまたは焦点の移動により、流路内の全位置を観察することが可能である。
得られたデータより誘電泳動移動度を計算し、それによって状態を計算するための手段を備えてもよい。このような手段としては、コンピュータが挙げられる。具体的には、測定された位置変化は、流路への印加周波数と共にコンピュータに記憶される。コンピュータは、測定した位置から、上記の式に基づいて誘電泳動移動度を算出する。必要に応じて、不均一電界を発生させるための高周波電界周波数の関数としてスペクトル化する手段を備えてもよい。スペクトル化するためには、種々の周波数によるデータが必要であるため、同時に異なる周波数における位置変化が測定可能な複数の流路が備えられている装置を用いること好ましい。得られたデータは、周波数依存性を示す誘電泳動移動度スペクトルとして出力され得る。
複数の流路のそれぞれに印加した種々の周波数とその流路中の微粒子の誘電泳動移動度とを、データとしてコンピュータに取り込むことにより、微粒子の誘電泳動移動度を示した周波数スペクトルを得ることができる。あるいは、種々の微粒子の種々の状態について取得したデータをコンピュータによって集積し、データベース化することも可能である。
未知の状態の微粒子について誘電泳動移動度または誘電泳動移動度スペクトルを測定した場合、得られた誘電泳動移動度またはスペクトルを、コンピュータを用いてこのデータベース中の既知の微粒子の状態の誘電泳動移動度または周波数スペクトルと照合することにより、微粒子の状態の同定を行うことができる。誘電泳動装置は、このような照合のための手段を備えていてもよい。
本発明の方法は、通常、このような誘電泳動装置を用いて微粒子の状態を測定する方法であり、
微粒子を含む試料を誘電泳動液中に導入し、該微粒子の位置Rを測定する工程;
該誘電泳動液中の該微粒子に対して不均一電界を発生させ、t秒後の該微粒子の位置Rを測定する工程;
該得られた微粒子の位置RおよびRから、誘電泳動移動度を算出する工程;および
該状態と該算出された誘電泳動移動度とを相関させる工程;
を含む。このように相関させることによって、誘電泳動移動度に基づいて状態を解析することができる。
具体的には、例えば、以下のような手順で測定が行われ得る。
まず、測定すべき微粒子に適合した媒体を誘電泳動液として選定する。媒体としては水が好ましいが、これに限定されるものではなく、各種の有機または無機の溶媒を使用することができる。媒体はそのまま使用してもよく、微粒子との関係において、導電率、密度、浸透圧、pHなどを調整して使用することが好ましい。しかし、交流電場に支障がある物質の添加は好ましくない。
次いで、予め上記媒体で満たした流路内または上部液溜めに、測定すべき微粒子を含む試料を導入する。ポンプによって流れを起こすか、あるいは沈降させることによって、微粒子を電極が備えられた所定の位置に移動させる。
所定の位置に配置された試料を、上記の位置を測定する手段、例えば、CCDカメラ、レーザー、電磁気的測定手段などで観察し、コンピュータに記憶させる。
次いで、静止状態の試料に交流電場を印加し、試料中の微粒子の挙動を上記手段で観察し、コンピュータに記憶させる。必要に応じて、泳動中に交流電場強度または周波数を変化させてもよい。観察結果に応じて、例えば、試料の位置データおよび流れがある場合は、電極出口通過時間を得る。
観察終了とともに、上記の吸引手段によって試料を流路出口から排出させる。得られたデータについて、試料形状、位置、流れ、電場分布、電極形状などによりデータ補正が行われる。補正したデータに基づいて、誘電泳動移動度が算出される。また、初期加速度、速度変化などにより、対象微粒子の状態について、詳細に解析が行われ得る。各周波数に対するプロファイルを作成し、詳細な状態分析が行われる。
あるいは、泳動前または泳動中の微粒子に対して、刺激(電気的、物理的、薬物的)を与えることが可能である。このような刺激を与えるための手段としては、例えば、微粒子を含む試料に薬物をピペットやインクジェットデバイスなどにより滴下する手段;微粒子を含む試料を刺激用デバイス内に配置する手段;微粒子を含む試料を含む容器に端子など挿入する手段;流路系または壁面に薬物滴下用パイプ、電極、またはアンテナを差し込む手段などが挙げられる。このような刺激を与えるための手段により、分析前および分析中に微粒子に対して刺激を与える。あるいは、電磁的刺激や衝撃などは、流路の外部からの照射などによって刺激を与えることができる。
この場合、本発明の方法は、例えば、上記微粒子の位置Rを測定する工程の後に、
該微粒子に刺激を与える工程;
該刺激を受けた微粒子の位置Rを測定する工程;および
該得られた微粒子の位置RおよびRから、誘電泳動移動度を算出する工程;
をさらに含む。これらのデータについても、詳細に解析が行われ、状態分析が行われる。
複数の流路が設置されている場合は、条件を変更した測定を逐次または同時に実行することが可能である。また、同一流路内の1回の測定で、複数の試料(微粒子)の測定が可能である。
本発明の方法は、位置RまたはRを測定した後に、上記微粒子を含む試料を排出する工程をさらに含んでもよい。すなわち、必要に応じて、算出されたデータに基づいて、微粒子を分別し、排出された微粒子を再利用することもできる。また、微粒子の状態について得られたデータを集積して、データベースが作成され得る。個々の微粒子の測定データを、得られたデータベースと照合することにより、微粒子を特徴付けることも可能である。
例えば、大きさおよび構造が同じである複数の微粒子について測定を行って、それらの状態を同定または特徴付けてもよい。あるいは、大きさおよび構造が同じであるが状態が異なっている複数の微粒子について、それぞれの状態を比較することもできる。このような微粒子として、細胞のような生体微粒子が挙げられ、例えば、それらの個々の活性を、得られた測定結果の比較によって評価することもできる。
In the present invention, the term “fine particles” refers to various fine particles such as inorganic fine particles, organic fine particles, biological fine particles having a size of about 1 nm to about 1 mm. Examples of such fine particles include inorganic metal oxides such as silica and alumina; metals such as gold, titanium, iron and nickel; inorganic metal oxides into which functional groups are introduced by an operation such as silane coupling treatment; agarose and cellulose , Polysaccharides such as insoluble dextran; polymer particles such as polystyrene latex, styrene-butadiene copolymer, styrene-methacrylic acid copolymer, acrolein-ethylene glycol dimethacrylate copolymer; microorganism (yeast, bacteria, virus), cell (Red blood cells, white blood cells, virus-infected cells, etc.), sugars, nucleic acids (DNA, RNA, etc.), proteins (enzymes, etc.), biological fine particles such as lipids, and the like. For example, non-biological particles such as latex beads may be bound to or coated with biological materials such as microorganisms, cells, viruses, plasmids, or chemically active species. The biological fine particles may be a body fluid such as serum, plasma, cerebrospinal fluid, synovial fluid, lymph fluid, or a processed product of a biological sample such as excrement such as urine and feces. Such a processed product is suitably diluted, dissolved, or suspended as appropriate with water or a buffer solution. Biological fine particles include those chemically synthesized.
In the present invention, the “fine particle state” means not only the surface characteristics of the fine particles but also the total state of the fine particles including the internal composition, internal structure and the like. Surface characteristics refer to surface structure (functional group structure, specificity, etc.), size, dielectric constant, electrical conductivity, surface charge, shape, and the like. The internal composition and internal structure refer to the activity of the fine particles, the ion amount distribution inside the fine particles, the ionic component, the density of the particles, the physical structure, and the like. The overall state refers to the overall state of fine particles including these surface characteristics and internal structure. That is, the total state of the electric potential generated on the surface of the fine particle due to the composition and distribution of the composition of the fine particle and the potential outside the fine particle created by superimposing the potential formed by the substance released from the fine particle and the solvent ions. Show. For example, when the microparticle is a cell, the state may be cell life / death, activity, affinity, and the like.
Since the relative potential varies depending on the activity and structure, the state of the fine particles can be integrally measured by measuring the dielectrophoretic mobility. Further, since the force received from the solvent is changed due to the change in the outer shape, the dielectrophoretic mobility is affected, so that the change in the outer state can also be measured. Specifically, it is as follows. The fine particles are migrated by an electric charge (potential state) formed by the applied electric field and the fine particles by applying the alternating electric field. The electric potential involved in the electrophoretic force is only the surface potential in the initial stage of electric field application. However, the electric field is created by the polarization of the inside of the fine particles as time passes. Charges and charges due to the solvent move and form a unique electric field. Therefore, the potential that affects the electrophoretic force is the total potential created by the superposition of these electric fields. Therefore, by observing the dielectrophoresis, it is possible to integrally measure the surface of the fine particle, the inside of the fine particle, and the outside of the fine particle.
For example, in a cell, the functional group distributed on the cell wall is not constant, and the distribution and type of the functional group changes depending on the degree of cell generation and growth. In addition, the cell membrane itself and the specificity of the cell membrane (selective permeability, selective adsorption, etc.) change with the activity of the cell. Therefore, when a potential is applied to a cell, a change in the state (for example, activity) of the cell can be read based on the dielectrophoretic mobility.
By the way, conventionally, in many dielectrophoresis apparatuses, it has been difficult to perform detailed measurement of individual particles satisfactorily. In a general dielectrophoresis apparatus, since a non-uniform electric field whose intensity varies uniformly is not formed, the dielectrophoretic force varies depending on the particle path, and the final migration distance changes. For this reason, in a general dielectrophoresis apparatus in which it is difficult to grasp the migration path of particles, it is not possible to measure individual states because a linear parameter representing the state of particles cannot be obtained. Also, in such an apparatus, the electric field strength is weak, the measurement accuracy for individual particles is poor, because the distance between the electrodes is large, and a sufficiently uniform electric field cannot be applied to the sample. The state of the particles could not be measured.
Specifically, in the case of biological microparticles of nanometer order such as DNA, there is a large difference in the charge of the microparticles itself with respect to the size, so that even such an apparatus is relatively easy to measure. On the other hand, biological microparticles such as cells, which are in the order of micrometers, are considered to be similar in terms of charge in proportion to size. Therefore, in order to examine individual states, a sufficiently strong electrophoretic electric field is necessary to obtain a large sensitivity. However, when the distance between the electrodes is large, in order to apply a sufficient electric field, a large voltage is required and electrolysis occurs. In addition, a two-dimensional electrode smaller than the sample, which is used in many conventional dielectrophoresis apparatuses, cannot apply a sufficiently uniform electric field to the sample, so that the distance between the electrodes is small. However, as a result, a sufficient migration force cannot be applied. Further, long-time measurement (for example, 10 minutes or more) caused by a weak electric field places a heavy load on the biological sample, which causes deterioration of the sample during measurement and makes it difficult to measure with high accuracy.
In dielectrophoresis, it is necessary to float the target sample. When floating with a dielectrophoretic force, since the electric field is not uniform in the vertical direction (z-axis direction), the electrophoretic force varies depending on the position of the z-axis. In addition, when floating by balancing with an external force such as gravity, measurement can be performed only when the balance is well balanced. If the distribution of the inhomogeneous electric field is unknown, sufficient linear parameters for measurement cannot be obtained. Further, H.C. Watarai et al. (Langmuir, 1997, 13, 8, pp. 2417-2420), H. et al. Watarai et al. (Chem. Lett., 1998, 3, pp. 279-280), S. et al. Tsukahara et al. (Langmuir, 2000, 16, p. 3866); In the case of a planar quadrupole as described in Ikeda et al. (Anal. Sci., 2003, Vol. 19, pp. 27-31), there is the above-mentioned problem of electric field strength, and in the case of a three-dimensional quadrupole. However, in order to eliminate the influence of gravity, the sample and solution are floated with the same density, so it is necessary to adjust the solution for each sample, and it is difficult to compare individual samples under the same conditions. It is. In addition, since a horizontal capillary of several tens mm is used, a plurality of cameras are required for real-time particle movement observation, and only one end surface can be observed with only one camera.
Such a problem is solved by the present invention. In other words, by using a symmetrical three-dimensional multipole electrode and a microcapillary arranged in the vertical direction, it is possible to evaluate the state of the sample linearly and highly sensitively with a dielectrophoretic mobility α that is not position dependent. became.
In the present invention, the dielectrophoretic mobility of the fine particles is represented by α in the following formula:
logR t = logR 0 + αt
Here, the center of the circular coordinates is represented by R = 0, the dielectrophoresis start position is represented by R 0 , and the distance from the center after t seconds is represented by R t (see FIG. 1). The distance is preferably a horizontal distance on the surface where the non-uniform electric field generating means is provided. Alternatively, the moving speed (moving time) of the sample can be analyzed in consideration of the sedimentation speed due to the gravity of the sample and the flow rate of the electrophoresis solution.
For example, when using a quadrupole electrode, the dielectrophoretic force <F DEP > is represented by the following formula:
<F DEP> = 2πβε m r dep 3 Re [Ke] ∇ | E rms | 2
Where β is a device coefficient, r dep is the particle radius, ε m is the dielectric constant of the medium, and Re [Ke] is the real part of the Clausius-Mossotti factor. Therefore, the dielectrophoretic force is
<F DEP > ∝ ∇ | E rms | 2
And is proportional to ∇ | E rms | 2 .
In the case of a quadrupole, the electric field is ∇ | E rms | 2 = 2RV 2 rms / d 4 (where V is the applied voltage and d is the interelectrode distance). Therefore, due to the balance with viscosity,
F st = 6πηr e dR / dt = <F DEP> = 2πβε m r dep 3 Re [Ke] 2RV 2 rms / d 4
Here, η is the viscosity of the solvent, and R is the distance from the capillary center R 0 . If you divide both sides by R,
1 / R dR / dt = 2πβε m r dep 3 Re [Ke] 2V 2 rms / d 4 = α
It becomes. Since the right side of this equation is uniquely determined by the apparatus and measurement conditions, when α is integrated,
lnR = αt + C (where C is an integral constant)
It becomes. Here, when the position of the sample at the start of electrophoresis (t = 0) is R 0 ,
lnR 0 = C
So,
lnR = αt + lnR 0
It becomes.
As described above, since the dielectrophoretic mobility α is not position-dependent, it can be easily evaluated only by the migration start position and the end position.
The dielectrophoretic mobility is generally measured using a dielectrophoresis apparatus. There is no particular limitation as long as it is a dielectrophoresis apparatus that can generate an electric field with a sufficient strength for measuring the state of fine particles. Usually, the dielectrophoresis apparatus includes a flow path, a non-uniform electric field generating means for generating a non-uniform electric field provided in the flow path, and a means for measuring the position of the fine particles in the flow path. Here, the flow path is a passage of a liquid containing fine particles, and is a chamber portion having a non-uniform electric field generating means and having an inlet and an outlet.
As shown in the upper cross-sectional view of FIG. 1 and the cross-sectional view of FIG. 2, the dielectrophoresis apparatus includes at least a pair of electrodes as non-uniform electric field generating means, for example, inside or outside a channel such as a capillary.
When the channel is a capillary, the inner diameter of the capillary is usually 100 nm to 5 mm, preferably 10 μm to 1 mm, more preferably 10 μm to 500 μm. The material of the capillary is preferably an insulating substance (non-conductive substance). The length of the capillary is usually about 0.1 to 5 mm, more preferably 0.1 mm to 2 mm. A plurality of flow paths may be arranged on one substrate and formed into one chip. In the present invention, the flow path is preferably arranged in the vertical direction.
The width of the electrode itself provided in the channel may be thick or thin like a wire depending on the inner diameter of the channel. It suffices to adopt an electrode structure in which no sample is present in the region where the sample that receives the negative dielectrophoretic force gathers and in the vertical direction thereof. The shape of the electrodes may be any shape that can form a spatially nonuniform electric field between the electrodes. The electrode is preferably a multipole electrode, and the number of electrodes is not limited to a quadrupole, and may be a dipole or an octupole. The cross-sectional shape of each electrode is preferably formed such that the boundary of the electrode cross-section is represented by a function f (x, y) that satisfies the Laplace equation. For example, in the case of a quadrupole, hexapole, and octupole, f (x, y) is a (x 2 −y 2 ) + bxy, a (x 3 −3xy 2 ) + b (y 3 −3x, respectively. 2 y) and a (x 4 -6x 2 y 2 + y 4 ) + b (x 3 y-xy 3 ). Here, a and b are constants. Specifically, for example, in the case of a quadrupole, a substantially hyperbolic shape is preferable. The formed non-uniform electric field is preferably symmetric with respect to the central axis or the central portion of the flow path. More preferably, the multipole electrodes are arranged symmetrically so as to generate a non-uniform electric field having concentric symmetry. Furthermore, the electrodes are preferably arranged along the capillary channel, ie in the vertical direction.
In the present invention, the electrode is preferably a quadrupole electrode. Among the multipole electrodes, the quadrupole electrode has a sufficiently analyzed electric field, and the state can be measured by measuring only the α value that is the dielectrophoretic mobility as described above. This is because the mobility measured in a non-uniform electric field generated by a normal electrode structure is a tensor amount and is position time dependent. That is, when the electric field is symmetric as in the case of a quadrupole electrode, the α value is a scalar quantity (strictly, in the radial direction), and thus it is easy to handle. In the present invention, since dielectrophoresis is usually performed on a microscale such as a capillary, the mobility in the z-axis direction due to the influence of gravity can be ignored, and the α value can be treated approximately as a scalar quantity. For example, if an electrode having a length of 500 μm to 1 mm is arranged in the vertical direction (parallel to the z axis) along the capillary, the electric field shape does not change and the dielectrophoretic force does not change even if the sample moves in the z axis direction. In addition, it is not necessary to float the sample in order to allow movement in the z-axis direction, and the degree of freedom in the dielectrophoretic solution is high, and it is possible to compare samples under the same conditions. Furthermore, since no external force is acting in the electrode direction (a plane perpendicular to the Z axis), even if the sample is likely to adhere to the electrode or move to the effective measurement range, it is only necessary to stop voltage application. Can stop moving. There is no need to consider the balance between the sample position and external force.
The electrode is made of, for example, a conductive material such as carbon or a noble metal, and its structure may be any as long as the dielectrophoretic force generates a non-uniform electric field in a direction perpendicular to the central axis of the flow path. The diameter of the electrode varies depending on the particulate to be analyzed. Usually, the diameter is 100 nm to 5 mm, preferably 10 μm to 1 mm. The length of the electrode can usually be the same as the length of the channel. The distance between the electrodes depends on the fine processing accuracy, and is usually 500 μm or less and 0.1 μm or more, preferably 75 μm or less and 1 μm or more. The diameter and spacing of the multipole electrodes placed in each channel is the same as that of the microparticles to be measured, such as biological microparticles such as viruses, prions, proteins and DNA, and chemically active particles such as coated latex beads. It can be changed accordingly. If the distance between the electrodes is significantly larger than the size of the substance to be measured, a non-uniform electric field with sufficient electric field strength cannot be formed. In the present invention, the fine particles to be measured have different distances from the central axis of the flow channel when introduced into the flow channel.
Further, it is preferable that the surface of the electrode is exposed inside the capillary channel, and the wall supporting the electrode is isolated from the capillary channel. By separating the walls that support the electrodes from the capillary channel, a strong and less distorted electric field can be formed. This is because, if a non-conductive substance exists between the electrode and the capillary, this substance becomes a dielectric and weakens the electric field. Therefore, the distance between the wall supporting the electrode and the capillary channel is electrically increased. When not isolated, it polarizes and becomes a dielectric to affect the electric field and distort the electric field. When a strong electric field is formed, high-speed migration is performed by the strong electric field, and measurement can be performed in a short time from several tens of seconds to several minutes, so that deterioration of the sample can be prevented and measurement can be performed with high accuracy.
In the present invention, the non-uniform electric field generating means must be able to generate an electric field having a strength sufficient for measuring the state of the fine particles. Here, a sufficiently strong electric field is a disturbance caused by internal factors such as Brownian motion and thermal motion (molecular motion) of the fine particles to be measured, or by external factors such as vibration of the measuring device and flow caused by the turbulent migration liquid. On the other hand, the intensity | strength that measurement object microparticles | fine-particles have a sufficiently large dielectrophoretic mobility, ie, the intensity | strength which S / N becomes high. However, since the dielectrophoretic mobility depends on the dielectric constant, size, electrophoretic liquid, and the like of the fine particles to be measured, the absolute strength of the required electric field cannot be determined. Therefore, the strength of the electric field formed in the flow path can be appropriately determined according to the measurement target fine particles.
The intensity of the electric field formed in the flow path is, for example, usually 3.5 MV / m or less, preferably 1.0 MV / m or less. The applied frequency is usually 10 Hz to 100 MHz, more preferably 100 Hz to 10 MHz. In the present invention, the electric field formed may be either a DC electric field or an AC electric field, but is preferably an AC electric field. When the electric field strength is increased, the analysis may be difficult due to heat generation. If there is such a possibility, the electrode portion may be appropriately cooled. Further, the intensity and frequency of the non-uniform electric field may be changed according to time or the behavior of the sample.
In the case of a typical quadrupole electrode, the alternating voltage to be applied is usually 2 to 90 V, preferably 1 to 20 V, and the frequency is usually 10 Hz to 100 MHz, preferably 100 Hz to 10 MHz.
For example, the sample may be placed in a liquid reservoir provided on the inlet side of the flow path, and introduced into the flow path by sucking with a pump or the like from the outlet side of the flow path. Or you may inject | pour a sample into a flow path using an inkjet device, a capillary, a pipette, tweezers, a dispenser etc., In this case, an inkjet device is preferable. The ejection port of the ink jet device is disposed at the upper part of the flow path inlet, and the position thereof can be adjusted so that the sample can be injected along the central axis of the flow path.
In order to prevent the sample from adhering to the wall surface or electrode of the flow channel, for example, the entire inner surface of the flow channel is preferably covered with a hydrophilic film or a biocompatible film.
The dielectrophoretic liquid is introduced or driven into the dielectrophoresis apparatus by, for example, a syringe pump or an ink jet device. The dielectrophoretic solution introducing means or driving means and the flow path are communicated, for example, with a tube or the like. In order to prevent the generation of bubbles, the dielectrophoresis liquid is preferably defoamed in advance.
The distance (ie, position) and position change from the center of the fine particles in the flow path are measured by any measuring means that can detect the fine particles in the flow path. Examples of such measuring means include a charge coupled device (CCD) camera, a confocal laser microscope, and a fluorescence microscope. As the CCD observation means, observation by visible light, fluorescent light, phase interference, differential interference, or the like is possible. A detection device such as these can be placed under the chip provided with the flow path, and the inside of the flow path can be observed. In this way, since the entire capillary can be observed with only one camera from the bottom, the sample at any position can be measured. In addition, even when an ordinary optical microscope is used, it is possible to focus on the flow path and measure the position of the fine particles. The behavior in the channel cross section may be observed at the entire height. That is, it is possible to observe all positions in the flow path by scanning at a height position or moving the focal point.
Means may be provided for calculating dielectrophoretic mobility from the obtained data and thereby calculating the state. An example of such means is a computer. Specifically, the measured position change is stored in a computer together with the frequency applied to the flow path. The computer calculates the dielectrophoretic mobility from the measured position based on the above formula. Optionally, means may be provided for spectralizing as a function of the high frequency electric field frequency to generate a non-uniform electric field. In order to obtain a spectrum, data at various frequencies is required. Therefore, it is preferable to use an apparatus provided with a plurality of flow paths capable of measuring position changes at different frequencies at the same time. The obtained data can be output as a dielectrophoretic mobility spectrum showing frequency dependence.
A frequency spectrum indicating the dielectrophoretic mobility of the fine particles can be obtained by capturing various frequencies applied to each of the plurality of flow channels and the dielectrophoretic mobility of the fine particles in the flow channels as data. it can. Alternatively, data acquired for various states of various fine particles can be collected by a computer and converted into a database.
When dielectrophoretic mobility or dielectrophoretic mobility spectrum was measured for microparticles in an unknown state, the obtained dielectrophoretic mobility or spectrum was converted into the dielectrophoretic mobility of the known microparticle state in this database using a computer. Alternatively, the state of the fine particles can be identified by collating with the frequency spectrum. The dielectrophoresis apparatus may include a means for such collation.
The method of the present invention is usually a method for measuring the state of fine particles using such a dielectrophoresis apparatus,
Introducing a sample containing fine particles into the dielectrophoresis solution and measuring the position R 0 of the fine particles;
Generating a non-uniform electric field for the fine particles in the dielectrophoresis solution and measuring the position R t of the fine particles after t seconds;
Calculating dielectrophoretic mobility from the positions R 0 and R t of the obtained fine particles; and correlating the state with the calculated dielectrophoretic mobility;
including. By correlating in this way, the state can be analyzed based on the dielectrophoretic mobility.
Specifically, for example, the measurement can be performed by the following procedure.
First, a medium suitable for the fine particles to be measured is selected as the dielectrophoresis solution. The medium is preferably water, but is not limited to this, and various organic or inorganic solvents can be used. The medium may be used as it is, and it is preferable to adjust the conductivity, density, osmotic pressure, pH and the like in relation to the fine particles. However, it is not preferable to add a substance that hinders the AC electric field.
Next, a sample containing fine particles to be measured is introduced into the flow path or the upper liquid reservoir previously filled with the medium. The fine particles are moved to a predetermined position where the electrodes are provided by causing a flow or settling by a pump.
A sample placed at a predetermined position is observed by means for measuring the above position, for example, a CCD camera, a laser, an electromagnetic measuring means, etc., and stored in a computer.
Next, an alternating electric field is applied to the stationary sample, and the behavior of the fine particles in the sample is observed by the above means and stored in a computer. If necessary, the AC electric field strength or frequency may be changed during electrophoresis. Depending on the observation results, for example, when there is sample position data and flow, the electrode exit passage time is obtained.
Upon completion of the observation, the sample is discharged from the outlet of the flow path by the above suction means. Data correction is performed on the obtained data based on the sample shape, position, flow, electric field distribution, electrode shape, and the like. Based on the corrected data, the dielectrophoretic mobility is calculated. Further, the state of the target fine particles can be analyzed in detail based on the initial acceleration, speed change, and the like. A profile for each frequency is created and a detailed state analysis is performed.
Alternatively, stimulation (electrical, physical, drug-like) can be given to the fine particles before or during migration. As a means for giving such stimulation, for example, means for dropping a drug on a sample containing fine particles by a pipette or an ink jet device; means for arranging a sample containing fine particles in a device for stimulation; a sample containing fine particles Examples include means for inserting a terminal or the like into the containing container; means for inserting a drug dropping pipe, electrode, or antenna into the flow path system or the wall surface. By means for applying such a stimulus, the microparticles are stimulated before and during the analysis. Alternatively, electromagnetic stimulation, impact, or the like can be stimulated by irradiation from the outside of the flow path.
In this case, the method of the present invention is, for example, after the step of measuring the position R t of the fine particles,
Stimulating the microparticles;
Measuring a position R S of the stimulated microparticle; and calculating a dielectrophoretic mobility from the position R t and R S of the obtained microparticle;
Further included. These data are also analyzed in detail and state analysis is performed.
In the case where a plurality of flow paths are installed, it is possible to sequentially or simultaneously perform measurement with changed conditions. In addition, a plurality of samples (fine particles) can be measured by one measurement in the same channel.
The method of the present invention may further include a step of discharging the sample containing the fine particles after measuring the position R t or R S. That is, if necessary, the fine particles can be separated based on the calculated data, and the discharged fine particles can be reused. In addition, a database can be created by accumulating data obtained on the state of fine particles. It is also possible to characterize the microparticles by collating the measured data of the individual microparticles with the obtained database.
For example, measurements may be taken on a plurality of microparticles that are the same size and structure to identify or characterize their condition. Alternatively, the states of a plurality of fine particles having the same size and structure but different states can be compared. Examples of such fine particles include biological fine particles such as cells. For example, their individual activities can be evaluated by comparing the obtained measurement results.

以下の実施例においては、図2に示すようなキャピラリーを有する四重極マイクロキャピラリー生体微粒子分析システムを使用した。誘電泳動移動度の測定の操作手順は、以下のとおりである。
まず、チップ内(100μm径キャピラリーを備えたチップ)にKCl溶液(導電率33.5mS/m)を満たし、チップ上部の溶液溜めに試料をインジェクトする。シリンジポンプによって溶液をフロー(10nl/分〜100nl/分)させてキャピラリー内の測定部位に試料を輸送する。システム観測系に設置したニコンELWD Plan Fluor 40倍レンズを用い、測定装置を作動させて動画としてシステム観測系であるSony DFW−X700もしくはPIXERA 600SL−CUデジタルカメラで試料の挙動観察を開始する。次いで、設定した泳動用電場を発生させ、泳動を開始させる。所定の時間後にまたは試料がキャピラリー中央もしくは電極に到達すると、印加電圧を停止する。溶液のフロー(10000nl/分程度)を発生させ、試料除去およびキャピラリー内の洗浄を行う。次いで、新たな試料の導入を行う。並列して測定したデータを、画像解析を行うことによって、キャピラリー内での試料位置を計算する。この試料位置より誘電泳動移動度を算出する。
(実施例1:異なる栄養状態で培養した細胞の状態の測定)
ヒト褐色脂肪細胞(Chang liver株)の一部をLB栄養培地(以下、単に栄養培地という場合がある)に、ならびに他の一部をアルギン酸ナトリウムを含まない貧栄養培地中で37℃にて12時間培養した。一方、図1に示すような四重極電極を有する測定チップのキャピラリー内を、予めそれぞれの培地で満たしておいた。次いで、細胞を含む各培地100μLを、それぞれ上部液溜め(またはキャピラリー内)にマイクロシリンジによってインジェクトした。キャピラリー内の培地をシリンジポンプによって、それぞれの細胞を四重極電極の位置まで移動させ、1MV/m、100Hzの電荷を30秒間印加した。印加の開始前から終了まで流路を観察し、細胞の位置を測定した。得られた位置データをもとに、移動距離を求め、そして以下の式により誘電泳動移動度αを算出した。
logR=logR+αt
(式において、キャピラリー断面の中心がR=0、泳動開始位置がR、およびt秒後の中心からの距離がRのとき、誘電泳動移動度はα)。
各細胞について得られた移動距離を図3に示す。図3に示すように、貧栄養状態で培養した細胞(○)と通常栄養状態で培養した細胞(□および△)とは、誘電泳動の移動方向および移動度が全く異なることがわかった。このことから、細胞表面の状態が、細胞の活性により大きく異なることが明らかになった。細胞は、生きている状態では絶縁性を保っており、表面の負電荷の各種生体高分子の特性に応じた荷電状態を示す。しかし、死細胞の細胞膜は絶縁性を失っており、本実施例の結果は細胞膜表面の状態が泳動結果に反映することを示唆している。したがって、誘電泳動移動度と細胞膜表面のストレス状態を表すパラメータとの間の相関関係を検討することにより、誘電泳動移動度を用いて細胞膜表面状態を識別することが可能性であると考えられる。
(実施例2:ヨーグルト菌および酵母菌の判別)
市販のヨーグルト菌および酵母菌について、誘電泳動プロファイルを取得した。印加電圧は5Vであり、溶媒としてKCl溶液(導電率33.5mS/m)を用いた。印加周波数は1kHz〜10MHzとした。結果を図4に示す。
印加周波数1MHzにおいては、ヨーグルト菌(○)が正泳動、酵母菌(△)が負泳動を起こしていた。ヨーグルト菌と酵母菌とでは誘電泳動移動度のプロファイルに明らかな違いが見られることより判別が可能であり、また、印加周波数1MHzのように泳動挙動が明確に異なっている箇所では単独の周波数測定で判別が可能であることがわかった。
(実施例3:四重極内での細胞の移動挙動)
ヒト肝臓由来のHepG2細胞を37℃で栄養培地または貧栄養培地中に60時間放置し、10時間ごとに上記の四重極電極誘電泳動測定用チップに個々に分離した細胞を導入して移動距離を測定した。溶媒は、各培地であり、印加周波数は100Hzとした。栄養培地中でのHepG2細胞の移動距離の経時変化を図5に示す。また、栄養培地(○)または貧栄養培地(△)中での細胞活性の減少に伴う誘電泳動移動度αの経時変化を算出し、図6に示した。
栄養培地中の細胞は、放置時間が短い場合は負泳動であるが、放置時間が長くなるにつれて正泳動に変化した(図5)。図6からわかるように、栄養培地中の細胞は、約40時間で誘電泳動移動度αが0になり、細胞活性が低下に向かっていることがわかった。一方、貧栄養培地中の貧栄養状態の細胞は、栄養培地中の通常の栄養状態の細胞よりもややαが大きいが、栄養培地中の細胞との顕著な差は見られなかった。
(実施例4:薬物添加効果の検討)
HepG2細胞を含む培養液(栄養培地または貧栄養培地)に、抗癌剤である塩酸ドキソルビシンを種々の濃度で添加して24時間インキュベートした後、HepG2細胞を上記の四重極電極誘電泳動測定用チップに導入し、細胞の移動距離を測定し、各濃度の添加時における誘電泳動移動度αを求めた。同時に、それぞれの培地中の細胞の活性をATPアーゼ活性によって測定し、活性値を基準化した値の半値に対応する濃度を、塩酸ドキソルビシンの50%有効濃度(EC50)とした。EC50は、栄養培地中の細胞については0.16mMであり、貧栄養状態の細胞では0.077mMであった。また、いずれの細胞も、0.5mM以上で活性の低下が見られた。
誘電泳動移動度αと濃度との関係を図7に示す。栄養培地で培養した細胞を○で、そして貧栄養培地で培養した細胞を△で示す。塩酸ドキソルビシンの添加により、いずれの培地で培養した細胞においても0.1mM付近からα値が変化することがわかった。また、0.5mM以上でα値の変化が小さくなっていた。
次いで、この図7のグラフにおいて、得られたEC50値の濃度に対応するα値を0.5、薬物未添加時のα値を0、ならびに細胞の活性がなくなったときの薬物濃度に対応するα値を1として、α値を規格化すると、図8に示すグラフが得られた。このように、α値の変化で薬剤の薬理効果をスクリーニングできる可能性が示唆された。
(実施例5:種々の薬物の添加効果の評価の検討)
上記実施例4と同様に、通常の栄養状態または貧栄養状態のHepG2細胞に対して、抗癌剤である塩酸ドキソルビシン、硫酸ブレオマイシン、およびマイトマイシンCをそれぞれ種々の濃度で添加して培養した後、細胞の移動距離を測定し、誘電泳動移動度αを求めた。次いで、薬物添加濃度とα値との関係をグラフにした。各薬物についてのグラフから、薬物未添加時のα値とα値が変化しなくなった薬物濃度に対応するα値との中間のα値を求め、この中間のα値に対応する薬物濃度をEC50値であると推定した。各薬物についての、α値から得られた推定EC50値を、図9に示す。
(実施例6:細胞の生体活性の評価)
ヒト肝臓由来のHepG2細胞を、栄養培地を入れた細胞培養ウェル中で37℃にて72時間培養した。各ウェルから細胞を3個ずつ取り出し、各細胞を上記の四重極電極誘電泳動測定用チップに導入し、細胞の移動距離を測定し、誘電泳動移動度αを求めた。次いで、各ウェルについて、細胞内Ca2+流入およびATPアーゼ活性を測定した。細胞内Ca2+流入は、蛍光プローブFura−2によって測定し、そしてATPアーゼ活性は、リン酸濃度によって測定した。各ウェルに由来する個々の細胞のα値と、各ウェルの細胞内Ca2+流入およびATPアーゼ活性との関係を、それぞれ図10AおよびBに示す。
これらのグラフからわかるように、α値と細胞内Ca2+流入およびATPアーゼ活性とは、対応している可能性が示唆された。細胞内Ca2+流入およびATPアーゼ活性は、いずれも細胞膜機能に関連する指標である。したがって、細胞膜の状態がα値に影響すると考えられる。
(実施例7:リポソームの誘電泳動)
生体微粒子モデルであるリポソームとして、1−パルミトイル−2−オレオイルホスファチジルコリン(POPC)およびPOPC/1−パルミトイル−2−オレオイルホスファチジルグリセロール(POPG)を、蛍光プローブであるカルセイン(1mM)を含んだ水溶液中で、高温水和法(60℃、3時間)により調製した(粒径2〜20μm)。次いで、上記の四重極電極誘電泳動測定用チップのキャピラリー内を、予め上記の緩衝液で満たした。リポソームを含む緩衝液100μLを、それぞれ上部液溜め(またはキャピラリー内)にマイクロシリンジによってインジェクトした。キャピラリー内の緩衝液をシリンジポンプによって、それぞれのリポソームを四重極電極の位置まで移動させ、1MV/m、100Hzの電荷を25秒間印加した。印加の開始前から終了まで流路を観察し、リポソームの位置を測定した。
各リポソームについて得られた移動距離Rの経時変化を図11に示す。移動距離から算出したPOPCからなるリポソームの誘電泳動移動度αは0.00798であり、POPC/POPGからなるリポソームでは、α値は0.0131であった。このように、リポソームの組成によってα値が異なっていた。
In the following examples, a quadrupole microcapillary biological microparticle analysis system having a capillary as shown in FIG. 2 was used. The operation procedure for measuring the dielectrophoretic mobility is as follows.
First, a KCl solution (conductivity 33.5 mS / m) is filled in the chip (chip having a 100 μm diameter capillary), and a sample is injected into a solution reservoir at the top of the chip. The solution is flowed by a syringe pump (10 nl / min to 100 nl / min) to transport the sample to a measurement site in the capillary. Using a Nikon ELWD Plan Fluor 40 × lens installed in the system observation system, the measurement apparatus is operated to start observation of sample behavior as a moving image using the Sony DFW-X700 or PIXERA 600SL-CU digital camera as the system observation system. Next, the set electric field for electrophoresis is generated to start electrophoresis. The applied voltage is stopped after a predetermined time or when the sample reaches the center of the capillary or the electrode. A flow of the solution (about 10,000 nl / min) is generated, and the sample is removed and the inside of the capillary is washed. Next, a new sample is introduced. The sample position in the capillary is calculated by performing image analysis on the data measured in parallel. The dielectrophoretic mobility is calculated from the sample position.
(Example 1: Measurement of the state of cells cultured in different nutritional states)
A part of human brown adipocytes (Chang river strain) is placed in LB nutrient medium (hereinafter sometimes referred to simply as nutrient medium), and the other part in an nutrient medium not containing sodium alginate at 37 ° C. Incubate for hours. On the other hand, the inside of the capillary of the measuring chip having a quadrupole electrode as shown in FIG. 1 was previously filled with each medium. Next, 100 μL of each medium containing cells was injected into the upper reservoir (or inside the capillary) with a microsyringe. The medium in the capillary was moved to the position of the quadrupole electrode by a syringe pump, and a charge of 1 MV / m and 100 Hz was applied for 30 seconds. The flow path was observed from the start to the end of application, and the cell position was measured. Based on the obtained position data, the moving distance was obtained, and the dielectrophoretic mobility α was calculated by the following equation.
logR t = logR 0 + αt
(In the equation, when the center of the capillary section is R = 0, the migration start position is R 0 , and the distance from the center after t seconds is R t , the dielectrophoretic mobility is α).
The travel distance obtained for each cell is shown in FIG. As shown in FIG. 3, it was found that the direction and mobility of dielectrophoresis were completely different between cells cultured in an oligotrophic state (◯) and cells cultured in a normal nutrient state (□ and Δ). From this, it became clear that the state of the cell surface varies greatly depending on the activity of the cell. The cells remain insulative in the living state, and show a charged state according to the characteristics of various biopolymers having a negative charge on the surface. However, the cell membrane of dead cells has lost insulation, and the results of this example suggest that the state of the cell membrane surface is reflected in the electrophoretic results. Therefore, it is considered possible to identify the cell membrane surface state using the dielectrophoretic mobility by examining the correlation between the dielectrophoretic mobility and the parameter representing the stress state on the cell membrane surface.
(Example 2: Discrimination between yogurt and yeast)
Dielectrophoresis profiles were obtained for commercially available yogurt and yeast. The applied voltage was 5 V, and a KCl solution (conductivity 33.5 mS / m) was used as a solvent. The applied frequency was 1 kHz to 10 MHz. The results are shown in FIG.
At an applied frequency of 1 MHz, yogurt bacteria (◯) were positively migrated and yeast (Δ) were negatively electrophoresed. It is possible to discriminate between yogurt and yeast due to the apparent difference in the profile of dielectrophoretic mobility, and single frequency measurement at places where the migration behavior is clearly different, such as the applied frequency of 1 MHz. It was found that discrimination was possible.
(Example 3: Cell migration behavior in the quadrupole)
HepG2 cells derived from human liver are allowed to stand in a nutrient medium or an oligotrophic medium at 37 ° C. for 60 hours, and the separated cells are introduced into the above-mentioned quadrupole electrode dielectrophoresis measurement chip every 10 hours to move the distance. Was measured. The solvent was each medium, and the applied frequency was 100 Hz. FIG. 5 shows the change over time of the migration distance of HepG2 cells in the nutrient medium. Moreover, the time-dependent change of the dielectrophoretic mobility α accompanying the decrease in the cell activity in the nutrient medium (◯) or the oligotrophic medium (Δ) was calculated and shown in FIG.
The cells in the nutrient medium were negatively migrated when the standing time was short, but changed to normal running as the standing time was long (FIG. 5). As can be seen from FIG. 6, the cells in the nutrient medium had a dielectrophoretic mobility α of 0 in about 40 hours, indicating that the cell activity was decreasing. On the other hand, the cells in the oligotrophic medium in the oligotrophic medium had a slightly larger α than the cells in the normal nutrient state in the nutrient medium, but no significant difference was found from the cells in the nutrient medium.
(Example 4: Examination of drug addition effect)
After adding doxorubicin hydrochloride as an anticancer agent at various concentrations to a culture solution (nutrient medium or oligotrophic medium) containing HepG2 cells and incubating for 24 hours, the HepG2 cells are placed on the above-described quadrupole electrode dielectrophoresis measurement chip. The cells were introduced, the distance of cell movement was measured, and the dielectrophoretic mobility α when each concentration was added was determined. At the same time, the activity of the cells in each medium was measured by ATPase activity, and the concentration corresponding to half the value obtained by standardizing the activity value was defined as the 50% effective concentration (EC 50 ) of doxorubicin hydrochloride. The EC 50 was 0.16 mM for cells in nutrient medium and 0.077 mM for oligotrophic cells. In addition, any cell showed a decrease in activity at 0.5 mM or more.
The relationship between the dielectrophoretic mobility α and the concentration is shown in FIG. The cells cultured in the nutrient medium are indicated by ○, and the cells cultured in the oligotrophic medium are indicated by △. It was found that addition of doxorubicin hydrochloride changed the α value from around 0.1 mM in cells cultured in any medium. Moreover, the change of α value was small at 0.5 mM or more.
Next, in the graph of FIG. 7, the α value corresponding to the obtained EC 50 value concentration is 0.5, the α value when no drug is added is 0, and the drug concentration is when the cell activity is lost. When the α value to be normalized was set to 1 and the α value was normalized, the graph shown in FIG. 8 was obtained. Thus, the possibility that the pharmacological effect of the drug can be screened by the change in the α value was suggested.
(Example 5: Examination of evaluation of addition effect of various drugs)
In the same manner as in Example 4 described above, after culturing by adding various concentrations of doxorubicin hydrochloride, bleomycin sulfate, and mitomycin C, which are anticancer agents, to HepG2 cells in normal or oligotrophic state, The movement distance was measured to determine the dielectrophoretic mobility α. Next, the relationship between the drug addition concentration and the α value was graphed. From the graph for each drug, an α value intermediate between the α value when no drug is added and the α value corresponding to the drug concentration at which the α value no longer changes is obtained, and the drug concentration corresponding to this intermediate α value is determined as EC. It was estimated to be 50 values. The estimated EC 50 values obtained from the α values for each drug are shown in FIG.
(Example 6: Evaluation of biological activity of cells)
HepG2 cells derived from human liver were cultured for 72 hours at 37 ° C. in cell culture wells containing nutrient medium. Three cells were taken out from each well, each cell was introduced into the above-mentioned quadrupole electrode dielectrophoresis measurement chip, the cell migration distance was measured, and the dielectrophoretic mobility α was determined. Then, for each well, intracellular Ca 2+ influx and ATPase activity were measured. Intracellular Ca 2+ influx was measured by the fluorescent probe Fura-2, and ATPase activity was measured by phosphate concentration. The relationship between the α value of individual cells derived from each well and the intracellular Ca 2+ influx and ATPase activity of each well is shown in FIGS. 10A and B, respectively.
As can be seen from these graphs, it was suggested that the α value, intracellular Ca 2+ influx and ATPase activity may correspond to each other. Intracellular Ca 2+ influx and ATPase activity are both indicators related to cell membrane function. Therefore, it is considered that the state of the cell membrane affects the α value.
(Example 7: Dielectrophoresis of liposome)
An aqueous solution containing 1-palmitoyl-2-oleoylphosphatidylcholine (POPC) and POPC / 1-palmitoyl-2-oleoylphosphatidylglycerol (POPG) as a fluorescent particle model liposome, calcein (1 mM) as a fluorescent probe In particular, it was prepared by a high temperature hydration method (60 ° C., 3 hours) (particle size: 2 to 20 μm). Next, the inside of the capillary of the above-described quadrupole electrode dielectrophoresis measurement chip was previously filled with the above buffer solution. 100 μL of a buffer solution containing liposomes was injected into each upper reservoir (or in the capillary) with a microsyringe. Each liposome was moved to the position of the quadrupole electrode by a syringe pump through the buffer in the capillary, and a charge of 1 MV / m and 100 Hz was applied for 25 seconds. The flow path was observed from the start to the end of application, and the position of the liposome was measured.
FIG. 11 shows changes with time of the movement distance R obtained for each liposome. The dielectrophoretic mobility α of the liposome made of POPC calculated from the moving distance was 0.00798, and the α value of the liposome made of POPC / POPG was 0.0131. Thus, the α value was different depending on the composition of the liposome.

本発明の方法によれば、誘電泳動移動度から微粒子の表面特性および内部構造などの微粒子の状態を一体的に測定することが可能である。本発明の方法によれば、大量の試料を必要とせずに、微粒子1個体の分析が可能であり、分析速度も速い。さらに、データベースを作成すると、微粒子の同定が可能となり、物質の推定(判別)可能となる。また、マーカー物質の添加、接触による損傷などがないため、分析に供した試料を再利用でき、分析に供した微粒子をさらなる精密分析に供することもできる。例えば、同種類の粒子(構造が同じ)の状態の違いを誘電泳動移動度で評価することが可能である。したがって、特に、生体微粒子(細胞、細菌、細胞膜、リポソームなど)の品質管理、活性度測定、薬効判定、テーラーメイド医療などの分野への適用に有用である。   According to the method of the present invention, it is possible to integrally measure the state of fine particles such as the surface characteristics and internal structure of the fine particles from the dielectrophoretic mobility. According to the method of the present invention, it is possible to analyze one individual fine particle without requiring a large amount of sample, and the analysis speed is high. Furthermore, if a database is created, it is possible to identify fine particles and estimate (discriminate) substances. Moreover, since there is no addition of a marker substance or damage due to contact, the sample subjected to the analysis can be reused, and the fine particles subjected to the analysis can be subjected to further precise analysis. For example, it is possible to evaluate the difference in the state of the same type of particles (having the same structure) using the dielectrophoretic mobility. Therefore, it is particularly useful for application to fields such as quality control of biological microparticles (cells, bacteria, cell membranes, liposomes, etc.), activity measurement, drug efficacy determination, and tailor-made medicine.

Claims (22)

微粒子の状態を測定する方法であって、
微粒子を含む試料を誘電泳動液中に導入し、該微粒子の位置Rを測定する工程;
該誘電泳動液中の該微粒子に対して不均一電界を発生させ、t秒後の該微粒子の位置Rを測定する工程;
該得られた微粒子の位置RおよびRから、誘電泳動移動度を算出する工程;および
該状態と該算出された誘電泳動移動度とを相関させる工程;
を含み、
該状態が、表面の官能基の構造、表面の特異性、表面の電位、大きさ、形状、活性、内部のイオン量分布、内部のイオン成分、内部の組成、および内部の構造からなる群より選択される少なくとも1つであり、
該不均一電界が多重極電極により発生され、該多重極電極が、対称に配置されており、
該誘電泳動液が、垂直方向に配置された内径10μmから500μmのキャピラリー流路内にあり、そして
該電極が、0.1mmから2mmの長さであって、該キャピラリー流路に沿って配置される、方法。
A method for measuring the state of fine particles,
Introducing a sample containing fine particles into the dielectrophoresis solution and measuring the position R 0 of the fine particles;
Generating a non-uniform electric field for the fine particles in the dielectrophoresis solution and measuring the position R t of the fine particles after t seconds;
Calculating dielectrophoretic mobility from the positions R 0 and R t of the obtained fine particles; and correlating the state with the calculated dielectrophoretic mobility;
Including
The state is a group consisting of the structure of the functional group on the surface, the surface specificity, the surface potential, the size, the shape, the activity, the internal ion content distribution, the internal ion component, the internal composition, and the internal structure. At least one selected,
The non-uniform electric field is generated by a multipole electrode, the multipole electrode being arranged symmetrically;
The dielectrophoresis solution is in a vertically arranged capillary channel having an inner diameter of 10 μm to 500 μm, and the electrode has a length of 0.1 mm to 2 mm and is disposed along the capillary channel. The way.
前記電極の表面が、前記キャピラリー流路の内部に露出し、そして該電極を支持する壁が、該キャピラリー流路から隔離されている、請求項1に記載の方法。The method of claim 1, wherein a surface of the electrode is exposed inside the capillary channel and a wall supporting the electrode is isolated from the capillary channel. 前記微粒子が、生体微粒子である、請求項1または2に記載の方法。The method according to claim 1, wherein the fine particles are biological fine particles. 前記測定が複数の微粒子について行われる、請求項1から3のいずれかに記載の方法。The method according to claim 1, wherein the measurement is performed on a plurality of fine particles. 前記複数の微粒子の大きさおよび構造が同じである、請求項4に記載の方法。The method of claim 4, wherein the plurality of microparticles have the same size and structure. 前記複数の微粒子の状態が異なる、請求項5に記載の方法。The method according to claim 5, wherein states of the plurality of fine particles are different. 前記相関させる工程の後に、
前記複数の微粒子の状態について比較する工程;
をさらに含む、請求項6に記載の方法。
After the correlating step,
Comparing the states of the plurality of microparticles;
The method of claim 6, further comprising:
前記状態が活性であり、そして前記相関させる工程によって該活性が評価される、請求項1から7のいずれかに記載の方法。8. A method according to any of claims 1 to 7, wherein the condition is active and the activity is assessed by the correlating step. 前記微粒子の位置Rを測定する工程の後に、
該微粒子に刺激を与える工程;
該刺激を受けた微粒子の位置Rを測定する工程;および
該得られた微粒子の位置RおよびRから、誘電泳動移動度を算出する工程;
をさらに含む、請求項1から8のいずれかに記載の方法。
After the step of measuring the position R t of the fine particles,
Stimulating the microparticles;
Measuring a position R S of the stimulated microparticle; and calculating a dielectrophoretic mobility from the position R t and R S of the obtained microparticle;
The method according to claim 1, further comprising:
前記微粒子を含む試料に、予め刺激が与えられている、請求項1から8のいずれかに記載の方法。The method according to any one of claims 1 to 8, wherein the sample containing the fine particles is previously stimulated. 前記刺激が薬液添加である、請求項9または10に記載の方法。The method according to claim 9 or 10, wherein the stimulation is chemical addition. 前記薬液の添加量が異なる、請求項11に記載の方法。The method according to claim 11, wherein the amount of the chemical solution added is different. 前記生体微粒子が、ヒト細胞である、請求項3に記載の方法。The method according to claim 3, wherein the biological microparticle is a human cell. 前記ヒト細胞が、肝臓由来細胞である、請求項13に記載の方法。The method of claim 13, wherein the human cell is a liver-derived cell. 前記誘電泳動液への前記試料の導入が、インクジェットデバイス、キャピラリー、ピペット、ピンセット、またはディスペンサーを用いて行われる、請求項1から14のいずれかに記載の方法。The method according to any one of claims 1 to 14, wherein the introduction of the sample into the dielectrophoresis solution is performed using an inkjet device, a capillary, a pipette, tweezers, or a dispenser. 前記不均一電界の強度および周波数を、時間または試料の挙動に応じて変化させる、請求項1から15のいずれかに記載の方法。The method according to claim 1, wherein the intensity and frequency of the non-uniform electric field are changed according to time or sample behavior. 前記位置RまたはRを測定した後に、前記微粒子を含む試料を排出する工程をさらに含む、請求項1から16のいずれかに記載の方法。The method according to claim 1, further comprising discharging the sample containing the fine particles after measuring the position R t or R S. 前記誘電泳動移動度に基づいて状態を解析する工程をさらに含む、請求項1から17のいずれかに記載の方法。The method according to claim 1, further comprising analyzing a state based on the dielectrophoretic mobility. 前記状態が、前記微粒子の表面構造または官能基である、請求項1から18のいずれかに記載の方法。The method according to claim 1, wherein the state is a surface structure or a functional group of the fine particles. 請求項1から19のいずれかに記載の微粒子の状態を測定する方法に用いるための誘電泳動装置であって、
流路;
該流路の一部に備えられた、不均一電界を発生させるための不均一電界発生手段;および
該流路中の微粒子の位置を測定する手段;
を備え、
該不均一電界発生手段が、該微粒子の状態の測定に十分な強度の電界を発生し得る多重極電極であり、該多重極電極が対称に配置されており、誘電泳動液が、垂直方向に配置された内径10μmから500μmの該流路内にあり、そして該電極が、0.1mmから2mmの長さであって、該流路に沿って配置される、装置。
A dielectrophoresis apparatus for use in the method for measuring a state of fine particles according to any one of claims 1 to 19,
Flow path;
A non-uniform electric field generating means for generating a non-uniform electric field provided in a part of the flow path; and a means for measuring the position of the fine particles in the flow path;
With
The non-uniform electric field generating means is a multipole electrode capable of generating an electric field with sufficient strength for measuring the state of the fine particles, the multipole electrodes are arranged symmetrically, and the dielectrophoretic liquid is arranged in a vertical direction. A device in which the inner diameter is 10 μm to 500 μm and the electrode is 0.1 mm to 2 mm long and is arranged along the flow path.
前記不均一電界発生手段が、多重極電極であり、該多重極電極が、同心円状対称性を有する不均一電界を発生するように対称に配置される、請求項20に記載の装置。21. The apparatus of claim 20, wherein the non-uniform electric field generating means is a multipole electrode, and the multipole electrode is symmetrically arranged to generate a non-uniform electric field having concentric symmetry. さらに、前記測定した微粒子の位置から誘電泳動移動度を計算して、該誘電泳動移動度から該微粒子の状態を計算するための手段を備える、請求項20または21に記載の装置。The apparatus according to claim 20 or 21, further comprising means for calculating a dielectrophoretic mobility from the measured position of the microparticle and calculating a state of the microparticle from the dielectrophoretic mobility.
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